ffmpeg播放器实现详解 - 视频显示

ffplay是ffmpeg源码中一个自带的开源播放器实例，同时支持本地视频文件的播放以及在线流媒体播放，功能非常强大。

FFplay: FFplay is a very simple and portable media player using the FFmpeg libraries and the SDL library. It is mostly used as a testbed for the various FFmpeg APIs.

ffplay中的代码充分调用了ffmpeg中的函数库，因此，想学习ffmpeg的使用，或基于ffmpeg开发一个自己的播放器，ffplay都是一个很好的切入点。

由于ffmpeg本身的开发文档比较少，且ffplay播放器源码的实现相对复杂，除了基础的ffmpeg组件调用外，还包含视频帧的渲染、音频帧的播放、音视频同步策略及线程调度等问题。

因此，这里我们以ffmpeg官网推荐的一个ffplay播放器简化版本的开发例程为基础，在此基础上循序渐进由浅入深，最终探讨实现一个视频播放器的完整逻辑。

在上篇文章中介绍了如果搭建一个基于ffmpeg的播放器框架
本文在上篇文章的基础上，继续讨论如何将ffmpeg解码出的视频帧进行渲染显示

公众号：断点实验室 音视频开发系列文章
ffmpeg源码编译环境搭建
ffplay源码编译
ffmpeg播放器实现详解 - 框架搭建
ffmpeg播放器实现详解 - 视频显示
ffmpeg播放器实现详解 - 音频播放
ffmpeg播放器实现详解 - 创建线程
ffmpeg播放器实现详解 - 视频同步控制
ffmpeg播放器实现详解 - 音频同步控制
ffmpeg播放器实现详解 - 快进快退控制

1、视频帧渲染

上篇文章中介绍了如何基于ffmpeg搭建一个视频播放器框架，运行程序后可以看到，除了生成几张图片外，程序好像什么也做不了。

这是因为ffmpeg通过其封装的api及组件，为我们屏蔽了不同视频封装格式及编码格式的差异，以统一的api接口提供给开发者使用，开发者不需要了解每种编码方式及封装方式具体的技术细节，只需要调用ffmpeg提供的api就可以完成解封装和解码的操作了。

至于视频帧的渲染及音频帧的播放，ffmpeg就无能为力了，因此需要借助类似sdl库等其他第三方组件来完成。

这里讲述如何使用sdl库完成视频帧的渲染，sdl在底层封装了opengl图形库，sdl提供的api简化了opengl的绘图操作，为开发者提供了很多便利的操作，当然，你也可以采用其他系统支持的图形库来绘制视频帧。

sdl库的编译安装详见[公众号：断点实验室]的前述文章 [ffmpeg播放器实现详解 - 框架搭建]。

1.1 渲染环境搭建

一个视频帧在显示前，需要准备一个用于显示视频的窗口对象，以及附着在窗口上的画布对象

创建SDL窗口，并指定图像尺寸及像素个数

// 创建SDL窗口，并指定图像尺寸
screen = SDL_SetVideoMode(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, 24, 0);

创建画布对象

// 创建画布对象
bmp = SDL_CreateYUVOverlay(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, SDL_YV12_OVERLAY, screen);

1.2 视频帧渲染

在窗口和画布对象创建完成后，就可以开始视频帧的渲染显示了。

在对画布对象操作前，需要对其加线程锁保护，避免其他线程对画布中的内容进行竞争性访问(后面的内容很快会涉及到多线程环境的开发)。对线程操作不熟悉的同学可以了解一下在多线程环境下，多个线程对临界区资源的竞争性访问与线程同步操作。

SDL_LockYUVOverlay(bmp);//locks the overlay for direct access to pixel data

向画布注入解码后的视频帧

sws_scale(sws_ctx, (uint8_t const * const *)pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pict.data, pict.linesize);

在画布对象的视频帧填充操作完成后，释放sdl线程锁。

//Unlocks a previously locked overlay. An overlay must be unlocked before it can be displayed
SDL_UnlockYUVOverlay(bmp);

对视频帧的渲染

SDL_DisplayYUVOverlay(bmp, &rect);//图像渲染

可以看到，由于借助了sdl封装的api绘图接口，视频帧的渲染还是非常容易的，如果直接采用opengl绘图，绘制过程会相对复杂些，例程主要的目的是为了介绍ffmpeg的使用，因此，这里采用sdl简化了渲染流程。

1.3 项目源码编译

本例程和上篇文章中用到的编译方法完全一样

tutorial02: tutorial02.c
	gcc -o tutorial02 -g3 tutorial02.c -I${FFMPEG_INCLUDE} -I${SDL_INCLUDE}  \
	-L${FFMPEG_LIB} -lavutil -lavformat -lavcodec -lswscale -lswresample -lz -lm \
	`sdl-config --cflags --libs`

clean:
	rm -rf tutorial02

执行make命令开始编译，编译完成后，可在源码目录生成名为[tutorial02]的可执行文件。

可通过ldd命令查询当前可执行文件所有依赖的动态库。

1.4 验证

执行[tutorial02 url]命令，可以看到有画面输出了。

./tutorial02 rtmp://58.200.131.2:1935/livetv/hunantv

虽然画面已经有了，但还缺少声音，下篇文章会继续完善我们的播放器开发，讨论如何播放声音。

2、视频播放中可能出现的问题

视频播放中可能会出现以下两个问题

sdl找不到音频设备 SDL_OpenAudio no such audio device

sdl无法初始化 Could not initialize SDL, no available video device

解决方法见[公众号：断点实验室]的前述文章 [ffplay源码编译]。

3、源码清单

源码非常的简单，仅在上篇的内容基础上，增加了sdl渲染环境的搭建，整个源码仍然运行在main的主线程中，后面的内容会涉及多个线程的调度及同步的场景。

// tutorial02.c
// A pedagogical video player that will stream through every video frame as fast as it can.
//
// This tutorial was written by Stephen Dranger (dranger@gmail.com).
//
// Code based on FFplay, Copyright (c) 2003 Fabrice Bellard, 
// and a tutorial by Martin Bohme (boehme@inb.uni-luebeckREMOVETHIS.de)
// Tested on Gentoo, CVS version 5/01/07 compiled with GCC 4.1.1
//
// Updates tested on:
// Mac OS X 10.11.6
// Apple LLVM version 8.0.0 (clang-800.0.38)
//
// Use 
//
// $ gcc -o tutorial02 tutorial02.c -lavutil -lavformat -lavcodec -lswscale -lz -lm `sdl-config --cflags --libs`
//
// to build (assuming libavutil/libavformat/libavcodec/libswscale are correctly installed your system).
//
// Run using
//
// $ tutorial02 myvideofile.mpg
//
// to play the video stream on your screen.


#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavformat/avformat.h>
#include <libswscale/swscale.h>

#include <SDL.h>
#include <SDL_thread.h>

#ifdef __MINGW32__
#undef main // Prevents SDL from overriding main().
#endif

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
/*--------------参数定义-------------*/
	AVFormatContext *pFormatCtx = NULL;//保存文件容器封装信息及码流参数的结构体
	AVCodecContext *pCodecCtx = NULL;//解码器上下文对象，解码器依赖的相关环境、状态、资源以及参数集的接口指针
	AVCodec *pCodec = NULL;//保存编解码器信息的结构体，提供编码与解码的公共接口，可以看作是编码器与解码器的一个全局变量
	AVPacket packet;//负责保存压缩编码数据相关信息的结构体,每帧图像由一到多个packet包组成
	AVFrame *pFrame = NULL;//保存音视频解码后的数据，如状态信息、编解码器信息、宏块类型表，QP表，运动矢量表等数据
	struct SwsContext *sws_ctx = NULL;//描述转换器参数的结构体
	AVDictionary *optionsDict = NULL;
 
 	SDL_Surface *screen = NULL;//SDL绘图窗口，A structure that contains a collection of pixels used in software blitting
 	SDL_Overlay *bmp = NULL;//SDL画布
 	SDL_Rect rect;//SDL矩形对象
 	SDL_Event event;//SDL事件对象

 	int i, videoStream;//循环变量，视频流类型标号
 	int frameFinished;//解码操作是否成功标识
 
/*-------------参数初始化------------*/
	if (argc<2) {//检查输入参数个数是否正确
		fprintf(stderr, "Usage: test <file>\n");
		exit(1);
	}
	// Register all available formats and codecs，注册所有ffmpeg支持的多媒体格式及编解码器
	av_register_all();
  
	/*-----------------------
	 * Open video file，打开视频文件，读文件头内容，取得文件容器的封装信息及码流参数并存储在pFormatCtx中
	 * read the file header and stores information about the file format in the AVFormatContext structure  
	 * The last three arguments are used to specify the file format, buffer size, and format options
	 * but by setting this to NULL or 0, libavformat will auto-detect these
	 -----------------------*/
	if (avformat_open_input(&pFormatCtx, argv[1], NULL, NULL) != 0) {
		return -1; // Couldn't open file.
	}
  
	/*-----------------------
	 * 取得文件中保存的码流信息，并填充到pFormatCtx->stream 字段
	 * check out & Retrieve the stream information in the file
	 * then populate pFormatCtx->stream with the proper information 
	 * pFormatCtx->streams is just an array of pointers, of size pFormatCtx->nb_streams
	 -----------------------*/
	if (avformat_find_stream_info(pFormatCtx, NULL) < 0) {
		return -1; // Couldn't find stream information.
	}
  
	// Dump information about file onto standard error，打印pFormatCtx中的码流信息
	av_dump_format(pFormatCtx, 0, argv[1], 0);
  
	// Find the first video stream.
	videoStream = -1;//视频流类型标号初始化为-1
	for(i = 0; i < pFormatCtx->nb_streams; i++) {//遍历文件中包含的所有流媒体类型(视频流、音频流、字幕流等)
		if (pFormatCtx->streams[i]->codec->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {//若文件中包含有视频流
			videoStream = i;//用视频流类型的标号修改标识，使之不为-1
			break;
		}
	}
	if (videoStream == -1) {//检查文件中是否存在视频流
		return -1; // Didn't find a video stream.
	}
  
	// Get a pointer to the codec context for the video stream，根据流类型标号从pFormatCtx->streams中取得视频流对应的解码器上下文
	pCodecCtx = pFormatCtx->streams[videoStream]->codec;

	/*-----------------------
	 * Find the decoder for the video stream，根据视频流对应的解码器上下文查找对应的解码器，返回对应的解码器(信息结构体)
	 * The stream's information about the codec is in what we call the "codec context.
	 * This contains all the information about the codec that the stream is using
	 -----------------------*/
	pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecCtx->codec_id);
	if (pCodec == NULL) {//检查解码器是否匹配
		fprintf(stderr, "Unsupported codec!\n");
		return -1; // Codec not found.
	}

	// Open codec，打开解码器
	if (avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec, &optionsDict) < 0) {
		return -1; // Could not open codec.
	}

	// Allocate video frame，为解码后的视频信息结构体分配空间并完成初始化操作(结构体中的图像缓存按照下面两步手动安装)
	pFrame = av_frame_alloc();

	// Initialize SWS context for software scaling，设置图像转换像素格式为AV_PIX_FMT_YUV420P
	sws_ctx = sws_getContext(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, AV_PIX_FMT_YUV420P, SWS_BILINEAR, NULL, NULL, NULL);

	//SDL_Init initialize the Event Handling, File I/O, and Threading subsystems，初始化SDL 
	if (SDL_Init(SDL_INIT_VIDEO | SDL_INIT_AUDIO | SDL_INIT_TIMER)) {//initialize the video audio & timer subsystem 
		fprintf(stderr, "Could not initialize SDL - %s\n", SDL_GetError());//tell the library what features we're going to use
		exit(1);
	}

	// Make a screen to put our video,在SDL2.0中SDL_SetVideoMode及SDL_Overlay已经弃用，改为SDL_CreateWindow及SDL_CreateRenderer创建窗口及着色器
#ifndef __DARWIN__
	screen = SDL_SetVideoMode(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, 24, 0);//创建SDL窗口，并指定图像尺寸
#else
	screen = SDL_SetVideoMode(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, 24, 0);//创建SDL窗口，并指定图像尺寸
#endif
	if (!screen) {//检查SDL窗口是否创建成功
		fprintf(stderr, "SDL: could not set video mode - exiting\n");
		exit(1);
	}
  	SDL_WM_SetCaption(argv[1],0);//用输入文件名设置SDL窗口标题

	// Allocate a place to put our YUV image on that screen，创建画布对象
	bmp = SDL_CreateYUVOverlay(pCodecCtx->width, pCodecCtx->height, SDL_YV12_OVERLAY, screen);

/*--------------循环解码-------------*/
	i = 0;// Read frames and save first five frames to disk
	/*-----------------------
	 * read in a packet and store it in the AVPacket struct
	 * ffmpeg allocates the internal data for us,which is pointed to by packet.data
	 * this is freed by the av_free_packet()
	 -----------------------*/
	while(av_read_frame(pFormatCtx, &packet) >= 0) {//从文件中依次读取每个图像编码数据包，并存储在AVPacket数据结构中
		// Is this a packet from the video stream，检查数据包类型
		if (packet.stream_index == videoStream) {
		    /*-----------------------
	 		 * Decode video frame，解码完整的一帧数据，并将frameFinished设置为true
			 * 可能无法通过只解码一个packet就获得一个完整的视频帧frame，可能需要读取多个packet才行
	 		 * avcodec_decode_video2()会在解码到完整的一帧时设置frameFinished为真
			 * Technically a packet can contain partial frames or other bits of data
			 * ffmpeg's parser ensures that the packets we get contain either complete or multiple frames
			 * convert the packet to a frame for us and set frameFinisned for us when we have the next frame
	 	 	 -----------------------*/
			avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pFrame, &frameFinished, &packet);

			// Did we get a video frame，检查是否解码出完整一帧图像
			if (frameFinished) {
				SDL_LockYUVOverlay(bmp);//locks the overlay for direct access to pixel data，原子操作，保护像素缓冲区临界资源

				AVFrame pict;//保存转换为AV_PIX_FMT_YUV420P格式的视频帧
				pict.data[0] = bmp->pixels[0];//将转码后的图像与画布的像素缓冲器关联
				pict.data[1] = bmp->pixels[2];
				pict.data[2] = bmp->pixels[1];

				pict.linesize[0] = bmp->pitches[0];//将转码后的图像扫描行长度与画布像素缓冲区的扫描行长度相关联
				pict.linesize[1] = bmp->pitches[2];//linesize-Size, in bytes, of the data for each picture/channel plane
				pict.linesize[2] = bmp->pitches[1];//For audio, only linesize[0] may be set

				// Convert the image into YUV format that SDL uses，将解码后的图像转换为AV_PIX_FMT_YUV420P格式，并赋值到pict对象
				sws_scale(sws_ctx, (uint8_t const * const *)pFrame->data, pFrame->linesize, 0, pCodecCtx->height, pict.data, pict.linesize);

				SDL_UnlockYUVOverlay(bmp);//Unlocks a previously locked overlay. An overlay must be unlocked before it can be displayed

				//设置矩形显示区域
				rect.x = 0;
				rect.y = 0;
				rect.w = pCodecCtx->width;
				rect.h = pCodecCtx->height;
				SDL_DisplayYUVOverlay(bmp, &rect);//图像渲染
			}
		}
    
		// Free the packet that was allocated by av_read_frame，释放AVPacket数据结构中编码数据指针
		av_packet_unref(&packet);
		
		/*-------------------------
		 * 在每次循环中从SDL后台队列取事件并填充到SDL_Event对象中
		 * SDL的事件系统使得你可以接收用户的输入，从而完成一些控制操作
		 * SDL_PollEvent() is the favored way of receiving system events 
		 * since it can be done from the main loop and does not suspend the main loop
		 * while waiting on an event to be posted
		 * poll for events right after we finish processing a packet
		 ------------------------*/
		SDL_PollEvent(&event);
		switch (event.type) {//检查SDL事件对象
			case SDL_QUIT://退出事件
				printf("SDL_QUIT\n");
				SDL_Quit();//退出操作
				exit(0);//结束进程
				break;
			default:
				break;
		}//end for switch
	}//end for while
/*--------------参数撤销-------------*/  
	// Free the YUV frame.
	av_free(pFrame);

	// Close the codec.
	avcodec_close(pCodecCtx);

	// Close the video file.
	avformat_close_input(&pFormatCtx);

	return 0;
}

---

// 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
// 公众号：断点实验室
// 扫描二维码，关注更多优质原创，内容包括：音视频开发、图像处理、网络、
// Linux，Windows、Android、嵌入式开发等