关于云计算:Java版流媒体编解码和图像处理JavaCPPFFmpeg

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https://github.com/zq2599/blog_demos

内容：所有原创文章分类汇总及配套源码，波及 Java、Docker、Kubernetes、DevOPS 等；

先简略的梳理一下 FFmpeg、JavaCPP、JavaCV 的关系：
FFmpeg、OpenCV 能够了解成 C 语言版的本地库（Native library），Java 利用无奈间接应用
JavaCPP 将 FFmpeg、OpenCV 这些罕用库做了包装（wrapper），使得 Java 利用也能应用这些 Native API（JavaCPP 的底层实现是 JNI）
这些 JavaCPP 包装后的 API，被 JavaCV 封装成了工具类（utility classes），这些工具类比原生 API 更简略易用
简略的说如下图所示，JavaCPP 是 Native API 转 Java API，JavaCV 是 Java API 封装成工具类，这些工具类更加简略易用：

欣宸的指标是学习和把握 JavaCV，而深刻 JavaCV 外部去理解它用到的 JavaCPP，就相当于打好根底，今后应用 JavaCV 的时候，也能看懂其外部的实现原理；
于是乎，通过 JavaCPP 应用 FFmpeg 就成了基本功，本文会开发一个 java 利用，调用 JavaCPP 的 API 实现以下工作：
关上指定的流媒体
取一帧解码，失去 YUV420P 格局的图像
将 YUV420P 格局的图像转为 YUVJ420P 格局
将图像用 jpg 格局保留在指定地位
开释所有关上的资源
可见上述一系列步骤已笼罩编解码和图像处理等常见操作，对咱们理解 FFmpeg 库有很大帮忙

在理论编码前，建议您对 FFmpeg 的重要数据结构和 API 做一些理解，这方面最经典的材料莫过于雷神的系列教程了，尤其是解协定、解封装、解码波及到的数据结构 (上下文) 和 API，都应该简略理解一遍
如果您切实太忙没有工夫翻阅这些经典，我这筹备了一份快餐版，对重要知识点做了简略的小结，这里要申明一下：欣宸的快餐版远不如雷神的经典系列 …
先看数据结构，次要分为媒体数据和上下文两大类，以及底层指针对应的 java 类：

接着是罕用 API，依照雷神的解协定、解封装、解码思路（还有反过来的编码和封装解决）去分类和了解，很容易将它们梳理分明：

本次编码波及的操作系统、软件、库的版本信息如下：

操作系统：win10 64 位
IDE：IDEA 2021.1.3 (Ultimate Edition)
JDK：1.8.0_291
maven：3.8.1
javacpp：1.4.3
ffmpeg：4.0.2（所以 ffmpeg-platform 库的版本是 4.0.2-1.4.3）

本篇实战中的残缺源码可在 GitHub 下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blo…)：

名称	链接	备注
我的项目主页	https://github.com/zq2599/blo…	该我的项目在 GitHub 上的主页
git 仓库地址(https)	https://github.com/zq2599/blo…	该我的项目源码的仓库地址，https 协定
git 仓库地址(ssh)	git@github.com:zq2599/blog_demos.git	该我的项目源码的仓库地址，ssh 协定

这个 git 我的项目中有多个文件夹，本篇的源码在 javacv-tutorials 文件夹下，如下图红框所示：

javacv-tutorials 文件夹下有多个子工程，本篇的源码在 ffmpeg-basic 文件夹下，如下图红框：

为了对立治理源码和 jar 依赖，我的项目采纳了 maven 父子构造，父工程名为 javacv-tutorials，外面有一些 jar 的版本定义，就不多说了
在 javacv-tutorials 上面新建名为 ffmpeg-basic 的子工程，其 pom.xml 内容如下，可见仅用了 JavaCPP，并未用到 JavaCV：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>javacv-tutorials</artifactId>
        <groupId>com.bolingcavalry</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>ffmpeg-basic</artifactId>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.bytedeco</groupId>
            <artifactId>javacpp</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.bytedeco.javacpp-presets</groupId>
            <artifactId>ffmpeg-platform</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.slf4j</groupId>
            <artifactId>slf4j-api</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>ch.qos.logback</groupId>
            <artifactId>logback-classic</artifactId>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

接下来开始编码，先写一个最简略的外部类，将 AVFrame 和它对应的数据指针 BytePointer 都放在这个类中，在调用办法的时候便于传递：

class FrameData {

    AVFrame avFrame;
    BytePointer buffer;

    public FrameData(AVFrame avFrame, BytePointer buffer) {
        this.avFrame = avFrame;
        this.buffer = buffer;
    }
}

接下来是整个程序最重要的办法 openMediaAndSaveImage，该办法是整个程序的主体，负责将关上流媒体、解码、转格局、保留、开释等五个步骤串起来，内部只有调用这个办法就能实现整个性能：

/**
     * 关上流媒体，取一帧，转为 YUVJ420P，再保留为 jpg 文件
     * @param url
     * @param out_file
     * @throws IOException
     */
    public void openMediaAndSaveImage(String url,String out_file) throws IOException {log.info("正在关上流媒体 [{}]", url);

        // 关上指定流媒体，进行解封装，失去解封装上下文
        AVFormatContext pFormatCtx = getFormatContext(url);

        if (null==pFormatCtx) {log.error("获取解封装上下文失败");
            return;
        }

        // 控制台打印流媒体信息
        av_dump_format(pFormatCtx, 0, url, 0);

        // 流媒体解封装后有一个保留了所有流的数组，videoStreamIndex 示意视频流在数组中的地位
        int videoStreamIndex = getVideoStreamIndex(pFormatCtx);

        // 找不到视频流就间接返回
        if (videoStreamIndex<0) {log.error("没有找到视频流");
            return;
        }

        log.info("视频流在流数组中的第 [{}] 个流是视频流(从 0 开始)", videoStreamIndex);

        // 失去解码上下文，曾经实现了初始化
        AVCodecContext pCodecCtx = getCodecContext(pFormatCtx, videoStreamIndex);

        if (null==pCodecCtx) {log.error("生成解码上下文失败");
            return;
        }

        // 从视频流中解码一帧
        AVFrame pFrame = getSingleFrame(pCodecCtx,pFormatCtx, videoStreamIndex);

        if (null==pFrame) {log.error("从视频流中取帧失败");
            return;
        }

        // 将 YUV420P 图像转成 YUVJ420P
        // 转换后的图片的 AVFrame，及其对应的数据指针，都放在 frameData 对象中
        FrameData frameData = YUV420PToYUVJ420P(pCodecCtx, pFrame);

        if (null==frameData) {log.info("YUV420P 格局转成 YUVJ420P 格局失败");
            return;
        }

        // 长久化存储
        saveImg(frameData.avFrame,out_file);

        // 按程序开释
        release(true, null, null, pCodecCtx, pFormatCtx, frameData.buffer, frameData.avFrame, pFrame);

        log.info("操作胜利");
    }

当初整体逻辑曾经分明了，再来看外面 openMediaAndSaveImage 外面调用的那些办法的源码，先看关上流媒体的 getFormatContext：

    /**
     * 生成解封装上下文
     * @param url
     * @return
     */
    private AVFormatContext getFormatContext(String url) {
        // 解封装上下文
        AVFormatContext pFormatCtx = new avformat.AVFormatContext(null);

        // 关上流媒体
        if (avformat_open_input(pFormatCtx, url, null, null) != 0) {log.error("关上媒体失败");
            return null;
        }

        // 读取流媒体数据，以取得流的信息
        if (avformat_find_stream_info(pFormatCtx, (PointerPointer<Pointer>) null) < 0) {log.error("取得媒体流信息失败");
            return null;
        }

        return pFormatCtx;
    }

流媒体解封装后有一个保留了所有流的数组，getVideoStreamIndex 办法会找到视频流在数组中的地位：

    /**
     * 流媒体解封装后失去多个流组成的数组，该办法找到视频流咋数组中的地位
     * @param pFormatCtx
     * @return
     */
    private static int getVideoStreamIndex(AVFormatContext pFormatCtx) {
        int videoStream = -1;

        // 解封装后有多个流，找出视频流是第几个
        for (int i = 0; i < pFormatCtx.nb_streams(); i++) {if (pFormatCtx.streams(i).codec().codec_type() == AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {
                videoStream = i;
                break;
            }
        }

        return videoStream;
    }

解封装之后就是解码，getCodecContext 办法失去解码上下文对象：

    /**
     * 生成解码上下文
     * @param pFormatCtx
     * @param videoStreamIndex
     * @return
     */
    private AVCodecContext getCodecContext(AVFormatContext pFormatCtx, int videoStreamIndex) {
        // 解码器
        AVCodec pCodec;

        // 失去解码上下文
        AVCodecContext pCodecCtx = pFormatCtx.streams(videoStreamIndex).codec();

        // 依据解码上下文失去解码器
        pCodec = avcodec_find_decoder(pCodecCtx.codec_id());

        if (pCodec == null) {return null;}

        // 用解码器来初始化解码上下文
        if (avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec, (AVDictionary)null) < 0) {return null;}

        return pCodecCtx;
    }

紧接着从视频流解码取帧解码：

    /**
     * 取一帧而后解码
     * @param pCodecCtx
     * @param pFormatCtx
     * @param videoStreamIndex
     * @return
     */
    private AVFrame getSingleFrame(AVCodecContext pCodecCtx, AVFormatContext pFormatCtx, int videoStreamIndex) {
        // 调配帧对象
        AVFrame pFrame = av_frame_alloc();

        // frameFinished 用于查看是否有图像
        int[] frameFinished = new int[1];

        // 是否找到的标记
        boolean exists = false;

        AVPacket packet = new AVPacket();

        try {
            // 每一次 while 循环都会读取一个 packet
            while (av_read_frame(pFormatCtx, packet) >= 0) {
                // 查看 packet 所属的流是不是视频流
                if (packet.stream_index() == videoStreamIndex) {
                    // 将 AVPacket 解码成 AVFrame
                    avcodec_decode_video2(pCodecCtx, pFrame, frameFinished, packet);// Decode video frame

                    // 如果有图像就返回
                    if (frameFinished != null && frameFinished[0] != 0 && !pFrame.isNull()) {
                        exists = true;
                        break;
                    }
                }
            }
        } finally {
            // 肯定要执行开释操作
            av_free_packet(packet);
        }

        // 找不到就返回空
        return exists ?  pFrame : null;
    }

解码后的图像是 YUV420P 格局，咱们将其转成 YUVJ420P：

    /**
     * 将 YUV420P 格局的图像转为 YUVJ420P 格局
     * @param pCodecCtx 解码上下文
     * @param sourceFrame 源数据
     * @return 转换后的帧极其对应的数据指针
     */
    private static FrameData YUV420PToYUVJ420P(AVCodecContext pCodecCtx, AVFrame sourceFrame) {
        // 调配一个帧对象，保留从 YUV420P 转为 YUVJ420P 的后果
        AVFrame pFrameRGB = av_frame_alloc();

        if (pFrameRGB == null) {return null;}

        int width = pCodecCtx.width(), height = pCodecCtx.height();

        // 一些参数设定
        pFrameRGB.width(width);
        pFrameRGB.height(height);
        pFrameRGB.format(AV_PIX_FMT_YUVJ420P);

        // 计算转为 YUVJ420P 之后的图片字节数
        int numBytes = avpicture_get_size(AV_PIX_FMT_YUVJ420P, width, height);

        // 分配内存
        BytePointer buffer = new BytePointer(av_malloc(numBytes));

        // 图片解决工具的初始化操作
        SwsContext sws_ctx = sws_getContext(width, height, pCodecCtx.pix_fmt(), width, height, AV_PIX_FMT_YUVJ420P, SWS_BICUBIC, null, null, (DoublePointer) null);

        // 将 pFrameRGB 的 data 指针指向方才调配好的内存(即 buffer)
        avpicture_fill(new avcodec.AVPicture(pFrameRGB), buffer, AV_PIX_FMT_YUVJ420P, width, height);

        // 转换图像格式，将解压进去的 YUV420P 的图像转换为 YUVJ420P 的图像
        sws_scale(sws_ctx, sourceFrame.data(), sourceFrame.linesize(), 0, height, pFrameRGB.data(), pFrameRGB.linesize());

        // 及时开释
        sws_freeContext(sws_ctx);

        // 将 AVFrame 和 BytePointer 打包到 FrameData 中返回，这两个对象都要做显示的开释操作
        return new FrameData(pFrameRGB, buffer);
    }

而后就是另一个很重要办法 saveImg，外面是典型的编码和输入流程，咱们后面曾经理解了关上媒体流解封装解码的操作，当初要看看怎么制作媒体流，包含编码、封装和输入：

    /**
     * 将传入的帧以图片的模式保留在指定地位
     * @param pFrame
     * @param out_file
     * @return 小于 0 示意失败
     */
    private int saveImg(avutil.AVFrame pFrame, String out_file) {av_log_set_level(AV_LOG_ERROR);// 设置 FFmpeg 日志级别（默认是 debug，设置成 error 能够屏蔽大多数不必要的控制台音讯）AVPacket pkt = null;
        AVStream pAVStream = null;

        int width = pFrame.width(), height = pFrame.height();

        // 调配 AVFormatContext 对象
        avformat.AVFormatContext pFormatCtx = avformat_alloc_context();

        // 设置输入格局(波及到封装和容器)
        pFormatCtx.oformat(av_guess_format("mjpeg", null, null));

        if (pFormatCtx.oformat() == null) {log.error("输入媒体流的封装格局设置失败");
            return -1;
        }

        try {
            // 创立并初始化一个和该 url 相干的 AVIOContext
            avformat.AVIOContext pb = new avformat.AVIOContext();

            // 关上输入文件
            if (avio_open(pb, out_file, AVIO_FLAG_READ_WRITE) < 0) {log.info("输入文件关上失败");
                return -1;
            }

            // 封装之上是协定，这里将封装上下文和协定上下文关联
            pFormatCtx.pb(pb);

            // 构建一个新 stream
            pAVStream = avformat_new_stream(pFormatCtx, null);

            if (pAVStream == null) {log.error("将新的流放入媒体文件失败");
                return -1;
            }

            int codec_id = pFormatCtx.oformat().video_codec();

            // 设置该 stream 的信息
            avcodec.AVCodecContext pCodecCtx = pAVStream.codec();
            pCodecCtx.codec_id(codec_id);
            pCodecCtx.codec_type(AVMEDIA_TYPE_VIDEO);
            pCodecCtx.pix_fmt(AV_PIX_FMT_YUVJ420P);
            pCodecCtx.width(width);
            pCodecCtx.height(height);
            pCodecCtx.time_base().num(1);
            pCodecCtx.time_base().den(25);

            // 打印媒体信息
            av_dump_format(pFormatCtx, 0, out_file, 1);

            // 查找解码器
            avcodec.AVCodec pCodec = avcodec_find_encoder(codec_id);
            if (pCodec == null) {log.info("获取解码器失败");
                return -1;
            }

            // 用解码器来初始化解码上下文
            if (avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec, (PointerPointer<Pointer>) null) < 0) {log.error("解码上下文初始化失败");
                return -1;
            }

            // 输入的 Packet
            pkt = new avcodec.AVPacket();

            // 调配
            if (av_new_packet(pkt, width * height * 3) < 0) {return -1;}

            int[] got_picture = { 0};

            // 把流的头信息写到要输入的媒体文件中
            avformat_write_header(pFormatCtx, (PointerPointer<Pointer>) null);

            // 把帧的内容进行编码
            if (avcodec_encode_video2(pCodecCtx, pkt, pFrame, got_picture)<0) {log.error("把帧编码为 packet 失败");
                return -1;
            }

            // 输入一帧
            if ((av_write_frame(pFormatCtx, pkt)) < 0) {log.error("输入一帧失败");
                return -1;
            }

            // 写文件尾
            if (av_write_trailer(pFormatCtx) < 0) {log.error("写文件尾失败");
                return -1;
            }

            return 0;
        } finally {
            // 资源清理
            release(false, pkt, pFormatCtx.pb(), pAVStream.codec(), pFormatCtx);
        }
    }

最初是开释资源的操作，请留神开释不同对象要用到的 API 也不同，另外 AVFormatContext 的场景不同用到的 API 也不同（输入输出场景），用错了就会 crash，另外 release 办法一共被调用了两次，也就说关上媒体流和输入媒体流用到的资源和对象，最终都须要开释和回收：

   /**
     * 开释资源，程序是先开释数据，再开释上下文
     * @param pCodecCtx
     * @param pFormatCtx
     * @param ptrs
     */
    private void release(boolean isInput, AVPacket pkt, AVIOContext pb, AVCodecContext pCodecCtx, AVFormatContext pFormatCtx, Pointer...ptrs) {if (null!=pkt) {av_free_packet(pkt);
        }

        // 解码后，这是个数组，要遍历解决
        if (null!=ptrs) {Arrays.stream(ptrs).forEach(avutil::av_free);
        }

        // 解码
        if (null!=pCodecCtx) {avcodec_close(pCodecCtx);
        }

        // 解协定
        if (null!=pb) {avio_close(pb);
        }

        // 解封装
        if (null!=pFormatCtx) {if (isInput) {avformat_close_input(pFormatCtx);
            } else {avformat_free_context(pFormatCtx);
            }
        }
    }

最初写个 main 办法，调用 openMediaAndSaveImage 试试，传入媒体流的地址，以及寄存图片的门路：

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // CCTV13，1920*1080 分辨率，不稳固，关上失败时请多试几次
        String url = "http://ivi.bupt.edu.cn/hls/cctv13hd.m3u8";

        // 安徽卫视，1024*576 分辨率，较为稳固
//        String url = "rtmp://58.200.131.2:1935/livetv/ahtv";
        // 本地视频文件，请改为您本人的本地文件地址
//        String url = "E:\\temp\\202107\\24\\test.mp4";

        // 残缺图片寄存门路，留神文件名是以后的年月日时分秒
        String localPath = "E:\\temp\\202107\\24\\save\\" + new SimpleDateFormat("yyyyMMddHHmmss").format(new Date()) + ".jpg";

        // 开始操作
        new Stream2Image().openMediaAndSaveImage(url, localPath);
    }

以上所有代码都在子工程 ffmpeg-basic 的 Stream2Image.java 文件中，运行 main 办法，控制台输入如下，可见流媒体关上胜利，并且输入了具体的媒体信息：

18:28:35.553 [main] INFO com.bolingcavalry.basic.Stream2Image - 正在关上流媒体 [http://ivi.bupt.edu.cn/hls/cctv13hd.m3u8]
18:28:37.062 [main] INFO com.bolingcavalry.basic.Stream2Image - 视频流在流数组中的第 [0] 个流是视频流(从 0 开始)
18:28:37.219 [main] INFO com.bolingcavalry.basic.Stream2Image - 操作胜利
[hls,applehttp @ 00000188548ab140] Opening 'http://ivi.bupt.edu.cn/hls/cctv13hd-1627208880000.ts' for reading
[hls,applehttp @ 00000188548ab140] Opening 'http://ivi.bupt.edu.cn/hls/cctv13hd-1627208890000.ts' for reading
[NULL @ 000001887ba68bc0] non-existing SPS 0 referenced in buffering period
[NULL @ 000001887ba68bc0] SPS unavailable in decode_picture_timing
[h264 @ 000001887ba6aa80] non-existing SPS 0 referenced in buffering period
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[swscaler @ 000001887cb28bc0] deprecated pixel format used, make sure you did set range correctly

Process finished with exit code 0

至此，Java 版流媒体解码存图的实战就实现了，咱们对 JavaCPP 包装的 FFmpeg 罕用函数有了根本的理解，晓得了编解码和图像处理的常见套路，前面在应用 JavaCV 工具类时，也明确了其外部基本原理，在定位问题、性能优化、深入研究等场景领有了更多劣势。

Java 系列
Spring 系列
Docker 系列
kubernetes 系列
数据库 + 中间件系列
DevOps 系列

微信搜寻「程序员欣宸」，我是欣宸，期待与您一起畅游 Java 世界 …
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正文完

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2021-10-28

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