JPEG流封装AVI视频
前言：前几天工作任务，要把JPEG流封装为AVI视频，就找了些AVI文件结构资料和示例代码研究了下，现将学习总结及最终完成的可用代码分享出来，由于本人也是现学现用，如有不恰当或错误之处，欢迎提出！
1 AVI文件结构
AVI采用RIFF文件结构方式，RIFF是微软定义的一种用于管理windows环境中多媒体数据的文件格式，波形音频wave、MIDI和数字视频AVI都采用这种格式存储，构造RIFF文件的基本单元叫做数据块（Chunk），每个数据块包含3个部分：
（1）4字节的数据块标记（Chunk ID）
（2）4字节的数据块大小
（3）数据
整个RIFF文件可以看成一个ID为RIFF的数据块，RIFF块包含一系列子块，其中有一种子块的ID为LIST，称为LIST块，LIST块中可以再包含一系列子块，但除了LIST块的其他所有子块都不能再包含子块。
RIFF和LIST块分别比普通的数据块多一个被称为形式类型（Form Type）和列表类型（List Type）的数据域，其组成如下：
（1）4字节的数据块标记（Chunk ID）
（2）4字节的数据块大小
（3）4字节的形式类型（对于RIFF块）或列表类型（对于LIST块）
（4）数据
AVI文件是最复杂的RIFF文件，它能够同时存储音频和视频数据（注：本文档不涉及音频相关内容，只针对视频数据进行介绍），AVI文件RIFF块的形式类型是AVI ，它包含以下3个子块：
（1）信息块，ID为hdrl的LIST块，用于定义AVI文件的数据格式
（2）数据块，ID为movi的LIST块，用于存储音视频数据
（3）索引块，ID为idxl的数据块，用于定义音视频数据的索引，是可选块
AVI文件结构如图1所示
图1 AVI文件结构
1.1 信息块
信息块包含两个子块：一个ID为avih的子块和一个ID为strl的LIST块。
1.1.1 avih块
图2 avih块结构
avih块可用如图2所示的struct avi_avih_chunk结构体定义，图中已对结构体各变量的含义进行了解释，以下是对其中几个变量的补充说明：
（1）max_bytes_per_sec
max_bytes_per_sec用于控制视频的最大码率，即每秒传输的最大数据量。但实际上，给这个变量赋值并不能影响视频的码率，原因如下：设JPEG流图像总帧数为nframes，视频帧率为fps，各帧图像平均大小为len，则封装的AVI视频时长、文件大小和视频码率分别为
time = nframes / fps
video_size = nframes * len（实际大小还要加上文件头和文件尾的数据）
rate = video_size / time = fps * len
由此可见，在固定的帧率fps下，视频码率完全取决于JPEG各帧图像的大小，和max_bytes_per_sec的值没有关系，所以这个变量设为0即可。
（2）flags
flags表示AVI文件的全局属性，如是否含有索引块、是否即有音频数据又有视频数据等，不进行任何标记时flags值为0，若含有索引块，则flags值为0x00000010。
（3）init_frames
AVI文件若同时存储了音频和视频数据，则音频数据和视频数据是交叉存储的，init_frames仅在这种情况下使用，对于只有视频流的情况，该变量的值为0。
（4）width、height
这里的width和height不是JPEG图像的宽和高，而是用播放器打开AVI文件时视频主窗口的宽和高，举个例子，JPEG图像大小为1920*1080，width和height分别设为960和540，用QQ影音打开AVI文件，则QQ影音会以960*540的窗口大小进行播放。
1.1.2 strl块
strl块由图3所示的结构体定义，它包含strh和strf两个子块。
图3 strl块结构
1、strh块结构
图4 strh块结构
图4所示为strh块结构定义，下面是对结构体内一些变量含义的补充说明：
（1）codec
codec是一个长度为4的字符数组，用于指定数据流的编码格式，也就是播放器播放这个流时需要的解码器，对于JPEG编码的视频流，codec数组内容就是'J', 'P', 'E', 'G'，而不能随意指定，否则播放器播放时会无法解码。
（2）scale、rate
对于视频流，rate除以scale等于视频帧率，因此这两个变量可赋值为scale = 1、rate = fps。
2、strf块结构
strf块结构根据strh块中stream_type是视频流还是音频流而有所不同，对于视频流，strf块结构如图5所示，其中bitcount表示每个图像像素占的位数，其值根据视频流的实际情况而定，但只能是1、4、8、16、24和32之一，常用的有1（黑白二值化图像）、8（256阶灰度图）和24（RGB图像）。
图5 针对视频流的strf块结构
1.2 数据块
由图1可知，数据块是一个ID为movi的LIST列表，也称为movi块，在仅有视频流时，该部分存储的就是一帧一帧的图像数据，图6展示了视频流movi块的详细结构。
图6 仅有视频流的movi块结构
可以看到，movi块首先是一个固定结构的LIST列表头，包括块ID、块大小和块类型，其中块ID固定为LIST，块类型固定为movi，块大小为movi块去掉开头8字节后的大小。
然后是movi块数据，也就是各帧视频图像对应的数据块，每一帧图像的数据块都包含三部分：
（1）4字节ID：可以为00dc或00db，00dc表示压缩的视频数据，00db表示未压缩的视频数据，根据视频流的实际情况来选择赋值。
（2）4字节frame length：图像数据长度（单位：字节），该长度必须是4的整数倍，如果不是，则需要将其修正到4的整数倍，比如frame length原始数据为99，则需将其加到100。
（3）frame data：真正的图像数据。
1.3 索引块
索引块是AVI文件结构的可选部分，它是一个ID等于idxl的数据块，索引块提供了movi块中存储各帧图像的数据块在AVI文件中的位置索引，作用是提高AVI文件的读写速度，提高视频播放时的体验效果。
图7 索引块结构
如图7所示为索引块结构，包括块ID、块大小和块数据三部分，其中块ID固定为idxl，块大小等于索引块数据的大小。
索引块数据是movi块中存储各帧图像数据块的索引，每一帧图像的索引都是一个16字节的数据结构，具体如下：
（1）4字节ChunkID：即movi块各帧图像数据块的ID，00dc或00db
（2）4字节ChunkFlag：表示该帧图像是否是关键帧，0x10代表关键帧，0x00代表非关键帧
（3）4字节ChunkOffset：图像数据块相对于“movi”标示符（图6红色箭头所指处）的偏移量，由图6可得，各帧图像索引ChunkOffset的值为：
第一帧图像索引àChunkOffset1 = 4;
第二帧图像索引àChunkOffset2 = ChunkOffset1+8+第一帧图像数据长度
第三帧图像索引àChunkOffset3 = ChunkOffset2+8+第二帧图像数据长度
…… （后面各帧图像索引以此类推，其中各帧图像数据长度指的是修正到4的整数倍后的长度）
（4）4字节ChunkLength：修正到4的整数倍后的各帧图像数据长度
2 JPEG流封装AVI步骤
JPEG流封装AVI视频的本质是按照AVI结构进行文件读写，操作流程大体上可分为三个步骤：
步骤1：创建空白AVI文件，设置文件偏移量到数据块movi标示符后面
（1）创建AVI文件，以二进制写方式打开
（2）计算文件偏移量offset，等于RIFF文件头12字节 + hdrl块大小 + movi LIST头12字节
（3）设置AVI文件偏移量为offset
步骤2：从offset偏移量处开始，向AVI文件中逐帧写入JPEG数据
（1）将当前JPEG图像数据长度加到4的整数倍，用length表示
（2）JPEG图像是压缩过的图像数据，故写入'0', '0', 'd', 'c'
（3）写入当前JPEG图像数据长度length
（4）写入当前JPEG图像数据，写入长度为length
（5）循环上述过程，完成逐帧图像数据的写入
步骤3：JPEG数据写完后，先继续向后写索引块，再定位到文件头回填各块数据
（1）写索引块
- 先写块ID 'i', 'd', 'x', 'l'
- 再写块大小 16 * nframes
- 最后写各帧图像的索引
（2）从文件头开始，回填各块数据
- 设置文件偏移量为0
- 按照AVI文件结构，写入步骤1跳过的各块数据
需要注意的是，步骤3写索引块时需要各帧图像的数据长度和总帧数，回填各块数据时也需要总帧数和所有帧的总大小，因此步骤2写入JPEG数据时需要保存它们的值。
3 代码分享
我完成的代码，是以若干张JPEG图片作为JPEG流，先将图片数据读入内存，再写入AVI文件，共包含五个文件：
1、list.h和list.c，双向循环链表，作用是保存各帧图像大小，用于写索引块
2、Jpeg2AVI.h和Jpeg2AVI.c，用于将JPEG流封装为AVI视频
3、main.c，测试程序
Jpeg2AVI.h
1 #ifndef _JPEG2AVI_H_ 2 #define _JPEG2AVI_H_ 3 4 #include <stdio.h> 5 6 void jpeg2avi_start(FILE *fp); 7 void jpeg2avi_add_frame(FILE *fp, void *data, unsigned int len); 8 void jpeg2avi_end(FILE *fp, int width, int height, int fps); 9 10 typedef struct avi_riff_head 11 { 12 unsigned char id[4]; 13 unsigned int size; 14 unsigned char type[4]; 15 }AVI_RIFF_HEAD, AVI_LIST_HEAD; 16 17 typedef struct avi_avih_chunk 18 { 19 unsigned char id[4]; //块ID，固定为avih 20 unsigned int size; //块大小，等于struct avi_avih_chunk去掉id和size的大小 21 unsigned int us_per_frame; //视频帧间隔时间(以微秒为单位) 22 unsigned int max_bytes_per_sec; //AVI文件的最大数据率 23 unsigned int padding; //设为0即可 24 unsigned int flags; //AVI文件全局属性，如是否含有索引块、音视频数据是否交叉存储等 25 unsigned int total_frames; //总帧数 26 unsigned int init_frames; //为交互格式指定初始帧数(非交互格式应该指定为0) 27 unsigned int streams; //文件包含的流的个数，仅有视频流时为1 28 unsigned int suggest_buff_size; //指定读取本文件建议使用的缓冲区大小，通常为存储一桢图像 //以及同步声音所需的数据之和，不指定时设为0 29 unsigned int width; //视频主窗口宽度（单位：像素） 30 unsigned int height; //视频主窗口高度（单位：像素） 31 unsigned int reserved[4]; //保留段，设为0即可 32 }AVI_AVIH_CHUNK; 33 34 typedef struct avi_rect_frame 35 { 36 short left; 37 short top; 38 short right; 39 short bottom; 40 }AVI_RECT_FRAME; 41 42 typedef struct avi_strh_chunk 43 { 44 unsigned char id[4]; //块ID，固定为strh 45 unsigned int size; //块大小，等于struct avi_strh_chunk去掉id和size的大小 46 unsigned char stream_type[4]; //流的类型，vids表示视频流，auds表示音频流 47 unsigned char codec[4]; //指定处理这个流需要的解码器，如JPEG 48 unsigned int flags; //标记，如是否允许这个流输出、调色板是否变化等，一般设为0即可 49 unsigned short priority; //流的优先级，视频流设为0即可 50 unsigned short language; //音频语言代号，视频流设为0即可 51 unsigned int init_frames; //为交互格式指定初始帧数(非交互格式应该指定为0) 52 unsigned int scale; // 53 unsigned int rate; //对于视频流，rate / scale = 帧率fps 54 unsigned int start; //对于视频流，设为0即可 55 unsigned int length; //对于视频流，length即总帧数 56 unsigned int suggest_buff_size; //读取这个流数据建议使用的缓冲区大小 57 unsigned int quality; //流数据的质量指标 58 unsigned int sample_size; //音频采样大小，视频流设为0即可 59 AVI_RECT_FRAME rcFrame; //这个流在视频主窗口中的显示位置，设为{0,0，width,height}即可 60 }AVI_STRH_CHUNK; 61 62 /*对于视频流，strf块结构如下*/ 63 typedef struct avi_strf_chunk 64 { 65 unsigned char id[4]; //块ID，固定为strf 66 unsigned int size; //块大小，等于struct avi_strf_chunk去掉id和size的大小 67 unsigned int size1; //size1含义和值同size一样 68 unsigned int width; //视频主窗口宽度（单位：像素） 69 unsigned int height; //视频主窗口高度（单位：像素） 70 unsigned short planes; //始终为1 71 unsigned short bitcount; //每个像素占的位数，只能是1、4、8、16、24和32中的一个 72 unsigned char compression[4]; //视频流编码格式，如JPEG、MJPG等 73 unsigned int image_size; //视频图像大小，等于width * height * bitcount / 8 74 unsigned int x_pixels_per_meter; //显示设备的水平分辨率，设为0即可 75 unsigned int y_pixels_per_meter; //显示设备的垂直分辨率，设为0即可 76 unsigned int num_colors; //含义不清楚，设为0即可 77 unsigned int imp_colors; //含义不清楚，设为0即可 78 }AVI_STRF_CHUNK; 79 80 typedef struct avi_strl_list 81 { 82 unsigned char id[4]; //块ID，固定为LIST 83 unsigned int size; //块大小，等于struct avi_strl_list去掉id和size的大小 84 unsigned char type[4]; //块类型，固定为strl 85 AVI_STRH_CHUNK strh; 86 AVI_STRF_CHUNK strf; 87 }AVI_STRL_LIST; 88 89 typedef struct avi_hdrl_list 90 { 91 unsigned char id[4]; //块ID，固定为LIST 92 unsigned int size; //块大小，等于struct avi_hdrl_list去掉id和size的大小 93 unsigned char type[4]; //块类型，固定为hdrl 94 AVI_AVIH_CHUNK avih; 95 AVI_STRL_LIST strl; 96 }AVI_HDRL_LIST; 97 98 #endif
Jpeg2AVI.c
1 #include "Jpeg2AVI.h" 2 #include "list.h" 3 #include <stdlib.h> 4 #include <string.h> 5 6 static int nframes; //总帧数 7 static int totalsize; //帧的总大小 8 static struct list_head list; //保存各帧图像大小的链表，用于写索引块 9 10 /*链表宿主结构，用于保存真正的图像大小数据*/ 11 struct ListNode 12 { 13 int value; 14 struct list_head head; 15 }; 16 17 static void write_index_chunk(FILE *fp) 18 { 19 unsigned char index[4] = {'i', 'd', 'x', '1'}; //索引块ID 20 unsigned int index_chunk_size = 16 * nframes; //索引块大小 21 unsigned int offset = 4; 22 struct list_head *slider = NULL; 23 struct list_head *tmpslider = NULL; 24 25 fwrite(index, 4, 1, fp); 26 fwrite(&index_chunk_size, 4, 1, fp); 27 28 list_for_each_safe(slider, tmpslider, &list) 29 { 30 unsigned char tmp[4] = {'0', '0', 'd', 'c'}; //00dc = 压缩的视频数据 31 unsigned int keyframe = 0x10; //0x10表示当前帧为关键帧 32 struct ListNode *node = list_entry(slider, struct ListNode, head); 33 34 fwrite(tmp, 4, 1, fp); 35 fwrite(&keyframe, 4, 1, fp); 36 fwrite(&offset, 4, 1, fp); 37 fwrite(&node->value, 4, 1, fp); 38 offset = offset + node->value + 8; 39 40 list_del(slider); 41 free(node); 42 } 43 } 44 45 static void back_fill_data(FILE *fp, int width, int height, int fps) 46 { 47 AVI_RIFF_HEAD riff_head = 48 { 49 {'R', 'I', 'F', 'F'}, 50 4 + sizeof(AVI_HDRL_LIST) + sizeof(AVI_LIST_HEAD) + nframes * 8 + totalsize, 51 {'A', 'V', 'I', ' '} 52 }; 53 54 AVI_HDRL_LIST hdrl_list = 55 { 56 {'L', 'I', 'S', 'T'}, 57 sizeof(AVI_HDRL_LIST) - 8, 58 {'h', 'd', 'r', 'l'}, 59 { 60 {'a', 'v', 'i', 'h'}, 61 sizeof(AVI_AVIH_CHUNK) - 8, 62 1000000 / fps, 25000, 0, 0, nframes, 0, 1, 100000, width, height, 63 {0, 0, 0, 0} 64 }, 65 { 66 {'L', 'I', 'S', 'T'}, 67 sizeof(AVI_STRL_LIST) - 8, 68 {'s', 't', 'r', 'l'}, 69 { 70 {'s', 't', 'r', 'h'}, 71 sizeof(AVI_STRH_CHUNK) - 8, 72 {'v', 'i', 'd', 's'}, 73 {'J', 'P', 'E', 'G'}, 74 0, 0, 0, 0, 1, 23, 0, nframes, 100000, 0xFFFFFF, 0, 75 {0, 0, width, height} 76 }, 77 { 78 {'s', 't', 'r', 'f'}, 79 sizeof(AVI_STRF_CHUNK) - 8, 80 sizeof(AVI_STRF_CHUNK) - 8, 81 width, height, 1, 24, 82 {'J', 'P', 'E', 'G'}, 83 width * height * 3, 0, 0, 0, 0 84 } 85 } 86 }; 87 88 AVI_LIST_HEAD movi_list_head = 89 { 90 {'L', 'I', 'S', 'T'}, 91 4 + nframes * 8 + totalsize, 92 {'m', 'o', 'v', 'i'} 93 }; 94 95 //定位到文件头，回填各块数据 96 fseek(fp, 0, SEEK_SET); 97 fwrite(&riff_head, sizeof(riff_head), 1, fp); 98 fwrite(&hdrl_list, sizeof(hdrl_list), 1, fp); 99 fwrite(&movi_list_head, sizeof(movi_list_head), 1, fp); 100 } 101 102 void jpeg2avi_start(FILE *fp) 103 { 104 int offset1 = sizeof(AVI_RIFF_HEAD); //riff head大小 105 int offset2 = sizeof(AVI_HDRL_LIST); //hdrl list大小 106 int offset3 = sizeof(AVI_LIST_HEAD); //movi list head大小 107 108 //AVI文件偏移量设置到movi list head后，从该位置向后依次写入JPEG数据 109 fseek(fp, offset1 + offset2 + offset3, SEEK_SET); 110 111 //初始化链表 112 list_head_init(&list); 113 114 nframes = 0; 115 totalsize = 0; 116 } 117 118 void jpeg2avi_add_frame(FILE *fp, void *data, unsigned int len) 119 { 120 unsigned char tmp[4] = {'0', '0', 'd', 'c'}; //00dc = 压缩的视频数据 121 struct ListNode *node = (struct ListNode *)malloc(sizeof(struct ListNode)); 122 123 /*JPEG图像大小4字节对齐*/ 124 while (len % 4) 125 { 126 len++; 127 } 128 129 fwrite(tmp, 4, 1, fp); //写入是否是压缩的视频数据信息 130 fwrite(&len, 4, 1, fp); //写入4字节对齐后的JPEG图像大小 131 fwrite(data, len, 1, fp); //写入真正的JPEG数据 132 133 nframes += 1; 134 totalsize += len; 135 136 /*将4字节对齐后的JPEG图像大小保存在链表中*/ 137 if (node != NULL) 138 { 139 node->value = len; 140 list_add_tail(&node->head, &list); 141 } 142 } 143 144 void jpeg2avi_end(FILE *fp, int width, int height, int fps) 145 { 146 //写索引块 147 write_index_chunk(fp); 148 149 //从文件头开始，回填各块数据 150 back_fill_data(fp, width, height, fps); 151 }
list.h
1 #ifndef _LIST_H_ 2 #define _LIST_H_ 3 4 struct list_head 5 { 6 struct list_head *next; 7 struct list_head *prev; 8 }; 9 10 void list_head_init(struct list_head *list); 11 void list_add_tail(struct list_head *_new, struct list_head *head); 12 void list_del(struct list_head *entry); 13 14 #ifndef offsetof 15 #define offsetof(TYPE, MEMBER) \ 16 ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) 17 #endif 18 19 #ifndef container_of 20 #define container_of(ptr, type, member) \ 21 ((type *)((char *)ptr - offsetof(type,member))) 22 #endif 23 24 /** 25 * list_entry - get the struct for this entry 26 * @ptr: the &struct list_head pointer. 27 * @type: the type of the struct this is embedded in. 28 * @member: the name of the list_struct within the struct. 29 */ 30 #define list_entry(ptr, type, member) \ 31 container_of(ptr, type, member) 32 33 /** 34 * list_for_each_safe - iterate over a list safe against removal of list entry 35 * @pos: the &struct list_head to use as a loop cursor. 36 * @n: another &struct list_head to use as temporary storage 37 * @head: the head for your list. 38 */ 39 #define list_for_each_safe(pos, n, head) \ 40 for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \ 41 pos = n, n = pos->next) 42 43 #endif //_LIST_H_
list.c
1 #include "list.h" 2 #include <stdio.h> 3 4 static void __list_add(struct list_head *_new, struct list_head *prev, struct list_head *next) 5 { 6 next->prev = _new; 7 _new->next = next; 8 _new->prev = prev; 9 prev->next = _new; 10 } 11 12 static void __list_del(struct list_head *prev, struct list_head *next) 13 { 14 next->prev = prev; 15 prev->next = next; 16 } 17 18 void list_head_init(struct list_head *list) 19 { 20 list->next = list; 21 list->prev = list; 22 } 23 24 /** 25 * list_add_tail - insert a new entry before the specified head 26 * @_new: new entry to be added 27 * @head: list head to add it before 28 */ 29 void list_add_tail(struct list_head *_new, struct list_head *head) 30 { 31 __list_add(_new, head->prev, head); 32 } 33 34 /** 35 * list_del - deletes entry from list. 36 * @entry: the element to delete from the list. 37 */ 38 void list_del(struct list_head *entry) 39 { 40 __list_del(entry->prev, entry->next); 41 entry->next = NULL; 42 entry->prev = NULL; 43 }
main.c
1 #include "Jpeg2AVI.h" 2 #include <string.h> 3 4 #define JPEG_MAX_SIZE 100000 //JPEG图像最大字节数 5 #define JPEG_NUM 13800 //JPEG图像数量 6 7 int main() 8 { 9 FILE *fp_jpg; 10 FILE *fp_avi; 11 int filesize; 12 unsigned char jpg_data[JPEG_MAX_SIZE]; 13 char filename[10]; 14 int i = 0; 15 16 fp_avi = fopen("sample.avi","wb"); 17 18 jpeg2avi_start(fp_avi); 19 20 for (i = 0; i < JPEG_NUM; i++) 21 { 22 memset(filename, 0, 10); 23 memset(jpg_data, 0, JPEG_MAX_SIZE); 24 25 sprintf(filename, "%d.jpg", i + 1); 26 fp_jpg = fopen(filename, "rb"); 27 28 if (fp_jpg != NULL) 29 { 30 /*获取JPEG数据大小*/ 31 fseek(fp_jpg, 0, SEEK_END); 32 filesize = ftell(fp_jpg); 33 fseek(fp_jpg, 0, SEEK_SET); 34 35 /*将JPEG数据读到缓冲区*/ 36 fread(jpg_data, filesize, 1, fp_jpg); 37 38 /*将JPEG数据写入AVI文件*/ 39 jpeg2avi_add_frame(fp_avi, jpg_data, filesize); 40 } 41 42 fclose(fp_jpg); 43 } 44 45 jpeg2avi_end(fp_avi, 1920, 1080, 23); 46 47 fclose(fp_avi); 48 printf("end\n"); 49 50 return 0; 51 }
