树莓派4B Qt+FFMPEG 多线程录制USB相机mjpeg数据流“h264_omx“硬件编码的MP4文件

wang_chao1182024-11-18 15:10

文章目录

  • [1 前言](#1 前言)
  • [2 一些问题说明](#2 一些问题说明)
    • [2.0 树莓派4b系统版本](#2.0 树莓派4b系统版本)
    • [2.1 Qt](#2.1 Qt)
    • [2.2 FFMPEG](#2.2 FFMPEG)
    • [2.3 图像格式](#2.3 图像格式)
  • [3 核心代码](#3 核心代码)
    • [3.0 代码逻辑](#3.0 代码逻辑)
    • [3.1 pro文件](#3.1 pro文件)
    • [3.2 avframequeue.cpp](#3.2 avframequeue.cpp)
    • [3.3 decodethread.cpp](#3.3 decodethread.cpp)
  • [4 资源下载](#4 资源下载)

1 前言

本项目为在树莓派4B开发板上，通过Qt+FFMPEG以多线程分别解码、编码USB摄像头视频数据。其中USB摄像头视频输入格式为MJPEG。通过树莓派的硬件编码器"h264_omx"进行硬件编码封装成mp4文件。

2 一些问题说明

2.0 树莓派4b系统版本

本项目中系统用的是树莓派的raspbain 10 代号 buster。

本人尝试过用raspbain 11 代号bullseye的系统，在结合ffmpeg编译h264_omx硬件编码器接口的时候报错，无法正常生成h264_omx编码器。网上一些帖子说需要基于openMax的库，在/opt/vc这个目录下，但是我发现bullseye没有这个目录，暂时放弃，具体原因后续再排查。

2.1 Qt

通过sudo apt-get install 安装。

2.2 FFMPEG

需要下载x264、FFMPEG源码，按照下述步骤编译。

cpp 复制代码 
    // 更新源
    sudo apt-get update
    sudo apt-get upgrade
    
    // 安装git
    sudo apt-get install git
    
    // 安装依赖
    sudo apt-get -y install autoconf automake build-essential cmake git-core libass-dev libfreetype6-dev libgnutls28-dev libsdl2-dev libtool libva-dev libvorbis-dev meson ninja-build pkg-config texinfo wget yasm zlib1g-dev nasm libaom-dev libmp3lame-dev libopus-dev libx264-dev libvpx-dev libavfilter-dev
    
    // 安装omx依赖
    sudo apt-get install libomxil-bellagio-dev
    
    /* 编译fdk-aac编码器（可不执行） */
    sudo apt-get install libtool
    git clone --depth 1 https://github.com/mstorsjo/fdk-aac
    cd fdk-aac
    autoreconf -fiv
    ./configure --prefix=/usr --disable-shared
    make -j4
    make install
    
    /* 编译x264（若git不下来,可联系笔者获取已下好的x264源码包） */
    git clone https://git.videolan.org/git/x264.git
    cd x264
    ./configure --enable-shared --enable-static --enable-strip --disable-cli
    make -j4
    sudo make install

    // 下载ffmpeg源码
    wget https://ffmpeg.org/releases/ffmpeg-snapshot.tar.bz2
    tar -jxvf ffmpeg-xxx.tar.bz2
    cd ffmpeg-xxx.tar.bz2
    
    // 配置
    mkdir build
    ./configure --prefix=$PWD/build --enable-gpl --enable-version3 --enable-nonfree --enable-static --enable-shared --disable-opencl --disable-thumb --disable-pic --disable-stripping --enable-small --enable-ffmpeg --enable-ffplay --disable-doc --disable-htmlpages --disable-podpages --disable-txtpages --disable-manpages --disable-everything --enable-libx264 --enable-encoder=libx264 --enable-decoder=h264 --enable-encoder=aac --enable-decoder=aac --enable-encoder=ac3 --enable-decoder=ac3 --enable-encoder=rawvideo --enable-decoder=rawvideo --enable-encoder=mjpeg --enable-decoder=mjpeg --enable-demuxer=concat --enable-muxer=flv --enable-demuxer=flv --enable-demuxer=live_flv --enable-muxer=hls --enable-muxer=segment --enable-muxer=stream_segment --enable-muxer=mov --enable-demuxer=mov --enable-muxer=mp4 --enable-muxer=mpegts --enable-demuxer=mpegts --enable-demuxer=mpegvideo --enable-muxer=matroska --enable-demuxer=matroska --enable-muxer=wav --enable-demuxer=wav --enable-muxer=pcm* --enable-demuxer=pcm* --enable-muxer=rawvideo --enable-demuxer=rawvideo --enable-muxer=rtsp --enable-demuxer=rtsp --enable-muxer=rtsp --enable-demuxer=sdp --enable-muxer=fifo --enable-muxer=tee --enable-parser=h264 --enable-parser=aac --enable-protocol=file --enable-protocol=tcp --enable-protocol=rtmp --enable-protocol=cache --enable-protocol=pipe --enable-filter=aresample --enable-filter=allyuv --enable-filter=scale --enable-libfreetype --enable-indev=v4l2 --enable-indev=alsa --enable-omx --enable-omx-rpi --enable-encoder=h264_omx --enable-mmal --enable-hwaccel=h264_mmal --enable-decoder=h264_mmal
    
    // 编译（慎用4线程,若树莓派内存小请慎用）
    make -j4
    sudo make install
    
    // 生成的结果均在当前目录下build文件件内
    ls ./build

2.3 图像格式

编码器对输入图片格式有要求，本项目中的h264_omx硬件编码器输入图像格式必须为yuv420p。而摄像头视频数据解封装、解码之后是MJPEG格式，即yuvj422p。需要完成编码，需要将yuvj422p转换成yuv420p。这里需要通过SwsContext上下文，进行sws_scale操作。

在int DecodeThread::Init(AVCodecParameters *par)函数中需要添加下述内容：

cpp 复制代码 
    // 初始化 SwsContext，将 MJPEG 格式转换为 YUV420P
    sws_ctx_ = sws_getContext(
        codec_ctx_->width, codec_ctx_->height, codec_ctx_->pix_fmt, // 源格式
        codec_ctx_->width, codec_ctx_->height, AV_PIX_FMT_YUV420P, // 目标格式
        SWS_BILINEAR, NULL, NULL, NULL);

在void DecodeThread::Run()函数中需要添加下述内容：

cpp 复制代码 
ret = sws_scale(sws_ctx_,frame->data, frame->linesize, 0, codec_ctx_->height,yuv_frame->data, yuv_frame->linesize);
yuv_frame->pts = frame->pts;

**  并且，需要同步AVFrame的pts。因为sws_scale仅仅操作了AVFrame.data字段的内容。**

3 核心代码

3.0 代码逻辑

本项目下的文件层级如下图所示.

本项目采用多线程的方式对视频数据流解封装、解码、编码保存。通过demuxthread、decodethread、encodethread，三个子线程实现上述不同操作。三个线程继承于thread.h。

此外，通过AVFrameQueue以及AVPacketQueue两个Queue来实现线程之间的数据共享

3.1 pro文件

cpp 复制代码 
TEMPLATE = app
CONFIG += console c++11
CONFIG -= app_bundle

HEADERS += \
    avframequeue.h \
    avpacketqueue.h \
    decodethread.h \
    demuxthread.h \
    encodethread.h \
    queue.h \
    thread.h

SOURCES += \
        avframequeue.cpp \
        avpacketqueue.cpp \
        decodethread.cpp \
        demuxthread.cpp \
        encodethread.cpp \
        main.cpp

# 检查平台
win32: CONFIG += windows
unix: CONFIG += linux

# Windows 平台设置
win32 {

    FFMPEG_PATH = E:/FFMPEG/ffmpeg-master-latest-win64-gpl-shared/ffmpeg-master-latest-win64-gpl-shared

    INCLUDEPATH += $$FFMPEG_PATH/include
    LIBS += -L$$FFMPEG_PATH/lib \
             -lavcodec -lavdevice -lavfilter -lavformat -lavutil -lpostproc -lswresample -lswscale
}

# Linux 平台设置
unix {
    INCLUDEPATH += /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/include
    LIBS += /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libavcodec.so  \
            /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libavdevice.so   \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libavfilter.so   \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libavformat.so  \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libavutil.so   \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libpostproc.so  \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libswresample.so   \
        /home/pi/Desktop/FFmpeg-master/build/lib/libswscale.so

}

3.2 avframequeue.cpp

cpp 复制代码 
#include "avframequeue.h"
#include <QDebug>

AVFrameQueue::AVFrameQueue()
{

}

AVFrameQueue::~AVFrameQueue()
{

}

void AVFrameQueue::Abort()
{
    release();
    queue_.Abort();
}

int AVFrameQueue::Push(AVFrame *val)
{
    AVFrame *tmp_frame = av_frame_alloc();
    av_frame_move_ref(tmp_frame, val);
    return queue_.Push(tmp_frame);
}

AVFrame *AVFrameQueue::Pop(const int timeout)
{
    AVFrame *tmp_frame = NULL;
    int ret = queue_.Pop(tmp_frame, timeout);
    if(ret<0)
    {
        if(ret == -1)
        qDebug("AVFrameQueue::Pop failed");
    }
    return tmp_frame;
}

AVFrame *AVFrameQueue::Front()
{
    AVFrame *tmp_frame = NULL;
    int ret = queue_.Front(tmp_frame);
    if(ret<0)
    {
        if(ret == -1)
        qDebug("AVFrameQueue::Front failed");
    }
    return tmp_frame;
}

int AVFrameQueue::Size()
{
    return queue_.Size();
}

void AVFrameQueue::release()
{
    while(true)
    {
        AVFrame *frame = NULL;
        int  ret = queue_.Pop(frame, 1);
        if(ret<0)
        {
            break;
        }else{
            av_frame_free(&frame);
            continue;
        }
    }
}

3.3 decodethread.cpp

cpp 复制代码 
#include "decodethread.h"
#include <QDebug>

DecodeThread::DecodeThread(AVPacketQueue *packet_queue, AVFrameQueue *frame_queue)
    : packet_queue_(packet_queue), frame_queue_(frame_queue)
{
}

DecodeThread::~DecodeThread()
{
    if (thread_)
    {
        Stop();
    }
    if (codec_ctx_)
    {
        avcodec_close(codec_ctx_);
    }
    if (sws_ctx_)
    {
        sws_freeContext(sws_ctx_);
    }
}

int DecodeThread::Init(AVCodecParameters *par)
{
    if (!par)
    {
        qDebug("Init par is null!");
        return -1;
    }
    codec_ctx_ = avcodec_alloc_context3(NULL);

    int ret = avcodec_parameters_to_context(codec_ctx_, par);

    if (ret < 0)
    {
        av_strerror(ret, err2str, sizeof(err2str));
        qDebug("avcodec_parameters_to_context failed, ret:%d, err2str:%s", ret, err2str);
        return -1;
    }

    const AVCodec *codec = avcodec_find_decoder(codec_ctx_->codec_id);

    if (!codec)
    {
        qDebug("avcodec_find_decoder failed");
        return -1;
    }

    ret = avcodec_open2(codec_ctx_, codec, NULL);
    if (ret < 0)
    {
        av_strerror(ret, err2str, sizeof(err2str));
        qDebug("avcodec_open2 failed, ret:%d, err2str:%s", ret, err2str);
        return -1;
    }

    // 初始化 SwsContext，将 MJPEG 格式转换为 YUV420P
    sws_ctx_ = sws_getContext(
        codec_ctx_->width, codec_ctx_->height, codec_ctx_->pix_fmt, // 源格式
        codec_ctx_->width, codec_ctx_->height, AV_PIX_FMT_YUV420P, // 目标格式
        SWS_BILINEAR, NULL, NULL, NULL);

    if (!sws_ctx_)
    {
        qDebug("sws_getContext failed");
        return -1;
    }

    qDebug("Init finish!");
    return 0;
}

int DecodeThread::Start()
{
    thread_ = new std::thread(&DecodeThread::Run, this);
    if (!thread_)
    {
        qDebug("new std::thread(&DecodeThread::Run, this) failed");
        return -1;
    }

    return 0;
}

int DecodeThread::Stop()
{
    Thread::Stop();
}

void DecodeThread::Run()
{
    AVFrame *frame = av_frame_alloc();

    qDebug("DecodeThread::Run into DecodeThread::run");

    while (abort_ != 1)
    {

        AVFrame *yuv_frame = av_frame_alloc();
        // 分配YUV420P格式的AVFrame
        yuv_frame->format = AV_PIX_FMT_YUV420P;
        yuv_frame->width = codec_ctx_->width;
        yuv_frame->height = codec_ctx_->height;



        if (av_frame_get_buffer(yuv_frame, 32) < 0)
        {
            qDebug() << "Could not allocate buffer for yuv_frame";
            return;
        }

        if (!yuv_frame->data[0])
        {
            qDebug() << "yuv_frame->data[0] is nullptr after av_frame_get_buffer";
            return;
        }

        if (frame_queue_->Size() > 10)
        {
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
            continue;
        }

        AVPacket *pkt = packet_queue_->Pop(10);
        if (pkt)
        {
            int ret = avcodec_send_packet(codec_ctx_, pkt);
            av_packet_free(&pkt);

//            qDebug("ret=%d", ret);

            if (ret < 0)
            {
                av_strerror(ret, err2str, sizeof(err2str));
                qDebug("avcodec_send_packet failed, ret:%d, err2str:%s", ret, err2str);
                break;
            }

            while (true)
            {
                ret = avcodec_receive_frame(codec_ctx_, frame);
                if (ret == 0)
                {

//                    qDebug()<<"Decoded frame info:";
//                    qDebug()<<"Width: "<<frame->width<<"Height: "<<frame->height;
//                    qDebug()<<"Pixel Format: "<<av_get_pix_fmt_name((AVPixelFormat)frame->format);
//                    qDebug()<<"Data[0]"<<frame->data[0];
//                    qDebug()<<"Linesize[0]: "<<frame->linesize[0];
//                    qDebug()<<"yuv_frame->data[0]: "<<yuv_frame->data[0];

                    // 检查数据有效性
                    if (!frame->data[0] || !yuv_frame->data[0])
                    {
                        qDebug("Invalid frame data, skipping frame");
                        continue;
                    }

                    // 打印数据和行大小
//                    qDebug() << "Source frame linesize:" << frame->linesize[0];
//                    qDebug() << "Destination YUV frame linesize:" << yuv_frame->linesize[0];

                    // 使用sws_scale将frame从MJPEG转换为YUV420P格式
                    ret = sws_scale(sws_ctx_,
                                    frame->data, frame->linesize, 0, codec_ctx_->height,
                                    yuv_frame->data, yuv_frame->linesize);

                    yuv_frame->pts = frame->pts;


                    if (ret < 0)
                    {
                        char errbuf[AV_ERROR_MAX_STRING_SIZE];
                        av_strerror(ret, errbuf, sizeof(errbuf));
                        qDebug("sws_scale failed, ret: %d, error: %s", ret, errbuf);
                        continue;
                    }

                    // 将转换后的YUV420P格式的帧推入frame_queue_
                    frame_queue_->Push(yuv_frame);
//                    qDebug("%s frame queue size %d", codec_ctx_->codec->name, frame_queue_->Size());
                    continue;
                }
                else if (AVERROR(EAGAIN) == ret)
                {
                    break;
                }
                else
                {
                    abort_ = 1;
                    av_strerror(ret, err2str, sizeof(err2str));
                    qDebug("avcodec_receive_frame failed, ret:%d, err2str:%s", ret, err2str);
                    break;
                }
            }
        }
        else
        {
//            qDebug("Not got packet");
        }
    }

    av_frame_free(&frame);

    qDebug("DecodeThread::Run finish");
}

4 资源下载

本案例中涉及到的工程文件到此处下载https://download.csdn.net/download/wang_chao118/89990656

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