Qt-FFmpeg开发-保存视频流裸流（11）

2023-04-08 22:08 由 mahuifa 发表于 #其他

音视频/FFmpeg #Qt

Qt-FFmpeg开发-保存视频流裸流📀

音视频/FFmpeg #Qt
Qt-FFmpeg开发-保存视频流裸流📀

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1、概述📸

最近研究了一下FFmpeg开发，功能实在是太强大了，网上ffmpeg3、4的文章还是很多的，但是学习嘛，最新的还是不能放过，就选了一个最新的ffmpeg n5.1.2版本，和3、4版本api变化还是挺大的；

在这个Demo里主要使用Qt + FFmpeg开发一个简单的【视频播放器】，支持【保存视频流裸流】功能，这里主要使用的是【软解码】，需要使用硬解码的可以看之前的文章；

同时为了尽可能的简单，这里没有进行音频解码和播放，只是单独的进行视频解码播放；

再日常开发中，经常有将播放的网络视频流图像保存到本地视频文件中的需求，但是如果将图像重新编码保存则会非常消耗CPU资源，裸流数据一般是H264格式的数据，这里其实可以直接将网络视频流未解码的AVPacket直接保存到视频文件中，不需要编码，可大大降低资源占用；

并且直接保存裸流的代码流程不重新编码/转码保存的流程简单许多。

开发环境说明

系统：Windows10、Ubuntu20.04
Qt版本：V5.12.5
编译器：MSVC2017-64、GCC/G++64
FFmpeg版本：n5.1.2
- 注意：如果使用了较低版本的库，程序中部分功能可能会存在问题，不会兼容。
- 官方下载
- 我使用的库

2、实现效果💽

ffmpeg音视频库【软解码】实现的视频播放器；

支持打开本地视频文件（如mp4、mov、avi等）、网络视频流（rtsp、rtmp、http等）；

支持视频匀速播放；

采用QPainter进行显示，支持自适应窗口缩放；

视频播放支持实时开始/关闭、暂停/继续播放；

视频解码、线程控制、显示各部分功能分离，低耦合度。

采用最新的5.1.2版本ffmpeg库进行开发，超详细注释信息，将所有踩过的坑、解决办法、注意事项都得很写清楚。

在使用ffmpeg打开网络视频流时，如果是【h264裸流可以直接保存为本地文件】，不需要进行编码操作。

3、FFmpeg保存裸流代码流程💡

白色部分： 主要为打开读取网络视频流、解码流程；
绿色部分： 主要是打开输出文件，将裸流保存到文件的流程。

4、主要代码🔍

啥也不说了，直接上代码，一切有注释

videodecode.h文件

/******************************************************************************
 * @文件名     videodecode.h
 * @功能       视频解码类，在这个类中调用ffmpeg打开视频进行解码，并且打开输出文件，将h264裸流保存
 *
 * @开发者     mhf
 * @邮箱       1603291350@qq.com
 * @时间       2022/09/15
 * @备注
 *****************************************************************************/
#ifndef VIDEODECODE_H
#define VIDEODECODE_H

#include <QString>
#include <QSize>

struct AVFormatContext;
struct AVCodecContext;
struct AVRational;
struct AVPacket;
struct AVFrame;
struct SwsContext;
struct AVBufferRef;
struct AVStream;
class QImage;

class VideoDecode
{
public:
    VideoDecode();
    ~VideoDecode();

    bool open(const QString& url = QString());    // 打开媒体文件，或者流媒体rtmp、strp、http
    QImage read();                               // 读取视频图像
    void close();                                 // 关闭
    bool isEnd();                                 // 是否读取完成
    const qint64& pts();                          // 获取当前帧显示时间

private:
    void initFFmpeg();                            // 初始化ffmpeg库（整个程序中只需加载一次）
    void showError(int err);                      // 显示ffmpeg执行错误时的错误信息
    qreal rationalToDouble(AVRational* rational); // 将AVRational转换为double
    void clear();                                 // 清空读取缓冲
    void free();                                  // 释放
    bool openSave();                              // 打开输出文件并初始化

private:
    AVFormatContext* m_formatContext = nullptr;   // 解封装上下文
    AVCodecContext*  m_codecContext  = nullptr;   // 解码器上下文
    SwsContext*      m_swsContext    = nullptr;   // 图像转换上下文
    AVPacket* m_packet = nullptr;                 // 数据包
    AVFrame*  m_frame  = nullptr;                 // 解码后的视频帧
    int    m_videoIndex   = 0;                    // 视频流索引
    qint64 m_totalTime    = 0;                    // 视频总时长
    qint64 m_totalFrames  = 0;                    // 视频总帧数
    qint64 m_obtainFrames = 0;                    // 视频当前获取到的帧数
    qint64 m_pts          = 0;                    // 图像帧的显示时间
    qreal  m_frameRate    = 0;                    // 视频帧率
    QSize  m_size;                                // 视频分辨率大小
    char*  m_error = nullptr;                     // 保存异常信息
    bool   m_end = false;                         // 视频读取完成
    uchar* m_buffer = nullptr;                    // YUV图像需要转换位RGBA图像，这里保存转换后的图形数据

    /********  保存裸流使用 ******************/
    AVFormatContext* m_formatContextSave = nullptr;  // 封装上下文
    QString m_strCodecName;                          // 编解码器名称
    AVStream* m_videoStream = nullptr;               // 输出视频流
    bool m_writeHeader = false;                      // 是否写入文件头
};

#endif // VIDEODECODE_H

videodecode.cpp文件

#include "videodecode.h"
#include <QDebug>
#include <QDir>
#include <QImage>
#include <QMutex>
#include <qdatetime.h>


extern "C" {        // 用C规则编译指定的代码
#include "libavcodec/avcodec.h"
#include "libavformat/avformat.h"
#include "libavutil/avutil.h"
#include "libswscale/swscale.h"
#include "libavutil/imgutils.h"

}

#define ERROR_LEN 1024  // 异常信息数组长度
#define PRINT_LOG 1

VideoDecode::VideoDecode()
{
//    initFFmpeg();      // 5.1.2版本不需要调用了

    m_error = new char[ERROR_LEN];
}

VideoDecode::~VideoDecode()
{
    close();
}

/**
 * @brief 初始化ffmpeg库（整个程序中只需加载一次）
 *        旧版本的ffmpeg需要注册各种文件格式、解复用器、对网络库进行全局初始化。
 *        在新版本的ffmpeg中纷纷弃用了，不需要注册了
 */
void VideoDecode::initFFmpeg()
{
    static bool isFirst = true;
    static QMutex mutex;
    QMutexLocker locker(&mutex);
    if(isFirst)
    {
        //        av_register_all();         // 已经从源码中删除
        /**
         * 初始化网络库,用于打开网络流媒体，此函数仅用于解决旧GnuTLS或OpenSSL库的线程安全问题。
         * 一旦删除对旧GnuTLS和OpenSSL库的支持，此函数将被弃用，并且此函数不再有任何用途。
         */
        avformat_network_init();
        isFirst = false;
    }
}

/**
 * @brief      打开媒体文件，或者流媒体，例如rtmp、strp、http
 * @param url  视频地址
 * @return     true：成功  false：失败
 */
bool VideoDecode::open(const QString &url)
{
    if(url.isNull()) return false;

    AVDictionary* dict = nullptr;
    av_dict_set(&dict, "rtsp_transport", "tcp", 0);      // 设置rtsp流使用tcp打开，如果打开失败错误信息为【Error number -135 occurred】可以切换（UDP、tcp、udp_multicast、http），比如vlc推流就需要使用udp打开
//    av_dict_set(&dict, "max_delay", "3", 0);             // 设置最大复用或解复用延迟（以微秒为单位）。当通过【UDP】 接收数据时，解复用器尝试重新排序接收到的数据包（因为它们可能无序到达，或者数据包可能完全丢失）。这可以通过将最大解复用延迟设置为零（通过max_delayAVFormatContext 字段）来禁用。
//    av_dict_set(&dict, "timeout", "1000000", 0);         // 以微秒为单位设置套接字 TCP I/O 超时，如果等待时间过短，也可能会还没连接就返回了。

    // 打开输入流并返回解封装上下文
    int ret = avformat_open_input(&m_formatContext,          // 返回解封装上下文
                                  url.toStdString().data(),  // 打开视频地址
                                  nullptr,                   // 如果非null，此参数强制使用特定的输入格式。自动选择解封装器（文件格式）
                                  &dict);                    // 参数设置
    // 释放参数字典
    if(dict)
    {
        av_dict_free(&dict);
    }
    // 打开视频失败
    if(ret < 0)
    {
        showError(ret);
        free();
        return false;
    }

    // 读取媒体文件的数据包以获取流信息。
    ret = avformat_find_stream_info(m_formatContext, nullptr);
    if(ret < 0)
    {
        showError(ret);
        free();
        return false;
    }
    m_totalTime = m_formatContext->duration / (AV_TIME_BASE / 1000); // 计算视频总时长（毫秒）
#if PRINT_LOG
    qDebug() << QString("视频总时长：%1 ms，[%2]").arg(m_totalTime).arg(QTime::fromMSecsSinceStartOfDay(int(m_totalTime)).toString("HH:mm:ss zzz"));
#endif

    // 通过AVMediaType枚举查询视频流ID（也可以通过遍历查找），最后一个参数无用
    m_videoIndex = av_find_best_stream(m_formatContext, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, nullptr, 0);
    if(m_videoIndex < 0)
    {
        showError(m_videoIndex);
        free();
        return false;
    }

    AVStream* videoStream = m_formatContext->streams[m_videoIndex];  // 通过查询到的索引获取视频流

    // 获取视频图像分辨率（AVStream中的AVCodecContext在新版本中弃用，改为使用AVCodecParameters）
    m_size.setWidth(videoStream->codecpar->width);
    m_size.setHeight(videoStream->codecpar->height);
    m_frameRate = rationalToDouble(&videoStream->avg_frame_rate);  // 视频帧率

    // 通过解码器ID获取视频解码器（新版本返回值必须使用const）
    const AVCodec* codec = avcodec_find_decoder(videoStream->codecpar->codec_id);
    m_totalFrames = videoStream->nb_frames;
    m_strCodecName = codec->name;

#if PRINT_LOG
    qDebug() << QString("分辨率：[w:%1,h:%2] 帧率：%3  总帧数：%4  解码器：%5")
                .arg(m_size.width()).arg(m_size.height()).arg(m_frameRate).arg(m_totalFrames).arg(codec->name);
#endif

    // 分配AVCodecContext并将其字段设置为默认值。
    m_codecContext = avcodec_alloc_context3(codec);
    if(!m_codecContext)
    {
#if PRINT_LOG
        qWarning() << "创建视频解码器上下文失败！";
#endif
        free();
        return false;
    }

    // 使用视频流的codecpar为解码器上下文赋值
    ret = avcodec_parameters_to_context(m_codecContext, videoStream->codecpar);
    if(ret < 0)
    {
        showError(ret);
        free();
        return false;
    }

    m_codecContext->flags2 |= AV_CODEC_FLAG2_FAST;    // 允许不符合规范的加速技巧。
    m_codecContext->thread_count = 8;                 // 使用8线程解码

    // 初始化解码器上下文，如果之前avcodec_alloc_context3传入了解码器，这里设置NULL就可以
    ret = avcodec_open2(m_codecContext, nullptr, nullptr);
    if(ret < 0)
    {
        showError(ret);
        free();
        return false;
    }

    // 分配AVPacket并将其字段设置为默认值。
    m_packet = av_packet_alloc();
    if(!m_packet)
    {
#if PRINT_LOG
        qWarning() << "av_packet_alloc() Error！";
#endif
        free();
        return false;
    }
    // 分配AVFrame并将其字段设置为默认值。
    m_frame = av_frame_alloc();
    if(!m_frame)
    {
#if PRINT_LOG
        qWarning() << "av_frame_alloc() Error！";
#endif
        free();
        return false;
    }

    // 分配图像空间
    int size = av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_RGBA, m_size.width(), m_size.height(), 4);
    /**
     * 【注意：】这里可以多分配一些，否则如果只是安装size分配，大部分视频图像数据拷贝没有问题，
     *         但是少部分视频图像在使用sws_scale()拷贝时会超出数组长度，在使用使用msvc debug模式时delete[] m_buffer会报错（HEAP CORRUPTION DETECTED: after Normal block(#32215) at 0x000001AC442830370.CRT delected that the application wrote to memory after end of heap buffer）
     *         特别是这个视频流http://vfx.mtime.cn/Video/2019/02/04/mp4/190204084208765161.mp4
     */
    m_buffer = new uchar[size + 1000];    // 这里多分配1000个字节就基本不会出现拷贝超出的情况了，反正不缺这点内存
//    m_image = new QImage(m_buffer, m_size.width(), m_size.height(), QImage::Format_RGBA8888);  // 这种方式分配内存大部分情况下也可以，但是因为存在拷贝超出数组的情况，delete时也会报错
    m_end = false;

    return openSave();
}

/**
 * @brief
 * @return
 */
QImage VideoDecode::read()
{
    // 如果没有打开则返回
    if(!m_formatContext)
    {
        return QImage();
    }

    // 读取下一帧数据
    int readRet = av_read_frame(m_formatContext, m_packet);
    if(readRet < 0)
    {
        avcodec_send_packet(m_codecContext, m_packet); // 读取完成后向解码器中传如空AVPacket，否则无法读取出最后几帧
    }
    else
    {
        if(m_packet->stream_index == m_videoIndex)     // 如果是图像数据则进行解码
        {
            if(m_formatContextSave)
            {
                // 由于保存的m_formatContextSave只创建了一个视频流，而读取到的图像的流索引不一定为0，可能会出现错误【Invalid packet stream index: 1】
                // 所以这里需要将stream_index指定为和m_formatContextSave中视频流索引相同，因为就一个流，所以直接设置为0
                m_packet->stream_index = 0;
                av_write_frame(m_formatContextSave, m_packet);   // 将数据包写入输出媒体文件
            }
            // 计算当前帧时间（毫秒）
#if 1       // 方法一：适用于所有场景，但是存在一定误差
            m_packet->pts = qRound64(m_packet->pts * (1000 * rationalToDouble(&m_formatContext->streams[m_videoIndex]->time_base)));
            m_packet->dts = qRound64(m_packet->dts * (1000 * rationalToDouble(&m_formatContext->streams[m_videoIndex]->time_base)));
#else       // 方法二：适用于播放本地视频文件，计算每一帧时间较准，但是由于网络视频流无法获取总帧数，所以无法适用
            m_obtainFrames++;
            m_packet->pts = qRound64(m_obtainFrames * (qreal(m_totalTime) / m_totalFrames));
#endif
            // 将读取到的原始数据包传入解码器
            int ret = avcodec_send_packet(m_codecContext, m_packet);
            if(ret < 0)
            {
                showError(ret);
            }
        }
    }
    av_packet_unref(m_packet);  // 释放数据包，引用计数-1，为0时释放空间

    int ret = avcodec_receive_frame(m_codecContext, m_frame);
    if(ret < 0)
    {
        av_frame_unref(m_frame);
        if(readRet < 0)
        {
            m_end = true;     // 当无法读取到AVPacket并且解码器中也没有数据时表示读取完成
        }
        return QImage();
    }

    m_pts = m_frame->pts;

    // 为什么图像转换上下文要放在这里初始化呢，是因为m_frame->format，如果使用硬件解码，解码出来的图像格式和m_codecContext->pix_fmt的图像格式不一样，就会导致无法转换为QImage
    if(!m_swsContext)
    {
        // 获取缓存的图像转换上下文。首先校验参数是否一致，如果校验不通过就释放资源；然后判断上下文是否存在，如果存在直接复用，如不存在进行分配、初始化操作
        m_swsContext = sws_getCachedContext(m_swsContext,
                                            m_frame->width,                     // 输入图像的宽度
                                            m_frame->height,                    // 输入图像的高度
                                            (AVPixelFormat)m_frame->format,     // 输入图像的像素格式
                                            m_size.width(),                     // 输出图像的宽度
                                            m_size.height(),                    // 输出图像的高度
                                            AV_PIX_FMT_RGBA,                    // 输出图像的像素格式
                                            SWS_BILINEAR,                       // 选择缩放算法(只有当输入输出图像大小不同时有效),一般选择SWS_FAST_BILINEAR
                                            nullptr,                            // 输入图像的滤波器信息, 若不需要传NULL
                                            nullptr,                            // 输出图像的滤波器信息, 若不需要传NULL
                                            nullptr);                          // 特定缩放算法需要的参数(?)，默认为NULL
        if(!m_swsContext)
        {
#if PRINT_LOG
            qWarning() << "sws_getCachedContext() Error！";
#endif
            free();
            return QImage();
        }
    }

    // AVFrame转QImage
    uchar* data[]  = {m_buffer};
    int    lines[4];
    av_image_fill_linesizes(lines, AV_PIX_FMT_RGBA, m_frame->width);  // 使用像素格式pix_fmt和宽度填充图像的平面线条大小。
    ret = sws_scale(m_swsContext,             // 缩放上下文
                    m_frame->data,            // 原图像数组
                    m_frame->linesize,        // 包含源图像每个平面步幅的数组
                    0,                        // 开始位置
                    m_frame->height,          // 行数
                    data,                     // 目标图像数组
                    lines);                   // 包含目标图像每个平面的步幅的数组
    QImage image(m_buffer, m_frame->width, m_frame->height, QImage::Format_RGBA8888);
    av_frame_unref(m_frame);

    return image;
}

/**
 * @brief 关闭视频播放并释放内存
 */
void VideoDecode::close()
{
    clear();
    free();

    m_totalTime     = 0;
    m_videoIndex    = 0;
    m_totalFrames   = 0;
    m_obtainFrames  = 0;
    m_pts           = 0;
    m_frameRate     = 0;
    m_size          = QSize(0, 0);
}

/**
 * @brief  视频是否读取完成
 * @return
 */
bool VideoDecode::isEnd()
{
    return m_end;
}

/**
 * @brief    返回当前帧图像播放时间
 * @return
 */
const qint64 &VideoDecode::pts()
{
    return m_pts;
}

/**
 * @brief        显示ffmpeg函数调用异常信息
 * @param err
 */
void VideoDecode::showError(int err)
{
#if PRINT_LOG
    memset(m_error, 0, ERROR_LEN);        // 将数组置零
    av_strerror(err, m_error, ERROR_LEN);
    qWarning() << "DecodeVideo Error：" << m_error;
#else
    Q_UNUSED(err)
#endif
}

/**
 * @brief          将AVRational转换为double，用于计算帧率
 * @param rational
 * @return
 */
qreal VideoDecode::rationalToDouble(AVRational* rational)
{
    qreal frameRate = (rational->den == 0) ? 0 : (qreal(rational->num) / rational->den);
    return frameRate;
}

/**
 * @brief 清空读取缓冲
 */
void VideoDecode::clear()
{
    if(m_formatContextSave && m_writeHeader)
    {
        av_write_trailer(m_formatContextSave);   // 写入文件尾
        m_writeHeader = false;

        avformat_free_context(m_formatContextSave);
        m_formatContext = nullptr;
        m_videoStream = nullptr;
    }
    // 因为avformat_flush不会刷新AVIOContext (s->pb)。如果有必要，在调用此函数之前调用avio_flush(s->pb)。
    if(m_formatContext && m_formatContext->pb)
    {
        avio_flush(m_formatContext->pb);
    }
    if(m_formatContext)
    {
        avformat_flush(m_formatContext);   // 清理读取缓冲
    }
}

void VideoDecode::free()
{
    // 释放上下文swsContext。
    if(m_swsContext)
    {
        sws_freeContext(m_swsContext);
        m_swsContext = nullptr;             // sws_freeContext不会把上下文置NULL
    }
    // 释放编解码器上下文和与之相关的所有内容，并将NULL写入提供的指针
    if(m_codecContext)
    {
        avcodec_free_context(&m_codecContext);
    }
    // 关闭并失败m_formatContext，并将指针置为null
    if(m_formatContext)
    {
        avformat_close_input(&m_formatContext);
    }
    if(m_packet)
    {
        av_packet_free(&m_packet);
    }
    if(m_frame)
    {
        av_frame_free(&m_frame);
    }
    if(m_buffer)
    {
        delete [] m_buffer;
        m_buffer = nullptr;
    }
}

/**
 * @brief  打开输出文件
 * @return
 */
bool VideoDecode::openSave()
{
    QDir dir;
    if(!dir.exists("./Videos"))
    {
        dir.mkdir("./Videos");
    }
    QString strName = QString("./Videos/%1.h264").arg(QDateTime::currentDateTime().toString("yyyy-MM-dd HH-mm-ss"));
    int ret = avformat_alloc_output_context2(&m_formatContextSave, nullptr, m_strCodecName.toStdString().data(), strName.toStdString().data());  // 这里使用和解码一样的编码器，防止保存的图像颜色出问题

    if(ret < 0)
    {
        free();
        showError(ret);
        return false;
    }
    // 创建并初始化AVIOContext以访问url所指示的资源。
    ret = avio_open(&m_formatContextSave->pb, strName.toStdString().data(), AVIO_FLAG_WRITE);
    if(ret < 0)
    {
        free();
        showError(ret);
        return false;
    }

    // 向媒体文件添加新流
    m_videoStream = avformat_new_stream(m_formatContextSave, nullptr);
    if(!m_videoStream)
    {
        free();
        showError(AVERROR(ENOMEM));
        return false;
    }

    //拷贝一些参数，给codecpar赋值(这里使用编码器上下文进行赋值)
    ret = avcodec_parameters_from_context(m_videoStream->codecpar, m_codecContext);
    if(ret < 0)
    {
        free();
        showError(ret);
        return false;
    }

    // 写入文件头
    ret = avformat_write_header(m_formatContextSave, nullptr);
    if(ret < 0)
    {
        free();
        showError(ret);
        return false;
    }
    m_writeHeader = true;

    qDebug() << "开始录制视频！";
    return true;
}

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