QT中使用ffmpeg的api进行视频的播放

news2024/11/19 15:33:14

在了解ffmpeg使用api进行视频的播放之前，我们首先了解一下视频的播放流程。

一、视频的播放流程

首先是我们最常见的视频文件，在播放流程中首先是要打开视频文件，将视频文件中的数据进行解封装，之后再将解封装之后的视频进行解码。解码之后的视频便是视频帧的数据，之后将视频帧数据一帧一帧的显示在显示器上。

在这里插入图片描述

在使用api进行视频播放的时候也是通过这个流程。接下来我们看具体的实现。

二、ffmpeg中的数据结构体

在了解使用api之前，还需要先了解一下ffmpeg中的相关结构体，在了解了这些结构体之后，可以更容易的理解代码。

AVFormatContext：此结构体存储音视频封装格式中包含的信息，并且这个结构体是贯穿整个播放流程的。在这个结构体中主要包含AVInputFormat，AVOutputFormat、AVStream等。

struct AVInputFormat *iformat; // 输入数据的封装格式
AVIOContext *pb; // 输入数据的缓存
unsigned int nb_streams; // 音视频流的个数
AVStream **streams; // 音视频流
char filename[1024]; // 文件名
int64_t duration; // 时长（单位：微秒us，转换为秒需要除以1000000）
int bit_rate; // 比特率（单位bps，转换为kbps需要除以1000）
AVDictionary *metadata; // 元数据

**AVCodecContext：**是一个描述编解码器上下文的结构体，包含了众多编解码器需要的参数信息。

enum AVMediaType codec_type; // 编解码器的类型（视频，音频...）
struct AVCodec  *codec; // 采用的解码器AVCodec（H.264,MPEG2...）
int bit_rate; // 平均比特率
uint8_t *extradata; int extradata_size; // 针对特定编码器包含的附加信息（例如对于H.264解码器来说，存储SPS，PPS等）
AVRational time_base; // 根据该参数，可以把PTS转化为实际的时间（单位为秒s）
int width, height; // 如果是视频的话，代表宽和高
int refs; // 运动估计参考帧的个数（H.264的话会有多帧，MPEG2这类的一般就没有了）
int sample_rate; // 采样率（音频）
int channels; // 声道数（音频）
enum AVSampleFormat sample_fmt; // 采样格式
int profile; // 型（H.264里面就有，其他编码标准应该也有）
int level; // 级（和profile差不太多）

AVCodec：是存储编码器信息的结构体。

const char *name; // 编解码器的名字的简称
const char *long_name; // 编解码器名字的全称
enum AVMediaType type; // 指明了类型，是视频，音频，还是字幕
enum AVCodecID id; // ID，不重复
const AVRational *supported_framerates; // 支持的帧率（仅视频）
const enum AVPixelFormat *pix_fmts; // 支持的像素格式（仅视频）,如RGB24、YUV420P等。
const int *supported_samplerates; // 支持的采样率（仅音频）
const enum AVSampleFormat *sample_fmts; // 支持的采样格式（仅音频）
const uint64_t *channel_layouts; // 支持的声道数（仅音频）
int priv_data_size; // 私有数据的大小

AVFrame：该结构描述解码的（原始的）音频或视频数据。AVFrame必须使用av_frame_alloc（）进行分配。请注意，这只是分配AVFrame本身，必须管理数据的缓冲区通过其他方式。AVFrame必须使用av_frame_free（）释放。

AVPacket：是存储压缩编码数据相关信息的结构体。

uint8_t *data; // 压缩编码的数据。
/* 例如对于H.264来说。1个AVPacket的data通常对应一个NAL。

注意：在这里只是对应，而不是一模一样。他们之间有微小的差别：使用FFMPEG类库分离出多媒体文件中的H.264码流。因此在使用FFMPEG进行音视频处理的时候，常常可以将得到的AVPacket的data数据直接写成文件，从而得到音视频的码流文件。*/
int   size; // data的大小
int64_t pts; // 显示时间戳
int64_t dts; // 解码时间戳
int   stream_index; // 标识该AVPacket所属的视频/音频流。

三、ffmpeg函数介绍

void avdevice_register_all(void);
初始化libavdevice并且注册所有的输入和输出设备。

AVFormatContext *avformat_alloc_context(void);
分配AVFormatContext。此函术分配的AVFormatContext结构体需要avformat_free_context（）来释放上下文以及框架在其中分配的所有内容。
返回值：
    分配的AVFormatContext结构体。

int avformat_open_input (AVFormatContext **ps, const char *url, ff_const59 AVInputFormat *fmt, AVDictionary **options);
功能：打开输入流并读取标题，并将视频信息写入到AVFormatContext中。
打开输入流并读取标题。编解码器如果未打开。流必须使用avformat_close_input（）关闭。
参数：
	ps：指向用户提供的AVFormatContext（由avformat_alloc_context分配）的指针。可能是指向NULL的指针，在这种情况下，AVFormatContext由该函数分配并写入ps。请注意，用户提供的AVFormatContext将在失败时释放。
	url：要打开的流的URL。
	fmt：如果非NULL，此参数将强制使用特定的输入格式。否则将自动检测格式。
	options：一个充满AVFormatContext和解复用器私有选项的字典。返回时，此参数将被销毁，并替换为包含未找到的选项的dict。可能为NULL。
返回值：
	成功时为0，失败时为负AVERROR。

into avformat_find_stream_info (AVFormatContext *ic, AVDictionary **options);
功能：读取媒体文件的数据包以获取流信息。
参数：
    ic：媒体文件上下文
    options：如果非NULL，则ic.nb_streams指向字典的指针长数组，其中第i个成员包含与第i个流对应的编解码器的选项。返回时，每个字典都将填充未找到的选项。
返回值：如果返回值大于等于0则说明成功，返回其他我失败。

AVCodec* avcodec_find_decoder (enum AVCodecID id);
功能：根据提供的AVCodecID寻找一个已经注册的解码器；
参数：所请求解码器的AVCodecID；
返回值：如果找到返回一个AVCodec，失败则返回nullptr；

int avcodec_open2 (AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options)；
功能：初始化AVCodecContext以使用给定的AVCodec。在使用此函数之前，必须使用avcodec_alloc_text3（）分配上下文。
参数：
    avctx：要初始化的上下文；
    codec：要为其打开此上下文的编解码器。如果之前已将非NULL编解码器传递给avcodec_alloc_text3（）或此上下文，则此参数必须为NULL或等于之前传递的编解码器；
    options：一个充满AVCodecContext和编解码器专用选项的字典。返回时，此对象将填充未找到的选项。可以为nullptr；
返回值：成功时为零，错误时为负值；

av_frame_alloc：分配AVFrame并将其字段设置为默认值。主要该函数只分配AVFrame的空间，它的data字段的指定的buffer需要其它函数分配。返回为一个AVFream对象。

int av_read_frame (AVFormatContext *s, AVPacket *pkt);
功能：返回流的下一帧。此函数返回文件中存储的内容，并且不验证解码器是否有有效的帧。它会将存储在文件中的内容拆分为多个帧，并为每个调用返回一个帧。它不会省略有效帧之间的无效数据，从而给解码器提供解码所可能的最大信息。
成功后，返回的数据包被引用计数（pkt->buf被设置），并且无限期有效。当不再需要数据包时，必须使用av_packet_unref（）释放该数据包。对于视频，数据包只包含一帧。
参数：
    s：媒体上下文结构体；
    pkt：返回的数据包
返回值：0（如果正常），<0（如果出现错误或文件结束）。出现错误时，pkt将为空（好像它来自av_packet_alloc（））。

int avcodec_send_packet (AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt);
功能：将原始数据包数据作为输入提供给解码器。
参数：
    avctx：编解码器上下文
    avpkt：输入的AVPacket。通常，这将是一个单独的视频帧，或几个完整的音频帧。数据包的所有权仍然属于调用者，解码器不会写入数据包。解码器可以创建对分组数据的引用（或者如果分组没有被引用计数则复制它）;
返回值：成功时为0。
    否则为负错误代码：AVERROR（EAGAIN）：在当前状态下不接受输入-用户必须使用avcodec_receive_frame（）	  读取输出（一旦读取了所有输出，则应重新发送数据包，并且使用EAGAIN调用不会失败）。
    AVERROR_EOF:解码器已被刷新，无法向其发送新的数据包（如果发送了1个以上的刷新数据包，也会返回）			AVERROR（EINVAL）：编解码器未打开，它是编码器，或需要刷新
    AVERROR（ENOMEM）：无法将数据包添加到内部队列，或类似的其他错误：合法解码错误

int avcodec_receive_frame (AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame);
功能：返回解码器的解码输出数据。
参数：
    avctx：编解码器上下文
    frame：这将被设置为由解码器分配的参考计数的视频或音频帧（取决于解码器类型）。请注意，在执行其他操作之前，函数将始终调用av_frame_unref（frame）。这是输出。
返回值：0：成功，返回了一个帧AVERROR（EAGAIN）：在这种状态下输出不可用-用户必须尝试发送新的输入       AVERROR_EOF：解码器已完全刷新，将不再有输出帧AVERROR（EINVAL）：编解码器未打开，或者是编码器AVERROR_input_CHANGED：当前解码的帧相对于第一个解码的帧更改了参数。设置标志AV_CODEC_flag_DROCHANGED时适用。其他负值：合法解码错误

struct SwsContext* sws_getContext (int srcW, int srcH, enum AVPixelFormat srcFormat, int dstW, int dstH, enum AVPixelFormat dstFormat, int flags, SwsFilter *srcFilter, SwsFilter *dstFilter, const double *param);
功能：分配并返回SwsContext;
参数：
    srcW 源图像的宽度;
	srcH 源图像的高度;
	srcFormat 源图像格式;
	dstW 目标图像的宽度;
	dstH 目标图像的高度;
	dstFormat 目标图像格式;
	flags 指定用于重新缩放的算法和选项;
	srcFilter 可以是nullptr;
	dstFilter 可以是nullptr；
	param 用于调整所用缩放器的额外参数对于SWS_BICUBIC param[0]和[1]调整基函数的形状，param[0]调整f（1）和param[1]f´（1）对于SWS_GAUSS param[0]调整指数，因此截止频率对于SWS_LANZOS param[0]调整窗口函数的宽度;
返回值：指向已分配上下文的指针，或者出现错误时为NULL;

int av_image_get_buffer_size(enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height, int align);
功能：返回存储具有给定参数的图像所需的数据量的大小（以字节为单位）。
参数：
    pix_fmt 图像的像素格式；
	width 以像素为单位的图像宽度；
	height 以像素为单位的图像高度；
	align 假定的行大小对齐；
返回值：返回以字节为单位的缓冲区大小，失败时为负错误代码；

void *av_malloc(size_t size) av_malloc_attrib av_alloc_size(1);
功能：分配一个对齐方式适合所有内存访问的内存块（包括CPU上可用的矢量）。
参数：size 要分配的内存块的大小（以字节为单位）；

int av_image_fill_arrays(uint8_t *dst_data[4], int dst_linesize[4],
                         const uint8_t *src,
                         enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height, int align);
功能：根据指定的图像参数和提供的数组设置数据指针和行大小。
参数：
    st_data 要填写的数据指针；
	dst_linesize 对要填充的dst_data中的图像进行行化；
	src 缓冲区，它将包含或包含实际的图像数据，可以为NULL；
	pix_fmt 图像的像素格式；
	width 以像素为单位的图像宽度；
	height 以像素为单位的图像高度；
	align src中用于行大小对齐的值；
返回值：返回src所需的字节大小，为负错误代码

int sws_scale(struct SwsContext *c, const uint8_t *const srcSlice[],
              const int srcStride[], int srcSliceY, int srcSliceH,
              uint8_t *const dst[], const int dstStride[]);
功能：在srcSlice中缩放图像切片，并将生成的缩放切片放在dst中的图像中。切片是图像中连续行的序列。
参数：
	c 以前使用创建的缩放上下文sws_getContext（）
	srcSlice 包含指向源切片
	srcStride 数组，该数组包含源图像
	srcSliceY 切片在源图像中的位置过程，即数字（从零）在切片的第一行的图像中
	rcSliceH 源切片的高度，即数字切片中的行数
	dst 包含指向目的地图像
	dst 遍历包含目的地图像
返回值：输出切片的高度

四、ffmpeg api播放视频的函数调用流程

在这里插入图片描述

五、代码

打开文件代码

#ifndef FFMPEGAPIOPENDEVICE_H
#define FFMPEGAPIOPENDEVICE_H

#include <QObject>
#include <QDebug>
#include <QTime>
extern "C"{
#include "libavutil/avassert.h"
#include "libavutil/channel_layout.h"
#include "libavutil/opt.h"
#include "libavutil/imgutils.h"
#include "libavformat/avformat.h"
#include "libswscale/swscale.h"
#include "libswresample/swresample.h"
#include "libavdevice/avdevice.h"
#include "libavcodec/avcodec.h"
}

class ffmpegApiOpenDevice : public QObject
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit ffmpegApiOpenDevice(QObject *parent = nullptr);
    ~ffmpegApiOpenDevice();
    void initFfmpeg(QString filePath = "");
private:
    int openVideoDevice(AVFormatContext *pIFormatCtx,QString filePath);
    void openStream(AVFormatContext *pIFormatCtx,int videoindex);
private:
    AVFormatContext *m_pIfmtCtx = nullptr;    //AVFormatContext是一个贯穿ffmpeg整个流程的结构体，其中包含了其他的几个结构体
    int m_videoStreamindex = -1;                //流index
    AVCodecContext *m_pICodecCtx = nullptr;   //编码上下文结构体
    AVCodec *m_pICodec = nullptr;             //编码
    AVFrame *m_pIFrame = nullptr;             //AVFrame结构体一般用于存储原始数据（即非压缩数据，例如对视频来说是YUV，RGB，对音频来说是PCM）
    AVPacket *m_pIPacket = nullptr;           //AVPacket是FFmpeg中很重要的一个数据结构，
    bool isOpenFile = false;
signals:
    void sendFrameSignal(AVCodecContext *pICodecCtx,AVFrame *pIFrame);
public slots:
    void displayVideo();
};

#endif // FFMPEGAPIOPENDEVICE_H


#include "ffmpegapiopendevice.h"
#include "video/ffmpegapisavevideo.h"
ffmpegApiOpenDevice::ffmpegApiOpenDevice(QObject *parent) : QObject(parent)
{
    avdevice_register_all();
}

ffmpegApiOpenDevice::~ffmpegApiOpenDevice()
{
    avcodec_close(m_pICodecCtx);
    av_frame_free(&m_pIFrame);
    av_packet_free(&m_pIPacket);
    avformat_close_input(&m_pIfmtCtx);
}

void ffmpegApiOpenDevice::initFfmpeg(QString filePath)
{
    //创建一个AVFormatContext结构体，它是一个贯穿ffmpeg整个流程的结构体，其中包含了其他的几个结构体
    m_pIfmtCtx = avformat_alloc_context();

    //打开设备
    m_videoStreamindex = openVideoDevice(m_pIfmtCtx,filePath);

    //打开流
    openStream(m_pIfmtCtx,m_videoStreamindex);
    //至此，流的通路已经打通

    //创建AVPacket
    int y_size = m_pICodecCtx->width * m_pICodecCtx->height;
    m_pIPacket = static_cast<AVPacket *>(av_malloc(sizeof(AVPacket))); //分配一个packet
    av_new_packet(m_pIPacket, y_size); //分配packet的数据
}

void ffmpegApiOpenDevice::displayVideo()
{
    while(1){

        if(m_pIPacket == nullptr){
            continue;
        }
        //获取像素帧到frame中
        m_pIFrame = av_frame_alloc();

        //将读取的帧数据存储到m_pIPacket中
        if (av_read_frame(m_pIfmtCtx, m_pIPacket) < 0)   //从设备中读取数据写入到AVPacket
        {
           break; //这里认为视频读取完了
        }

        if (m_pIPacket->stream_index == m_videoStreamindex) {    //判断流是不是我们需要的流
            int ret;
            ret = avcodec_send_packet(m_pICodecCtx, m_pIPacket);
            av_packet_unref(m_pIPacket);
            if(ret!=0){
               return;
            }
            ret = avcodec_receive_frame(m_pICodecCtx, m_pIFrame);
            if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
                continue;
            if(ret!=0){
                qDebug()<<"avcodec_receive_frame failed !";
                return;
            }
            emit sendFrameSignal(m_pICodecCtx,m_pIFrame);
        }
        if(isOpenFile){//这里是为播放视频做的延时，延时31ms差不多就是25帧
             QThread::msleep(25);
        }
    }

}

int ffmpegApiOpenDevice::openVideoDevice(AVFormatContext *pIFormatCtx,QString filePath)
{
    //使用libavdevice读取数据,和直接打开视频文件比较类似，使用libavdevice的时候，唯一的不同在于需要首先查找用于输入的设备
    AVInputFormat *ifmt;
    int videoindex = -1;//码流的索引
    //2、根据输入格式的短名称查找AVInputFormat。
    ifmt = av_find_input_format("vfwcap");
    //3、根据上一个函数获取到的输入格式，打开摄像机设备。并将摄像机的相关信息写入到pIFormatCtx中。
    int ret = 0;
    if(filePath.isEmpty()){
        isOpenFile = false;
        ret = avformat_open_input(&pIFormatCtx,"0",ifmt,nullptr);
    }else{
        isOpenFile = true;
        ret = avformat_open_input(&pIFormatCtx,filePath.toUtf8(),nullptr,nullptr);
    }

    if(ret != 0){
        qDebug() << "Couldn't open input stream.\n";
        return -1;
    }

    //4、根据avformat_open_input打开设备的信息寻找pIFormatCtx中是否有数据流。
    if(avformat_find_stream_info(pIFormatCtx,nullptr) < 0)
    {
        qDebug() << "Couldn't find stream information.\n";
        return -1;
    }else{
        qDebug() << "Success find stream information!\n";
    }



    //5、在pIFormatCtx中循环查找数据包包含的流信息，直到找到视频类型的流,便将流ID记录 videoindex中
    for(int i = 0; i < static_cast<int>(pIFormatCtx->nb_streams); i++)
    {
        if(static_cast<int>(pIFormatCtx->streams[i]->codecpar->codec_type) == AVMEDIA_TYPE_VIDEO)
        {
            videoindex=i;
            break;
        }
    }
    if(videoindex==-1)
    {
        qDebug() << "Couldn't find a video stream.\n";
    }else{
        qDebug() << "Success find a video stream!\n";
    }
    return videoindex;
}

void ffmpegApiOpenDevice::openStream(AVFormatContext *pIFormatCtx,int videoindex)
{
    //获取流中的编码上下文
    m_pICodecCtx = pIFormatCtx->streams[videoindex]->codec;
    //根据六种的编码上下文获取编码器ID

    m_pICodec = avcodec_find_decoder(m_pICodecCtx->codec_id);
//    AVCodec *codec = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H264);//软编码
//    AVCodec * codec = avcodec_find_encoder_by_name("nvenc_h264");//硬编码
    if(m_pICodec == nullptr)
    {
        qDebug() << ("Codec not found.\n");
    }else{

        qDebug() << "Codec found Successfuly!\n";
    }
    //8、打开解码器
    if(avcodec_open2(m_pICodecCtx, m_pICodec,nullptr)<0)
    {
        qDebug() << ("Could not open codec.\n");
    }else{
        qDebug() << "Success open codec!\n";
    }
}

显示代码

#ifndef FFMPEGAPIDISPLAY_H
#define FFMPEGAPIDISPLAY_H

#include <QObject>
#include <QDebug>
#include <QThread>
#include <QVector>
#include <QImage>
extern "C"{
#include "libavutil/avassert.h"
#include "libavutil/channel_layout.h"
#include "libavutil/opt.h"
#include "libavutil/imgutils.h"
#include "libavformat/avformat.h"
#include "libswscale/swscale.h"
#include "libswresample/swresample.h"
#include "libavdevice/avdevice.h"
#include "libavcodec/avcodec.h"
}

#define MaxFrameNum 10
class ffmpegApiDisplay : public QObject
{
    Q_OBJECT

public:
    explicit ffmpegApiDisplay(QObject *parent = nullptr);
    void initDisplay(AVCodecContext *pCodecCtx);
    void insertFrame(AVFrame *frame);
    void stopDisplay();
private:
    SwsContext* img_convert_ctx;
    AVFrame* m_pIFrameRGB = nullptr;
    uint8_t *pIBuffer;  //开辟存储像素点的存储地址
    AVCodecContext *m_pCodecCtx;
    QVector<AVFrame *> m_frameVector;
    QImage m_image;
    bool state = false;
    bool photograph = false;

signals:
    void sendImageSignal(QImage img);
public slots:
    void display();
};

#endif // FFMPEGAPIDISPLAY_H


#include "ffmpegapidisplay.h"

ffmpegApiDisplay::ffmpegApiDisplay(QObject *parent) : QObject(parent)
{

}

void ffmpegApiDisplay::initDisplay(AVCodecContext *pCodecCtx)
{
    m_pCodecCtx = pCodecCtx;
    img_convert_ctx = sws_getContext(m_pCodecCtx->width, m_pCodecCtx->height,
            m_pCodecCtx->pix_fmt, m_pCodecCtx->width, m_pCodecCtx->height,
            AV_PIX_FMT_RGB32, SWS_BICUBIC, nullptr, nullptr, nullptr);

    int pixSize = av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_RGB32, m_pCodecCtx->width,  m_pCodecCtx->height,16);
    //创建保存空间,底层使用malloc进行内存空间的开辟。
    pIBuffer = static_cast<uint8_t *>(av_malloc(static_cast<size_t>(pixSize)));

    //创建图像转换之后的帧
    m_pIFrameRGB = av_frame_alloc();
    av_image_fill_arrays(m_pIFrameRGB->data,
                         m_pIFrameRGB->linesize,
                         pIBuffer,
                         AV_PIX_FMT_RGB32,
                         m_pCodecCtx->width,
                         m_pCodecCtx->height,
                         16);

    state = true;
}

void ffmpegApiDisplay::insertFrame(AVFrame *frame)
{
    if(m_frameVector.length()>MaxFrameNum){
        m_frameVector.pop_front();
    }
    m_frameVector.append(frame);
}

void ffmpegApiDisplay::stopDisplay()
{
    state = false;
}

void ffmpegApiDisplay::display()
{
    while(state){
        if(m_frameVector.isEmpty()){
            continue;
        }
        AVFrame *pIFrame = m_frameVector.front();
        int length = m_frameVector.length();
        m_frameVector.pop_front();
        if(pIFrame == nullptr){
            continue;
        }
        static int i=0;
        i++;
        qDebug()<<"ffmpegApiDisplay::display() 输出frame ："<<i;

        sws_scale(img_convert_ctx,
                static_cast<uint8_t const * const *>(pIFrame->data),
                pIFrame->linesize, 0, m_pCodecCtx->height, m_pIFrameRGB->data,
                m_pIFrameRGB->linesize);


        QImage tmpImg(static_cast<uchar *>(pIBuffer),m_pCodecCtx->width,m_pCodecCtx->height,QImage::Format_RGB32);
        QImage image = tmpImg.copy();//把图像复制一份 传递给界面显示
        if(photograph){//此部分和拍照功能相关
            m_image = tmpImg.copy();
            photograph = false;
        }
        emit sendImageSignal(image);  //发送信号
    }
    sws_freeContext(img_convert_ctx);
    av_frame_free(&m_pIFrameRGB);
}

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