利用ffmpeg和opencv进行视频的解码播放
引子
OpenCV中有自己的用于处理图片和视频的类VideoCapture，可以很方便的读入文件和显示。
现在视频数据流是ffmpeg解码h264文件得到的，由于要依赖该数据源进行相应的后续处理，所以需要将ffmpeg中得到的数据缓存转换成可以被OpenCV处理的Mat类对象。
ffmpeg介绍
FFmpeg是一个开源免费跨平台的视频和音频流方案，属于自由软件，采用LGPL或GPL许可证（依据你选择的组件）。它提供了录制、转换以及流化音视频的完整解决方案。它包含了非常先进的音频/视频编解码库libavcodec，为了保证高可移植性和编解码质量，libavcodec里很多codec都是从头开发的。
FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序。它包括了目前领先的音/视频编码库libavcodec。 FFmpeg是在Linux下开发出来的，但它可以在包括Windows在内的大多数操作系统中编译。
FFmpeg的组成结构
FFmpeg主要由一下几个部分组成：
- libavcodec：一个包含了所有FFmpeg音视频编解码器的库。 为了保证最优性能和高可复用性,大多数编解码器从头开发的。
- libavformat：一个包含了所有的普通音视格式的解析器和 产生器的库。
- 三个实例程序，这三个实例较为复杂，基本可以作为API使用手册：
ffmpeg：命令行的视频格式转换程序。
ffplay：视频播放程序。（需要SDL支持）
ffserver：多媒体服务器
了解完组成结构后，你会发现，如果你在寻找一种视频格式转换的方式，那FFmpeg绝对是你的第一选择，libavcodec 则又是重 中之重。如果遇上API不会使用的情况，可以参考ffmpeg.c、ffplay.c、 ffserver.c、apiexample.c（解码）和output_example.c（编码）。
ffmpeg使用说明
ffmpeg库的接口都是c函数，其头文件也没有extern "C"的声明，所以在cpp文件里调用ffmpeg函数要注意了。
一般来说，一个用C写成的库如果想被C/C++同时可以使用，那在头文件应该加上
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#ifdef __cplusplus
} // endof extern "C"
#endif
如果在.cpp里调用av_register_all()在链接时将找到不符号，因为.cpp要求的符号名
和ffmpeg库提供的符号名不一致。
可以这么解决:
extern "C"
{
#include <libavutil/avutil.h>
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavformat/avformat.h>
}
使用ffmpeg SDK解码流数据过程
以H264视频流为例，讲解解码流数据的步骤。
准备变量
定义AVCodec，AVCodec *变量为解码器指针。
定义AVCodecContext，使用该变量可以将其定义为ffmpeg解码类的类成员。
定义AVFrame，AVFrame描述一个多媒体帧。解码后的数据将被放在其中。
定义AVFormatContext变量，AVFormatContext用于保存视频流的有效信息。
AVCodec *pCodec;
AVCodecContext * pCodecCtx;
AVFrame * pAvFrame;
AVFormatContext *pFormatCtx;
初始化解码器
第一件事情就是初始化libavformat/libavcodec：
ffmpeg注册复用器，编码器等的函数av_register_all()。
av_register_all();
这一步注册库中含有的所有可用的文件格式和编码器，这样当打开一个文件时，它们才能够自动选择相应的文件格式和编码器。要注意你只需调用一次 av_register_all()，所以，尽可能的在你的初始代码中使用它。这里注册了所有的文件格式和编解码器的库，所以它们将被自动的使用在被打开的合适格式的文件上。注意你只需要调用 av_register_all()一次，因此我们在主函数main()中来调用它。如果你喜欢，也可以只注册特定的格式和编解码器，但是通常你没有必要这样做。
打开视频文件，取出包含在文件中的流信息
// 打开视频文件
if(av_open_input_file(&pFormatCtx, filename, NULL, 0, NULL)!=0)
handle_error(); // 不能打开此文件
这个函数读取文件的头部并且把信息保存到我们给的AVFormatContext结构体中。
最后三个参数描述了文件格式，缓冲区大小（size）和格式参数；我们通过简单地指明NULL或0告诉 libavformat 去自动探测文件格式并且使用默认的缓冲区大小。
// 取出流信息
if(av_find_stream_info(pFormatCtx)<0)
handle_error(); // 不能够找到流信息
查找文件的流信息,avformat_open_input函数只是检测了文件的头部，接着要检查在文件中的流的信息。
这一步会用有效的信息把 AVFormatContext 的流域（streams field）填满。作为一个可调试的诊断，我们会将这些信息全盘输出到标准错误输出中，不过你在一个应用程序的产品中并不用这么做。
我们仅仅处理视频流，而不是音频流。为了让这件事情更容易理解，我们只简单使用我们发现的第一种视频流。
//遍历文件的各个流，找到第一个视频流，并记录该流的编码信息
videoindex = -1;
for(i=0; i<pFormatCtx->nb_streams; i++)
{
if(pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type==AVMEDIA_TYPE_VIDEO)
{
videoindex=i;
break;
}
}
if(videoindex==-1)
{
printf("Didn't find a video stream.\n");
return;
}
pCodecCtx=pFormatCtx->streams[videoindex]->codec;
我们已经得到了一个指向视频流的称之为上下文的指针。接下来，我们需要找到真正的编码器打开它。
寻找视频流的解码器
在库里面查找支持该格式的解码器
pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
if(pCodec == NULL)
handle_error(); // 找不到解码器
打开解码器
if(avcodec_open(pCodecCtx, pCodec)<0)
handle_error();
给视频帧分配空间，以便存储解码后的图片数据
pAvFrame = avcodec_alloc_frame();
解码视频帧就像我前面提到过的，视频文件包含数个音频和视频流，并且他们各个独自被分开存储在固定大小的包里。我们要做的就是使用libavformat依次读取这些包，过滤掉所有那些视频流中我们不感兴趣的部分，并把它们交给libavcodec进行解码处理。
进行解码
通过该api读入一帧
result = av_read_frame(pFormatCtx, packet);
通过下面的api进行解码一帧数据，将有效的图像数据存储到pAvFrame成员变量中
ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);
下面是ffmpeg解码的API：
将YUV420p颜色编码转换成BGR颜色编码
首先得到图片转换上下文img_convert_ctx,这里注意的是，opencv的RGB编码顺序为BGR，所以选用AV_PIX_FMT_BGR24的编码方式。
//根据编码信息设置渲染格式
if(img_convert_ctx == NULL){
img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
AV_PIX_FMT_BGR24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
}
再得到为BGR格式帧分配内存
AVFrame *pFrameRGB = NULL;
uint8_t *out_bufferRGB = NULL;
pFrameRGB = avcodec_alloc_frame();
//给pFrameRGB帧加上分配的内存;
int size = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
out_bufferRGB = new uint8_t[size];
avpicture_fill((AVPicture *)pFrameRGB, out_bufferRGB, AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
最后进行转换
sws_scale(img_convert_ctx, pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pFrameRGB->data, pFrameRGB->linesize);
OpenCV Mat数据复制
cv::Mat对象中有data指针，指向内存中存放矩阵数据的一块内存 (uchar data)。*
所以，要将ffmpeg解码之后得到的RGB色彩的帧数据复制给该指针，这样就实现了ffmpeg解码数据到opencv中Mat格式的转换，进而就可以对Mat对象进行相应的处理。
代码示例
ffmpegDecode.h文件
#ifndef __FFMPEG_DECODE_H__
#define __FFMPEG_DECODE_H__
#include <opencv2/core/core.hpp>
extern "C"
{
#include "libavcodec/avcodec.h"
#include "libavformat/avformat.h"
//图像转换结构需要引入的头文件
#include "libswscale/swscale.h"
};
#pragma comment(lib, "avcodec.lib")
#pragma comment(lib, "avformat.lib ")
#pragma comment(lib, "avutil.lib ")
#pragma comment(lib, "avdevice.lib ")
#pragma comment(lib, "avfilter.lib ")
#pragma comment(lib, "postproc.lib ")
#pragma comment(lib, "swresample.lib")
#pragma comment(lib, "swscale.lib ")
class ffmpegDecode
{
public:
ffmpegDecode(char * file = NULL);
~ffmpegDecode();
cv::Mat getDecodedFrame();
cv::Mat getLastFrame();
int readOneFrame();
int getFrameInterval();
private:
AVFrame *pAvFrame;
AVFormatContext *pFormatCtx;
AVCodecContext *pCodecCtx;
AVCodec *pCodec;
int i;
int videoindex;
char *filepath;
int ret, got_picture;
SwsContext *img_convert_ctx;
int y_size;
AVPacket *packet;
cv::Mat *pCvMat;
void init();
void openDecode();
void prepare();
void get(AVCodecContext *pCodecCtx, SwsContext *img_convert_ctx,AVFrame *pFrame);
};
#endif
ffmpegDecode.cpp文件
#include "ffmpegDecode.h"
ffmpegDecode :: ~ffmpegDecode()
{
pCvMat->release();
//释放本次读取的帧内存
av_free_packet(packet);
avcodec_close(pCodecCtx);
avformat_close_input(&pFormatCtx);
}
ffmpegDecode :: ffmpegDecode(char * file)
{
pAvFrame = NULL/**pFrameRGB = NULL*/;
pFormatCtx = NULL;
pCodecCtx = NULL;
pCodec = NULL;
pCvMat = new cv::Mat();
i=0;
videoindex=0;
ret = 0;
got_picture = 0;
img_convert_ctx = NULL;
y_size = 0;
packet = NULL;
if (NULL == file)
{
filepath = "opencv.h264";
}
else
{
filepath = file;
}
init();
openDecode();
prepare();
return;
}
void ffmpegDecode :: init()
{
//ffmpeg注册复用器，编码器等的函数av_register_all()。
//该函数在所有基于ffmpeg的应用程序中几乎都是第一个被调用的。只有调用了该函数，才能使用复用器，编码器等。
//这里注册了所有的文件格式和编解码器的库，所以它们将被自动的使用在被打开的合适格式的文件上。注意你只需要调用 av_register_all()一次，因此我们在主函数main()中来调用它。如果你喜欢，也可以只注册特定的格式和编解码器，但是通常你没有必要这样做。
av_register_all();
//pFormatCtx = avformat_alloc_context();
//打开视频文件,通过参数filepath来获得文件名。这个函数读取文件的头部并且把信息保存到我们给的AVFormatContext结构体中。
//最后2个参数用来指定特殊的文件格式，缓冲大小和格式参数，但如果把它们设置为空NULL或者0，libavformat将自动检测这些参数。
if(avformat_open_input(&pFormatCtx,filepath,NULL,NULL)!=0)
{
printf("无法打开文件\n");
return;
}
//查找文件的流信息,avformat_open_input函数只是检测了文件的头部，接着要检查在文件中的流的信息
if(av_find_stream_info(pFormatCtx)<0)
{
printf("Couldn't find stream information.\n");
return;
}
return;
}
void ffmpegDecode :: openDecode()
{
//遍历文件的各个流，找到第一个视频流，并记录该流的编码信息
videoindex = -1;
for(i=0; i<pFormatCtx->nb_streams; i++)
{
if(pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type==AVMEDIA_TYPE_VIDEO)
{
videoindex=i;
break;
}
}
if(videoindex==-1)
{
printf("Didn't find a video stream.\n");
return;
}
pCodecCtx=pFormatCtx->streams[videoindex]->codec;
//在库里面查找支持该格式的解码器
pCodec=avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
if(pCodec==NULL)
{
printf("Codec not found.\n");
return;
}
//打开解码器
if(avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec,NULL) < 0)
{
printf("Could not open codec.\n");
return;
}
}
void ffmpegDecode :: prepare()
{
//分配一个帧指针，指向解码后的原始帧
pAvFrame=avcodec_alloc_frame();
y_size = pCodecCtx->width * pCodecCtx->height;
//分配帧内存
packet=(AVPacket *)av_malloc(sizeof(AVPacket));
av_new_packet(packet, y_size);
//输出一下信息-----------------------------
printf("文件信息-----------------------------------------\n");
av_dump_format(pFormatCtx,0,filepath,0);
//av_dump_format只是个调试函数，输出文件的音、视频流的基本信息了，帧率、分辨率、音频采样等等
printf("-------------------------------------------------\n");
}
int ffmpegDecode :: readOneFrame()
{
int result = 0;
result = av_read_frame(pFormatCtx, packet);
return result;
}
cv::Mat ffmpegDecode :: getDecodedFrame()
{
if(packet->stream_index==videoindex)
{
//解码一个帧
ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);
if(ret < 0)
{
printf("解码错误\n");
return cv::Mat();
}
if(got_picture)
{
//根据编码信息设置渲染格式
if(img_convert_ctx == NULL){
img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height,
AV_PIX_FMT_BGR24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
}
//----------------------opencv
if (pCvMat->empty())
{
pCvMat->create(cv::Size(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height),CV_8UC3);
}
if(img_convert_ctx != NULL)
{
get(pCodecCtx, img_convert_ctx, pAvFrame);
}
}
}
av_free_packet(packet);
return *pCvMat;
}
cv::Mat ffmpegDecode :: getLastFrame()
{
ret = avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pAvFrame, &got_picture, packet);
if(got_picture)
{
//根据编码信息设置渲染格式
img_convert_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, PIX_FMT_RGB24, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
if(img_convert_ctx != NULL)
{
get(pCodecCtx, img_convert_ctx,pAvFrame);
}
}
return *pCvMat;
}
void ffmpegDecode :: get(AVCodecContext * pCodecCtx, SwsContext * img_convert_ctx, AVFrame * pFrame)
{
if (pCvMat->empty())
{
pCvMat->create(cv::Size(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height),CV_8UC3);
}
AVFrame *pFrameRGB = NULL;
uint8_t *out_bufferRGB = NULL;
pFrameRGB = avcodec_alloc_frame();
//给pFrameRGB帧加上分配的内存;
int size = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
out_bufferRGB = new uint8_t[size];
avpicture_fill((AVPicture *)pFrameRGB, out_bufferRGB, AV_PIX_FMT_BGR24, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);
//YUV to RGB
sws_scale(img_convert_ctx, pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pFrameRGB->data, pFrameRGB->linesize);
memcpy(pCvMat->data,out_bufferRGB,size);
delete[] out_bufferRGB;
av_free(pFrameRGB);
}
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