注:写了一系列的结构体的分析的文章,在这里列一个列表:

FFMPEG结构体分析:AVFrame
FFMPEG结构体分析:AVFormatContext
FFMPEG结构体分析:AVCodecContext
FFMPEG结构体分析:AVIOContext
FFMPEG结构体分析:AVCodec
FFMPEG结构体分析:AVStream
FFMPEG结构体分析:AVPacket

FFMPEG有几个最重要的结构体,包含了解协议,解封装,解码操作,此前已经进行过分析:

FFMPEG中最关键的结构体之间的关系

在此不再详述,其中AVFrame是包含码流参数较多的结构体。本文将会详细分析一下该结构体里主要变量的含义和作用。

首先看一下结构体的定义(位于avcodec.h):

  1. /*
  2. *雷霄骅
  3. *leixiaohua1020@126.com
  4. *中国传媒大学/数字电视技术
  5. */
  6. /**
  7. * Audio Video Frame.
  8. * New fields can be added to the end of AVFRAME with minor version
  9. * bumps. Similarly fields that are marked as to be only accessed by
  10. * av_opt_ptr() can be reordered. This allows 2 forks to add fields
  11. * without breaking compatibility with each other.
  12. * Removal, reordering and changes in the remaining cases require
  13. * a major version bump.
  14. * sizeof(AVFrame) must not be used outside libavcodec.
  15. */
  16. typedef struct AVFrame {
  17. #define AV_NUM_DATA_POINTERS 8
  18. /**图像数据
  19. * pointer to the picture/channel planes.
  20. * This might be different from the first allocated byte
  21. * - encoding: Set by user
  22. * - decoding: set by AVCodecContext.get_buffer()
  23. */
  24. uint8_t *data[AV_NUM_DATA_POINTERS];
  25. /**
  26. * Size, in bytes, of the data for each picture/channel plane.
  27. *
  28. * For audio, only linesize[0] may be set. For planar audio, each channel
  29. * plane must be the same size.
  30. *
  31. * - encoding: Set by user
  32. * - decoding: set by AVCodecContext.get_buffer()
  33. */
  34. int linesize[AV_NUM_DATA_POINTERS];
  35. /**
  36. * pointers to the data planes/channels.
  37. *
  38. * For video, this should simply point to data[].
  39. *
  40. * For planar audio, each channel has a separate data pointer, and
  41. * linesize[0] contains the size of each channel buffer.
  42. * For packed audio, there is just one data pointer, and linesize[0]
  43. * contains the total size of the buffer for all channels.
  44. *
  45. * Note: Both data and extended_data will always be set by get_buffer(),
  46. * but for planar audio with more channels that can fit in data,
  47. * extended_data must be used by the decoder in order to access all
  48. * channels.
  49. *
  50. * encoding: unused
  51. * decoding: set by AVCodecContext.get_buffer()
  52. */
  53. uint8_t **extended_data;
  54. /**宽高
  55. * width and height of the video frame
  56. * - encoding: unused
  57. * - decoding: Read by user.
  58. */
  59. int width, height;
  60. /**
  61. * number of audio samples (per channel) described by this frame
  62. * - encoding: Set by user
  63. * - decoding: Set by libavcodec
  64. */
  65. int nb_samples;
  66. /**
  67. * format of the frame, -1 if unknown or unset
  68. * Values correspond to enum AVPixelFormat for video frames,
  69. * enum AVSampleFormat for audio)
  70. * - encoding: unused
  71. * - decoding: Read by user.
  72. */
  73. int format;
  74. /**是否是关键帧
  75. * 1 -> keyframe, 0-> not
  76. * - encoding: Set by libavcodec.
  77. * - decoding: Set by libavcodec.
  78. */
  79. int key_frame;
  80. /**帧类型(I,B,P)
  81. * Picture type of the frame, see ?_TYPE below.
  82. * - encoding: Set by libavcodec. for coded_picture (and set by user for input).
  83. * - decoding: Set by libavcodec.
  84. */
  85. enum AVPictureType pict_type;
  86. /**
  87. * pointer to the first allocated byte of the picture. Can be used in get_buffer/release_buffer.
  88. * This isn't used by libavcodec unless the default get/release_buffer() is used.
  89. * - encoding:
  90. * - decoding:
  91. */
  92. uint8_t *base[AV_NUM_DATA_POINTERS];
  93. /**
  94. * sample aspect ratio for the video frame, 0/1 if unknown/unspecified
  95. * - encoding: unused
  96. * - decoding: Read by user.
  97. */
  98. AVRational sample_aspect_ratio;
  99. /**
  100. * presentation timestamp in time_base units (time when frame should be shown to user)
  101. * If AV_NOPTS_VALUE then frame_rate = 1/time_base will be assumed.
  102. * - encoding: MUST be set by user.
  103. * - decoding: Set by libavcodec.
  104. */
  105. int64_t pts;
  106. /**
  107. * reordered pts from the last AVPacket that has been input into the decoder
  108. * - encoding: unused
  109. * - decoding: Read by user.
  110. */
  111. int64_t pkt_pts;
  112. /**
  113. * dts from the last AVPacket that has been input into the decoder
  114. * - encoding: unused
  115. * - decoding: Read by user.
  116. */
  117. int64_t pkt_dts;
  118. /**
  119. * picture number in bitstream order
  120. * - encoding: set by
  121. * - decoding: Set by libavcodec.
  122. */
  123. int coded_picture_number;
  124. /**
  125. * picture number in display order
  126. * - encoding: set by
  127. * - decoding: Set by libavcodec.
  128. */
  129. int display_picture_number;
  130. /**
  131. * quality (between 1 (good) and FF_LAMBDA_MAX (bad))
  132. * - encoding: Set by libavcodec. for coded_picture (and set by user for input).
  133. * - decoding: Set by libavcodec.
  134. */
  135. int quality;
  136. /**
  137. * is this picture used as reference
  138. * The values for this are the same as the MpegEncContext.picture_structure
  139. * variable, that is 1->top field, 2->bottom field, 3->frame/both fields.
  140. * Set to 4 for delayed, non-reference frames.
  141. * - encoding: unused
  142. * - decoding: Set by libavcodec. (before get_buffer() call)).
  143. */
  144. int reference;
  145. /**QP表
  146. * QP table
  147. * - encoding: unused
  148. * - decoding: Set by libavcodec.
  149. */
  150. int8_t *qscale_table;
  151. /**
  152. * QP store stride
  153. * - encoding: unused
  154. * - decoding: Set by libavcodec.
  155. */
  156. int qstride;
  157. /**
  158. *
  159. */
  160. int qscale_type;
  161. /**跳过宏块表
  162. * mbskip_table[mb]>=1 if MB didn't change
  163. * stride= mb_width = (width+15)>>4
  164. * - encoding: unused
  165. * - decoding: Set by libavcodec.
  166. */
  167. uint8_t *mbskip_table;
  168. /**运动矢量表
  169. * motion vector table
  170. * @code
  171. * example:
  172. * int mv_sample_log2= 4 - motion_subsample_log2;
  173. * int mb_width= (width+15)>>4;
  174. * int mv_stride= (mb_width << mv_sample_log2) + 1;
  175. * motion_val[direction][x + y*mv_stride][0->mv_x, 1->mv_y];
  176. * @endcode
  177. * - encoding: Set by user.
  178. * - decoding: Set by libavcodec.
  179. */
  180. int16_t (*motion_val[2])[2];
  181. /**宏块类型表
  182. * macroblock type table
  183. * mb_type_base + mb_width + 2
  184. * - encoding: Set by user.
  185. * - decoding: Set by libavcodec.
  186. */
  187. uint32_t *mb_type;
  188. /**DCT系数
  189. * DCT coefficients
  190. * - encoding: unused
  191. * - decoding: Set by libavcodec.
  192. */
  193. short *dct_coeff;
  194. /**参考帧列表
  195. * motion reference frame index
  196. * the order in which these are stored can depend on the codec.
  197. * - encoding: Set by user.
  198. * - decoding: Set by libavcodec.
  199. */
  200. int8_t *ref_index[2];
  201. /**
  202. * for some private data of the user
  203. * - encoding: unused
  204. * - decoding: Set by user.
  205. */
  206. void *opaque;
  207. /**
  208. * error
  209. * - encoding: Set by libavcodec. if flags&CODEC_FLAG_PSNR.
  210. * - decoding: unused
  211. */
  212. uint64_t error[AV_NUM_DATA_POINTERS];
  213. /**
  214. * type of the buffer (to keep track of who has to deallocate data[*])
  215. * - encoding: Set by the one who allocates it.
  216. * - decoding: Set by the one who allocates it.
  217. * Note: User allocated (direct rendering) & internal buffers cannot coexist currently.
  218. */
  219. int type;
  220. /**
  221. * When decoding, this signals how much the picture must be delayed.
  222. * extra_delay = repeat_pict / (2*fps)
  223. * - encoding: unused
  224. * - decoding: Set by libavcodec.
  225. */
  226. int repeat_pict;
  227. /**
  228. * The content of the picture is interlaced.
  229. * - encoding: Set by user.
  230. * - decoding: Set by libavcodec. (default 0)
  231. */
  232. int interlaced_frame;
  233. /**
  234. * If the content is interlaced, is top field displayed first.
  235. * - encoding: Set by user.
  236. * - decoding: Set by libavcodec.
  237. */
  238. int top_field_first;
  239. /**
  240. * Tell user application that palette has changed from previous frame.
  241. * - encoding: ??? (no palette-enabled encoder yet)
  242. * - decoding: Set by libavcodec. (default 0).
  243. */
  244. int palette_has_changed;
  245. /**
  246. * codec suggestion on buffer type if != 0
  247. * - encoding: unused
  248. * - decoding: Set by libavcodec. (before get_buffer() call)).
  249. */
  250. int buffer_hints;
  251. /**
  252. * Pan scan.
  253. * - encoding: Set by user.
  254. * - decoding: Set by libavcodec.
  255. */
  256. AVPanScan *pan_scan;
  257. /**
  258. * reordered opaque 64bit (generally an integer or a double precision float
  259. * PTS but can be anything).
  260. * The user sets AVCodecContext.reordered_opaque to represent the input at
  261. * that time,
  262. * the decoder reorders values as needed and sets AVFrame.reordered_opaque
  263. * to exactly one of the values provided by the user through AVCodecContext.reordered_opaque
  264. * @deprecated in favor of pkt_pts
  265. * - encoding: unused
  266. * - decoding: Read by user.
  267. */
  268. int64_t reordered_opaque;
  269. /**
  270. * hardware accelerator private data (FFmpeg-allocated)
  271. * - encoding: unused
  272. * - decoding: Set by libavcodec
  273. */
  274. void *hwaccel_picture_private;
  275. /**
  276. * the AVCodecContext which ff_thread_get_buffer() was last called on
  277. * - encoding: Set by libavcodec.
  278. * - decoding: Set by libavcodec.
  279. */
  280. struct AVCodecContext *owner;
  281. /**
  282. * used by multithreading to store frame-specific info
  283. * - encoding: Set by libavcodec.
  284. * - decoding: Set by libavcodec.
  285. */
  286. void *thread_opaque;
  287. /**
  288. * log2 of the size of the block which a single vector in motion_val represents:
  289. * (4->16x16, 3->8x8, 2-> 4x4, 1-> 2x2)
  290. * - encoding: unused
  291. * - decoding: Set by libavcodec.
  292. */
  293. uint8_t motion_subsample_log2;
  294. /**(音频)采样率
  295. * Sample rate of the audio data.
  296. *
  297. * - encoding: unused
  298. * - decoding: read by user
  299. */
  300. int sample_rate;
  301. /**
  302. * Channel layout of the audio data.
  303. *
  304. * - encoding: unused
  305. * - decoding: read by user.
  306. */
  307. uint64_t channel_layout;
  308. /**
  309. * frame timestamp estimated using various heuristics, in stream time base
  310. * Code outside libavcodec should access this field using:
  311. * av_frame_get_best_effort_timestamp(frame)
  312. * - encoding: unused
  313. * - decoding: set by libavcodec, read by user.
  314. */
  315. int64_t best_effort_timestamp;
  316. /**
  317. * reordered pos from the last AVPacket that has been input into the decoder
  318. * Code outside libavcodec should access this field using:
  319. * av_frame_get_pkt_pos(frame)
  320. * - encoding: unused
  321. * - decoding: Read by user.
  322. */
  323. int64_t pkt_pos;
  324. /**
  325. * duration of the corresponding packet, expressed in
  326. * AVStream->time_base units, 0 if unknown.
  327. * Code outside libavcodec should access this field using:
  328. * av_frame_get_pkt_duration(frame)
  329. * - encoding: unused
  330. * - decoding: Read by user.
  331. */
  332. int64_t pkt_duration;
  333. /**
  334. * metadata.
  335. * Code outside libavcodec should access this field using:
  336. * av_frame_get_metadata(frame)
  337. * - encoding: Set by user.
  338. * - decoding: Set by libavcodec.
  339. */
  340. AVDictionary *metadata;
  341. /**
  342. * decode error flags of the frame, set to a combination of
  343. * FF_DECODE_ERROR_xxx flags if the decoder produced a frame, but there
  344. * were errors during the decoding.
  345. * Code outside libavcodec should access this field using:
  346. * av_frame_get_decode_error_flags(frame)
  347. * - encoding: unused
  348. * - decoding: set by libavcodec, read by user.
  349. */
  350. int decode_error_flags;
  351. #define FF_DECODE_ERROR_INVALID_BITSTREAM   1
  352. #define FF_DECODE_ERROR_MISSING_REFERENCE   2
  353. /**
  354. * number of audio channels, only used for audio.
  355. * Code outside libavcodec should access this field using:
  356. * av_frame_get_channels(frame)
  357. * - encoding: unused
  358. * - decoding: Read by user.
  359. */
  360. int64_t channels;
  361. } AVFrame;

AVFrame结构体一般用于存储原始数据(即非压缩数据,例如对视频来说是YUV,RGB,对音频来说是PCM),此外还包含了一些相关的信息。比如说,解码的时候存储了宏块类型表,QP表,运动矢量表等数据。编码的时候也存储了相关的数据。因此在使用FFMPEG进行码流分析的时候,AVFrame是一个很重要的结构体。

下面看几个主要变量的作用(在这里考虑解码的情况):

uint8_t *data[AV_NUM_DATA_POINTERS]:解码后原始数据(对视频来说是YUV,RGB,对音频来说是PCM)

int linesize[AV_NUM_DATA_POINTERS]:data中“一行”数据的大小。注意:未必等于图像的宽,一般大于图像的宽。

int width, height:视频帧宽和高(1920x1080,1280x720...)

int nb_samples:音频的一个AVFrame中可能包含多个音频帧,在此标记包含了几个

int format:解码后原始数据类型(YUV420,YUV422,RGB24...)

int key_frame:是否是关键帧

enum AVPictureType pict_type:帧类型(I,B,P...)

AVRational sample_aspect_ratio:宽高比(16:9,4:3...)

int64_t pts:显示时间戳

int coded_picture_number:编码帧序号

int display_picture_number:显示帧序号

int8_t *qscale_table:QP表

uint8_t *mbskip_table:跳过宏块表

int16_t (*motion_val[2])[2]:运动矢量表

uint32_t *mb_type:宏块类型表

short *dct_coeff:DCT系数,这个没有提取过

int8_t *ref_index[2]:运动估计参考帧列表(貌似H.264这种比较新的标准才会涉及到多参考帧)

int interlaced_frame:是否是隔行扫描

uint8_t motion_subsample_log2:一个宏块中的运动矢量采样个数,取log的

其他的变量不再一一列举,源代码中都有详细的说明。在这里重点分析一下几个需要一定的理解的变量:

1.data[]

对于packed格式的数据(例如RGB24),会存到data[0]里面。

对于planar格式的数据(例如YUV420P),则会分开成data[0],data[1],data[2]...(YUV420P中data[0]存Y,data[1]存U,data[2]存V)

具体参见:FFMPEG 实现 YUV,RGB各种图像原始数据之间的转换(swscale)

2.pict_type

包含以下类型:

  1. enum AVPictureType {
  2. AV_PICTURE_TYPE_NONE = 0, ///< Undefined
  3. AV_PICTURE_TYPE_I,     ///< Intra
  4. AV_PICTURE_TYPE_P,     ///< Predicted
  5. AV_PICTURE_TYPE_B,     ///< Bi-dir predicted
  6. AV_PICTURE_TYPE_S,     ///< S(GMC)-VOP MPEG4
  7. AV_PICTURE_TYPE_SI,    ///< Switching Intra
  8. AV_PICTURE_TYPE_SP,    ///< Switching Predicted
  9. AV_PICTURE_TYPE_BI,    ///< BI type
  10. };

3.sample_aspect_ratio

宽高比是一个分数,FFMPEG中用AVRational表达分数:

  1. /**
  2. * rational number numerator/denominator
  3. */
  4. typedef struct AVRational{
  5. int num; ///< numerator
  6. int den; ///< denominator
  7. } AVRational;

4.qscale_table

QP表指向一块内存,里面存储的是每个宏块的QP值。宏块的标号是从左往右,一行一行的来的。每个宏块对应1个QP。

qscale_table[0]就是第1行第1列宏块的QP值;qscale_table[1]就是第1行第2列宏块的QP值;qscale_table[2]就是第1行第3列宏块的QP值。以此类推...

宏块的个数用下式计算:

注:宏块大小是16x16的。

每行宏块数:

  1. int mb_stride = pCodecCtx->width/16+1

宏块的总数:

  1. int mb_sum = ((pCodecCtx->height+15)>>4)*(pCodecCtx->width/16+1)

5.motion_subsample_log2

1个运动矢量所能代表的画面大小(用宽或者高表示,单位是像素),注意,这里取了log2。

代码注释中给出以下数据:

4->16x16, 3->8x8, 2-> 4x4, 1-> 2x2

即1个运动矢量代表16x16的画面的时候,该值取4;1个运动矢量代表8x8的画面的时候,该值取3...以此类推

6.motion_val

运动矢量表存储了一帧视频中的所有运动矢量。

该值的存储方式比较特别:

  1. int16_t (*motion_val[2])[2];

为了弄清楚该值究竟是怎么存的,花了我好一阵子功夫...

注释中给了一段代码:

  1. int mv_sample_log2= 4 - motion_subsample_log2;
  2. int mb_width= (width+15)>>4;
  3. int mv_stride= (mb_width << mv_sample_log2) + 1;
  4. motion_val[direction][x + y*mv_stride][0->mv_x, 1->mv_y];

大概知道了该数据的结构:

1.首先分为两个列表L0和L1

2.每个列表(L0或L1)存储了一系列的MV(每个MV对应一个画面,大小由motion_subsample_log2决定)

3.每个MV分为横坐标和纵坐标(x,y)

注意,在FFMPEG中MV和MB在存储的结构上是没有什么关联的,第1个MV是屏幕上左上角画面的MV(画面的大小取决于motion_subsample_log2),第2个MV是屏幕上第1行第2列的画面的MV,以此类推。因此在一个宏块(16x16)的运动矢量很有可能如下图所示(line代表一行运动矢量的个数):

  1. //例如8x8划分的运动矢量与宏块的关系:
  2. //-------------------------
  3. //|          |            |
  4. //|mv[x]     |mv[x+1]     |
  5. //-------------------------
  6. //|          |            |
  7. //|mv[x+line]|mv[x+line+1]|
  8. //-------------------------

7.mb_type

宏块类型表存储了一帧视频中的所有宏块的类型。其存储方式和QP表差不多。只不过其是uint32类型的,而QP表是uint8类型的。每个宏块对应一个宏块类型变量。

宏块类型如下定义所示:

  1. //The following defines may change, don't expect compatibility if you use them.
  2. #define MB_TYPE_INTRA4x4   0x0001
  3. #define MB_TYPE_INTRA16x16 0x0002 //FIXME H.264-specific
  4. #define MB_TYPE_INTRA_PCM  0x0004 //FIXME H.264-specific
  5. #define MB_TYPE_16x16      0x0008
  6. #define MB_TYPE_16x8       0x0010
  7. #define MB_TYPE_8x16       0x0020
  8. #define MB_TYPE_8x8        0x0040
  9. #define MB_TYPE_INTERLACED 0x0080
  10. #define MB_TYPE_DIRECT2    0x0100 //FIXME
  11. #define MB_TYPE_ACPRED     0x0200
  12. #define MB_TYPE_GMC        0x0400
  13. #define MB_TYPE_SKIP       0x0800
  14. #define MB_TYPE_P0L0       0x1000
  15. #define MB_TYPE_P1L0       0x2000
  16. #define MB_TYPE_P0L1       0x4000
  17. #define MB_TYPE_P1L1       0x8000
  18. #define MB_TYPE_L0         (MB_TYPE_P0L0 | MB_TYPE_P1L0)
  19. #define MB_TYPE_L1         (MB_TYPE_P0L1 | MB_TYPE_P1L1)
  20. #define MB_TYPE_L0L1       (MB_TYPE_L0   | MB_TYPE_L1)
  21. #define MB_TYPE_QUANT      0x00010000
  22. #define MB_TYPE_CBP        0x00020000
  23. //Note bits 24-31 are reserved for codec specific use (h264 ref0, mpeg1 0mv, ...)

一个宏块如果包含上述定义中的一种或两种类型,则其对应的宏块变量的对应位会被置1。
注:一个宏块可以包含好几种类型,但是有些类型是不能重复包含的,比如说一个宏块不可能既是16x16又是8x8。

8.ref_index

运动估计参考帧列表存储了一帧视频中所有宏块的参考帧索引。这个列表其实在比较早的压缩编码标准中是没有什么用的。只有像H.264这样的编码标准才有多参考帧的概念。但是这个字段目前我还没有研究透。只是知道每个宏块包含有4个该值,该值反映的是参考帧的索引。以后有机会再进行细研究吧。

在这里展示一下自己做的码流分析软件的运行结果。将上文介绍的几个列表图像化显示了出来(在这里是使用MFC的绘图函数画出来的)

视频帧:

QP参数提取的结果:

美化过的(加上了颜色):

宏块类型参数提取的结果:

美化过的(加上了颜色,更清晰一些,s代表skip宏块):

运动矢量参数提取的结果(在这里是List0):

运动估计参考帧参数提取的结果:

转自:http://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/14214577

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