音视频平凡之路之FFmpeg全面介绍

2020-11-11 17:33:30 浏览数 (1)

FFmpeg中的FF全称是"Fast Forward"，后面的mpeg全称是"Moving Picture Experts Group"(动态图像专家组)，FFmpeg既是一款音视频编解码工具，也是一组音视频编解码开发套件，作为编解码开发套件，它为开发者提供了丰富的音视频处理的调用接口。

1.FFmpeg组成

从代码结构上来看, FFmpeg可以分为:

  • libavcodec: 编解码库, 该模块是最重要的模块之一, 封装了Codec层, 但是有一些Codec是有License要求的, FFmpeg不会默认添加, 可以以插件的形式编译进来, 例如libx264/fdk-aac/mp3lame等等, FFmpeg这样看来就像一个平台, 其他的模块可以以插件的形式随意接入.
  • libavdevice: 输入输出设备库, 例如需要编译出播放声音或者播放视频的工具ffplay, 该模块必须打开, 当然也要支持libsdl才可以的.
  • libavfilter: 音视频过滤库,该模块提供了包括音频特效和视频特效的处理, 现今对音视频的处理要求很高, 这个模块越来越重要啦.
  • libavformat: 文件格式和协议库, 这个模块相当重要, 和libavcodec一样重要, 封装了 Protocol层和Demuxer/Muxer层, 支持几乎你知道的所有协协议.
  • libavresample: 这个模块已经废弃了,最新的使用libswresample替代.
  • libavutil: 核心工具库, 该模块是最基础的模块之一, 下面许多的模块都依赖该库做一些基本的音视频处理操作.
  • libpostproc: 该模块可以用于后期处理, 当我们使用libavfilter的时候要打开这个模块的开关, 因为libavfilter中需要用到这个模块的基础函数.
  • libswresample: 该模块用于音频的重采样, 可以对数字音频进行声道数/数据格式/采样率等多种信息的转换.
  • libswscale: 该模块是将图像进行格式转换的, 可以将YUV格式转换为RGB格式.

从功能来划分,FFmpeg可以分为:

  • ffplay: FFmpeg还提供播放器的功能，使用FFmpeg的avformat与avcodec，可以播放各种媒体文件或者流，如果想要使用ffplay，那么系统首先需要有SDL来进行ffplay的基础支撑。ffplay提供了音视频显示和播放相关的图像信息、音频的波形信息等。
  • ffmpeg: 音视频处理
  • ffprobe: ffprobe也是FFmpeg编译后生成的可执行程序，ffprobe非常强大的多媒体分析工具。可以从媒体文件或者媒体流中获得相应的媒体信息。它可以分析媒体容器中的音频和视频是什么编码格式媒体的总时长、复合码率等等信息。
  • ffserver: 音视频服务器搭建

ffmpeg是FFmpeg源代码编译后生成的一个可执行程序，其可以作为命令工具集使用，具体的使用方法下面会详细介绍。下面会有详细的使用指令介绍。

ffmpeg的主要工作流程如下：

  • 解封装
  • 解码
  • 编码
  • 封装

其中需要经过6个主要的步骤：

  • 读取输入源
  • 进行音视频的解封装
  • 解码每一帧音视频数据
  • 编码每一帧音视频数据
  • 进行音视频的重新封装
  • 输出到目标

ffmpeg首先读取输入源，然后通过Demuxer将音视频包解封装，这个动作通过调用libavformat中的接口可以实现，接下来通过Decoder进行解码，将音视频通过Decoder解包成为YUV或者PCM这样的原始数据，Decoder通过libavcodec中的接口即可实现，然后通过Encoder将对应的数据进行编码，编码可以通过libavcodec中的接口来实现，接下来将编码后的音视频数据包通过Muxer进行封装，Muxer封装通过libavformat中的接口即可实现，输出成为输出流。

2.FFmpeg基础命令

2.1 ffmpeg基础命令

ffmpeg工具非常重要，在很多场景下都使用ffmpeg来实现转码，ffmpeg的常见命令大概分为6个部分。

  • ffmpeg指令
  • 公共操作参数部分
  • 文件主要操作参数部分
  • 视频操作参数部分
  • 音频操作参数部分
  • 字幕操作参数部分

ffmpeg --help

ffmpeg命令基础信息

ffmpeg -L

ffmpeg目前所支持的license协议

ffmpeg -version

查看ffmpeg的版本，包括子模块版本的详细信息

ffmpeg -formats

查看当前使用的ffmpeg是否支持对应的视频格式

ffmpeg -codecs

查看ffmpeg支持的编解码格式

ffmpeg -encoders

查看ffmpeg支持的编码格式

ffmpeg -decoders

查看ffmpeg支持的解码格式

ffmpeg -filters

查看ffmpeg支持的滤镜

ffmpeg --help full

查看ffmpeg支持的所有封装格式、编解码器、滤镜处理器

ffmpeg -h muxer=flv

查看flv封装器的参数支持

ffmpeg -h demuxer=flv

查看flv解封装器的参数支持

ffmpeg -h encoder=h264

查看h264编码器的参数支持

ffmpeg -h decoder=h264

查看h264解码器的参数支持

ffmpeg -h filter=colorkey

查看colorkey滤镜的参数支持

ffmpeg的封装转换功能包含在AVFormat模块中，通过libavformat库进行Mux和Demux操作。可以查看一下ffmpeg中的AVFormatContext数据结构：ffmpeg/libavformat/avformat.h文件中。这个在讲解源码的时候会详细阐述。

ffmpeg的编解码部分的功能主要是通过AVCodec模块来完成的，通过libavcodec库进行Encode与Decode操作。多媒体编码格式的种类有很多，可以查看AVCodecContext数据结构中的参数。

ffmpeg工具的主要作用是编码、解码、转码以及媒体格式转换，ffmpeg常用于进行转码操作，可以通过设置AVCodec与AVFormat的操作参数来进行封装与编码的操作。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vcodec flv -b:v 200k -r 15 -an output.flv
  • 上面只是操作了视频，并没有显示音频
  • -b:v 200k 表示码率，码率从原来的633 kb/s 变成 200 kb/s

2.2 ffplay基础命令

正常在mac中要使用ffplay命令，需要安装sdl库，brew install sdl2.0，ffplay不仅仅是播放器，同时也是测试ffmpeg的codec引擎、format引擎，以及filter引擎工具，并且还可以用来进行可视化的媒体参数分析。通过ffplay --help进行分析。

从视频的第30秒开始播放，播放10秒钟文件，使用如下命令：ffplay -ss 30 -t 10 output.flv

指定播放视频的标题：ffplay -window_title "Hello, world" output.flv

ffplay有很多参数可供选择，如下：

ffplay的可视化分析：ffplay处理可以播放视频流媒体，还可以作为可视化的流媒体分析工具，可以在播放的时候将解码后的音频数据以音频波形的形式展现出来。

2.3 ffprobe基础命令

ffmpeg作为多媒体处理工具，ffprobe作为多媒体信息查看工具，ffprobe主要用来查看多媒体文件的信息。ffprobe --help查看详细的帮助信息。usage: ffprobe [OPTIONS] [INPUT_FILE]

代码语言：javascript复制
ffprobe -show_packets output.flv
//查看多媒体数据包信息：一个多媒体数据有很多个数据包，这儿只选择一个数据包。
代码语言：javascript复制
[PACKET]
codec_type=video
stream_index=0
pts=161667
pts_time=161.667000
dts=161667
dts_time=161.667000
duration=66
duration_time=0.066000
convergence_duration=N/A
convergence_duration_time=N/A
size=13797
pos=9131137
flags=K_
[/PACKET]

这也是AVPacket中的内容，这儿开始扯到源码了，下文会详细分析一下源码了。

代码语言：javascript复制
ffprobe -show_data -show_packets output.flv
//用来查看包中的具体二进制信息
代码语言：javascript复制
[PACKET]
codec_type=video
stream_index=0
pts=161600
pts_time=161.600000
dts=161600
dts_time=161.600000
duration=66
duration_time=0.066000
convergence_duration=N/A
convergence_duration_time=N/A
size=644
pos=9130477
flags=__
data=
00000000: 0000 87c0 81e0 010e 3fbf ffff ffff fffb  ........?.......
00000010: 9fff ffe1 9e36 3e1e 142b afff ffff ffb9  .....6>.. ......
00000020: eeff ffff ffff ffff ffff ffff ffff ffff  ................
00000030: 73ff ffff ffff ffff f77f ddff ffff ffff  s...............
00000040: ffee ffff ffff ffff fffd ef79 b9dc fee3  ...........y....
00000050: ffff ffff ffff dcfb b6fd e7dc ee7f ffff  ................
00000060: ffff fffe ecbb 9f7d f71f ffff ff0c f170  .......}.......p
/*
* 省略很多行
*/
[/PACKET]

可以看到AVPacket中具体的二进制信息。

代码语言：javascript复制
ffprobe -show_format output.flv

查看多媒体的封装格式：这儿其实能看到关于这个视频的很多信息，这个视频只有1个流通道，起始时间是0，总时长是161.734000 ，文件大小是9144950字节。等等

代码语言：javascript复制
Input #0, flv, from 'output.flv':
  Metadata:
    major_brand     : isom
    minor_version   : 512
    compatible_brands: isomiso2avc1mp41
    encoder         : Lavf58.29.100
  Duration: 00:02:41.73, start: 0.000000, bitrate: 452 kb/s
    Stream #0:0: Video: flv1, yuv420p, 960x540, 200 kb/s, 15 fps, 15 tbr, 1k tbn
[FORMAT]
filename=output.flv
nb_streams=1
nb_programs=0
format_name=flv
format_long_name=FLV (Flash Video)
start_time=0.000000
duration=161.734000
size=9144950
bit_rate=452345
probe_score=100
TAG:major_brand=isom
TAG:minor_version=512
TAG:compatible_brands=isomiso2avc1mp41
TAG:encoder=Lavf58.29.100
[/FORMAT]
代码语言：javascript复制
ffprobe -show_frames output.flv

查看视频文件中的帧 信息：每一帧的详细信息展示出来了，可以直观的看到视频的帧是I帧、P帧或者B帧每一帧的大小也通过pkt_size来显示出来。这儿只显示一帧的数据。

代码语言：javascript复制
[FRAME]
media_type=video
stream_index=0
key_frame=1
pkt_pts=161667
pkt_pts_time=161.667000
pkt_dts=161667
pkt_dts_time=161.667000
best_effort_timestamp=161667
best_effort_timestamp_time=161.667000
pkt_duration=66
pkt_duration_time=0.066000
pkt_pos=9131137
pkt_size=13797
width=960
height=540
pix_fmt=yuv420p
sample_aspect_ratio=N/A
pict_type=I
coded_picture_number=2425
display_picture_number=0
interlaced_frame=0
top_field_first=0
repeat_pict=0
color_range=unknown
color_space=unknown
color_primaries=unknown
color_transfer=unknown
chroma_location=unspecified
[SIDE_DATA]
side_data_type=QP table data
[/SIDE_DATA]
[SIDE_DATA]
side_data_type=QP table properties
[/SIDE_DATA]
[/FRAME]

这是AVFrame的信息，pict_type=I 表示是 I 帧。

编码器将多张图像进行编码后生产成一段一段的 GOP ( Group of Pictures ) ， 解码器在播放时则是读取一段一段的 GOP 进行解码后读取画面再渲染显示。GOP ( Group of Pictures) 是一组连续的画面，由一张 I 帧和数张 B / P 帧组成，是视频图像编码器和解码器存取的基本单位，它的排列顺序将会一直重复到影像结束。I 帧是内部编码帧（也称为关键帧），P帧是前向预测帧（前向参考帧），B 帧是双向内插帧（双向参考帧）。简单地讲，I 帧是一个完整的画面，而 P 帧和 B 帧记录的是相对于 I 帧的变化。如果没有 I 帧，P 帧和 B 帧就无法解码。

代码语言：javascript复制
ffprobe -show_streams output.flv

查看多媒体文件中的流信息；

代码语言：javascript复制
[STREAM]
index=0
codec_name=flv1
codec_long_name=FLV / Sorenson Spark / Sorenson H.263 (Flash Video)
profile=unknown
codec_type=video
codec_time_base=1/15
codec_tag_string=[0][0][0][0]
codec_tag=0x0000
width=960
height=540
coded_width=960
coded_height=540
has_b_frames=0
sample_aspect_ratio=N/A
display_aspect_ratio=N/A
pix_fmt=yuv420p
level=-99
color_range=unknown
color_space=unknown
color_transfer=unknown
color_primaries=unknown
chroma_location=unspecified
field_order=unknown
timecode=N/A
refs=1
id=N/A
r_frame_rate=15/1
avg_frame_rate=15/1
time_base=1/1000
start_pts=0
start_time=0.000000
duration_ts=N/A
duration=N/A
bit_rate=200000
max_bit_rate=N/A
bits_per_raw_sample=N/A
nb_frames=N/A
nb_read_frames=N/A
nb_read_packets=N/A
DISPOSITION:default=0
DISPOSITION:dub=0
DISPOSITION:original=0
DISPOSITION:comment=0
DISPOSITION:lyrics=0
DISPOSITION:karaoke=0
DISPOSITION:forced=0
DISPOSITION:hearing_impaired=0
DISPOSITION:visual_impaired=0
DISPOSITION:clean_effects=0
DISPOSITION:attached_pic=0
DISPOSITION:timed_thumbnails=0
[/STREAM]

ffprobe输出信息可以通过key-value样子展示出来，也可以通过xml格式、json格式、csv、flat格式展示出来，展示的方式很多，这儿不一一展开了。

3.FFmpeg扩展操作

3.1 正常文件改变封装格式

这个上面已经介绍过了，mp4转flv封装格式，当然封装格式有很多，你可以随意选择你要想转换的封装格式。

3.2 切片操作

视频文件切片与HLS基本类似，但是HLS切片在标准中支持TS格式的切片，并且是直播与点播切片。M3U8切片操作参考：多媒体文件格式剖析：M3U8篇

下面介绍的切片既可以使用segment方式进行切片，也可以使用ss加上t参数进行切片。所谓的切片就是将原来完整的视频中的一部分提取出来，成为一个或者几个新的文件。

将视频切片成几段视频，每段视频30s，而且切片过程中还需要转码，转码成mp4格式：其中-re表示切片转码，-segment_format表示切片成的编码格式，-segment_time表示切片时间。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -re -i jeffmony.mp4 -c copy -f segment -segment_time 30 -segment_format mp4 output_d.mp4

ffmpeg也可以使用ss进行视频文件的seek定位，t所传递是总时长，output_ts_offset所传递的是输出文件的起始时间点。

从视频的第8秒开始截取：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -ss 8 -i output.mp4 -c copy output.ts

截取的总时长是10s，默认从0开始：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i output.mp4 -c copy -t 10 output.ts

命令执行后输出的output.ts文件的start_time被定义为120：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i output.mp4 -c copy -t 10 -output_ts_offset 120 output.ts

3.3 转码操作

目前H.264编码格式比较火，支持H.264的封装格式有很多，如FLV、MP4、HLS、MKV、TS格式等等。FFmpeg本身不支持H.264格式，而是通过三方库x264来实现支持，可以通过ffmpeg -h encoder=libx264来查看H.264支持的主要像素格式。H.265与H.264很多参数相同，基本上可以通用。

软编码是使用CPU来工作的，有时候性能会比较低，出于编码效率和成本考虑，很多时候都会采用硬编码，常见的硬编码包含Nvidia GPU与Intel QSV两种，Android端当然是MediaCodec了。

3.4 抽取音视频流

当音视频文件出现异常时，除了分析封装数据之外，还需要分析音视频流部分。

抽取音视频文件中的AAC音频流：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vn -acodec copy output.aac

下面可以看出来输入的数据中有视频和音频，输出的数据中只有音频了。

抽取音视频文件中的H.264视频流：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vcodec copy -an output.h264

4.FFmpeg滤镜操作

FFmpeg除了具有强大的封装、解封装、编解码功能之外，还包含一个非常强大的组件——滤镜avfilter，avfilter经常用于进行多媒体的处理与编辑。FFmpeg包含非常多的滤镜。目前音视频应用中滤镜非常火，但是Android平台上的滤镜一般都用OpenGL ES，FFmpeg在移动端的滤镜应用还是不多，但是并不妨碍我们了解它，FFmpeg这方面还是相当赞的。

4.1 视频中加上图片

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -i JeffMony.jpg -filter_complex "[1:v]scale=100:100[logo]; [0:v][logo]overlay=x=0:y=0" output2.mp4

上面命令主要是将input.jpg图片变成100*100大小，放在videoplayback.mp4视频中的左上角。[logo]中的logo是别名，这个别名后续在overlay中会用到，overlay=x=0:y=0放在左上角。临时标记名这个用法在ffmpeg操作命令中非常普遍。输出的结果截图如下：可以看到左上角的视频已经打上了这个烙印了，实际上ffmpeg会处理每一帧视频数据，然后将处理放到视频帧中，然后合成一个新的视频帧。

4.2 视频中加水印

FFmpeg可以给视频添加水印，水印可以是文字，也可以是图片，主要用来标记视频所属标记等。其实上面也是加水印的一种方式。

在视频中增加文字水印需要准备的条件比较多，需要有文字库处理相关文件，在编译FFmpeg时需要支持FreeType/FontConfig/iconv，系统中需要有相关的字库，在FFmpeg中增加纯字母水印可以使用drawtext滤镜进行支持，下面看戏drawtext的滤镜参数。

在视频的左上角加上一个“hello,world”，字体使用的是android sdk中的字体，协商字体路径，字大小是100，位置也写明的坐标(20,20)

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vf "drawtext=fontsize=100:fontfile=/Users/jeffmony/Library/Android/sdk/platforms/android-27/data/fonts/DroidSans.ttf:text='hello,world':x=20:y=20" output3.mp4

加上fontcolor=red可以调整字为红色：

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vf "drawtext=fontsize=100:fontfile=/Users/jeffmony/Library/Android/sdk/platforms/android-27/data/fonts/DroidSans.ttf:text='hello,world':fontcolor=red:x=20:y=20" output3.mp4

也可以给文字加上背景，设置背景颜色，box=1表示文字加上背景，boxcolor=XXX 表示文字背景设置的颜色。

有时候希望在视频中加上本地时间作为水印，执行指令如下：

代码语言：javascript复制
fffmpeg -i jeffmony.mp4 -vf "drawtext=fontsize=50:fontfile=/Users/jeffmony/Library/Android/sdk/platforms/android-27/data/fonts/DroidSans.ttf:text='%{localtime:%Y-%m-%d %H-%M-%S}':fontcolor=red:x=20:y=20" output5.mp4

但这时候加的只是一个静止的时间，这个时间没有更新，实际应用中我们还希望时间可以随时更新下。

代码语言：javascript复制
fffmpeg -i jeffmony.mp4 -vf "drawtext=fontsize=50:fontfile=/Users/jeffmony/Library/Android/sdk/platforms/android-27/data/fonts/DroidSans.ttf:text='%{localtime:%Y-%m-%d %H-%M-%S}':fontcolor=red:x=20:y=20:enable=lt(mod(t,3),1)" output5.mp4

加上enable参数，可以控制水印的刷新时间，这方面的参数非常多，可以实现很多定制化的功能。

除了可以添加文字水印，也可以添加图片水印，为视频添加水印可以使用movie滤镜，下面是滤镜的一些参数：

filename

输入的文件名，可以是文件、协议、设备

format_name, f

的封装格式

stream_index, si

输入的流索引编号

seek_point, sp

Seek输入流的时间位置

stream, s

的多个流的流信息

loop

循环次数

discontinuity

支持跳动的时间戳差值

在FFmpeg中加入图片水印有两种方式：通过movie指定水印文件路径。通过filter读取输入文件的流并指定为水印。上面已经有很多filter的例子的，下面重点讲下movie的方式。将input.jpg图片通过movie方式打入到视频文件中，将图片大小限定为100*100，并且放在左上角。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -i jeffmony.mp4 -vf "movie=JeffMony.jpg,scale=100:100 [wm]; [in][wm]overlay=10:10[out]" output.mp4

还可以通过colorkey参数来设置图片的透明效果。

4.3 画中画

知道Android的PIP模式的，一定知道画中画的意思，我们在微信视频聊天的时候，就是典型的画中画的模式。在FFmpeg中，也有这样的应用场景，我们会将多个视频流或者视频文件合成到一个界面中，展示出画中画的效果，这时候经常采用的参数是overlay操作。

下面是overlay滤镜的基本参数：

overlay还有很多组合的参数，这在应用的时候也要也特别注意一下。将jeffmony.mp4视频嵌入到output.mp4视频中，设置jeffmony.mp4大小为 320*180，同时将输出的视频编码为h264,，这是典型的画中画模式的应用。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -re -i jeffmony.mp4 -vf "movie=output.mp4,scale=320x180[test]; [in][test]overlay [out]" -vcodec libx264 output2.mp4

当然也可以通过overlay控制子视频在显示画面的任意位置。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -re -i jeffmony.mp4 -vf "movie=output.mp4, scale=320x180[test]; [in][test]overlay=x=main_w/2-160:y=main_h/2-90 [out]" -vcodec libx264 output3.mp4

当然也可以让界面上的视频动态变化，就是位置随意变动，借助一些执行函数实现变动。

代码语言：javascript复制
ffmpeg -re -i jeffmony.mp4 -vf "movie=output.mp4, scale=320x180[test]; [in][test]overlay=x='if(gte(t,2), -w (t-2)*20, NAN)':y=0 [out]" -vcodec libx264 output4.mp4

这个实现了子视频从主视频的左侧开始渐入视频从左向右游动。

结束语

FFmpeg如同一个金库，音视频所有的知识基本上都能在这里面找到答案。学习好、利用好FFmpeg对提升音视频编程的整体水平有很大的帮助。愿和你一起努力。

关注JeffMony,随时带来音视频/算法/python知识分享,感谢与我一起成长,长按关注一下吧.

视频处理 python 编程算法

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