NV12数据格式转H265编码格式实现过程

news2024/12/29 10:45:34

一、需求

在视频处理和传输应用中，将视频数据编码为高效的格式是非常重要的。H.265（也称为HEVC）是一种先进的视频编码标准，具有更好的压缩性能和图像质量，相比于传统的编码标准（如H.264），可以显著减少视频的带宽和存储需求。

NV12是一种常见的视频格式，用于表示YUV图像数据，尤其在实时视频处理中广泛使用。它将亮度（Y）和色度（UV）分量分开存储，其中Y分量占据连续的内存块，而UV分量交错存储在另一个连续的内存块中。

本需求实现将NV12格式的视频数据转换为H.265格式的数据，并将其保存在内存中。这样可以方便地对视频数据进行后续处理，如网络传输、存储或实时流媒体传输等。

为了实现这一需求，使用了C语言和FFmpeg库。FFmpeg是一个强大的开源多媒体处理库，提供了丰富的功能和编解码器，包括H.265编码器。

下面代码实现了如何使用FFmpeg库将NV12格式的视频数据编码为H.265格式的数据，并将其保存在内存中。函数接受NV12数据、宽度和高度作为输入，并返回编码后的H.265数据和数据大小。这样，用户可以方便地将NV12格式的视频数据转换为H.265格式，并在内存中进行进一步处理或传输。同时也提供了文件的方式。

这个功能可以在各种视频处理应用中使用，如视频编辑软件、实时视频流处理系统、视频通信应用等。通过使用H.265编码，可以提高视频传输的效率和质量，减少带宽和存储需求，同时保持良好的视觉体验。

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二、NV12和H265格式详细介绍

NV12和H265都是视频编码中经常使用的像素格式，下面分别介绍这两种格式的特点和使用场景。

【1】NV12像素格式

NV12是一种YUV像素格式，常用于视频编码和解码过程中。它是一种planar格式，即Y和UV分量分别存储在不同的平面中。其中，Y分量表示亮度信息，UV分量表示色度信息。在NV12格式中，UV分量的采样率为4:2:0，即每4个Y像素共用一个U和一个V像素。这种采样方式可以有效地减小数据量，同时保持视频质量。

NV12格式的存储顺序为：先存储所有的Y分量，然后存储所有的U和V分量，U和V交错存储。因此，NV12格式的数据大小为（1.5 x 图像宽度 x 图像高度）字节。

NV12格式常用于视频流传输和视频编解码器中，例如在H.264视频编解码器和DirectShow视频开发中都广泛使用。

【2】H265像素格式

H265（又称HEVC）是一种高效的视频编码标准，它可以在相同视频质量的情况下大幅度减小视频文件的大小。H265支持多种像素格式，其中最常用的是YUV 4:2:0和YUV 4:2:2。

YUV 4:2:0格式与NV12类似，也是一种planar格式，其中Y分量存储亮度信息，UV分量采用4:2:0采样方式存储色度信息。YUV 4:2:2格式则采用4:2:2的采样方式存储UV分量，即每2个Y像素共用一个U和一个V像素。

与H264相比，H265的主要改进在于更高的压缩率和更低的比特率，同时保持相同质量的视频输出。因此，H265格式可以在同样的视频质量下使用更低的比特率进行编码，达到更小的文件大小。H265格式常用于网络视频流媒体传输、4K和8K高清视频等领域。

三、代码实现

【1】内存数据处理

要将NV12格式的数据转换为H.265格式的数据并保存在内存中，可以使用FFmpeg库来实现编码操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <libavcodec/avcodec.h>

// 将NV12数据编码为H.265并保存在内存中
int encodeNV12toH265(uint8_t* nv12Data, int width, int height, uint8_t** h265Data, int* h265Size) {
    int ret = 0;
    AVCodec* codec = NULL;
    AVCodecContext* codecContext = NULL;
    AVFrame* frame = NULL;
    AVPacket* packet = NULL;

    // 注册所有的编解码器
    avcodec_register_all();

    // 查找H.265编码器
    codec = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H265);
    if (!codec) {
        fprintf(stderr, "找不到H.265编码器\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 创建编码器上下文
    codecContext = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!codecContext) {
        fprintf(stderr, "无法分配编码器上下文\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 配置编码器参数
    codecContext->width = width;
    codecContext->height = height;
    codecContext->pix_fmt = AV_PIX_FMT_NV12;
    codecContext->codec_id = AV_CODEC_ID_H265;
    codecContext->codec_type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;
    codecContext->time_base.num = 1;
    codecContext->time_base.den = 25; // 假设帧率为25fps

    // 打开编码器
    if (avcodec_open2(codecContext, codec, NULL) < 0) {
        fprintf(stderr, "无法打开编码器\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 创建输入帧
    frame = av_frame_alloc();
    if (!frame) {
        fprintf(stderr, "无法分配输入帧\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 设置输入帧的属性
    frame->format = codecContext->pix_fmt;
    frame->width = codecContext->width;
    frame->height = codecContext->height;

    // 分配输入帧的数据缓冲区
    ret = av_frame_get_buffer(frame, 32);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "无法分配输入帧的数据缓冲区\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 将NV12数据复制到输入帧的数据缓冲区
    memcpy(frame->data[0], nv12Data, width * height); // Y分量
    memcpy(frame->data[1], nv12Data + width * height, width * height / 2); // UV分量

    // 创建输出数据包
    packet = av_packet_alloc();
    if (!packet) {
        fprintf(stderr, "无法分配输出数据包\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 发送输入帧给编码器
    ret = avcodec_send_frame(codecContext, frame);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "无法发送输入帧给编码器\n");
        ret = -1;
        goto cleanup;
    }

    // 循环从编码器接收输出数据包
    while (ret >= 0) {
        ret = avcodec_receive_packet(codecContext, packet);
        if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
            break;
        else if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "从编码器接收输出数据包时发生错误\n");
            ret = -1;
            goto cleanup;
        }

        // 分配内存并复制输出数据包的数据
        *h265Data = (uint8_t*)malloc(packet->size);
        if (!*h265Data) {
            fprintf(stderr, "无法分配内存\n");
            ret = -1;
            goto cleanup;
        }
        memcpy(*h265Data, packet->data, packet->size);
        *h265Size = packet->size;

        // 释放输出数据包
        av_packet_unref(packet);
    }

cleanup:
    // 释放资源
    if (packet)
        av_packet_free(&packet);
    if (frame)
        av_frame_free(&frame);
    if (codecContext)
        avcodec_free_context(&codecContext);

    return ret;
}

使用以上的封装函数，可以将NV12格式的数据传入函数中，函数会将其编码为H.265格式的数据并保存在内存中。编码后的H.265数据存储在h265Data指针指向的内存中，数据的大小保存在h265Size中。

【2】文件数据处理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavutil/opt.h>

// 将NV12数据编码为H.265格式
int encodeNV12ToH265(const char* nv12FilePath, const char* h265FilePath, int width, int height)
{
    // 注册所有的编解码器
    avcodec_register_all();

    // 打开编码器
    AVCodec* codec = avcodec_find_encoder(AV_CODEC_ID_H265);
    if (!codec) {
        fprintf(stderr, "Failed to find H.265 encoder\n");
        return -1;
    }

    AVCodecContext* codecContext = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!codecContext) {
        fprintf(stderr, "Failed to allocate codec context\n");
        return -1;
    }

    // 配置编码器参数
    codecContext->width = width;
    codecContext->height = height;
    codecContext->time_base = (AVRational){1, 25};  // 帧率为25fps
    codecContext->framerate = (AVRational){25, 1};
    codecContext->pix_fmt = AV_PIX_FMT_NV12;

    // 打开编码器上下文
    if (avcodec_open2(codecContext, codec, NULL) < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to open codec\n");
        return -1;
    }

    // 创建输入文件的AVFrame
    AVFrame* frame = av_frame_alloc();
    if (!frame) {
        fprintf(stderr, "Failed to allocate frame\n");
        return -1;
    }

    frame->format = codecContext->pix_fmt;
    frame->width = codecContext->width;
    frame->height = codecContext->height;

    // 分配输入帧缓冲区
    int ret = av_frame_get_buffer(frame, 32);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to allocate frame buffer\n");
        return -1;
    }

    // 打开输入文件
    FILE* nv12File = fopen(nv12FilePath, "rb");
    if (!nv12File) {
        fprintf(stderr, "Failed to open NV12 file\n");
        return -1;
    }

    // 打开输出文件
    FILE* h265File = fopen(h265FilePath, "wb");
    if (!h265File) {
        fprintf(stderr, "Failed to open H.265 file\n");
        return -1;
    }

    // 创建编码用的AVPacket
    AVPacket* packet = av_packet_alloc();
    if (!packet) {
        fprintf(stderr, "Failed to allocate packet\n");
        return -1;
    }

    int frameCount = 0;
    while (1) {
        // 从输入文件读取NV12数据到AVFrame
        if (fread(frame->data[0], 1, width * height, nv12File) != width * height) {
            break;
        }
        if (fread(frame->data[1], 1, width * height / 2, nv12File) != width * height / 2) {
            break;
        }

        frame->pts = frameCount++;  // 设置帧的显示时间戳

        // 发送AVFrame到编码器
        ret = avcodec_send_frame(codecContext, frame);
        if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "Error sending frame to codec: %s\n", av_err2str(ret));
            return -1;
        }

        // 从编码器接收编码后的数据包
        while (ret >= 0) {
            ret = avcodec_receive_packet(codecContext, packet);
            if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) {
                break;
            } else if (ret < 0) {
                fprintf(stderr, "Error receiving packet from codec: %s\n", av_err2str(ret));
                return -1;
            }

            // 将编码后的数据包写入输出文件
            fwrite(packet->data, 1, packet->size, h265File);
            av_packet_unref(packet);
        }
    }

    // 刷新编码器
    ret = avcodec_send_frame(codecContext, NULL);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Error sending flush frame to codec: %s\n", av_err2str(ret));
        return -1;
    }

    while (ret >= 0) {
        ret = avcodec_receive_packet(codecContext, packet);
        if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) {
            break;
        } else if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "Error receiving packet from codec: %s\n", av_err2str(ret));
            return -1;
        }

        // 将编码后的数据包写入输出文件
        fwrite(packet->data, 1, packet->size, h265File);
        av_packet_unref(packet);
    }

    // 释放资源
    fclose(nv12File);
    fclose(h265File);
    av_frame_free(&frame);
    av_packet_free(&packet);
    avcodec_free_context(&codecContext);

    return 0;
}

int main()
{
    const char* nv12FilePath = "input.nv12";
    const char* h265FilePath = "output.h265";
    int width = 1920;
    int height = 1080;

    int ret = encodeNV12ToH265(nv12FilePath, h265FilePath, width, height);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to encode NV12 to H.265\n");
        return -1;
    }

    printf("Encoding complete\n");

    return 0;
}

要确保已经正确安装了FFmpeg库，并在编译选项中包含了FFmpeg的头文件和库文件。

需要提供NV12格式的输入文件路径、输出H.265格式文件路径以及图像的宽度和高度。

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