FFmpeg原始帧处理-滤镜API用法详解
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在 FFmpeg 中，滤镜(filter)处理的是未压缩的原始音视频数据(RGB/YUV视频帧，PCM音频帧等)。一个滤镜的输出可以连接到另一个滤镜的输入，多个滤镜可以连接起来，构成滤镜链/滤镜图，各种滤镜的组合为 FFmpeg 提供了丰富的音视频处理功能。
比较常用的滤镜有：scale、trim、overlay、rotate、movie、yadif。scale 滤镜用于缩放，trim 滤镜用于帧级剪切，overlay 滤镜用于视频叠加，rotate 滤镜实现旋转，movie 滤镜可以加载第三方的视频，yadif 滤镜可以去隔行。
本文将通过实例详细介绍滤镜 API 的使用方法。
1. 滤镜的构成及命令行用法
参考 “FFmpeg使用基础” 第 4 节 “滤镜”。
2. 滤镜数据结构与API简介
待补充
2.1 struct AVFilter
/**
* Filter definition. This defines the pads a filter contains, and all the
* callback functions used to interact with the filter.
*/
typedef struct AVFilter {
const char *name;
const char *description;
const AVFilterPad *inputs;
const AVFilterPad *outputs;
const AVClass *priv_class;
int flags;
// private API
......
} AVFilter;
2.2 struct AVFilterContext
/** An instance of a filter */
struct AVFilterContext {
const AVClass *av_class; ///< needed for av_log() and filters common options
const AVFilter *filter; ///< the AVFilter of which this is an instance
char *name; ///< name of this filter instance
AVFilterPad *input_pads; ///< array of input pads
AVFilterLink **inputs; ///< array of pointers to input links
unsigned nb_inputs; ///< number of input pads
AVFilterPad *output_pads; ///< array of output pads
AVFilterLink **outputs; ///< array of pointers to output links
unsigned nb_outputs; ///< number of output pads
void *priv; ///< private data for use by the filter
struct AVFilterGraph *graph; ///< filtergraph this filter belongs to
......
};
2.3 struct AVFilterGraph
typedef struct AVFilterGraph {
const AVClass *av_class;
AVFilterContext **filters;
unsigned nb_filters;
......
} AVFilterGraph;
2.4 struct AVFilterLink
/**
* A link between two filters. This contains pointers to the source and
* destination filters between which this link exists, and the indexes of
* the pads involved. In addition, this link also contains the parameters
* which have been negotiated and agreed upon between the filter, such as
* image dimensions, format, etc.
*
* Applications must not normally access the link structure directly.
* Use the buffersrc and buffersink API instead.
* In the future, access to the header may be reserved for filters
* implementation.
*/
struct AVFilterLink {
AVFilterContext *src; ///< source filter
AVFilterPad *srcpad; ///< output pad on the source filter
AVFilterContext *dst; ///< dest filter
AVFilterPad *dstpad; ///< input pad on the dest filter
......
}
2.5 struct AVFilterInOut
/**
* A linked-list of the inputs/outputs of the filter chain.
*
* This is mainly useful for avfilter_graph_parse() / avfilter_graph_parse2(),
* where it is used to communicate open (unlinked) inputs and outputs from and
* to the caller.
* This struct specifies, per each not connected pad contained in the graph, the
* filter context and the pad index required for establishing a link.
*/
typedef struct AVFilterInOut {
/** unique name for this input/output in the list */
char *name;
/** filter context associated to this input/output */
AVFilterContext *filter_ctx;
/** index of the filt_ctx pad to use for linking */
int pad_idx;
/** next input/input in the list, NULL if this is the last */
struct AVFilterInOut *next;
} AVFilterInOut;
2.6 avfilter_graph_create_filter()
/**
* Create and add a filter instance into an existing graph.
* The filter instance is created from the filter filt and inited
* with the parameters args and opaque.
*
* In case of success put in *filt_ctx the pointer to the created
* filter instance, otherwise set *filt_ctx to NULL.
*
* @param name the instance name to give to the created filter instance
* @param graph_ctx the filter graph
* @return a negative AVERROR error code in case of failure, a non
* negative value otherwise
*/
int avfilter_graph_create_filter(AVFilterContext **filt_ctx, const AVFilter *filt,
const char *name, const char *args, void *opaque,
AVFilterGraph *graph_ctx);
2.7 avfilter_graph_parse_ptr()
/**
* Add a graph described by a string to a graph.
*
* In the graph filters description, if the input label of the first
* filter is not specified, "in" is assumed; if the output label of
* the last filter is not specified, "out" is assumed.
*
* @param graph the filter graph where to link the parsed graph context
* @param filters string to be parsed
* @param inputs pointer to a linked list to the inputs of the graph, may be NULL.
* If non-NULL, *inputs is updated to contain the list of open inputs
* after the parsing, should be freed with avfilter_inout_free().
* @param outputs pointer to a linked list to the outputs of the graph, may be NULL.
* If non-NULL, *outputs is updated to contain the list of open outputs
* after the parsing, should be freed with avfilter_inout_free().
* @return non negative on success, a negative AVERROR code on error
*/
int avfilter_graph_parse_ptr(AVFilterGraph *graph, const char *filters,
AVFilterInOut **inputs, AVFilterInOut **outputs,
void *log_ctx);
2.8 avfilter_graph_config()
/**
* Check validity and configure all the links and formats in the graph.
*
* @param graphctx the filter graph
* @param log_ctx context used for logging
* @return >= 0 in case of success, a negative AVERROR code otherwise
*/
int avfilter_graph_config(AVFilterGraph *graphctx, void *log_ctx);
2.9 av_buffersrc_add_frame_flags()
/**
* Add a frame to the buffer source.
*
* By default, if the frame is reference-counted, this function will take
* ownership of the reference(s) and reset the frame. This can be controlled
* using the flags.
*
* If this function returns an error, the input frame is not touched.
*
* @param buffer_src pointer to a buffer source context
* @param frame a frame, or NULL to mark EOF
* @param flags a combination of AV_BUFFERSRC_FLAG_*
* @return >= 0 in case of success, a negative AVERROR code
* in case of failure
*/
av_warn_unused_result
int av_buffersrc_add_frame_flags(AVFilterContext *buffer_src,
AVFrame *frame, int flags);
2.10 av_buffersink_get_frame()
/**
* Get a frame with filtered data from sink and put it in frame.
*
* @param ctx pointer to a context of a buffersink or abuffersink AVFilter.
* @param frame pointer to an allocated frame that will be filled with data.
* The data must be freed using av_frame_unref() / av_frame_free()
*
* @return
* - >= 0 if a frame was successfully returned.
* - AVERROR(EAGAIN) if no frames are available at this point; more
* input frames must be added to the filtergraph to get more output.
* - AVERROR_EOF if there will be no more output frames on this sink.
* - A different negative AVERROR code in other failure cases.
*/
int av_buffersink_get_frame(AVFilterContext *ctx, AVFrame *frame);
3. 滤镜API使用方法
在代码中使用滤镜，主要分为两个步骤：
[1]. 滤镜的初始化配置：根据滤镜参数，配置生成滤镜图，此滤镜图供下一步骤使用
[2]. 使用滤镜处理原始音视频帧：向滤镜图提供输入帧(AVFrame)，从滤镜图取出经处理后的输出帧(AVFrame)
1. init_filters() // 配置生成可用的滤镜图，由用户编写
2. av_buffersrc_add_frame_flags() // 向滤镜图提供输入帧，API函数
3. av_buffersink_get_frame() // 从滤镜图取出处理后的输出帧，API函数
3.1 滤镜配置
在代码中，滤镜配置比滤镜使用复杂，滤镜配置代码如下：
// 功能：创建配置一个滤镜图，在后续滤镜处理中，可以往此滤镜图输入数据并从滤镜图获得输出数据
// filters_descr：输入参数，形如“transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40”
// @vfmt：输入参数，描述提供给待生成滤镜图的视频帧和格式
// @fctx：输出参数，返回生成滤镜图的信息，供调用者使用
int init_video_filters(const char *filters_descr, const input_vfmt_t *vfmt, filter_ctx_t *fctx)
{
int ret = 0;
// 1. 配置滤镜图输入端和输出端
// 分配一个滤镜图filter_graph
fctx->filter_graph = avfilter_graph_alloc();
if (!fctx->filter_graph)
{
ret = AVERROR(ENOMEM);
goto end;
}
char args[512];
char *p_args = NULL;
if (vfmt != NULL)
{
/* buffer video source: the decoded frames from the decoder will be inserted here. */
// args是buffersrc滤镜的参数
snprintf(args, sizeof(args),
"video_size=%dx%d:pix_fmt=%d:time_base=%d/%d:pixel_aspect=%d/%d",
vfmt->width, vfmt->height, vfmt->pix_fmt,
vfmt->time_base.num, vfmt->time_base.den,
vfmt->sar.num, vfmt->sar.den);
p_args = args;
}
// buffer滤镜：缓冲视频帧，作为滤镜图的输入
const AVFilter *bufsrc = avfilter_get_by_name("buffer");
// 创建滤镜实例fctx->bufsrc_ctx，此滤镜实例从bufsrc中创建，并使用参数p_args进行初始化
// 新创建的滤镜实例命名为"in"，并被添加到滤镜图fctx->filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsrc_ctx, bufsrc, "in",
p_args, NULL, fctx->filter_graph);
if (ret < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot create buffer source\n");
goto end;
}
// buffersink滤镜：缓冲视频帧，作为滤镜图的输出
const AVFilter *bufsink = avfilter_get_by_name("buffersink");
/* buffer video sink: to terminate the filter chain. */
// 创建滤镜实例buffersink_ctx，此滤镜实例从bufsink中创建
// 新创建的滤镜实例命名为"out"，并被添加到滤镜图fctx->filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsink_ctx, bufsink, "out",
NULL, NULL, fctx->filter_graph);
if (ret < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot create buffer sink\n");
goto end;
}
#if 0 // 因为后面显示视频帧时有sws_scale()进行图像格式转换，故此处不设置滤镜输出格式也可
enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUYV422, AV_PIX_FMT_NONE };
// 设置输出像素格式为pix_fmts[]中指定的格式(如果要用SDL显示，则这些格式应是SDL支持格式)
ret = av_opt_set_int_list(buffersink_ctx, "pix_fmts", pix_fmts,
AV_PIX_FMT_NONE, AV_OPT_SEARCH_CHILDREN);
if (ret < 0) {
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot set output pixel format\n");
goto end;
}
#endif
// 1. end
// 2. 将filters_descr描述的滤镜图添加到fctx->filter_graph滤镜图中
/*
* Set the endpoints for the filter graph. The filter_graph will
* be linked to the graph described by filters_descr.
*/
// 设置滤镜图的端点，将filters_descr描述的滤镜图连接到此滤镜图，
// 两个滤镜图的连接是通过端点连接(AVFilterInOut)完成的
/*
* The buffer source output must be connected to the input pad of
* the first filter described by filters_descr; since the first
* filter input label is not specified, it is set to "in" by
* default.
*/
// outputs变量意指buffersrc_ctx滤镜的输出引脚(output pad)
// src缓冲区(buffersrc_ctx滤镜)的输出必须连到filters_descr中第一个
// 滤镜的输入；filters_descr中第一个滤镜的输入标号未指定，故默认为
// "in"，此处将buffersrc_ctx的输出标号也设为"in"，就实现了同标号相连
AVFilterInOut *outputs = avfilter_inout_alloc();
outputs->name = av_strdup("in");
outputs->filter_ctx = fctx->bufsrc_ctx;
outputs->pad_idx = 0;
outputs->next = NULL;
/*
* The buffer sink input must be connected to the output pad of
* the last filter described by filters_descr; since the last
* filter output label is not specified, it is set to "out" by
* default.
*/
// inputs变量意指buffersink_ctx滤镜的输入引脚(input pad)
// sink缓冲区(buffersink_ctx滤镜)的输入必须连到filters_descr中最后
// 一个滤镜的输出；filters_descr中最后一个滤镜的输出标号未指定，故
// 默认为"out"，此处将buffersink_ctx的输出标号也设为"out"，就实现了
// 同标号相连
AVFilterInOut *inputs = avfilter_inout_alloc();
inputs->name = av_strdup("out");
inputs->filter_ctx = fctx->bufsink_ctx;
inputs->pad_idx = 0;
inputs->next = NULL;
// 将filters_descr描述的滤镜图添加到fctx->filter_graph滤镜图中
// 调用前：fctx->filter_graph包含两个滤镜fctx->bufsrc_ctx和fctx->bufsink_ctx
// 调用后：filters_descr描述的滤镜图插入到fctx->filter_graph中，fctx->bufsrc_ctx连接到filters_descr
// 的输入，filters_descr的输出连接到fctx->bufsink_ctx，filters_descr只进行了解析而不
// 建立内部滤镜间的连接。filters_desc与fctx->filter_graph间的连接是利用AVFilterInOut inputs
// 和AVFilterInOut outputs连接起来的，AVFilterInOut是一个链表，最终可用的连在一起的
// 滤镜链/滤镜图就是通过这个链表串在一起的。
ret = avfilter_graph_parse_ptr(fctx->filter_graph, filters_descr,
&inputs, &outputs, NULL);
if (ret < 0)
{
goto end;
}
// 2. end
// 3. 配置filtergraph滤镜图，建立滤镜间的连接
// 验证有效性并配置filtergraph中所有连接和格式
ret = avfilter_graph_config(fctx->filter_graph, NULL);
if (ret < 0)
{
goto end;
}
// 3. end
end:
avfilter_inout_free(&inputs);
avfilter_inout_free(&outputs);
return ret;
}
函数参数说明：
-
输入参数
const char *filters_descr
以字符串形式提供滤镜选项，例如参数为 "transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40" 时，表示将视频帧逆时针旋转 90 度，然后在视频左右各填充 40 像素的黑边。 -
输入参数
input_vfmt_t *vfmt
用于描述提供给滤镜图的视频帧和格式，在配置滤镜图中的第一个滤镜 buffer 时需要为滤镜提供参数，就是从 vfmt 参数转换得到。
input_vfmt_t 为自定义数据结构，定义如下：
typedef struct {
int width;
int height;
enum AVPixelFormat pix_fmt;
AVRational time_base;
AVRational sar;
AVRational frame_rate;
} input_vfmt_t;
- 输出参数
filter_ctx_t *fctx
用于返回生成滤镜图的信息，供调用者使用。
filter_ctx_t 为自定义数据结构，定义如下：
typedef struct {
AVFilterContext *bufsink_ctx;
AVFilterContext *bufsrc_ctx;
AVFilterGraph *filter_graph;
} filter_ctx_t;
此结构中三个成员：bufsrc_ctx 用于滤镜图的输入，bufsink_ctx 用于滤镜图的输出，filter_graph 指向滤镜图。
TODO: 一个滤镜图可能含多个滤镜链，即可能有多个输入节点(bufsrc_ctx)或多个输出节点(bufsink_ctx)，此数据结构应改进为支持多输入和多输出
init_video_filters() 函数实现的几个步骤如下：
3.1.1 配置滤镜图输入端和输出端
buffer 滤镜和 buffersink 滤镜是两个特殊的视频滤镜，分别用于视频滤镜链的输入端和输出端。与之相似，abuffer 滤镜和 abuffersink 滤镜是两个特殊的音频滤镜，分别用于音频滤镜链的输入端和输出端。
一个滤镜图可能由多个滤镜链构成，每个滤镜链的输入节点就是 buffer 滤镜，输出节点是 buffersink 滤镜，因此一个滤镜图可能有多个 buffer 滤镜，也可能有多个 buffersink 滤镜。应用程序通过访问 buffer 滤镜和 buffersink 滤镜实现和滤镜图的数据交互。
buffer 滤镜
在命令行中输入 ffmpeg -h filter=buffer 查看 buffer 滤镜的帮助信息，如下：
$ ffmpeg -h filter=buffer
ffmpeg version 4.1 Copyright (c) 2000-2018 the FFmpeg developers
Filter buffer
Buffer video frames, and make them accessible to the filterchain.
Inputs:
none (source filter)
Outputs:
#0: default (video)
buffer AVOptions:
width <int> ..FV..... (from 0 to INT_MAX) (default 0)
video_size <image_size> ..FV.....
height <int> ..FV..... (from 0 to INT_MAX) (default 0)
pix_fmt <pix_fmt> ..FV..... (default none)
sar <rational> ..FV..... sample aspect ratio (from 0 to DBL_MAX) (default 0/1)
pixel_aspect <rational> ..FV..... sample aspect ratio (from 0 to DBL_MAX) (default 0/1)
time_base <rational> ..FV..... (from 0 to DBL_MAX) (default 0/1)
frame_rate <rational> ..FV..... (from 0 to DBL_MAX) (default 0/1)
sws_param <string> ..FV.....
buffer 滤镜用作滤镜链的输入节点。buffer 滤镜缓冲视频帧，滤镜链可以从 buffer 滤镜中取得视频帧数据。
在上述帮助信息中，Inputs 和 Outputs 指滤镜的输入引脚和输出引脚。buffer 滤镜是滤镜链中的第一个滤镜，因此只有输出引脚而无输入引脚。
滤镜(AVFilter)需要通过滤镜实例(AVFilterContext)引用，为 buffer 滤镜创建的滤镜实例是 fctx->bufsrc_ctx，用户通过往 fctx->bufsrc_ctx 填入视频帧来为滤镜链提供输入。
为 buffer 滤镜创建滤镜实例时需要提供参数，buffer 滤镜需要的参数在帮助信息中的 “buffer AVOptions” 部分列出，由 vfmt 输入参数提供，代码如下：
char args[512];
char *p_args = NULL;
if (vfmt != NULL)
{
/* buffer video source: the decoded frames from the decoder will be inserted here. */
// args是buffersrc滤镜的参数
snprintf(args, sizeof(args),
"video_size=%dx%d:pix_fmt=%d:time_base=%d/%d:pixel_aspect=%d/%d",
vfmt->width, vfmt->height, vfmt->pix_fmt,
vfmt->time_base.num, vfmt->time_base.den,
vfmt->sar.num, vfmt->sar.den);
p_args = args;
}
// buffer滤镜：缓冲视频帧，作为滤镜图的输入
const AVFilter *bufsrc = avfilter_get_by_name("buffer");
// 创建滤镜实例fctx->bufsrc_ctx，此滤镜实例从bufsrc中创建，并使用参数p_args进行初始化
// 新创建的滤镜实例命名为"in"，并被添加到滤镜图fctx->filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsrc_ctx, bufsrc, "in",
p_args, NULL, fctx->filter_graph);
if (ret < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot create buffer source\n");
goto end;
}
buffersink 滤镜
在命令行中输入 ffmpeg -h filter=buffersink 查看 buffersink 滤镜的帮助信息，如下：
$ ffmpeg -h filter=buffersink
ffmpeg version 4.1 Copyright (c) 2000-2018 the FFmpeg developers
Filter buffersink
Buffer video frames, and make them available to the end of the filter graph.
Inputs:
#0: default (video)
Outputs:
none (sink filter)
buffersink AVOptions:
pix_fmts <binary> ..FV..... set the supported pixel formats
buffersink 滤镜用作滤镜链的输出节点。滤镜链处理后的视频帧可以缓存到 buffersink 滤镜中。buffersink 滤镜是滤镜链中的最后一个滤镜，因此只有输入引脚而无输出引脚。
为 buffersink 滤镜创建的滤镜实例是 fctx->bufsink_ctx，用户可以从 fctx->bufsink_ctx 中读视频帧来获得滤镜链的输出。
通过帮助信息可以看到，buffersink 滤镜参数只有一个 “pix_fmt”，用于设置滤镜链输出帧的像素格式列表，这个像素格式有多种，以限制输出帧格式不超过指定的范围。
// buffersink滤镜：缓冲视频帧，作为滤镜图的输出
const AVFilter *bufsink = avfilter_get_by_name("buffersink");
// 为buffersink滤镜创建滤镜实例buffersink_ctx，命名为"out"
// 将新创建的滤镜实例buffersink_ctx添加到滤镜图filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsink_ctx, bufsink, "out",
NULL, NULL, fctx->filter_graph);
#if 0 // 因为后面显示视频帧时有sws_scale()进行图像格式转换，故此处不设置滤镜输出格式也可
enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_YUYV422, AV_PIX_FMT_NONE };
// 设置输出像素格式为pix_fmts[]中指定的格式(如果要用SDL显示，则这些格式应是SDL支持格式)
ret = av_opt_set_int_list(buffersink_ctx, "pix_fmts", pix_fmts,
AV_PIX_FMT_NONE, AV_OPT_SEARCH_CHILDREN);
#endif
将 buffer 滤镜和 buffsink 滤镜添加进滤镜图中后，如下图所示：
3.1.2 将 filters_descr 描述的滤镜插入滤镜图中
解析滤镜选项(filters_descr)，将解析得到的滤镜插入第 1 步构造的滤镜图中，并与滤镜图输入端和输出端连接起来
// 设置滤镜图的端点，将filters_descr描述的滤镜图连接到此滤镜图
// 两个滤镜图的连接是通过端点(AVFilterInOut)连接完成的
// 端点数据结构AVFilterInOut主要用于avfilter_graph_parse()系列函数
// outputs变量意指buffersrc_ctx滤镜的输出引脚(output pad)
// src缓冲区(buffersrc_ctx滤镜)的输出必须连到filters_descr中第一个
// 滤镜的输入；filters_descr中第一个滤镜的输入标号未指定，故默认为
// "in"，此处将buffersrc_ctx的输出标号也设为"in"，就实现了同标号相连
AVFilterInOut *outputs = avfilter_inout_alloc();
outputs->name = av_strdup("in");
outputs->filter_ctx = fctx->bufsrc_ctx;
outputs->pad_idx = 0;
outputs->next = NULL;
// inputs变量意指buffersink_ctx滤镜的输入引脚(input pad)
// sink缓冲区(buffersink_ctx滤镜)的输入必须连到filters_descr中最后
// 一个滤镜的输出；filters_descr中最后一个滤镜的输出标号未指定，故
// 默认为"out"，此处将buffersink_ctx的输出标号也设为"out"，就实现了
// 同标号相连
AVFilterInOut *inputs = avfilter_inout_alloc();
inputs->name = av_strdup("out");
inputs->filter_ctx = fctx->bufsink_ctx;
inputs->pad_idx = 0;
inputs->next = NULL;
// 将filters_descr描述的滤镜图添加到filter_graph滤镜图中
// 调用前：filter_graph包含两个滤镜buffersrc_ctx和buffersink_ctx
// 调用后：filters_descr描述的滤镜图插入到filter_graph中，buffersrc_ctx连接到filters_descr
// 的输入，filters_descr的输出连接到buffersink_ctx，filters_descr只进行了解析而不
// 建立内部滤镜间的连接。filters_desc与filter_graph间的连接是利用AVFilterInOut inputs
// 和AVFilterInOut outputs连接起来的，AVFilterInOut是一个链表，最终可用的连在一起的
// 滤镜链/滤镜图就是通过这个链表串在一起的。
ret = avfilter_graph_parse_ptr(fctx->filter_graph, filters_descr,
&inputs, &outputs, NULL);
filters_descr 描述的滤镜如下图所示：
调用 avfilter_graph_parse_ptr() 后，滤镜图如下所示：
3.1.3. 建立滤镜连接
调用 avfilter_graph_config() 将上一步得到的滤镜图进行配置，建立滤镜间的连接，此步完成后即生了一个可用的滤镜图，如下图所示：
3.2 使用滤镜处理原始帧
配置好滤镜后，可在音视频处理过程中使用滤镜。使用滤镜比配置滤镜简单很多，主要调用如下两个 API 函数：
- 调用 av_buffersrc_add_frame_flags() 将音视频帧发送给滤镜
- 调用 av_buffersink_get_frame() 取得经滤镜处理后的音视频帧
4. 滤镜 API 应用实例分析
滤镜接收原始音视频帧，经过各种效果的滤镜处理后输出的仍然是原始音视频帧。在滤镜 API 应用实例中，核心内容是 “滤镜配置” 和 “滤镜使用” 两个部分，滤镜接收什么样的输入源不重要，对滤镜的输出做什么处理也不重要。不同的输入源，及不同的输出处理方式仅仅是为了加深对滤镜 API 使用的理解，以及方便观察滤镜的处理效果。
滤镜的输入可以是解码器的输出、原始 YUV 文件及测试图。本文三个示例只针对视频滤镜：
示例 1：编码器的输出作为滤镜的输入，滤镜的输出简单处理，无法观察滤镜效果。
示例 2：编码器的输出作为滤镜的输入，滤镜的输出可以播放，可直观观察滤镜效果。
示例 3：测试图作为滤镜的输入(而测试图本身也是由特殊滤镜生成)，滤镜的输出可以播放，可直接观察滤镜效果。
示例 1 源码下载：https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/blob/n4.1/doc/examples/filtering_video.c
示例 2 与示例 3 源码下载(shell中运行如下命令)：
svn checkout https://github.com/leichn/exercises/trunk/source/ffmpeg/ffmpeg_vfilter/
4.1 示例 1：官方例程
官方例程实现的功能是：打开一个视频文件，解码后经过滤镜处理，然后以简单灰度模式在命令窗口中播放视频帧。
例程中使用的滤镜选项是 "scale=78:24,transpose=cclock"，表示先用 scale 滤镜将视频帧缩放到 78x24 像素，再用 transpose 滤镜将视频帧逆时针旋转 90 度。
简述一下例程的步骤：
- 打开视频文件，调用 open_input_file() 实现
- 初始化滤镜，调用 init_filters() 实现
- 解码得到视频帧，调用 avcodec_send_packet() 和 avcodec_receive_frame() 获得解码后的原始视频帧
- 将视频帧发给滤镜，调用 av_buffersrc_add_frame_flags() 实现
- 从滤镜输出端取视频帧，调用 av_buffersink_get_frame() 实现
- 播放视频帧，调用 display_frame() 实现
例程核心是滤镜相关的代码，因此视频帧播放部分做了简化处理。
4.2 示例 2：可播放版本
官方例程主要演示滤镜 API 的使用方法，代码量较少，简化了视频播放部分，这样使得滤镜的处理效果无法直观观察。示例 2 针对此问题，在官方代码基础上增加了正常的视频播放效果。
4.2.1 代码
下载代码后，源码目录下有如下几个文件，说明如下：
vfilter_filesrc.c 用于示例2：输入源为视频文件，经滤镜处理后播放
vfilter_testsrc.c 用于示例3：输入源为测试图，经滤镜处理后播放
video_filter.c 滤镜处理功能
video_play.c 视频播放功能
Makefile
video_filter.c 封装了滤镜处理相关代码，详参本文第 3 节。
video_play.c 实现了视频播放功能，本例无需过多关注，实现原理可参考如下两篇文章：
“FFmpeg简易播放器的实现-视频播放”
“ffplay源码分析5-图像格式转换”
vfilter_filesrc.c 是示例 2 的主程序，实现了打开视频文件、解码、滤镜处理、播放主流程
4.2.2 编译
进入源码目录，编译生成 vf_file 可执行文件：
make vf_file
4.2.3 测试
在命令行运行：
./vf_file ./ring.flv -vf crop=iw/2:ih:0:0,pad=iw*2:ih`
滤镜选项 "-vf crop=iw/2:ih:0:0,pad=iw*2:ih" 表示先将视频裁剪为一半宽度，再填充为二倍宽度，预期结果为视频的右半部分为黑边。
测试文件下载(右键另存为)：ring.flv
未经滤镜处理和经过滤镜处理的视频效果对比如下两图所示：
4.3 示例 3：测试图作输入源
示例 3 使用测试图(test pattern)作为滤镜的输入，测试图(test pattern)是由 FFmpeg 内部产生的测试图案，用于测试非常方便。
因测试图直接输出原始视频帧，不需解码器，因此示例 3 中用到 AVFilter 库，不需要用到 AVFormat 库。
4.3.1 代码
4.2 节下载得到的源码中的 vfilter_testsrc.c 就是示例 3 的主程序，实现了构建测试源，滤镜处理，播放的主流程。除滤镜输入源的获取方式与示例 2 不同之外，其他过程并无不同。
示例 3 增加的关键内容是构造测试源，参考 vfilter_testsrc.c 中如下函数：
// @filter [i] 产生测试图案的filter
// @vfmt [i] @filter的参数
// @fctx [o] 用户定义的数据类型，输出供调用者使用
static int open_testsrc(const char *filter, const input_vfmt_t *vfmt, filter_ctx_t *fctx)
{
int ret = 0;
// 分配一个滤镜图filter_graph
fctx->filter_graph = avfilter_graph_alloc();
if (!fctx->filter_graph)
{
return AVERROR(ENOMEM);
}
// source滤镜：合法值有"testsrc"/"smptebars"/"color"/...
const AVFilter *bufsrc = avfilter_get_by_name(filter);
// 为buffersrc滤镜创建滤镜实例buffersrc_ctx，命名为"in"
// 将新创建的滤镜实例buffersrc_ctx添加到滤镜图filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsrc_ctx, bufsrc, "in",
NULL, NULL, fctx->filter_graph);
if (ret < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot create filter testsrc\n");
goto end;
}
// "buffersink"滤镜：缓冲视频帧，作为滤镜图的输出
const AVFilter *bufsink = avfilter_get_by_name("buffersink");
/* buffer video sink: to terminate the filter chain. */
// 为buffersink滤镜创建滤镜实例buffersink_ctx，命名为"out"
// 将新创建的滤镜实例buffersink_ctx添加到滤镜图filter_graph中
ret = avfilter_graph_create_filter(&fctx->bufsink_ctx, bufsink, "out",
NULL, NULL, fctx->filter_graph);
if (ret < 0)
{
av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "Cannot create filter buffersink\n");
goto end;
}
if ((ret = avfilter_link(fctx->bufsrc_ctx, 0, fctx->bufsink_ctx, 0)) < 0)
{
goto end;
}
// 验证有效性并配置filtergraph中所有连接和格式
ret = avfilter_graph_config(fctx->filter_graph, NULL);
if (ret < 0)
{
goto end;
}
vfmt->pix_fmt = av_buffersink_get_format(fctx->bufsink_ctx);
vfmt->width = av_buffersink_get_w(fctx->bufsink_ctx);
vfmt->height = av_buffersink_get_h(fctx->bufsink_ctx);
vfmt->sar = av_buffersink_get_sample_aspect_ratio(fctx->bufsink_ctx);
vfmt->time_base = av_buffersink_get_time_base(fctx->bufsink_ctx);
vfmt->frame_rate = av_buffersink_get_frame_rate(fctx->bufsink_ctx);
av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "probe video format: "
"%dx%d, pix_fmt %d, SAR %d/%d, tb %d/%d, rate %d/%d\n",
vfmt->width, vfmt->height, vfmt->pix_fmt,
vfmt->sar.num, vfmt->sar.den,
vfmt->time_base.num, vfmt->time_base.den,
vfmt->frame_rate.num, vfmt->frame_rate.den);
return 0;
end:
avfilter_graph_free(&fctx->filter_graph);
return ret;
}
测试源的本质是使用 FFmpeg 提供的用于产生测试图案的滤镜来生成视频数据。具体到代码实现层面，将 testsrc/smptebars 等滤镜代替常用的 buffer 滤镜作为源滤镜，然后直接与 buffersink 滤镜相连，以输出测试图案，如下图：
4.3.2 编译
进入源码目录，编译生成 vf_test 可执行文件：
make vf_test
4.3.3 测试
滤镜选项 "-vf transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40" 表示先将视频逆时针旋转 90 度，然后将视频左右两边各增加 40 像素宽度的黑边
使用“testsrc”测试图作输入源
运行如下命令：
ffplay -f lavfi -i testsrc
无滤镜处理的效果如图所示：
运行带滤镜选项的 ffplay 命令：
ffplay -f lavfi -i testsrc -vf transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40
运行带滤镜选项的测试程序(效果等同于上述 ffplay 命令)：
./vf_test testsrc -vf transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40
经滤镜处理的效果如图所示：
使用“smptebars”测试图作输入源
运行如下命令：
ffplay -f lavfi -i smptebars
无滤镜处理的效果如图所示：
运行带滤镜选项的ffplay命令：
ffplay -f lavfi -i smptebars -vf transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40
运行带滤镜选项的测试程序(效果等同于上述ffplay命令)：
./vf_test smptebars -vf transpose=cclock,pad=iw+80:ih:40
经滤镜处理的效果如图所示：
5. 遗留问题
[1] 不支持多输入多输出的复杂滤镜图，待改进验证
[2] 如何使用 API 以类似打开普通输入文件的方法来获取测试图的格式，即ffprobe -f lavfi -i testsrc的内部原理是什么？
think@linux-1phi:~> ffprobe -f lavfi -i testsrc
ffprobe version 4.1 Copyright (c) 2007-2018 the FFmpeg developers
Input #0, lavfi, from 'testsrc':
Duration: N/A, start: 0.000000, bitrate: N/A
Stream #0:0: Video: rawvideo (RGB[24] / 0x18424752), rgb24, 320x240 [SAR 1:1 DAR 4:3], 25 tbr, 25 tbn, 25 tbc
6. 参考资料
[1] 刘歧，FFmpeg Filter深度应用，https://yq.aliyun.com/articles/628153?utm_content=m_1000014065
7. 修改记录
2019-02-24 V1.0 初稿
