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前言
FFmpeg 3.x 之前，视频编码函数为 avcodec_encode_video2，3.x 及之后的版本，avcodec_encode_video2 被弃用，取而代之的是 avcodec_send_frame() 和 avcodec_receive_packet()，下面将从 API 的使用和源码实现两个角度来分析它们的区别。
API 的使用
旧版 API
下面摘抄了 ffmpeg 转码示例程序的部分代码：
static int encode_write_frame(AVFrame *frame, unsigned int stream_index, int *got_frame) {
int ret;
int got_frame_local;
AVPacket enc_pkt;
int (*enc_func)(AVCodecContext *, AVPacket *, const AVFrame *, int *) =
(ifmt_ctx->streams[stream_index]->codecpar->codec_type ==
AVMEDIA_TYPE_VIDEO) ? avcodec_encode_video2 : avcodec_encode_audio2;
if (!got_frame)
got_frame = &got_frame_local;
av_log(NULL, AV_LOG_INFO, "Encoding frame\n");
/* encode frame */
enc_pkt.data = NULL;
enc_pkt.size = 0;
av_init_packet(&enc_pkt);
ret = enc_func(stream_ctx[stream_index].enc_ctx, &enc_pkt,
frame, got_frame);
av_frame_free(&frame);
if (ret < 0)
return ret;
if (!(*got_frame))
return 0;
/* prepare packet for muxing */
enc_pkt.stream_index = stream_index;
av_packet_rescale_ts(&enc_pkt,
stream_ctx[stream_index].enc_ctx->time_base,
ofmt_ctx->streams[stream_index]->time_base);
av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "Muxing frame\n");
/* mux encoded frame */
ret = av_interleaved_write_frame(ofmt_ctx, &enc_pkt);
return ret;
}
新版 API
下面摘抄的是 ffmpeg 视频编码示例程序的部分代码：
static void encode(AVCodecContext *enc_ctx, AVFrame *frame, AVPacket *pkt,
FILE *outfile)
{
int ret;
/* send the frame to the encoder */
if (frame)
printf("Send frame %3"PRId64"\n", frame->pts);
ret = avcodec_send_frame(enc_ctx, frame);
if (ret < 0) {
fprintf(stderr, "Error sending a frame for encoding\n");
exit(1);
}
while (ret >= 0) {
ret = avcodec_receive_packet(enc_ctx, pkt);
if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
return;
else if (ret < 0) {
fprintf(stderr, "Error during encoding\n");
exit(1);
}
printf("Write packet %3"PRId64" (size=%5d)\n", pkt->pts, pkt->size);
fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfile);
av_packet_unref(pkt);
}
}
可以看到，在使用上，新旧版本的编码 API 的主要区别有：
- 旧版 API 一个函数即可完成编码操作，编码成功后可直接使用压缩后的数据。新版 API 需要两个函数一起使用，一个 send，一个 receive，分别用于发送原始视频数据、获取编码后的数据；具体在哪里完成了编码动作，暂时未知。
- 旧版 API 一次编码动作对应 0 个或 1 个 AVFrame 和 0 个或 1 个 AVPacket。新本 API 一次编码动作对应 0 个或 1 个 AVFrame 和 0 个或多个 AVPacket。
源码实现
函数声明
avcodec_encode_video2
/**
* Encode a frame of video.
*
* Takes input raw video data from frame and writes the next output packet, if
* available, to avpkt. The output packet does not necessarily contain data for
* the most recent frame, as encoders can delay and reorder input frames
* internally as needed.
*
* @param avctx codec context
* @param avpkt output AVPacket.
* The user can supply an output buffer by setting
* avpkt->data and avpkt->size prior to calling the
* function, but if the size of the user-provided data is not
* large enough, encoding will fail. All other AVPacket fields
* will be reset by the encoder using av_init_packet(). If
* avpkt->data is NULL, the encoder will allocate it.
* The encoder will set avpkt->size to the size of the
* output packet. The returned data (if any) belongs to the
* caller, he is responsible for freeing it.
*
* If this function fails or produces no output, avpkt will be
* freed using av_packet_unref().
* @param[in] frame AVFrame containing the raw video data to be encoded.
* May be NULL when flushing an encoder that has the
* AV_CODEC_CAP_DELAY capability set.
* @param[out] got_packet_ptr This field is set to 1 by libavcodec if the
* output packet is non-empty, and to 0 if it is
* empty. If the function returns an error, the
* packet can be assumed to be invalid, and the
* value of got_packet_ptr is undefined and should
* not be used.
* @return 0 on success, negative error code on failure
*
* @deprecated use avcodec_send_frame()/avcodec_receive_packet() instead
*/
attribute_deprecated
int avcodec_encode_video2(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt,
const AVFrame *frame, int *got_packet_ptr);
这个函数很简单，需要注意的点有 2 个：
- 编码成功后，AVPacket 不一定包含数据
- 输入的 AVFrame 可以为 NULL，用于刷新编码器，获取剩余的 AVPacket
avcodec_send_frame
avcodec_send_frame 的声明如下：
/**
* Supply a raw video or audio frame to the encoder. Use avcodec_receive_packet()
* to retrieve buffered output packets.
*
* @param avctx codec context
* @param[in] frame AVFrame containing the raw audio or video frame to be encoded.
* ...
* It can be NULL, in which case it is considered a flush
* packet. This signals the end of the stream. If the encoder
* still has packets buffered, it will return them after this
* call. Once flushing mode has been entered, additional flush
* packets are ignored, and sending frames will return
* AVERROR_EOF.
*
* For audio:
* If AV_CODEC_CAP_VARIABLE_FRAME_SIZE is set, then each frame
* can have any number of samples.
* If it is not set, frame->nb_samples must be equal to
* avctx->frame_size for all frames except the last.
* The final frame may be smaller than avctx->frame_size.
*
* @return 0 on success, otherwise negative error code:
* AVERROR(EAGAIN): input is not accepted in the current state - user
* must read output with avcodec_receive_packet() (once
* all output is read, the packet should be resent, and
* the call will not fail with EAGAIN).
* AVERROR_EOF: the encoder has been flushed, and no new frames can
* be sent to it
* AVERROR(EINVAL): codec not opened, refcounted_frames not set, it is a
* decoder, or requires flush
* AVERROR(ENOMEM): failed to add packet to internal queue, or similar
* other errors: legitimate decoding errors
*/
int avcodec_send_frame(AVCodecContext *avctx, const AVFrame *frame);
从注释中可以看出，这个函数用于发送原始的视频/音频数据给编码器编码，参数 AVFrame 同样可以为 NULL 以刷新编码器。
avcodec_receive_packet
avcodec_receive_packet 则用于获取编码后的视频/音频数据。它的声明如下：
/**
* Read encoded data from the encoder.
*
* @param avctx codec context
* @param avpkt This will be set to a reference-counted packet allocated by the
* encoder. Note that the function will always call
* av_frame_unref(frame) before doing anything else.
* @return 0 on success, otherwise negative error code:
* AVERROR(EAGAIN): output is not available in the current state - user
* must try to send input
* AVERROR_EOF: the encoder has been fully flushed, and there will be
* no more output packets
* AVERROR(EINVAL): codec not opened, or it is an encoder
* other errors: legitimate decoding errors
*/
int avcodec_receive_packet(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt);
函数定义
avcodec_encode_video2
avcodec_encode_video2 的实现如下：
int attribute_align_arg avcodec_encode_video2(AVCodecContext *avctx,
AVPacket *avpkt,
const AVFrame *frame,
int *got_packet_ptr)
{
int ret;
AVPacket user_pkt = *avpkt;
int needs_realloc = !user_pkt.data;
*got_packet_ptr = 0;
if (!avctx->codec->encode2) {
av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "This encoder requires using the avcodec_send_frame() API.\n");
return AVERROR(ENOSYS);
}
// 获取异步编码缓存的 AVPacket
if(CONFIG_FRAME_THREAD_ENCODER &&
avctx->internal->frame_thread_encoder && (avctx->active_thread_type&FF_THREAD_FRAME))
return ff_thread_video_encode_frame(avctx, avpkt, frame, got_packet_ptr);
... // 容错处理
// 编码
ret = avctx->codec->encode2(avctx, avpkt, frame, got_packet_ptr);
av_assert0(ret <= 0);
emms_c();
if (avpkt->data && avpkt->data == avctx->internal->byte_buffer) {
needs_realloc = 0;
if (user_pkt.data) {
if (user_pkt.size >= avpkt->size) {
memcpy(user_pkt.data, avpkt->data, avpkt->size);
} else {
av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Provided packet is too small, needs to be %d\n", avpkt->size);
avpkt->size = user_pkt.size;
ret = -1;
}
avpkt->buf = user_pkt.buf;
avpkt->data = user_pkt.data;
} else if (!avpkt->buf) {
AVPacket tmp = { 0 };
ret = av_packet_ref(&tmp, avpkt);
av_packet_unref(avpkt);
if (ret < 0)
return ret;
*avpkt = tmp;
}
}
if (!ret) {
if (!*got_packet_ptr)
avpkt->size = 0;
else if (!(avctx->codec->capabilities & AV_CODEC_CAP_DELAY))
avpkt->pts = avpkt->dts = frame->pts;
if (needs_realloc && avpkt->data) {
ret = av_buffer_realloc(&avpkt->buf, avpkt->size + AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE);
if (ret >= 0)
avpkt->data = avpkt->buf->data;
}
avctx->frame_number++;
}
if (ret < 0 || !*got_packet_ptr)
av_packet_unref(avpkt);
return ret;
}
可以看到，这个函数很简单，关键代码只有一句：avctx->codec->encode2。除此之外，就是调整了一些结构体的数据而已。encode2 是 AVCodec 的函数指针，不同的编码格式对应不同的实现（参考 FFmpeg 是如何实现多态的？），比如编码器 ff_libx264_encoder 对应的实现函数是 X264_frame()，这里就不深入分析了。
avcodec_send_frame
int attribute_align_arg avcodec_send_frame(AVCodecContext *avctx, const AVFrame *frame)
{
if (!avcodec_is_open(avctx) || !av_codec_is_encoder(avctx->codec))
return AVERROR(EINVAL);
if (avctx->internal->draining)
return AVERROR_EOF;
if (!frame) {
avctx->internal->draining = 1;
if (!(avctx->codec->capabilities & AV_CODEC_CAP_DELAY))
return 0;
}
if (avctx->codec->send_frame)
return avctx->codec->send_frame(avctx, frame);
// Emulation via old API. Do it here instead of avcodec_receive_packet, because:
// 1. if the AVFrame is not refcounted, the copying will be much more
// expensive than copying the packet data
// 2. assume few users use non-refcounted AVPackets, so usually no copy is
// needed
if (avctx->internal->buffer_pkt_valid)
return AVERROR(EAGAIN);
return do_encode(avctx, frame, &(int){0});
}
avcodec_send_frame 的实现同样很简单，首先会尝试使用 AVCodec 的函数指针 send_frame 进行编码，假如对应的编码器没有实现这个函数指针，则调用 do_encode 执行旧版本的编码实现。
下面看一下 libx264 这个编码器：
AVCodec ff_libx264_encoder = {
.name = "libx264",
.long_name = NULL_IF_CONFIG_SMALL("libx264 H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10"),
.type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
.id = AV_CODEC_ID_H264,
.priv_data_size = sizeof(X264Context),
.init = X264_init,
.encode2 = X264_frame,
.close = X264_close,
.capabilities = AV_CODEC_CAP_DELAY | AV_CODEC_CAP_AUTO_THREADS,
.priv_class = &x264_class,
.defaults = x264_defaults,
.init_static_data = X264_init_static,
.caps_internal = FF_CODEC_CAP_INIT_THREADSAFE |
FF_CODEC_CAP_INIT_CLEANUP,
};
可以看到，这个编码器没有 send_frame 这个函数指针对应的函数实现，ff_aac_encoder 等编码器同样也没有。目前仅发现编码器 ff_hevc_nvenc_encoder 实现了 send_frame 这个函数指针，但这部分内容更接近 H265 本身而不是 FFmpeg 了，因此略过，下面直接看 do_encode。
static int do_encode(AVCodecContext *avctx, const AVFrame *frame, int *got_packet)
{
int ret;
*got_packet = 0;
av_packet_unref(avctx->internal->buffer_pkt);
avctx->internal->buffer_pkt_valid = 0;
// 视频/音频编码
if (avctx->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO) {
ret = avcodec_encode_video2(avctx, avctx->internal->buffer_pkt,
frame, got_packet);
} else if (avctx->codec_type == AVMEDIA_TYPE_AUDIO) {
ret = avcodec_encode_audio2(avctx, avctx->internal->buffer_pkt,
frame, got_packet);
} else {
ret = AVERROR(EINVAL);
}
if (ret >= 0 && *got_packet) {
// Encoders must always return ref-counted buffers.
// Side-data only packets have no data and can be not ref-counted.
av_assert0(!avctx->internal->buffer_pkt->data || avctx->internal->buffer_pkt->buf);
avctx->internal->buffer_pkt_valid = 1;
ret = 0;
} else {
av_packet_unref(avctx->internal->buffer_pkt);
}
return ret;
}
从代码中可以看出，do_encode 的作用仅仅是判断当前的 AVCodecContext 的类型，然后再决定执行音频的编码函数还是视频的编码函数。如果是视频，则执行函数 avcodec_encode_video2；如果是音频，则执行函数 avcodec_encode_audio2。即 do_encode 最终执行的是旧版本的编码 API。
avcodec_receive_packet
下面看 avcodec_receive_packet 的实现：
int attribute_align_arg avcodec_receive_packet(AVCodecContext *avctx, AVPacket *avpkt)
{
av_packet_unref(avpkt);
if (!avcodec_is_open(avctx) || !av_codec_is_encoder(avctx->codec))
return AVERROR(EINVAL);
if (avctx->codec->receive_packet) {
if (avctx->internal->draining && !(avctx->codec->capabilities & AV_CODEC_CAP_DELAY))
return AVERROR_EOF;
return avctx->codec->receive_packet(avctx, avpkt);
}
// Emulation via old API.
if (!avctx->internal->buffer_pkt_valid) {
int got_packet;
int ret;
if (!avctx->internal->draining)
return AVERROR(EAGAIN);
ret = do_encode(avctx, NULL, &got_packet);
if (ret < 0)
return ret;
if (ret >= 0 && !got_packet)
return AVERROR_EOF;
}
av_packet_move_ref(avpkt, avctx->internal->buffer_pkt);
avctx->internal->buffer_pkt_valid = 0;
return 0;
}
从代码中可以看出，这个函数的实现和 avcodec_send_frame 一样，都是先判断当前编码器是否实现了 receive_packet 这个函数指针，如果实现了就直接调用该函数指针，否则调用 do_encode 这个方法。和 avcodec_send_frame 不同的是，do_encode 的第二个参数 AVFrame 为空，这是因为在执行 avcodec_send_frame 的时候，音频/视频的原始数据就已经编码成功了，因此可以传递 NULL（传递 NULL 用于刷新编码器，在上面的函数声明中有说到），直接获取 AVPacket 即可。
总结
新旧版本的编码 API 的主要区别是：
- 旧版本视频编码使用 avcodec_encode_video2，音频编码使用 avcodec_encode_audio2；新版本音视频编码统一使用 avcodec_send_frame 和 avcodec_receive_packet
- 旧版本 API 内部直接调用了 AVCodec 的函数指针 encode2；新版本 API 首先会判断编码器是否实现了函数指针 send_frame 和 receive_packet，如果实现了，优先使用send_frame 和 receive_packet，否则使用旧版本的 encode2
- 目前仅发现编码器 ff_hevc_nvenc_encoder 实现了新版本的 API（send_frame 和 receive_packet），libx264、AAC 等编码器依然使用了旧版本的 API（encode2）