XCodec

作用：编码和解码的基类

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#pragma once
#include <mutex>
#include <vector>

extern "C" {
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavutil/avutil.h>
}

struct AVCodecContext;
struct AVPacket;
struct AVFrame;

class XCodec
{
public:

	static AVCodecContext* Create(int codec_id, bool is_encode);

	void set_c(AVCodecContext* c);

	bool SetOpt(const char* key, const char* val);
	bool SetOpt(const char* key, int val);

	bool Open();

	AVFrame *CreateFrame();

protected:
	AVCodecContext* c_ = nullptr;  // 编码器上下文
	std::mutex mux_;  // 编码器上下文锁
};

参数介绍

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protected:
	AVCodecContext* c_ = nullptr;  // 编码器上下文
	std::mutex mux_;  // 编码器上下文锁

XCodec.cpp

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#include "xcodec.h"
#include <iostream>
#include "xtools.h"

using namespace std;

extern "C"
{
#include <libavcodec/avcodec.h>
#include <libavutil/opt.h>
}

#pragma comment(lib, "avcodec.lib")
#pragma comment(lib, "avutil.lib")

AVCodecContext* XCodec::Create(int codec_id, bool is_encode)
{
	const AVCodec *codec = nullptr;
	if(is_encode)
		codec = avcodec_find_encoder((AVCodecID)codec_id);
	else
		codec = avcodec_find_decoder((AVCodecID)codec_id);
	if (!codec)
	{
		cerr << "avcodec_find_encoder failed!  " << codec_id << endl;
		return nullptr;
	}

	auto c = avcodec_alloc_context3(codec);
	if (!c)
	{
		cerr << "avcodec_alloc_context3 failed!  " << codec_id << endl;
		return nullptr;
	}

	c->time_base = { 1, 25 };
	c->pix_fmt = AV_PIX_FMT_YUV420P;
	c->thread_count = 16;
    
	return c;
}

void XCodec::set_c(AVCodecContext* c)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (c_)
	{
		avcodec_free_context(&c_);
	}

	this->c_ = c;
}

bool XCodec::SetOpt(const char* key, const char* val)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
	auto re = av_opt_set(c_->priv_data, key, val, 0);
	if (re != 0)
	{
		cerr << "av_opt_set failed!";
		PrintErr(re);
	}

	return true;
}

bool XCodec::SetOpt(const char* key, int val)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
	auto re = av_opt_set_int(c_->priv_data, key, val, 0);
	if (re != 0)
	{
		cerr << "av_opt_set failed!";
		PrintErr(re);
	}

	return true;
}

bool XCodec::Open()
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
	auto re = avcodec_open2(c_, NULL, NULL);
	if (re != 0)
	{
		PrintErr(re);
		return false;
	}

	return true;
}

AVFrame* XCodec::CreateFrame()
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;

	auto frame = av_frame_alloc();
	frame->width = c_->width;
	frame->height = c_->height;
	frame->format = c_->pix_fmt;
	auto re = av_frame_get_buffer(frame, 0);
	if (re != 0)
	{
		av_frame_free(&frame);
		PrintErr(re);
		return nullptr;
	}
	return frame;
}

Create()

作用：

  • 创建编解码上下文

  • @para codec_id 编码器Id号对于ffmpeg

  • @return AVCodecContext 编码器上下文，失败返回nullptr

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AVCodecContext* XCodec::Create(int codec_id, bool is_encode)
{
	// 1. 找到编码器 or 解码器
    // 根据is_encode来判断，如果为true找编码器，false找解码器
	const AVCodec *codec = nullptr;
	if(is_encode)
		codec = avcodec_find_encoder((AVCodecID)codec_id);
	else
		codec = avcodec_find_decoder((AVCodecID)codec_id);
	if (!codec)
	{
		cerr << "avcodec_find_encoder failed!  " << codec_id << endl;
		return nullptr;
	}

	// 2. 为编码器\解码器创建上下文
	auto c = avcodec_alloc_context3(codec);
	if (!c)
	{
		cerr << "avcodec_alloc_context3 failed!  " << codec_id << endl;
		return nullptr;
	}

	// 3. 设置参数默认值
	c->time_base = { 1, 25 };  // 时间基准
	c->pix_fmt = AV_PIX_FMT_YUV420P;
	c->thread_count = 16;  // 线程数

	return c;
}

编码器\解码器上下文：

在 FFmpeg 中，AVCodecContext 是一个非常重要的结构体，用于存储编解码器的上下文信息。这个上下文包含了大量关于编解码器的配置、状态和其他重要的信息，用于控制和管理音视频的编码和解码过程。

作用和功能：

  1. 参数配置：
    • AVCodecContext 包含了编码或解码过程中需要的大量参数，例如编码器的比特率、帧率、分辨率、采样率、像素格式等。这些参数可以通过 AVCodecContext 进行设置和调整，以控制编解码器的行为。
  2. 状态管理：
    • 编解码器的状态信息（如当前处理的帧、缓冲区状态等）都保存在 AVCodecContext 中。在编码或解码过程中，上下文会随着处理的进展而更新，确保每一步都能正确进行。
  3. 资源管理：
    • AVCodecContext 还负责管理编解码过程中使用的各种资源，包括内部的缓冲区、滤波器、线程等。这些资源在上下文被分配时初始化，并在上下文被释放时清理。
  4. 接口与扩展：
    • 通过 AVCodecContext，用户可以调用 FFmpeg 提供的各种接口函数，如 avcodec_open2、avcodec_send_packet、avcodec_receive_frame 等。这些函数以上下文为参数，执行具体的编解码操作。

set_c()

作用：用于将创建的上下文c赋值给类中的上下文c_，若传入的参数为nullptr，则相当于清理上下文资源。

设置对象的编码器上下文 上下文传递到对象中，资源由XEncode维护
线程安全 需要+锁
@para c 编码器上下文 如果c_不为nullptr，则先清理资源，然后再赋值

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void XCodec::set_c(AVCodecContext* c)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (c_)
	{
		avcodec_free_context(&c_);
	}

	this->c_ = c;
}

SetOpt()——接受字符串参数

作用：用于设置编解码器上下文的选项

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bool XCodec::SetOpt(const char* key, const char* val)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
    
    /*
    	auto re = av_opt_set(c_->priv_data, key, val, 0);：调用 av_opt_set 函数设置选项。
    	av_opt_set 用于设置 AVClass 对象的选项。
    	
		c_->priv_data：指向编解码器私有数据的指针。
		key：要设置的选项的名称。
		val：要设置的选项的值。
		0：标志参数，通常为 0。
    */
	auto re = av_opt_set(c_->priv_data, key, val, 0);
	if (re != 0)
	{
		cerr << "av_opt_set failed!";
		PrintErr(re);
	}

	return true;
}

av_opt_set(c_->priv_data, key, val, 0)其中的key，val参数

视频编码器常用选项

  1. preset：
    • 描述：预设选项，用于快速配置编码器的参数，影响编码速度和质量。
    • 可能值：ultrafast, superfast, veryfast, faster, fast, medium, slow, slower, veryslow
    • 示例：key = "preset", val = "fast"
  2. crf（适用于如 libx264 编码器）：
    • 描述：恒定质量参数，控制视频的质量与文件大小之间的平衡。
    • 可能值：范围从 0 到 51，值越小质量越高，文件越大。
    • 示例：key = "crf", val = "23"
  3. bitrate：
    • 描述：目标比特率，控制视频的编码比特率。
    • 可能值：任何正整数，通常以 k 为单位表示。
    • 示例：key = "bitrate", val = "2000k"
  4. profile：
    • 描述：编码器的配置档案。
    • 可能值：baseline, main, high
    • 示例：key = "profile", val = "high"
  5. g（GOP 大小）：
    • 描述：关键帧间隔，控制两个关键帧之间的帧数。
    • 可能值：任何正整数。
    • 示例：key = "g", val = "250"

音频编码器常用选项

  1. bit_rate：
    • 描述：目标音频比特率。
    • 可能值：任何正整数，通常以 k 为单位表示。
    • 示例：key = "bit_rate", val = "128k"
  2. sample_rate：
    • 描述：音频采样率。
    • 可能值：常见值有 44100, 48000, 96000 等。
    • 示例：key = "sample_rate", val = "44100"
  3. channels：
    • 描述：音频通道数。
    • 可能值：1（单声道）, 2（立体声）
    • 示例：key = "channels", val = "2"

其他常用选项

  1. threads：
    • 描述：线程数量，控制编码或解码时使用的线程数量。
    • 可能值：任何正整数。
    • 示例：key = "threads", val = "4"
  2. max_b_frames：
    • 描述：最大 B 帧数量。
    • 可能值：任何正整数。
    • 示例：key = "max_b_frames", val = "2"

SetOpt()——接收整数参数

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bool XCodec::SetOpt(const char* key, int val)
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
	auto re = av_opt_set_int(c_->priv_data, key, val, 0);
	if (re != 0)
	{
		cerr << "av_opt_set failed!";
		PrintErr(re);
	}

	return true;
}

上述SetOpt()的区别

  1. 参数类型：
    • 之前的 SetOpt 函数接受字符串类型的选项值，适用于设置那些需要字符串的选项（如编码器预设、编码配置档案等）。
    • 新的 SetOpt 函数接受整数类型的选项值，适用于设置那些需要整数的选项（如比特率、线程数量、GOP 大小等）。
  2. 使用的 FFmpeg 函数：
    • 之前的 SetOpt 函数使用 av_opt_set 来设置字符串类型的选项。
    • 新的 SetOpt 函数使用 av_opt_set_int 来设置整数类型的选项。

示例

以下是使用两个 SetOpt 函数的示例：

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XCodec codec;

// 设置字符串类型的选项
codec.SetOpt("preset", "fast");        // 设置编码预设
codec.SetOpt("profile", "high");       // 设置编码档案

// 设置整数类型的选项
codec.SetOpt("bitrate", 2000000);      // 设置目标比特率（单位：比特）
codec.SetOpt("threads", 4);            // 设置线程数量
codec.SetOpt("g", 250);                // 设置关键帧间隔

在这些示例中，SetOpt 函数被用来设置各种编解码器选项，以配置编码和解码行为。通过这些选项，可以灵活地控制编码和解码的参数，满足具体的音视频处理需求。

Open()

作用：打开编解码器，线程安全

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bool XCodec::Open()
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;
	/*
		用于打开指定的编解码器，以便进行视频或音频的编码或解码。
		它的作用是将编解码器上下文与实际的编解码器关联起来，从而使得该上下文可以用于编码或解码操作。
	*/
	auto re = avcodec_open2(c_, NULL, NULL);
	if (re != 0)
	{
		PrintErr(re);
		return false;
	}

	return true;
}

avcodec_open2 是 FFmpeg 库中的一个函数，用于初始化一个编解码器上下文，以便进行编码或解码操作。该函数会根据指定的编解码器打开 AVCodecContext，并分配必要的资源。

函数原型

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int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options);

参数解释

  1. AVCodecContext *avctx：
    • 指向要初始化的编解码器上下文的指针。这个上下文必须已经通过 avcodec_alloc_context3 分配，并设置了基本参数。
  2. const AVCodec *codec：
    • 指向要使用的编解码器的指针。如果传递 NULL，则使用上下文中已经设置的编解码器。
  3. AVDictionary **options：
    • 一个指向字典的指针，用于传递额外的选项和参数。如果不需要传递额外的选项，可以传递 NULL。

示例解释

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int result = avcodec_open2(c_, NULL, NULL);

在这个示例中：

  • c_：指向要初始化的 AVCodecContext 的指针。
  • NULL（第一个）：表示使用上下文中已经设置的编解码器。
  • NULL（第二个）：表示没有额外的选项需要传递。

CreateFrame()

作用：根据AVcodecContext 创建一个AVFrame 需要调用者释放av_frame_free

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AVFrame* XCodec::CreateFrame()
{
	unique_lock<mutex> lock(mux_);
	if (!c_) return false;

	auto frame = av_frame_alloc();
	frame->width = c_->width;
	frame->height = c_->height;
	frame->format = c_->pix_fmt;
    
    // auto re = av_frame_get_buffer(frame, 0);
    // 调用 av_frame_get_buffer 为帧分配缓冲区，以存储帧的数据。
    // 第二个参数 0 表示使用默认对齐方式。
	auto re = av_frame_get_buffer(frame, 0);
	if (re != 0)
	{
		av_frame_free(&frame);
		PrintErr(re);
		return nullptr;
	}
	return frame;
}

通过 AVCodecContext 创建 AVFrame 可以确保帧的参数与编解码器的参数一致，简化编码和解码流程，保证资源分配正确，并提高数据处理效率。这样可以有效减少编码和解码过程中可能出现的错误，提高程序的稳定性和性能。