鲁达 背景
win10自1803版本发布以来，取消了内置的h265的视频解码，虽然能安装插件可以播放，但是在一个支持硬解8k视频的N卡上，居然以软解的方式播放。颠覆了Windows平台上DXVA（DirectX Video Acceleration）的认知，不得已，只能通过NVidia提供的sdk来硬解视频，其中用到了ffmpeg，这是一个很好的开始，在开发过程中学到了关于音视频的不少知识，在此分享。
播放视频
视频播放的本质是将一堆序列图片按照帧频一张一张显示出来。帧频决定了切换下一张图片的时间，而这里的图片指的是ARGB的像素集，而不是压缩过的png或者JPEG等。
假设一个视频fps（帧频）是30，尺寸是1920x1080，时长30秒，那么原始数据的大小是 1920x1080x30x30x4=7G，但是实际上视频文件不会这么大，充其量几十M，那么播放视频就成了将数据解压成ARGB的像素集，然后根据帧频一张一张的显示出来。
视频解码
视频解码其实就是两步
1 ，根据视频的编码格式，解出每帧的图片。
2，将每帧的图片色彩空间转成RGB的色彩空间。
解出每帧的图片
视频的编码格式有很多，比如h.264, hevc,vp9等，使用ffmpeg时可以使用-c:v 指定视频的编码
图片发自简书App
上面就是将视频编码指定为VP9的webm视频。
使用ffmpeg完整的视频解码如下：
//打开媒体 AVFormatContext *fmtc = NULL; avformat_open_input(&fmtc, "the video file path", NULL, NULL); avformat_find_stream_info(fmtc, NULL); int videoIndex = av_find_best_stream(fmtc, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, NULL, 0); //根据媒体的编码格式创建解码器 AVCodecContext* avctx = avcodec_alloc_context3(NULL); auto st = fmtc->streams[videoIndex]; avcodec_parameters_to_context(avctx, st->codecpar); AVCodec* codec = avcodec_find_decoder(avctx->codec_id); avcodec_open2(avctx, codec, NULL); //视频解码 AVPacket* packet av_init_packet(&packet); = 0; = 0; AVFrame* frame = av_frame_alloc(); while (av_read_frame(fmtc, &packet) >= 0) { if == videoIndex) { avcodec_send_packet(avctx, packet); while(true) { int ret = avcodec_receive_frame(avctx, frame); if(ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF) break; if(ret < 0) { throw std::exception("CantDecode"); } //receive new frame } if() av_packet_unref(&packet); continue; } av_packet_unref(&packet); } //释放操作 avcodec_free_context(&avctx); av_frame_free(&frame); avformat_close_input(&fmtc);上面的代码中，可以看出ffmpeg解码最终得到AVFrame，AVFrame是解压之后的视频帧图片，AVFrame是靠AVPacket和AVCodecContext得来的，AVPacket是压缩的视频帧图片，通过读取AVFormatContext得来的，AVCodecContext是通过视频的编码格式创建的。
在获取avframe的时候还有一个while循环，按理说，一个avpacket不就对应一个avframe吗？其实不然，在有些编码下，虽然一个avpacket对应一个avframe，但完整的图像信息还得靠相邻的avpacket才能完全解出，在视频压缩过程中，通过各种算法来减少数据的容量，这里最为常见的为IPB(Intra coded frames, Predicted pictures, and Bi-directional predictive pictures)。即一个avpacket可能是I帧，或是P帧，或B帧，I帧只需考虑本帧；P帧记录的是与前一帧的差别；B帧记录的是前一帧及后一帧的差别。所以这里的while也就明白了，当遇到B帧时，还得等下一个avpacket。
转成RGB
当我们拿到AVFrame的时候还不能直接显示，因为每个像素的色彩空间不一定是RGB的，大部分都是YUV的，我们需要把YUV转成RGB。
在ffmpeg中使用参数-pix_fmt可以指定像素的色彩空间。
ffmpeg -i in.mov -c:v libx264 -pix_fmt yuv420p out.mp4YUV色彩空间不同于RGB，“Y”表示明亮度（Luminance、Luma），“U”和“V”则是色度、浓度（Chrominance、Chroma）。失去UV的图像只是一张灰度图，加上UV的图像变成彩色的了，所以在压缩过程中，四个像素点的Y的共享一个UV就是YUV420，两个像素点的Y共享一个UV就是YUV422，一个Y对饮一个UV就是YUV444…
在YUV420P中的P指的是planar数据，即YUV是分开存储的，这也就是为什么在AVFrame的data属性是byte* data[8]的，data[0]是Y分量，data[1]是U分量，data[2]是V分量。
色彩转换代码如下：
//色彩模式转换 //此段代码在打开视频流处 int w = fmtc->streams[videoIndex]->codecpar->width; int h = fmtc->streams[videoIndex]->codecpar->height; SwsContext* swsctx = 0; uint8_t* pixels = new bytep[ w * h * 4] ; ///此段代码在得到avframe处 swsctx = sws_getCachedContext(swsctx, frame->width, frame->height, (AVPixelFormat)frame->format, w, h, AV_PIX_FMT_RGB32, SWS_BICUBIC, 0, 0, 0); AVPicture pict = { { 0 } }; avpicture_fill(&pict, pixels, AV_PIX_FMT_RGB32, frame->width, frame->width); sws_scale(swsctx, frame->data, frame->linesize, 0, frame->height, , );相关视频推荐
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视频播放
当我们得到RGB像素值时就可以根据帧频显示视频了。
//获取当前计算机运行的时间 double getTime() { __int64 freq = 0; __int64 count = 0; if (QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&freq) && freq > 0 && QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&count)) { return (double)count / (double)freq * 1000.0; } return 0.0; } double interval = 1000.0/av_q2d(fmtc->streams[videoIndex]->r_frame_rate); double estimateTime = frameIndex * interval; // 预计时间 double actualTime = (getTime() - startTime); //实际时间上面的代码中，根据帧频得到了预计时间，实际时间是当前时间减去开始播放的时间，要是实际时间小于预计时间，那么需要sleep一会，等到预计时间下一帧显示，反之则要尽快显示下一帧。
硬件解码
上面代码中，如果一个视频的帧频是30帧/秒，意味着每帧切换的时间是33毫秒，那么问题来了，如果在33毫秒内没有解完下一帧的图像，视频播放就会延时或者是丢帧，但如果用硬件解码，那么出现这个问题的几率就大大降低了。毕竟GPU在多核处理图像方面不是CPU所比肩的。
硬件解码的原理是将avpacket直接提交给gpu，然后gpu解码，得到一个surface交由应用程序处理，这个surface存在显存中，这里用的是DirectX9，即在cpu中以IDirect3DTexture9形式间接访问，作为贴图直接渲染出来。需要注意的是这里的avpacket 在h264，hevc编码中剔除了pps等信息，需要加回来才能提交给GPU，如下
//硬件解码 //(SPS)Sequence Paramater Set, (PPS)Picture Paramater Set, //Convert an H.264 bitstream from length prefixed mode to start code prefixed mode (as defined in the Annex B of the ITU-T H.264 specification). AVPacket* pktFiltered AVBSFContext *bsfc = NULL; av_init_packet(&pktFiltered); = 0; = 0; const AVBitStreamFilter *bsf = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb" / "hevc_mp4toannexb"); av_bsf_alloc(bsf, &bsfc); avcodec_parameters_copy(bsfc->par_in, fmtc->streams[videoIndex]->codecpar); av_bsf_init(bsfc); av_bsf_send_packet(bsfc, packet); av_bsf_receive_packet(bsfc, &pktFiltered);硬件解码的具体示例参看NVidia的sdk示例。
半硬件解码
视频编码有千万种，但gpu对于能解的编码，分辨率有严格的要求，如果硬件不支持，我们还得靠cpu解码，但这里我们可以把yuv转rgb的代码放到gpu端处理 以减轻cpu的压力，yuv转rgb的源码在ffmpeg中有，但没有参考的价值，因为针对cpu优化成int算法，而gpu擅长float的运算。下面示例代码是yuv420p转rgb。
//GPU代码 //颜色空间转换 YUV420P to RGB float4x4 colormtx; texture tex0; texture tex1; texture tex2; sampler sam0 = sampler_state { Texture = <tex0>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; sampler sam1 = sampler_state { Texture = <tex1>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; sampler sam2 = sampler_state { Texture = <tex2>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; float4 c = float4(tex2D(sam0, uv).a, tex2D(sam1, uv).a, tex2D(sam2, uv).a, 1); color = mul(c, colormtx); //CPU代码 D3DXMATRIXA16 yuv2rgbMatrix() { /* FLOAT r = * (Y - 16) + 1.596 * (V - 128)); FLOAT g = * (Y - 16) - 0.813 * (V - 128) - 0.391 * (U - 128)); FLOAT b = * (Y - 16) + 2.018 * (U - 128)); FLOAT r = 1.164 * Y + 1.596*V - 1.596*128.0 - 1.164*16.0; FLOAT g = 1.164 * Y - 0.391*U - 0.813*V - 1.164*16.0+0.813*128.0+0.391*128.0; FLOAT b = 1.164 * Y + 2.018*U - 1.164*16.0 - 2.018*128.0; */ D3DXMATRIXA16 m( 1.164, 0, 1.596, -1.596*128.0 / 255.0 - 1.164*16.0 / 255.0, 1.164, -0.391, -0.813, -1.164*16.0 / 255.0 + 0.813*128.0 / 255.0 + 0.391*128.0 / 255.0, 1.164, 2.018, 0, -1.164*16.0 / 255.0 - 2.018*128.0 / 255.0, 0, 0, 0, 1 ); D3DXMatrixTranspose(&m, &m); return m; } void update(AVFrame* frame) { int w = ctx_->textureWidth(); int h = ctx_->textureHeight(); int w2 = w /2; int h2 = h / 2; auto device = ctx_->getDevice3D(); //IDirect3DDevice9Ex if (!texY_) //IDirect3DTexture9* { auto effect = render_->effect(); //ID3DXEffect* device->CreateTexture(w, h, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_A8, D3DPOOL_DEFAULT, &texY_, NULL); device->CreateTexture(w2, h2, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_A8, D3DPOOL_DEFAULT, &texU_, NULL); device->CreateTexture(w2, h2, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_A8, D3DPOOL_DEFAULT, &texV_, NULL); effect->SetTexture("tex0", texY_); effect->SetTexture("tex1", texU_); effect->SetTexture("tex2", texV_); D3DXMATRIXA16 m = yuv2rgbMatrix(); effect->SetMatrix("colormtx", &m); } upload(frame->data[0], frame->linesize[0], h, texY_); upload(frame->data[1], frame->linesize[1], h2, texU_); upload(frame->data[2], frame->linesize[2], h2, texV_); } void upload(uint8_t * data, int linesize, int h, IDirect3DTexture9* tex) { D3DLOCKED_RECT locked = { 0 }; HRESULT hr = tex->LockRect(0, &locked, NULL, D3DLOCK_DISCARD); if (SUCCEEDED(hr)) { uint8_t* dst = (uint8_t*; int size = linesize < locked.Pitch ? linesize : locked.Pitch; for (INT y = 0; y < h; y++) { CopyMemory(dst, data, size); dst += locked.Pitch; data += linesize; } tex->UnlockRect(0); } }再举一例，是关于YUV422P10LE转化成argb的，YUV422P10LE 每个像素占36bits，其中alpha占12bits，YUV各占8bits，但ffmpeg保存的数据是四个分量各占12bits，每个分量两个字节保存，这里用D3DFMT_L16创建的贴图。
//YUV422P10LE to ARGB ///< planar YUV 4:4:4,36bpp, (1 Cr & Cb sample per 1x1 Y samples), 12b alpha, little-endian //YUVA444P12LE to ARGB //GPU Code float4x4 colormtx; texture tex0; texture tex1; texture tex2; texture tex3; sampler sam0 = sampler_state { Texture = <tex0>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; sampler sam1 = sampler_state { Texture = <tex1>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; sampler sam2 = sampler_state { Texture = <tex2>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; }; sampler sam3 = sampler_state { Texture = <tex3>; MipFilter = LINEAR; MinFilter = LINEAR; MagFilter = LINEAR; };, float4 c = float4(tex2D(sam0, uv).x, tex2D(sam1, uv).x, tex2D(sam2, uv).x, 0.06248569466697185); //0xfff/0xffff c = c * 16.003663003663004; //0xffff/0xfff color = mul(c, colormtx); color.a = tex2D(sam3, uv).x * 16.003663003663004; //CPU Code int w = ctx_->textureWidth(); int h = ctx_->textureHeight(); auto device = ctx_->getDevice3D(); //IDirect3DDevice9Ex if (!texY_) //IDirect3DTexture9* { auto effect = render_->effect(); //ID3DXEffect* check_hr(device->CreateTexture(w, h, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_L16, D3DPOOL_DEFAULT, &texY_, NULL)); //12b Y check_hr(device->CreateTexture(w, h, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_L16, D3DPOOL_DEFAULT, &texU_, NULL)); //12b U check_hr(device->CreateTexture(w, h, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_L16, D3DPOOL_DEFAULT, &texV_, NULL)); //12b V check_hr(device->CreateTexture(w, h, 1, D3DUSAGE_DYNAMIC, D3DFMT_L16, D3DPOOL_DEFAULT, &texA_, NULL)); //12b A effect->SetTexture("tex0", texY_); effect->SetTexture("tex1", texU_); effect->SetTexture("tex2", texV_); effect->SetTexture("tex3", texA_); D3DXMATRIXA16 m = uv2rgbMatrix(); effect->SetMatrix("colormtx", &m); } upload(frame->data[0], frame->linesize[0], h, texY_); upload(frame->data[1], frame->linesize[1], h, texU_); upload(frame->data[2], frame->linesize[2], h, texV_); upload(frame->data[3], frame->linesize[3], h, texA_);播放音频
原始音频数据有几个重要的参数，采样率（Sample per second - sps），通道（channel），每个采样占用的bit数 （bits per sample - bps）。
播放音频实际上就是把音频数据不停的发送到声卡上，声卡根据sps，channel，bps产生声音。比如一段音频数据大小是4M，采样率是44100，channel是2，bps是16位，如果将这段数据发送给声卡，那么过(4x1024x1024x8)/(44100x2x16)秒后 声卡会告诉你声音播放完了。
使用wave api播放音频
在Windows上，可以使用wave api播放音频，播放步骤是打开，写入，关闭。可以使用软件gold wave导出原始的音频数据，另存为snd文件，导出时注意配置声道，采样率和bps。下面一个播放sps是44100，channel是2，bps是16bit的原始音频数据的代码。
//Play audio use the Wave API #include <mm; const byte* pcmData = .... //假设这个要播放的音频数据和数据大小 int pcmSize = .... openAudio(); writeAudio(pcmData, pcmSize); closeAudio(); //////////////////////////// #define AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE 8192 #define AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT 4 HWAVEOUT dev = 0; int available = 0; WAVEHDR* blocks = 0; int index = 0; Mutex mtx;//自定义类 基于EnterCriticalSection 和 LeaveCriticalSection 实现的 void openAudio() { WAVEFORMATEX wfx = {0}; w = 44100; w = 16; w = 2; w = 0; w = WAVE_FORMAT_PCM; w = (w * w) >> 3; w = w * w; waveOutOpen(&dev, WAVE_MAPPER, &wfx, (DWORD_PTR)waveOutProc, (DWORD_PTR)0, CALLBACK_FUNCTION); blocks = new WAVEHDR[AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT]; memset(blocks, 0, sizeof(WAVEHDR) * AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT); for (int i = 0; i < AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT; i++) { blocks[i].lpData = new char[AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE]; blocks[i].dwBufferLength = AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE; } } void closeAudio() { for (int i = 0; i < AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT; i++) { if (blocks[i].dwFlags & WHDR_PREPARED) { waveOutUnprepareHeader(dev_, &blocks[i], sizeof(WAVEHDR)); } delete blocks[i].lpData; } delete blocks; waveOutClose(dev); } void writeAudio(const byte* data, int size) { if (!bok_)return; WAVEHDR* current; int remain; current = &blocks[index]; while (size > 0) { if (current->dwFlags & WHDR_PREPARED) { waveOutUnprepareHeader(dev, current, sizeof(WAVEHDR)); } if (size < (int)(AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE - current->dwUser)) { memcpy(current->lpData + current->dwUser, data, size); current->dwUser += size; break; } remain = AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE - current->dwUser; memcpy(current->lpData + current->dwUser, data, remain); size -= remain; data += remain; current->dwBufferLength = AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE; waveOutPrepareHeader(dev, current, sizeof(WAVEHDR)); waveOutWrite(dev, current, sizeof(WAVEHDR)); m(); available--; m(); while (!available) { Sleep(10); } index++; index %= AUDIO_DEV_BLOCK_COUNT; current = &blocks[index]; current->dwUser = 0; } }上面代码中在open的时候设置了回调函数waveOutProc，当该函数被调用的时候说明一个8192大小的音频数据块被播放完，在writeaudio里，不停的循环写入大小为8192四个数据块，这四个数据块预先写进去（waveOutWrite），在等waveOutProc回调时，又有可用的数据块再接着写，这样就可以连续的播放声音了。
ffmpeg解压音频
同样地，在视频文件中音频也是压缩过的，一帧一帧的，解出音频的完整代码如下：
//打开视频文件 AVFormatContext *fmtc = NULL; avformat_network_init(); avformat_open_input(&fmtc, "video file path", NULL, NULL); avformat_find_stream_info(fmtc, NULL); int autdioIndex = av_find_best_stream(fmtc, AVMEDIA_TYPE_AUDIO, -1, -1, NULL, 0); //创建音频解码器 AVCodecContext* avctx = avcodec_alloc_context3(NULL); auto st = fmtc->streams[autdioIndex]; avcodec_parameters_to_context(avctx, st->codecpar); AVCodec* codec = avcodec_find_decoder(avctx->codec_id); avcodec_open2(avctx, codec, NULL); //解码音频 AVFrame* frame = av_frame_alloc(); AVPacket pkt; av_init_packet(&pkt); = NULL; = 0; while (av_read_frame(fmtc, &pkt) >= 0) { if == autdioIndex) { int gotFrame = 0; if (avcodec_decode_audio4(avctx, frame, &gotFrame, &pkt) < 0) { //fprintf(stderr, "Error decoding audio frame (%s)\n", av_err2str(ret)); break } if (gotFrame) { writeAudio(frame->extended_data[0], linesize); } } } //关闭 avcodec_free_context(&avctx); av_frame_free(&frame); if()av_packet_unref(&pkt); avformat_close_input(&fmtc_); return 0;不难看出，和解码视频如出一辙，最终的音频数据在AVFrame中。
音频转化
虽然上面的例子中我们解出音频并且播放出来了，但是有个条件，就是视频文件中的音频的sps是44100，bps是16，channel是2，否则播放的音频是不正常的。
我们知道，视频文件中sps，bps，channel不是固定的，这就需要我们转换下我们能播放的采样率，转化代码如下
//音频转化 //创建音频编码转换器 auto devSampleFormat = 16 == 8 ? AV_SAMPLE_FMT_U8 : AV_SAMPLE_FMT_S16; SwrContext * swrc = swr_alloc(); av_opt_set_int(swrc, "in_channel_layout", av_get_default_channel_layout(avctx->channels), 0); av_opt_set_int(swrc, "in_sample_rate", avctx->sample_rate, 0); av_opt_set_sample_fmt(swrc, "in_sample_fmt", avctx->sample_fmt, 0); av_opt_set_int(swrc, "out_channel_layout", av_get_default_channel_layout(2), 0); av_opt_set_int(swrc, "out_sample_rate", 44100, 0); av_opt_set_sample_fmt(swrc, "out_sample_fmt", devSampleFormat, 0); swr_init(swrc); struct SwrBuffer { int samplesPerSec; int numSamples, maxNumSamples; uint8_t **data; int channels; int linesize; }; SwrBuffer dst = {0}; d = dev.samplesPerSec(); d = dev.channels(); d = d = av_rescale_rnd(numSamples, d, avctx->sample_rate, AV_ROUND_UP); av_samples_alloc_array_and_samples(&d, &d, d, d, devSampleFormat, 0); //转换音频 d = av_rescale_rnd(swr_get_delay(swrc, avctx->sample_rate) + frame->nb_samples, d, avctx->sample_rate, AV_ROUND_UP); if (d > d) { av_freep(&d[0]); av_samples_alloc(d, &d, d, d, devSampleFormat, 1); d = d; } /* convert to destination format */ ret = swr_convert(swrc, d, d, (const uint8_t**)frame->data, frame->nb_samples); if (ret < 0) { //error } int bufsize = av_samples_get_buffer_size(&d, d, ret, devSampleFormat, 1); if (bufsize < 0) { //fprintf(stderr, "Could not get sample buffer size\n"); } writeAudio(d[0], bufsize);查看声卡设备支持的参数
上面示例中播放声音一直用的44100，16，2，没错，这也是我打开声卡设备所用的参数，如果声卡不支持这个参数那么waveOutOpen会调用失败，如何判断声卡支持的参数，代码如下：
WAVEINCAPS caps = {0}; if(waveInGetDevCaps(0, &caps, sizeof(caps)) == MMSYSERR_NOERROR) { //checkCa, WAVE_FORMAT_96S16, 96000, 2, 16); //checkCa, WAVE_FORMAT_96S08, 96000, 2, 8); } void checkCaps(DWORD devfmt, DWORD fmt, int sps, int channels, int bps) { if (bps_)return; if (devfmt & fmt) { bps_ = bps; channels_ = channels; sps_ = sps; } }音视频同步
视频和音频播放起来需要同步，不能各播各的，那样很可能出现的问题是口型对不上声音，这里我们将用视频同步到音频的方式同步音视频。
我们知道根据采样率等信息，完全可以知道音频播放了多长时间，那么根据这个时间就可以把视频同步上，伪代码如下：
int audioFrameIndex = 0; int videoFrameIndex = 0; //Thread 1 while (true) { decodeAudioData(); writeAudio(...); } void CALLBACK waveOutProc(HWAVEOUT hWaveOut, UINT uMsg, DWORD_PTR dwInstance, DWORD dwParam1, DWORD dwParam2) { if (uMsg != WOM_DONE) return; ... audioFrameIndex ++; } //Thread 2 double audioBitsPerSec = audioDev->bitsPerSample() * audioDev->samplesPerSec() * audioDev->channels(); double interval = 1000.0/av_q2d(fmtc->streams[videoIndex]->r_frame_rate); while (true) { if (!decodeVideoFrame()) continue; videoFrameIndex ++; while (true) { double bits = audioFrameIndex * AUDIO_DEV_BLOCK_SIZE * 8.0; double ms = bits / audioBitsPerSec * 1000.0; //实际播放时间 double to = videoFrameIndex * interval; //预计播放时间 if (ms < to)//Need false then wait { Sleep(1); continue; } presentVideoFrame(); break; } }这里多线程中略去了线程锁的问题，且行且小心
后记
这是本人在实际开发过程中的一些见地，不足之处忘大家多多指正。