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C++中使用FFmpeg适配自定义编码器的实现方法

作者：卡咖喱

本文介绍了在C++中使用FFmpeg库进行自定义编码器适配的实现方法。文章通过具体的代码示例，介绍了FFmpeg的基本使用方法和自定义编码器的实现过程，帮助读者了解如何在C++中进行音视频编码和解码的开发工作，并能够实现自定义的编码器适配

1 编码流程

FFmpeg是一个开源的多媒体框架，底层可对接实现多种编解码器，下面参考文件doc/examples/encode_video.c分析编码一帧的流程

1.1 整体流程

统一的编码流程如下图所示

FFmpeg使用的是引用计数的思想，对于一块buffer，刚申请时引用计数为1，每有一个模块进行使用，引用计数加1，使用完毕后引用计数减1，当减为0时释放buffer。

此流程中需要关注buffer的分配，对于编码器来说，输入buffer是yuv，也就是上图中的frame，输出buffer是码流包，也就是上图中的pkt，下面对这两个buffer进行分析

编码一帧的相关代码如下：

static void encode(AVCodecContext *enc_ctx, AVFrame *frame, AVPacket *pkt,
                   FILE *outfile)
{
    int ret;
    /* send the frame to the encoder */
    if (frame)
        printf("Send frame %3"PRId64"\n", frame->pts);
    ret = avcodec_send_frame(enc_ctx, frame);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Error sending a frame for encoding\n");
        exit(1);
    }
    while (ret >= 0) {
        ret = avcodec_receive_packet(enc_ctx, pkt);
        if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
            return;
        else if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "Error during encoding\n");
            exit(1);
        }
        printf("Write packet %3"PRId64" (size=%5d)\n", pkt->pts, pkt->size);
        fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfile);
        av_packet_unref(pkt);
    }
}

其中avcodec_receive_packet返回EAGAIN表示送下一帧，返回EOF表示编码器内部已经没有码流。

1.2 内部流程

此处分析编码一帧的内部流程，首先看FFmpeg内部编码器的上下文，其中有三个重要结构体

typedef struct AVCodecInternal {
	...
    /**
     * The input frame is stored here for encoders implementing the simple
     * encode API.
     *
     * Not allocated in other cases.
     */
    AVFrame *in_frame;
    /**
     * Temporary buffers for newly received or not yet output packets/frames.
     */
    AVPacket *buffer_pkt;
    AVFrame *buffer_frame;
    ...
} AVCodecInternal;

下面结合送帧和收流的接口进行介绍

可见send和receive接口均可触发一帧编码，此处触发一帧编码分为两个流程，receive流程和simple流程，代码片段如下：

static int encode_receive_packet_internal(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt)
{
	...
	if (ffcodec(avctx->codec)->cb_type == FF_CODEC_CB_TYPE_RECEIVE_PACKET) {
        ret = ffcodec(avctx->codec)->cb.receive_packet(avctx, avpkt);
        if (ret < 0)
            av_packet_unref(avpkt);
        else
            // Encoders must always return ref-counted buffers.
            // Side-data only packets have no data and can be not ref-counted.
            av_assert0(!avpkt->data || avpkt->buf);
    } else
        ret = encode_simple_receive_packet(avctx, avpkt);
    ...
}

如果是receive流程，则直接调用receive_packet接口的回调，该接口中注册定制编码器的接口，完成一帧编码。如果是simple流程，则调用的是encode_simple_receive_packet，这是FFmpeg封装的一个简易流程，其中调用的是encode接口，代码片段如下，详细分析可参考文章：

static int encode_simple_internal(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt)
{
    AVFrame          *frame = avci->in_frame;
    const FFCodec *const codec = ffcodec(avctx->codec);
    int got_packet;
	...
	/* 拷贝buffer_frame到in_frame */
	...
    if (CONFIG_FRAME_THREAD_ENCODER && avci->frame_thread_encoder) {
        /* This will unref frame. */
        ret = ff_thread_video_encode_frame(avctx, avpkt, frame, &got_packet);
    } else {
        ret = ff_encode_encode_cb(avctx, avpkt, frame, &got_packet);
#if FF_API_THREAD_SAFE_CALLBACKS
        if (frame) {
            av_frame_unref(frame);
        }
#endif
    }
    ...
    return ret;
}

2 适配接口

适配接口参考ffmpeg/libavcodec/nvenc_h264.c，这是英伟达的硬件编码器接口，自定义一个编码器只需实现以下结构体

const FFCodec ff_h264_nvenc_encoder = {
    .p.name         = "h264_nvenc",
    .p.long_name    = NULL_IF_CONFIG_SMALL("NVIDIA NVENC H.264 encoder"),
    .p.type         = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
    .p.id           = AV_CODEC_ID_H264,
    .init           = ff_nvenc_encode_init,
    FF_CODEC_RECEIVE_PACKET_CB(ff_nvenc_receive_packet),
    .close          = ff_nvenc_encode_close,
    .flush          = ff_nvenc_encode_flush,
    .priv_data_size = sizeof(NvencContext),
    .p.priv_class   = &h264_nvenc_class,
    .defaults       = defaults,
    .p.capabilities = AV_CODEC_CAP_DELAY | AV_CODEC_CAP_HARDWARE |
                      AV_CODEC_CAP_ENCODER_FLUSH | AV_CODEC_CAP_DR1,
    .caps_internal  = FF_CODEC_CAP_INIT_CLEANUP,
    .p.pix_fmts     = ff_nvenc_pix_fmts,
    .p.wrapper_name = "nvenc",
    .hw_configs     = ff_nvenc_hw_configs,
};

这里面最重要三个接口是init、close和receive，还有一个比较重要的数据结构是option，此处写明了编码器支持的具体配置

static const AVOption options[] = {
#ifdef NVENC_HAVE_NEW_PRESETS
    { "preset",       "Set the encoding preset",            OFFSET(preset),       AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = PRESET_P4 },     PRESET_DEFAULT, PRESET_P7,          VE, "preset" },
#else
    { "preset",       "Set the encoding preset",            OFFSET(preset),       AV_OPT_TYPE_INT,   { .i64 = PRESET_MEDIUM }, PRESET_DEFAULT, PRESET_LOSSLESS_HP, VE, "preset" },
#endif
    { "default",      "",                                   0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_DEFAULT },             0, 0, VE, "preset" },
    { "slow",         "hq 2 passes",                        0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_SLOW },                0, 0, VE, "preset" },
    { "medium",       "hq 1 pass",                          0,                    AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = PRESET_MEDIUM },              0, 0, VE, "preset" },
...
};
static const AVClass h264_nvenc_class = {
    .class_name = "h264_nvenc",
    .item_name = av_default_item_name,
    .option = options,
    .version = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
};

2.1 init、close

init是初始化编码器的接口，在avcodec_open2中调用，定义接口如下，此接口一般是根据用户的option配置，来对编码器进行相应的初始化

int (*init)(struct AVCodecContext *)

close是关闭编码器的接口，在avcodec_free_context中调用，定义接口如下，该接口完成编码器内部的一些资源释放操作

int (*close)(struct AVCodecContext *)

2.2 option

每个编码器有一个自定义的上下文，其作用是在编码器初始化之前对上下文进行配置，编码器初始化的时候就可以按照用户的配置来初始化，以nvenc为例该上下文的定义为

ypedef struct NvencContext
{
    ...
    // 队列相关的定义
    ...
    // 编码相关的配置信息
    int preset;
    int profile;
    int level;
    int tier;
    int rc;
    int cbr;
	...
} NvencContext;

该上下文在avcodec内部使用，对外不可见，因此需要option的方式开放对外配置的接口，使用一个AVOption来描述一个编码器的配置

typedef struct AVOption {
    const char *name;
    /**
     * short English help text
     * @todo What about other languages?
     */
    const char *help;
    /**
     * The offset relative to the context structure where the option
     * value is stored. It should be 0 for named constants.
     */
    int offset;
    enum AVOptionType type;
    /**
     * the default value for scalar options
     */
    union {
        int64_t i64;
        double dbl;
        const char *str;
        /* TODO those are unused now */
        AVRational q;
    } default_val;
    double min;                 ///< minimum valid value for the option
    double max;                 ///< maximum valid value for the option
    int flags;
    const char *unit;
} AVOption;

其中关键的是offset和type成员，offset描述了这个option在上下文中的偏移量，type描述了成员占据的长度，有这两个信息就可以在不对外暴露内部上下文的情况下，修改其中的值，用户配置option的示例如下

av_opt_set(c->priv_data, "preset", "slow", 0);

2.3 receive

nvenc在avcodec层实现了多帧缓存，因此他实现的是receive接口，代码片段如下，需要注意这里输入输出都存在拷贝

int ff_nvenc_receive_packet(AVCodecContext *avctx, AVPacket *pkt)
{
    NvencSurface *tmp_out_surf;
    int res, res2;
    NvencContext *ctx = avctx->priv_data;
    AVFrame *frame = ctx->frame;		// 这个是init中申请的
    if (!frame->buf[0]) {
    	// 将buffer_frame引用拷贝到frame中
        res = ff_encode_get_frame(avctx, frame);	
        if (res < 0 && res != AVERROR_EOF)
            return res;
    }
	// 编码一帧，推测是阻塞的，nv相关的函数没有找到介绍，其中存在拷贝
    res = nvenc_send_frame(avctx, frame);		
    if (res < 0) {
        if (res != AVERROR(EAGAIN))
            return res;
    } else
        av_frame_unref(frame);
    if (output_ready(avctx, avctx->internal->draining)) {
    	// 从ready队列中取编码好的surface
        av_fifo_read(ctx->output_surface_ready_queue, &tmp_out_surf, 1);
        res = nvenc_push_context(avctx);
        if (res < 0)
            return res;
		// 拷贝到pkt中
        res = process_output_surface(avctx, pkt, tmp_out_surf);
        res2 = nvenc_pop_context(avctx);
        if (res2 < 0)
            return res2;
        if (res)
            return res;
		// surface再放回unused队列
        av_fifo_write(ctx->unused_surface_queue, &tmp_out_surf, 1);
    } else if (avctx->internal->draining) {
        return AVERROR_EOF;
    } else {
        return AVERROR(EAGAIN);
    }
    return 0;
}

2.4 encode

nvenc没有实现encode接口，这里参考libavcodec/libx264.c的实现，libx264的流程比较繁琐，总结为流程图如下，x264_encoder_encode为非阻塞接口，内部存在yuv的拷贝，调用后不一定会获取到一帧编码好的码流，但获取到之后，同样需要拷贝到输出pkt中

2.5 零拷贝的设计

通过以上分析，发现两种编码器的实现都存在拷贝，下面分析零拷贝实现的可能性

首先是输入零拷贝，输入yuv是外部申请的，编码器只是使用，对于一个阻塞的编码器（即送帧后需要阻塞等待该帧编码完成），这个设计是相对简单的，只需要将frame的地址告诉编码器即可，从编码开始到结束只有一个yuv buffer，编码完成后意味这一帧也消耗完了；如果是非阻塞的编码器涉及多个buffer缓存在编码器中，该设计过于复杂此处不讨论

然后是输出零拷贝，输出的码流buffer是编码器自己申请的，要实现零拷贝，上层使用完毕之后就需要将该buffer还给编码器，参考FFmpeg的example是有这个动作的，即调用unref减引用计数

void av_packet_unref(AVPacket *pkt)

AVPacket中实际的码流buffer在buf成员中

typedef struct AVPacket {
    /**
     * A reference to the reference-counted buffer where the packet data is
     * stored.
     * May be NULL, then the packet data is not reference-counted.
     */
    AVBufferRef *buf;
    ...
} AVPacket;

该接口将buf的引用计数减到零之后，会进行释放操作，对于AVBufferRef而言，释放操作是可以定制的，只需要将free赋值即可

struct AVBuffer {
    ...
    void (*free)(void *opaque, uint8_t *data);
	...
};

FFmpeg有相关接口可以生成一个定制的AVBufferRef

AVBufferRef *av_buffer_create(uint8_t *data, size_t size,
                              void (*free)(void *opaque, uint8_t *data),
                              void *opaque, int flags)

这里data是已经分配好的buffer的地址，size是已经分配的buffer的大小，free是对应的释放函数

因此，输出buffer零拷贝可以这样实现，通过相关编码器接口获取到一包码流之后，通过av_buffer_create来生成AVBufferRef，传入的是这包码流的地址和大小，注册free函数为还码流buffer给编码器的函数，将生成的AVBufferRef赋值到AVPacket中返回给上层，上层使用完毕后，调用av_packet_unref即可向编码器还码流。

到此这篇关于C++中使用FFmpeg适配自定义编码器的实现方法的文章就介绍到这了,更多相关C++ FFmpeg适配编码器内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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