C++中使用FFmpeg适配自定义编码器的实现方法
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
- frame：这个结构体是由
av_frame_alloc分配的，但这里并没有分配yuv的内存，yuv内存是av_frame_get_buffer分配的，可见这里输入buffer完全是来自外部的，不需要编码器来管理，编码器只需要根据所给的yuv地址来进行编码就行了 - pkt：这个结构体是由
av_packet_alloc分配的，也没有分配码流包的内存，可见这里pkt仅仅是一个引用，pkt直接传到了avcodec_receive_packet接口进行编码，完成之后将pkt中码流的内容写到文件，最后调用av_packet_unref接口减引用计数，因此这里pkt是编码器内部分配的，分配完成之后会减pkt的引用计数加1，然后输出到外部，外部使用完毕之后再减引用计数来释放buffer
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;
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 {
...
AVFrame *in_frame;
AVPacket *buffer_pkt;
AVFrame *buffer_frame;
...
} AVCodecInternal;
下面结合送帧和收流的接口进行介绍
- avcodec_send_frame: 送帧接口，将yuv的帧信息赋值到
buffer_frame，然后触发一帧编码，将编码出的码流赋值到buffer_pkt - avcodec_receive_packet: 收流接口，检查上下文中是否有已经编码好的码流
buffer_pkt，如果有则将其返回，如果没有再触发一帧编码，将编码好的码流返回
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;
...
...
if (CONFIG_FRAME_THREAD_ENCODER && avci->frame_thread_encoder) {
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;
}
- simple流程中会把
buffer_frame的引用拷贝到in_frame，然后将in_frame送帧编码，意味着其内部只能缓存一帧，不支持多帧缓存。并且simple流程中，调用send之后，如果调用receive成功获取到一包码流，下一次调用receive将会返回EAGAIN，且不会调用encode接口，因此对于不支持多帧缓存的编码器而言，如果send一帧后，需要receive两包码流，那么获取到一包码流之后receive接口会返回EAGAIN，循环退出进行下一次send，此时上一帧未编码的yuv会被覆盖 - receive流程中没有该限制，直接调用了
receive_packet接口，因此如果需要在ffmpeg适配层做多帧缓存，可以使用receive的流程。另外receive流程没有上述限制，在成功收到一帧码流之后，仍然会调用receive，比较灵活，可以做一些定制化的操作
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;
const char *help;
int offset;
enum AVOptionType type;
uNIOn {
int64_t i64;
double dbl;
const char *str;
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 {
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。
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