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ffplay源码分析3-代码框架

叶余 2019-01-22 08:46:00 阅读数:221 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

ffplay是FFmpeg工程自带的简单播放器,使用FFmpeg提供的解码器和SDL库进行视频播放。本文基于FFmpeg工程4.1版本进行分析,其中ffplay源码清单如下:
https://github.com/FFmpeg/FFmpeg/blob/n4.1/fftools/ffplay.c

在尝试分析源码前,可先阅读如下参考文章作为铺垫:
[1]. 雷霄骅,视音频编解码技术零基础学习方法
[2]. 视频编解码基础概念
[3]. 色彩空间与像素格式
[4]. 音频参数解析
[5]. FFmpeg基础概念

“ffplay源码分析”系列文章如下:
[1]. ffplay源码分析1-概述
[2]. ffplay源码分析2-数据结构
[3]. ffplay源码分析3-代码框架
[4]. ffplay源码分析4-音视频同步
[5]. ffplay源码分析5-图像格式转换
[6]. ffplay源码分析6-音频重采样
[7]. ffplay源码分析7-播放控制

3. 代码框架

本节简单梳理ffplay.c代码框架。一些关键问题及细节问题在后续章节探讨。

3.1 流程图

ffplay流程图

3.2 主线程

主线程主要实现三项功能:视频播放(音视频同步)、字幕播放、SDL消息处理。

主线程在进行一些必要的初始化工作、创建解复用线程后,即进入event_loop()主循环,处理视频播放和SDL消息事件:

main() -->
static void event_loop(VideoState *cur_stream)
{
SDL_Event event;
......
for (;;) {
// SDL event队列为空,则在while循环中播放视频帧。否则从队列头部取一个event,退出当前函数,在上级函数中处理event
refresh_loop_wait_event(cur_stream, &event);
// SDL事件处理
switch (event.type) {
case SDL_KEYDOWN:
switch (event.key.keysym.sym) {
case SDLK_f: // f键:强制刷新
......
break;
case SDLK_p: // p键
case SDLK_SPACE: // 空格键:暂停
......
case SDLK_s: // s键:逐帧播放
......
break;
......
......
}
}
}

3.2.1 视频播放

主要代码在refresh_loop_wait_event()函数中,如下:

static void refresh_loop_wait_event(VideoState *is, SDL_Event *event) {
double remaining_time = 0.0;
SDL_PumpEvents();
while (!SDL_PeepEvents(event, 1, SDL_GETEVENT, SDL_FIRSTEVENT, SDL_LASTEVENT)) {
if (!cursor_hidden && av_gettime_relative() - cursor_last_shown > CURSOR_HIDE_DELAY) {
SDL_ShowCursor(0);
cursor_hidden = 1;
}
if (remaining_time > 0.0)
av_usleep((int64_t)(remaining_time * 1000000.0));
remaining_time = REFRESH_RATE;
if (is->show_mode != SHOW_MODE_NONE && (!is->paused || is->force_refresh))
// 立即显示当前帧,或延时remaining_time后再显示
video_refresh(is, &remaining_time);
SDL_PumpEvents();
}
}

while()语句表示如果SDL event队列为空,则在while循环中播放视频帧;否则从队列头部取一个event,退出当前函数,在上级函数中处理event。
refresh_loop_wait_event()中调用了非常关键的函数video_refresh()video_refresh()函数实现音视频的同步及视频帧的显示,是ffplay.c中最核心函数之一,在“4.3节 视频同步到音频”中详细分析。

3.2.2 SDL消息处理

处理各种SDL消息,比如暂停、强制刷新等按键事件。比较简单。

main() -->
static void event_loop(VideoState *cur_stream)
{
SDL_Event event;
......
for (;;) {
// SDL event队列为空,则在while循环中播放视频帧。否则从队列头部取一个event,退出当前函数,在上级函数中处理event
refresh_loop_wait_event(cur_stream, &event);
// SDL事件处理
switch (event.type) {
case SDL_KEYDOWN:
switch (event.key.keysym.sym) {
case SDLK_f: // f键:强制刷新
......
break;
case SDLK_p: // p键
case SDLK_SPACE: // 空格键:暂停
......
break;
......
......
}
}
}

3.3 解复用线程

解复用线程读取视频文件,将取到的packet根据类型(音频、视频、字幕)存入不同是packet队列中。
为节省篇幅,如下源码中非关键内容的源码使用“......”替代。代码流程参考注释。

/* this thread gets the stream from the disk or the network */
static int read_thread(void *arg)
{
VideoState *is = arg;
AVFormatContext *ic = NULL;
int st_index[AVMEDIA_TYPE_NB];
......
......
// 中断回调机制。为底层I/O层提供一个处理接口,比如中止IO操作。
ic->interrupt_callback.callback = decode_interrupt_cb;
ic->interrupt_callback.opaque = is;
if (!av_dict_get(format_opts, "scan_all_pmts", NULL, AV_DICT_MATCH_CASE)) {
av_dict_set(&format_opts, "scan_all_pmts", "1", AV_DICT_DONT_OVERWRITE);
scan_all_pmts_set = 1;
}
// 1. 构建AVFormatContext
// 1.1 打开视频文件:读取文件头,将文件格式信息存储在"fmt context"中
err = avformat_open_input(&ic, is->filename, is->iformat, &format_opts);
......
if (find_stream_info) {
......
// 1.2 搜索流信息:读取一段视频文件数据,尝试解码,将取到的流信息填入ic->streams
// ic->streams是一个指针数组,数组大小是ic->nb_streams
err = avformat_find_stream_info(ic, opts);
......
}
......
// 2. 查找用于解码处理的流
// 2.1 将对应的stream_index存入st_index[]数组
if (!video_disable)
st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO] = // 视频流
av_find_best_stream(ic, AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO], -1, NULL, 0);
if (!audio_disable)
st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO] = // 音频流
av_find_best_stream(ic, AVMEDIA_TYPE_AUDIO,
st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO],
st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO],
NULL, 0);
if (!video_disable && !subtitle_disable)
st_index[AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE] = // 字幕流
av_find_best_stream(ic, AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE,
st_index[AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE],
(st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO] >= 0 ?
st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO] :
st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO]),
NULL, 0);
is->show_mode = show_mode;
// 2.2 从待处理流中获取相关参数,设置显示窗口的宽度、高度及宽高比
if (st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO] >= 0) {
AVStream *st = ic->streams[st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO]];
AVCodecParameters *codecpar = st->codecpar;
// 根据流和帧宽高比猜测帧的样本宽高比。
// 由于帧宽高比由解码器设置,但流宽高比由解复用器设置,因此这两者可能不相等。此函数会尝试返回待显示帧应当使用的宽高比值。
// 基本逻辑是优先使用流宽高比(前提是值是合理的),其次使用帧宽高比。这样,流宽高比(容器设置,易于修改)可以覆盖帧宽高比。
AVRational sar = av_guess_sample_aspect_ratio(ic, st, NULL);
if (codecpar->width)
// 设置显示窗口的大小和宽高比
set_default_window_size(codecpar->width, codecpar->height, sar);
}
// 3. 创建对应流的解码线程
/* open the streams */
if (st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO] >= 0) {
// 3.1 创建音频解码线程
stream_component_open(is, st_index[AVMEDIA_TYPE_AUDIO]);
}
ret = -1;
if (st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO] >= 0) {
// 3.2 创建视频解码线程
ret = stream_component_open(is, st_index[AVMEDIA_TYPE_VIDEO]);
}
if (is->show_mode == SHOW_MODE_NONE)
is->show_mode = ret >= 0 ? SHOW_MODE_VIDEO : SHOW_MODE_RDFT;
if (st_index[AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE] >= 0) {
// 3.3 创建字幕解码线程
stream_component_open(is, st_index[AVMEDIA_TYPE_SUBTITLE]);
}
......
// 4. 解复用处理
for (;;) {
// 停止
......
// 暂停/继续
......
// seek操作
......
......
// 4.1 从输入文件中读取一个packet
ret = av_read_frame(ic, pkt);
if (ret < 0) {
if ((ret == AVERROR_EOF || avio_feof(ic->pb)) && !is->eof) {
// 输入文件已读完,则往packet队列中发送NULL packet,以冲洗(flush)解码器,否则解码器中缓存的帧取不出来
if (is->video_stream >= 0)
packet_queue_put_nullpacket(&is->videoq, is->video_stream);
if (is->audio_stream >= 0)
packet_queue_put_nullpacket(&is->audioq, is->audio_stream);
if (is->subtitle_stream >= 0)
packet_queue_put_nullpacket(&is->subtitleq, is->subtitle_stream);
is->eof = 1;
}
if (ic->pb && ic->pb->error) // 出错则退出当前线程
break;
SDL_LockMutex(wait_mutex);
SDL_CondWaitTimeout(is->continue_read_thread, wait_mutex, 10);
SDL_UnlockMutex(wait_mutex);
continue;
} else {
is->eof = 0;
}
// 4.2 判断当前packet是否在播放范围内,是则入列,否则丢弃
/* check if packet is in play range specified by user, then queue, otherwise discard */
stream_start_time = ic->streams[pkt->stream_index]->start_time; // 第一个显示帧的pts
pkt_ts = pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE ? pkt->dts : pkt->pts;
// 简化一下"||"后那个长长的表达式:
// [pkt_pts] - [stream_start_time] - [start_time] <= [duration]
// [当前帧pts] - [第一帧pts] - [当前播放序列第一帧(seek起始点)pts] <= [duration]
pkt_in_play_range = duration == AV_NOPTS_VALUE ||
(pkt_ts - (stream_start_time != AV_NOPTS_VALUE ? stream_start_time : 0)) *
av_q2d(ic->streams[pkt->stream_index]->time_base) -
(double)(start_time != AV_NOPTS_VALUE ? start_time : 0) / 1000000
<= ((double)duration / 1000000);
// 4.3 根据当前packet类型(音频、视频、字幕),将其存入对应的packet队列
if (pkt->stream_index == is->audio_stream && pkt_in_play_range) {
packet_queue_put(&is->audioq, pkt);
} else if (pkt->stream_index == is->video_stream && pkt_in_play_range
&& !(is->video_st->disposition & AV_DISPOSITION_ATTACHED_PIC)) {
packet_queue_put(&is->videoq, pkt);
} else if (pkt->stream_index == is->subtitle_stream && pkt_in_play_range) {
packet_queue_put(&is->subtitleq, pkt);
} else {
av_packet_unref(pkt);
}
}
ret = 0;
fail:
......
return 0;
}

解复用线程实现如下功能:
[1]. 创建音频、视频、字幕解码线程
[2]. 从输入文件读取packet,根据packet类型(音频、视频、字幕)将这放入不同packet队列

3.4 视频解码线程

视频解码线程从视频packet队列中取数据,解码后存入视频frame队列。

3.4.1 video_thread()

视频解码线程将解码后的帧放入frame队列中。为节省篇幅,如下源码中删除了滤镜filter相关代码。

// 视频解码线程:从视频packet_queue中取数据,解码后放入视频frame_queue
static int video_thread(void *arg)
{
VideoState *is = arg;
AVFrame *frame = av_frame_alloc();
double pts;
double duration;
int ret;
AVRational tb = is->video_st->time_base;
AVRational frame_rate = av_guess_frame_rate(is->ic, is->video_st, NULL);
if (!frame) {
return AVERROR(ENOMEM);
}
for (;;) {
ret = get_video_frame(is, frame);
if (ret < 0)
goto the_end;
if (!ret)
continue;
// 当前帧播放时长
duration = (frame_rate.num && frame_rate.den ? av_q2d((AVRational){frame_rate.den, frame_rate.num}) : 0);
// 当前帧显示时间戳
pts = (frame->pts == AV_NOPTS_VALUE) ? NAN : frame->pts * av_q2d(tb);
// 将当前帧压入frame_queue
ret = queue_picture(is, frame, pts, duration, frame->pkt_pos, is->viddec.pkt_serial);
av_frame_unref(frame);
if (ret < 0)
goto the_end;
}
the_end:
av_frame_free(&frame);
return 0;
}

3.4.2 get_video_frame()

从packet队列中取一个packet解码得到一个frame,并判断是否要根据framedrop机制丢弃失去同步的视频帧。参考源码中注释:

static int get_video_frame(VideoState *is, AVFrame *frame)
{
int got_picture;
if ((got_picture = decoder_decode_frame(&is->viddec, frame, NULL)) < 0)
return -1;
if (got_picture) {
double dpts = NAN;
if (frame->pts != AV_NOPTS_VALUE)
dpts = av_q2d(is->video_st->time_base) * frame->pts;
frame->sample_aspect_ratio = av_guess_sample_aspect_ratio(is->ic, is->video_st, frame);
// ffplay文档中对"-framedrop"选项的说明:
// Drop video frames if video is out of sync.Enabled by default if the master clock is not set to video.
// Use this option to enable frame dropping for all master clock sources, use - noframedrop to disable it.
// "-framedrop"选项用于设置当视频帧失去同步时,是否丢弃视频帧。"-framedrop"选项以bool方式改变变量framedrop值。
// 音视频同步方式有三种:A同步到视频,B同步到音频,C同步到外部时钟。
// 1) 当命令行不带"-framedrop"选项或"-noframedrop"时,framedrop值为默认值-1,若同步方式是"同步到视频"
// 则不丢弃失去同步的视频帧,否则将丢弃失去同步的视频帧。
// 2) 当命令行带"-framedrop"选项时,framedrop值为1,无论何种同步方式,均丢弃失去同步的视频帧。
// 3) 当命令行带"-noframedrop"选项时,framedrop值为0,无论何种同步方式,均不丢弃失去同步的视频帧。
if (framedrop>0 || (framedrop && get_master_sync_type(is) != AV_SYNC_VIDEO_MASTER)) {
if (frame->pts != AV_NOPTS_VALUE) {
double diff = dpts - get_master_clock(is);
if (!isnan(diff) && fabs(diff) < AV_NOSYNC_THRESHOLD &&
diff - is->frame_last_filter_delay < 0 &&
is->viddec.pkt_serial == is->vidclk.serial &&
is->videoq.nb_packets) {
is->frame_drops_early++;
av_frame_unref(frame); // 视频帧失去同步则直接扔掉
got_picture = 0;
}
}
}
}
return got_picture;
}

ffplay中framedrop处理有两种,一处是此处解码后得到的frame尚未存入frame队列前,以is->frame_drops_early++为标记;另一处是frame队列中读取frame进行显示的时候,以is->frame_drops_late++为标记。
本处framedrop操作涉及的变量is->frame_last_filter_delay属于滤镜filter操作相关,ffplay中默认是关闭滤镜的,本文不考虑滤镜相关操作。

3.4.3 decoder_decode_frame()

这个函数是很核心的一个函数,可以解码视频帧和音频帧。视频解码线程中,视频帧实际的解码操作就在此函数中进行。分析过程参考3.2节。

3.5 音频解码线程

音频解码线程从音频packet队列中取数据,解码后存入音频frame队列

3.5.1 打开音频设备

音频设备的打开实际是在解复用线程中实现的。解复用线程中先打开音频设备(设定音频回调函数供SDL音频播放线程回调),然后再创建音频解码线程。调用链如下:

main() -->
stream_open() -->
read_thread() -->
stream_component_open() -->
audio_open(is, channel_layout, nb_channels, sample_rate, &is->audio_tgt);
decoder_start(&is->auddec, audio_thread, is);

audio_open()函数填入期望的音频参数,打开音频设备后,将实际的音频参数存入输出参数is->audio_tgt中,后面音频播放线程用会用到此参数。
音频格式的各参数与重采样强相关,audio_open()的详细实现在后面第5节讲述。

3.5.2 audio_thread()

从音频packet_queue中取数据,解码后放入音频frame_queue:

// 音频解码线程:从音频packet_queue中取数据,解码后放入音频frame_queue
static int audio_thread(void *arg)
{
VideoState *is = arg;
AVFrame *frame = av_frame_alloc();
Frame *af;
int got_frame = 0;
AVRational tb;
int ret = 0;
if (!frame)
return AVERROR(ENOMEM);
do {
if ((got_frame = decoder_decode_frame(&is->auddec, frame, NULL)) < 0)
goto the_end;
if (got_frame) {
tb = (AVRational){1, frame->sample_rate};
if (!(af = frame_queue_peek_writable(&is->sampq)))
goto the_end;
af->pts = (frame->pts == AV_NOPTS_VALUE) ? NAN : frame->pts * av_q2d(tb);
af->pos = frame->pkt_pos;
af->serial = is->auddec.pkt_serial;
// 当前帧包含的(单个声道)采样数/采样率就是当前帧的播放时长
af->duration = av_q2d((AVRational){frame->nb_samples, frame->sample_rate});
// 将frame数据拷入af->frame,af->frame指向音频frame队列尾部
av_frame_move_ref(af->frame, frame);
// 更新音频frame队列大小及写指针
frame_queue_push(&is->sampq);
}
} while (ret >= 0 || ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF);
the_end:
av_frame_free(&frame);
return ret;
}

3.5.3 decoder_decode_frame()

此函数既可以解码音频帧,也可以解码视频帧,函数分析参考3.2节。

3.6 音频播放线程

音频播放线程是SDL内建的线程,通过回调的方式调用用户提供的回调函数。
回调函数在SDL_OpenAudio()时指定。
暂停/继续回调过程由SDL_PauseAudio()控制。

3.6.1 sdl_audio_callback()

音频回调函数如下:

// 音频处理回调函数。读队列获取音频包,解码,播放
// 此函数被SDL按需调用,此函数不在用户主线程中,因此数据需要保护
// \param[in] opaque 用户在注册回调函数时指定的参数
// \param[out] stream 音频数据缓冲区地址,将解码后的音频数据填入此缓冲区
// \param[out] len 音频数据缓冲区大小,单位字节
// 回调函数返回后,stream指向的音频缓冲区将变为无效
// 双声道采样点的顺序为LRLRLR
/* prepare a new audio buffer */
static void sdl_audio_callback(void *opaque, Uint8 *stream, int len)
{
VideoState *is = opaque;
int audio_size, len1;
audio_callback_time = av_gettime_relative();
while (len > 0) { // 输入参数len等于is->audio_hw_buf_size,是audio_open()中申请到的SDL音频缓冲区大小
if (is->audio_buf_index >= is->audio_buf_size) {
// 1. 从音频frame队列中取出一个frame,转换为音频设备支持的格式,返回值是重采样音频帧的大小
audio_size = audio_decode_frame(is);
if (audio_size < 0) {
/* if error, just output silence */
is->audio_buf = NULL;
is->audio_buf_size = SDL_AUDIO_MIN_BUFFER_SIZE / is->audio_tgt.frame_size * is->audio_tgt.frame_size;
} else {
if (is->show_mode != SHOW_MODE_VIDEO)
update_sample_display(is, (int16_t *)is->audio_buf, audio_size);
is->audio_buf_size = audio_size;
}
is->audio_buf_index = 0;
}
// 引入is->audio_buf_index的作用:防止一帧音频数据大小超过SDL音频缓冲区大小,这样一帧数据需要经过多次拷贝
// 用is->audio_buf_index标识重采样帧中已拷入SDL音频缓冲区的数据位置索引,len1表示本次拷贝的数据量
len1 = is->audio_buf_size - is->audio_buf_index;
if (len1 > len)
len1 = len;
// 2. 将转换后的音频数据拷贝到音频缓冲区stream中,之后的播放就是音频设备驱动程序的工作了
if (!is->muted && is->audio_buf && is->audio_volume == SDL_MIX_MAXVOLUME)
memcpy(stream, (uint8_t *)is->audio_buf + is->audio_buf_index, len1);
else {
memset(stream, 0, len1);
if (!is->muted && is->audio_buf)
SDL_MixAudioFormat(stream, (uint8_t *)is->audio_buf + is->audio_buf_index, AUDIO_S16SYS, len1, is->audio_volume);
}
len -= len1;
stream += len1;
is->audio_buf_index += len1;
}
// is->audio_write_buf_size是本帧中尚未拷入SDL音频缓冲区的数据量
is->audio_write_buf_size = is->audio_buf_size - is->audio_buf_index;
/* Let's assume the audio driver that is used by SDL has two periods. */
// 3. 更新时钟
if (!isnan(is->audio_clock)) {
// 更新音频时钟,更新时刻:每次往声卡缓冲区拷入数据后
// 前面audio_decode_frame中更新的is->audio_clock是以音频帧为单位,所以此处第二个参数要减去未拷贝数据量占用的时间
set_clock_at(&is->audclk, is->audio_clock - (double)(2 * is->audio_hw_buf_size + is->audio_write_buf_size) / is->audio_tgt.bytes_per_sec, is->audio_clock_serial, audio_callback_time / 1000000.0);
// 使用音频时钟更新外部时钟
sync_clock_to_slave(&is->extclk, &is->audclk);
}
}

3.6.2 audio_decode_frame()

audio_decode_frame()主要是进行音频重采样,从音频frame队列中取出一个frame,此frame的格式是输入文件中的音频格式,音频设备不一定支持这些参数,所以要将frame转换为音频设备支持的格式。
audio_decode_frame()的实现在后面第5节讲述。

3.7 字幕解码线程

实现细节略。以后有机会研究字幕时,再作补充。

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本文为[叶余]所创,转载请带上原文链接,感谢
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