Linux下基于ffmpeg音视频解码

1.ffmpeg简介

  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。采用LGPL或GPL许可证。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code都是从头开发的。
  Fmpeg 是领先的多媒体框架，能够解码、编码、转码、混合、解密、流媒体、过滤和播放人类和机器创造的几乎所有东西。它支持最晦涩的古老格式，直到最尖端的格式。无论它们是由某个标准委员会、社区还是公司设计的。它还具有高度的便携性。

2.ffmpeg八大库介绍

• avutil工具库
    avutil： 工具库（大部分库都需要这个库的支持），如AVLog日志输出、AVOption (AVClass)选项设置、AVDictionary键值对存储、ParseUtil字符串解析等；
• avcodec编解码库
    avcodec： 编解码（最重要的库） 。其中AVCodec是存储编解码器信息的结构体，包含了解协议，解封装，解码操作；
    AVCodec结构体中重点参数说明：

const char *name：编解码器的名字，比较短
const char *long_name：编解码器的名字，全称，比较长
enum AVMediaType type：指明了类型，是视频，音频，还是字幕
enum AVCodecID id：ID，音视频流ID信息，枚举类型
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）
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

• avformat： 封装格式处理
    AVFormatContext是一个贯穿始终的数据结构，很多函数都要用到它作为参数。它是FFMPEG解封装（flv，mp4，rmvb，avi）功能的结构体。

AVIOContext *pb;字节流IO上下文
unsigned int nb_streams;音视频流个数
AVStream **streams;音视频流
char filename[1024];输入输出文件名
int64_t duration;流持续时间，即总时长，单位为us
int bit_rate：比特率(码率)（单位bps，转换为kbps需要除以1000）
AVDictionary *metadata：元数据

• avdevice： 各种设备的输入输出

   可以读取电脑（或其他设备上）的多媒体设备的数据，或者输出到指定的多媒体设备上。

• avfilter： 滤镜特效处理

   libavfilter提供了一个通用的音视频filter框架。使用avfilter可以对音视频数据做一些效果处理如去色调、模糊、水平翻转、裁剪、加方框、叠加文字等功能。

• swscale： 视频像素数据格式转换

   libswscale 是 FFmpeg 中完成图像尺寸缩放和像素格式转换的库。用户可以编写程序，调用 libswscale 提供的 API 来进行图像尺寸缩放和像素格式转换。

   libswscale中常用函数：

sws_getContext();初始化一个SwsContext。
sws_scale();处理图像数据。
sws_freeContext();释放一个SwsContext。

• swresample： 音频采样数据格式转换

  libswresample库功能主要包括高度优化的音频重采样、rematrixing和样本格式转换操作。

• postproc：后加工

  (同步、时间计算的简单算法)用于后期效果处理；

3.ffmpeg解码流程

1. 打开文件avformat_open_input；
2. 寻找解码器avformat_find_stream_info；
3. 寻找音视频流信息av_find_best_stream；
4. 寻找音视频解码器avcodec_find_decoder；
5. 配置音频参数：声道、采样格式、采样率、样本数量、通道个数，进行音频重采样swr_alloc_set_opts(音频格式转码)；
6. 配置视频解码参数：分配视频帧，申请存放图像数据空间，计算一帧空间大小，进行图像转码sws_getContext；
7. 初始化SDL，实现图像渲染和音频播放；
8. 读取数据包av_read_frame，实现视频解析和音频解析；

4.ffmpeg解码示例

• 开发环境

开发平台： ubuntu18.04.6
ffmpeg版本： 4.2.5
SDL版本： 2.0.14

• 工程示例

#include <stdio.h>
#include "libavcodec/avcodec.h"
#include "libavformat/avformat.h"
#include "libswscale/swscale.h"
#include <libswresample/swresample.h>
#include <libavutil/mathematics.h>
#include <libavutil/timestamp.h>
#include <stdio.h>
#include <linux/fb.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <poll.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <wchar.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <SDL.h>

#define FILE_NAME "123.flv"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned short u16;
typedef unsigned int u32;
typedef enum
{
	false,
	true,
}bool;
uint8_t *out_buffer;
#define MAX_AUDIO_FRAME_SIZE 1024*100 
static Uint8* audio_chunk; 
static unsigned int audio_len=0;
static unsigned char *audio_pos;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥锁

//保存音频数据链表
struct AUDIO_DATA
{
	unsigned char* audio_buffer;
	int audio_size;
	struct AUDIO_DATA *next;
};
//定义一个链表头
struct AUDIO_DATA *list_head=NULL;
struct AUDIO_DATA *List_CreateHead(struct AUDIO_DATA *head);//创建链表头
void List_AddNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer,int audio_size);//添加节点
void List_DelNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer);//删除节点
int List_GetNodeCnt(struct AUDIO_DATA *head);//遍历
int List_GetNode(struct AUDIO_DATA *head,char *audio_buff,int *audio_size);

int file_stat=1;

void  AudioCallback(void *userdata, Uint8 * stream,int len)
{
	SDL_memset(stream, 0,len);
	if(audio_len<=0)
	{
		return ;
	}
	len=(len>audio_len?audio_len:len);
	SDL_MixAudio(stream,audio_pos,len,SDL_MIX_MAXVOLUME);
	audio_pos+=len;
	audio_len-=len;
	//printf("len=%d\n",len);
}

void *Audio_decode(void *arg)
{
	int res;
	int audio_size;
	char audio_buff[4096*3];
	while(1)
	{
		res=List_GetNode(list_head,audio_buff,&audio_size);
		if(res==0)
		{
			audio_chunk = audio_buff; //指向音频数据 (PCM data)
			while(audio_len>0){}//等待数据处理完
			audio_len =audio_size;//音频长度
			audio_pos = audio_buff;//当前播放位置
		}
	}
}
int main(int argc,char *argv[])
{
	if(argc!=2)
	{
		printf("格式:./app 文件名\n");
		return 0;
	}
	char *file_name=argv[1];
	/*SDL初始化*/
	SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO|SDL_INIT_AUDIO|SDL_INIT_TIMER);
	printf("pth:%s\n",avcodec_configuration());/*获取ffmpeg配置信息*/
	/*初始化所有组件*/
	//av_register_all();
	/*打开文件*/
	AVCodecContext  *pCodecCtx;//解码器上下文
	AVFormatContext *ps=NULL;//音视频封装格式结构体信息
	printf("name:%s\n",file_name);
	int res=avformat_open_input(&ps,file_name,NULL,NULL);
	if(res!=0)
	{
		printf("open err: %d\n",res);
		return 0;
	}
	/*寻找解码信息*/
	avformat_find_stream_info(ps,NULL);
	int64_t time=ps->duration;
	printf("time:%ld s\n",time/1000000);
	/*打印有关输入或输出格式的详细信息*/
	av_dump_format(ps,0,file_name,0);
	/*寻找视频流信息*/
	int videostream=-1;
	int audiostream=-1;
	AVCodec *vcodec;
	videostream=av_find_best_stream(ps,AVMEDIA_TYPE_VIDEO,-1,-1,NULL, 0);
	printf("video=%d\n",videostream);
	/*寻找音频流信息*/
	audiostream=av_find_best_stream(ps,AVMEDIA_TYPE_AUDIO,-1,-1,NULL, 0);
	printf("audio=%d\n",audiostream);
	AVStream *stream;
	int frame_rate;
	if(videostream!=-1)//判断是否找到视频流数据
	{
		/*寻找视频解码器*/
		AVStream *stream = ps->streams[videostream];
		vcodec=avcodec_find_decoder(stream->codecpar->codec_id);
		if(!vcodec)
		{
			printf("未找到视频解码器\n");
			return -1;
		}/*申请AVCodecContext空间。需要传递一个编码器，也可以不传，但不会包含编码器。*/
		res=avcodec_open2(stream->codec,vcodec,NULL);
		if(res)
		{
			printf("打开解码器失败\n");
			return -1;
		}
		frame_rate=stream->avg_frame_rate.num/stream->avg_frame_rate.den;//每秒多少帧
		printf("fps=%d\n",frame_rate);
		printf("视频流ID=%#x\n",vcodec->id);//音频流
	}
	/*音频流数据处理*/
	AVCodec *audcodec;
	AVStream *audstream;
	SwrContext *swrCtx;//保存重采样数据，即解码的信息
	uint64_t out_channel_layout;//声道
	int out_sample_fmt;//采样格式
	int out_sample_rate;//采样率
	int out_nb_samples;//样本数量
	int out_channels;//通道数量
	uint64_t in_channel_layout;//输入音频声道
	SDL_AudioSpec desired;//SDL音频格式信息
	AVFrame *audioframe;//保存音频数据
	int out_buffer_size;//音频缓冲区大小
	if(audiostream>=0)//判断是否有音频流
	{
		/*寻找音频解码器*/
		audstream = ps->streams[audiostream];
		audcodec=avcodec_find_decoder(audstream->codecpar->codec_id);
		if(!audcodec)
		{
			printf("audcodec failed\n");
			return -1;
		}
		/*申请音频AVCodecContext空间。需要传递一个编码器，也可以不传，但不会包含编码器。*/
		pCodecCtx=audstream->codec;//解码器上下文
		res=avcodec_open2(audstream->codec,audcodec,NULL);
		if(res)
		{
			printf("未找到音频解码器\n");
			return -1;
		}
		printf("音频流ID=%#x\n",audcodec->id);//音频流
		printf("配置音频参数\n");
		//输出音频参数
		out_channel_layout  = AV_CH_LAYOUT_STEREO;  //声道格式
		out_sample_fmt=AV_SAMPLE_FMT_S16;//AV_SAMPLE_FMT_S32;//;//采样格式
		printf("pCodecCtx->sample_rate=%d\n",pCodecCtx->sample_rate);
		out_sample_rate =pCodecCtx->sample_rate;//采样率，多为44100
		/*样本数量*/
		printf("frame_size=%d\n",pCodecCtx->frame_size);
		if(pCodecCtx->frame_size>0)out_nb_samples=pCodecCtx->frame_size;
		else if(audcodec->id == AV_CODEC_ID_AAC) out_nb_samples=1024;/*样本数量nb_samples: AAC-1024 MP3-1152  格式大小 */
		else if(audcodec->id == AV_CODEC_ID_MP3)out_nb_samples=1152;
		else out_nb_samples=1024;
		out_channels=av_get_channel_layout_nb_channels(out_channel_layout);//通道个数
		out_buffer_size=av_samples_get_buffer_size(NULL,out_channels,out_nb_samples,out_sample_fmt,1);//获取缓冲区大小
		out_buffer=(uint8_t*)av_malloc(MAX_AUDIO_FRAME_SIZE);
		memset(out_buffer,0,out_buffer_size);
		printf("声道格式:%d\n",out_channel_layout);
		printf("采样格式:%d\n",out_sample_fmt);	
		printf("样本数量:%d\n",out_nb_samples);	
		printf("采样率:%d\n",out_sample_rate);
		printf("通道个数:%d\n",out_channels);
		printf("缓冲区大小:%d\n",out_buffer_size);
		//输入音频参数
		in_channel_layout=av_get_default_channel_layout(pCodecCtx->channels);//输入声道格式
		swrCtx = swr_alloc();
		/*对解码数据进行重采样*/
		swrCtx=swr_alloc_set_opts(swrCtx,out_channel_layout,out_sample_fmt,out_sample_rate,/*输入音频格式*/
								in_channel_layout,pCodecCtx->sample_fmt,pCodecCtx->sample_rate,/*输出音频格式*/
								0,NULL);				
		swr_init(swrCtx);//初始化swrCtx
		
		printf("输入音频格式:%d\n",in_channel_layout);
		printf("输入采样格式:%d\n",pCodecCtx->sample_fmt);
		printf("输入采样率:%d\n",pCodecCtx->sample_rate);
		
		/*设置音频数据格式*/
		desired.freq=out_sample_rate;/*采样率*/
		desired.format=AUDIO_S16SYS;/*无符号16位*/
		desired.channels=out_channels;/*声道*/
		desired.samples=out_nb_samples;/*样本数1024*/
		desired.silence=0;/*静音值*/
		desired.callback=AudioCallback;
		SDL_OpenAudio(&desired,NULL);
		SDL_PauseAudio(0);/*开始播放音频，1为播放静音值*/
		//分配内存
		audioframe=av_frame_alloc();/*分配音频帧*/
		printf("音频数据初始化完成");
	}
	//视频解码
	AVFrame *frame=av_frame_alloc();/*分配视频帧*/
	AVFrame *frameYUV=av_frame_alloc();/*申请yuv空间*/
	/*分配空间，进行图像转换*/
	int width=ps->streams[videostream]->codecpar->width;
	int height=ps->streams[videostream]->codecpar->height;
	int fmt=ps->streams[videostream]->codecpar->format;/*流格式*/
	printf("fmt=%d\n",fmt);
	int size=avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_RGB24, width,height);
	unsigned char *buff=NULL;
	printf("w=%d,h=%d,size=%d\n",width,height,size);
	buff=av_malloc(size);
	/*计算一帧空间大小*/
	avpicture_fill((AVPicture *)frameYUV,buff,AV_PIX_FMT_RGB24,width,height);
	/*转换上下文*/
	struct SwsContext *swsctx=sws_getContext(width,height, fmt,width,height, AV_PIX_FMT_RGB24,SWS_BICUBIC,NULL,NULL,NULL);
	/*读帧*/
	int go=0;
	int go_audio;	
	list_head=List_CreateHead(list_head);//创建链表头
	/*创建音频处理线程*/
	pthread_t pthid;
	pthread_create(&pthid,NULL,Audio_decode,(void *)ps);
	pthread_detach(pthid);//设置为分离属性
	/*创建窗口*/
	SDL_Window *window=SDL_CreateWindow("SDL_VIDEO", SDL_WINDOWPOS_CENTERED, SDL_WINDOWPOS_CENTERED,1280,720,SDL_WINDOW_SHOWN);
	/*创建渲染器*/
	SDL_Renderer *render=SDL_CreateRenderer(window,-1,SDL_RENDERER_ACCELERATED);
	/*清空渲染器*/
	SDL_RenderClear(render);	
	/*创建纹理*/
	SDL_Texture *sdltext=SDL_CreateTexture(render,SDL_PIXELFORMAT_RGB24,SDL_TEXTUREACCESS_STREAMING,width,height);		
	bool quit=true;
	SDL_Event event;
	printf("read fream buff\n");
	//初始化转码器
	AVPacket *packet=av_malloc(sizeof(AVPacket));/*分配包*/
	av_init_packet(packet);//初始化
	int i=0;
	int index=0;
	long video_pts_time=0;
	long audio_pts_time=0;//音频解码时间
	time=(1000000/frame_rate-10000);//时间
	printf("time=%d\n",time);
	while((av_read_frame(ps,packet)>=0) && (quit))
	{
		SDL_PollEvent(&event);
		if(event.type==SDL_QUIT)
		{
			quit=false;
			continue;
		}
		if(packet->stream_index == videostream)/*判断是否为视频*/
		{
			res=avcodec_send_packet(ps->streams[videostream]->codec,packet);
			if(res)
			{
				av_packet_unref(packet);//释放这个pkt
				continue;
			}
			
			res=avcodec_receive_frame(ps->streams[videostream]->codec,frame);
			if(res)
			{
				av_packet_unref(packet);//释放这个pkt	
				continue;
			}
			sws_scale(swsctx,(const uint8_t **)frame->data,frame->linesize,0,height,(const uint8_t **)frameYUV->data,frameYUV->linesize);
			video_pts_time=packet->pts;
			//printf("视频=%ld\n",video_pts_time);
			SDL_UpdateTexture(sdltext,NULL,buff, width*3);
			SDL_RenderCopy(render, sdltext, NULL, NULL); // 拷贝纹理到渲染器
			SDL_RenderPresent(render); //渲染
			usleep(time);
		}
		if(packet->stream_index == audiostream)  //如果为音频标志
		{
			if(audiostream<0)continue;
			res=avcodec_send_packet(pCodecCtx,packet);
			if(res)
			{
				printf("avcodec_send_packet failed,res=%d\n",res);
				av_packet_unref(packet);//释放这个pkt	
				continue;
			}
			res=avcodec_receive_frame(pCodecCtx,audioframe);
			if(res)
			{
				printf("avcodec_receive_frame failed,res=%d\n",res);
				av_packet_unref(packet);//释放这个pkt
				continue;
			}
			//数据格式转换
			res=swr_convert(swrCtx,&out_buffer,out_buffer_size,/*重采样之后的数据*/
						(const uint8_t **)audioframe->data,audioframe->nb_samples/*重采样之前数据*/
						);
			audio_pts_time=packet->pts;
			//printf("音频：%ld\n",audio_pts_time);
			if(res>0)
			{
				//audio_chunk =out_buffer; //指向音频数据 (PCM data)
				//while(audio_len>0){}//等待数据处理完
				//audio_len =audioframe->nb_samples;//out_buffer_size;//音频长度
				//audio_pos =out_buffer;//当前播放位置
				List_AddNode(list_head,out_buffer,out_buffer_size);//添加节点
			}
		}
		//释放数据包
		av_packet_unref(packet);
	}
	sws_freeContext(swsctx);
	av_frame_free(&frame);
	av_frame_free(&frameYUV);
	avformat_free_context(ps);
	return 0;
}
/*创建链表头*/
struct AUDIO_DATA *List_CreateHead(struct AUDIO_DATA *head)
{
	if(head==NULL)
	{
		head=malloc(sizeof(struct AUDIO_DATA));
		head->next=NULL;
	}
	return head;	
}

/*添加节点*/
void List_AddNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer,int audio_size)
{
	struct AUDIO_DATA *tmp=head;
	struct AUDIO_DATA *new_node;
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	/*找到链表尾部*/
	while(tmp->next)
	{
		tmp=tmp->next;
	}
	/*插入新的节点*/
	new_node=malloc(sizeof(struct AUDIO_DATA));
	new_node->audio_size=audio_size;
	new_node->audio_buffer=malloc(audio_size);//分配保存音频数据大小空间
	memcpy(new_node->audio_buffer,audio_buffer,audio_size);
	new_node->next=NULL;
	/*将新节点接入到链表*/
	tmp->next=new_node;	
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
/*
函数功能:删除节点
*/
void List_DelNode(struct AUDIO_DATA *head,unsigned char* audio_buffer)
{
	struct AUDIO_DATA *tmp=head;
	struct AUDIO_DATA *p;
	/*找到链表中要删除的节点*/
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	while(tmp->next)
	{
		p=tmp;
		tmp=tmp->next;
		if(tmp->audio_buffer==audio_buffer)
		{
			p->next=tmp->next;
			free(tmp->audio_buffer);
			free(tmp);
			break;
		}
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
/*
函数功能:遍历链表，得到节点总数量
*/
int List_GetNodeCnt(struct AUDIO_DATA *head)
{
	int cnt=0;
	struct AUDIO_DATA *tmp=head;
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	while(tmp->next)
	{
		tmp=tmp->next;
		cnt++;
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	return cnt;
}
/*
从链表头取数据
*/
int List_GetNode(struct AUDIO_DATA *head,char *audio_buff,int *audio_size)
{
	struct AUDIO_DATA *tmp=head;
	struct AUDIO_DATA *ptemp=head;
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	while(tmp->next!=NULL)
	{
		ptemp=tmp;
		tmp=tmp->next;
		
		if(tmp!=NULL)
		{
			*audio_size=tmp->audio_size;
			memcpy(audio_buff,tmp->audio_buffer,tmp->audio_size);
			ptemp->next=tmp->next;
			free(tmp->audio_buffer);
			free(tmp);
			pthread_mutex_unlock(&mutex);
			return 0;
		}
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	return -1;
}

• Makefile文件

OBJ=main.o
CFLAGS=-I/home/wbyq/src_pack/ffmpeg-4.2.5/_install/include -L/home/wbyq/src_pack/ffmpeg-4.2.5/_install/lib\
-I/home/wbyq/src_pack/SDL2-2.0.14/_install/include -I/home/wbyq/src_pack/SDL2-2.0.14/_install/include/SDL2 -L/home/wbyq/src_pack/SDL2-2.0.14/_install/lib \
-lSDL2 -lpthread -lm -ldl  -lavcodec -lavfilter -lavutil -lswresample -lavdevice -lavformat -lpostproc -lswscale -lpthread -lstdc++ -lm -lasound -lx264
app:$(OBJ)
	gcc -o $@ $^ $(CFLAGS)  

• 运行示例
  
  
  FFMPEG安装教程：https://blog.csdn.net/weixin_44453694/article/details/121978238