多媒体框架 FFmpeg 和 GStreamer

m0_747124532026-06-15 14:55

前言

多媒体框架是一种软件框架，它在电脑上处理媒体数据并通过网络进行传播。一个良好的多媒体框架提供了直观的API和模块化的架构，这使得它易于添加对新的音频、视频和容器格式以及传输协议的支持。

多媒体框架不仅可以支持媒体播放器和音视频编辑器等程序，还可以用于编译视频会议程序、媒体转换器及其他多媒体工具。

多媒体框架通常包括以下几个层级：

  • 编解码层：负责对音视频数据进行编码和解码。
  • 封装层：处理音视频数据的压缩和封装。
  • 协议层：管理网络数据的传输和通信协议。
  • 应用层：整合整个流程，并进行统筹管理。

常见的多媒体框架包括：FFmpeg、GStreamer、DirectShow(微软)、AVFoundation(苹果)、OpenMax等，下面以 FFmpeg 和 GStreamer 为例介绍。

一、FFmpeg

FFmpeg是一个非常强大的开源多媒体处理框架，它提供了一系列用于处理音频、视频和多媒体流的工具和库。它也是最流行且应用最广泛的框架！

官网地址：

FFmpeg 的主要特点和功能：

  1. 编解码器支持：FFmpeg 支持众多音视频编解码器，包括常见的 H.264、H.265、AAC、MP3 等，也支持一些不常见的编解码器。

  2. 格式支持：它支持多种多媒体格式的解析和封装，包括 AVI、MP4、MKV、FLV、MOV 等。

  3. 转码和处理：FFmpeg 可以进行音视频的转码、裁剪、拼接、水印添加等处理操作，使其在不同格式、分辨率和编码方式之间进行转换。

  4. 流媒体处理：它支持从摄像头、文件或网络流等源接收多媒体流，并能进行实时处理和转发，用于流媒体直播和视频会议等场景。

  5. 滤镜和特效：FFmpeg 提供了丰富的滤镜和特效，可以实现图像处理、色彩调整、模糊、锐化等效果。

  6. 音频处理：它能够进行音频的分割、合并、音量调整、混音等操作。

  7. 跨平台性：FFmpeg 是跨平台的，可以在 Windows、MacOS、Linux 等操作系统上运行。

  8. 开源和免费：FFmpeg 是完全开源的，可以免费使用，并且具有活跃的社区支持和持续的更新和改进。

1.1 安装FFmpeg

更新软件包列表：

shell 复制代码 
sudo apt update

安装 FFmpeg：

shell 复制代码 
sudo apt install ffmpeg -y

验证是否成功安装：

shell 复制代码 
ffmpeg -version

安装 FFmpeg 拓展开发包：

shell 复制代码 
sudo apt install libavcodec-dev -y
sudo apt install libavformat-dev -y
sudo apt install libavcodec-extra -y

1.2 使用命令行执行ffmpeg

转换视频格式：

  • 将输入的 MP4 文件转换为 AVI 格式。
shell 复制代码 
ffmpeg -i input.mp4 output.avi

播放视频：

shell 复制代码 
ffplay input.mp4
ffplay output.avi

合并视频和音频：

  • 将一个视频文件和一个音频文件合并为一个 MP4 文件，视频流不变，音频重新编码为 AAC 格式。
shell 复制代码 
ffmpeg -i video.mp4 -i audio.mp3 -c:v copy -c:a aac -strict experimental output.mp4
ffplay output.mp4

调整视频大小：

  • 将输入的 MP4 文件调整为 1280x720 分辨率的输出。
shell 复制代码 
ffmpeg -i input.mp4 -vf scale=1280:720 output.mp4
ffplay output.mp4

改变视频帧率：

  • 将输入的 MP4 文件的帧率改为 24 帧每秒。
shell 复制代码 
ffmpeg -i input.mp4 -r 10 output.mp4
ffplay output.mp4

提取视频中的帧：

  • 将从输入的 MP4 文件中提取第 100 帧，并将其保存为 PNG 图像文件。
shell 复制代码 
ffmpeg -i input.mp4 -vf "select=eq(n\,100)" -vsync vfr output.png
ffplay output.png

添加水印：

  • 将一个水印图像叠加到输入的 MP4 文件的左上角。
shell 复制代码 
ffmpeg -i input.mp4 -i test.jpg -filter_complex "overlay=10:10" output.mp4
ffplay output.mp4

合并多个视频：

shell 复制代码 
echo "file 'Project.mp4'" > filelist.txt
echo "file 'OTA.mp4'" >> filelist.txt
ffmpeg -f concat -safe 0 -i filelist.txt -c copy output_safe.mp4
ffplay output.mp4

去掉视频中的音频：

shell 复制代码 
ffmpeg -i output_safe.mp4 -c:v copy -an output.mp4

1.3 代码实现视频格式转换

步骤：

  • 初始化编码器
  • 打开输入文件，查找视频流
  • 初始化编解码设置
  • 打开编解码器，分配编码输出格式
  • 打开输出文件，写入文件头
  • 循环读取并写入帧
  • 写入输出文件尾，关闭文件
  • 释放资源

示例代码：

c++ 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>

// FFmpeg库的头文件
extern "C" {
#include <libavformat/avformat.h> // 包含用于处理多媒体格式的函数
#include <libavcodec/avcodec.h> // 包含用于编解码的函数
#include <libavutil/opt.h> // 包含用于设置选项的辅助函数
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 3) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " input.mp4 output.avi" << std::endl;
        return 1;
    }

    const char* input_filename = argv[1];// 获取输入文件名
    const char* output_filename = argv[2];// 获取输出文件名

    av_register_all();// 注册所有的文件格式和编解码器

    AVFormatContext* format_ctx = nullptr; // 初始化一个用于存储格式配置的指针
    if ((&format_ctx, input_filename, nullptr, nullptr) != 0) {
        std::cerr << "Error: Could not open input file" << std::endl;
        return 1;
    }

    //// 寻找视频流信息
    if (avformat_find_stream_info(format_ctx, nullptr) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not find stream information" << std::endl;
        avformat_close_input(&format_ctx);// 获取流信息失败，打印错误信息并退出程序
        return 1;
    }

    AVCodec* codec = nullptr;// 初始化一个用于存储编解码器的指针
    AVCodecContext* codec_ctx = nullptr;// 初始化一个用于存储编解码器配置的指针

    // 查找最佳的视频流，并检查是否是HEVC编码
    int video_stream_index = av_find_best_stream(format_ctx, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, &codec, AV_CODEC_ID_HEVC);
    if (video_stream_index < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not find HEVC video stream in input file" << std::endl;
        avformat_close_input(&format_ctx);
        return 1;
    }

    codec_ctx = avcodec_alloc_context3(codec);// 为找到的编解码器分配配置
    if (!codec_ctx) {
        std::cerr << "Error: Could not allocate codec context" << std::endl;
        avformat_close_input(&format_ctx);
        return 1;
    }
    
    // 将视频流的参数复制到编解码器配置中
    if (avcodec_parameters_to_context(codec_ctx, format_ctx->streams[video_stream_index]->codecpar) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not copy codec parameters to context" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx); // 释放编解码器配置
        avformat_close_input(&format_ctx); // 关闭输入文件
        return 1;
    }

    // 打开编解码器
    if (avcodec_open2(codec_ctx, codec, nullptr) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not open codec" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx);
        avformat_close_input(&format_ctx);
        return 1;
    }

    AVFormatContext* output_format_ctx = nullptr;// 初始化一个用于存储输出格式配置的指针
    if (avformat_alloc_output_context2(&output_format_ctx, nullptr, nullptr, output_filename) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not allocate output context" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx);
        avformat_close_input(&format_ctx);
        return 1;
    }

    AVStream* out_stream = avformat_new_stream(output_format_ctx, codec);// 在输出格式配置中创建新的流
    if (!out_stream) {
        std::cerr << "Error: Could not allocate output stream" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx);
        avformat_close_input(&format_ctx);
        avformat_free_context(output_format_ctx);// 释放输出格式配置
        return 1;
    }

    // 将编解码器配置的参数复制到输出流中
    if (avcodec_parameters_from_context(out_stream->codecpar, codec_ctx) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not copy codec parameters from context" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx);
        avformat_close_input(&format_ctx);
        avformat_free_context(output_format_ctx);
        return 1;
    }

    // 如果输出格式不是AVFMT_NOFILE类型，则打开输出文件
    if (!(output_format_ctx->oformat->flags & AVFMT_NOFILE)) {
        if (avio_open(&output_format_ctx->pb, output_filename, AVIO_FLAG_WRITE) < 0) {
            std::cerr << "Error: Could not open output file" << std::endl;
            avcodec_free_context(&codec_ctx);
            avformat_close_input(&format_ctx);
            avformat_free_context(output_format_ctx);
            return 1;
        }
    }

    //写入文件头
    if (avformat_write_header(output_format_ctx, nullptr) < 0) {
        std::cerr << "Error: Could not write output file header" << std::endl;
        avcodec_free_context(&codec_ctx);
        avformat_close_input(&format_ctx);
        avformat_free_context(output_format_ctx);
        return 1;
    }

    AVPacket pkt;// 初始化一个用于存储压缩数据的数据包
    av_init_packet(&pkt);// 初始化数据包
    pkt.data = nullptr;// 设置数据包的数据指针为空
    pkt.size = 0;// 设置数据包的大小为0

    // 循环读取输入文件中的帧
    while (av_read_frame(format_ctx, &pkt) >= 0) {
        if (pkt.stream_index == video_stream_index) { // 检查当前帧是否属于视频流
            pkt.stream_index = out_stream->index; // 将帧的流索引设置为输出流的索引
            av_interleaved_write_frame(output_format_ctx, &pkt); // 将帧写入输出文件
        }
        av_packet_unref(&pkt);// 减少引用计数并可能释放数据包
    }

    av_write_trailer(output_format_ctx);// 写入输出文件的尾部信息

    if (output_format_ctx && !(output_format_ctx->oformat->flags & AVFMT_NOFILE)) {
        avio_closep(&output_format_ctx->pb);// 如果输出文件被打开了，关闭它
    }

    avcodec_free_context(&codec_ctx);// 释放编解码器配置
    avformat_close_input(&format_ctx);// 关闭输入文件
    avformat_free_context(output_format_ctx);// 释放输出格式配置

    return 0;
}

Makefile：

Makefile 复制代码 
# 编译器
CXX := g++
# 编译选项
CXXFLAGS := -Wall -O2
# 头文件路径
INCLUDES := -I/usr/include/x86_64-linux-gnu/
# 库文件路径
LIBS := -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu/
# 需要链接的库
LDLIBS := -lavformat -lavcodec -lavutil

# 目标文件
TARGET := convert

# 源文件列表
SRCS := main.cpp

# 生成目标文件列表
OBJS := $(SRCS:.cpp=.o)

# 默认目标
all: $(TARGET)

# 生成可执行文件
$(TARGET): $(OBJS)
	$(CXX) $(CXXFLAGS) $(INCLUDES) $(LIBS) -o $@ $^ $(LDLIBS)

# 生成目标文件
%.o: %.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) $(INCLUDES) -c $< -o $@

# 清理生成的文件
clean:
	$(RM) $(TARGET) $(OBJS)

编译运行程序后，可以看到当前文件夹下从MP4转换后的AVI文件：

shell 复制代码 
./convert input.mp4 output.avi

使用ffplay播放视频

shell 复制代码 
ffplay output.avi

二、GStreamer

GStreamer 是一个功能强大的开源多媒体框架，用于创建、处理和播放音频和视频流。

官方网址：

GStreamer 的主要特点和功能：

  1. 模块化架构：GStreamer 的设计是基于模块化的架构，可以根据需要添加或移除各种插件和元件，从而实现灵活的功能扩展和定制。

  2. 跨平台性：GStreamer 可以在多种操作系统上运行，包括 Linux、Windows、macOS 等。

  3. 丰富的插件支持：GStreamer 提供了大量的插件，用于处理各种多媒体格式、编解码器、滤镜、特效等，可以满足各种多媒体处理需求。

  4. 流式处理：GStreamer 支持流式处理，可以处理实时音视频流，适用于流媒体直播、视频会议等场景。

  5. 音视频编解码支持：它支持多种常见的音视频编解码器，包括 H.264、H.265、AAC、MP3 等，也支持一些不常见的编解码器。

  6. 容器格式支持：GStreamer 支持多种多媒体容器格式的解析和封装，包括 AVI、MP4、MKV、FLV、MOV 等。

  7. 图形界面和命令行工具：GStreamer 提供了图形界面和命令行工具，用于配置和管理多媒体处理流程。

  8. 多语言支持：GStreamer 可以通过各种语言的绑定进行使用，包括 C、C++、Python、Java 等。

GStreamer的核心是基于管道（Pipeline）的概念，这意味着你可以将多个处理步骤（称为元素或 Element）连接起来，以实现复杂的媒体处理任务。

2.1 安装GStreamer

更新软件包列表

shell 复制代码 
sudo apt update

安装 GStreamer

安装 GStreamer 的基本运行时库和插件。你可以根据需要选择不同的插件包，如 gstreamer1.0-plugins-base ，gstreamer1.0-plugins-good ， gstreamer1.0-plugins-bad ，gstreamer1.0-plugins-ugly

shell 复制代码 
sudo apt-get install libgstreamer1.0-dev libgstreamer-plugins-base1.0-dev libgstreamer-plugins-bad1.0-dev gstreamer1.0-plugins-base gstreamer1.0-plugins-good gstreamer1.0-plugins-bad gstreamer1.0-plugins-ugly gstreamer1.0-libav gstreamer1.0-tools gstreamer1.0-x gstreamer1.0-alsa gstreamer1.0-gl gstreamer1.0-gtk3 gstreamer1.0-qt5 gstreamer1.0-pulseaudio -y

这些插件包括了各种常见的音视频编解码器、文件格式支持以及其他的功能扩展。

安装额外的 GStreamer 插件（可选）：

如果你需要更多特定功能的插件，你可以根据需要安装额外的插件包。例如，如果你需要使用 GStreamer 的 Python 绑定，可以安装 gir1.2-gst-plugins-base-1.0 包。

shell 复制代码 
sudo apt install gir1.2-gst-plugins-base-1.0

验证安装

shell 复制代码 
gst-inspect-1.0 --version

2.2 使用命令行执行GStreamer

转换视频格式：

  • 将输入的 MP4 文件转换为 MKV 格式。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 -e filesrc location=input.mp4 ! qtdemux name=demux \
demux.video_0 ! queue ! decodebin ! videoconvert ! \
avenc_mpeg4 ! matroskamux name=mux \
demux.audio_0 ! queue ! decodebin ! audioconvert ! \
audioresample ! audioconvert ! mux. \
mux. ! filesink location=output.mkv

播放视频：

shell 复制代码 
gst-play-1.0 input.mp4
gst-play-1.0 output.mkv

合并视频和音频：

  • 将一个视频文件和一个音频文件合并为一个 MP4 文件，视频流不变，音频流重新编码为 AAC 格式。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 -e filesrc location=video.mp4 ! qtdemux name=demux \
demux.video_0 ! queue ! h264parse ! mux. \
filesrc location=audio.mp3 ! decodebin ! audioconvert ! voaacenc ! aacparse ! mux. \
qtmux name=mux ! filesink location=output.mp4

gst-play-1.0 output.mp4

调整视频大小：

  • 将输入的 MP4 文件调整为 1280x720 分辨率的输出。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 filesrc location=input.mp4 ! decodebin ! videoscale ! video/x-raw,width=1280,height=720 ! videoconvert ! x264enc ! mp4mux ! filesink location=output.mp4

改变视频帧率：

  • 将输入的 MP4 文件的帧率改为 24 帧每秒。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 filesrc location=input.mp4 ! decodebin ! videorate ! video/x-raw,framerate=24/1 ! videoconvert ! x264enc ! mp4mux ! filesink location=output.mp4

提取视频中的帧：

  • 将从输入的 MP4 文件中提取视频中的图像，并保存为 PNG 图像文件。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 filesrc location=input.mp4 ! qtdemux ! decodebin ! videorate ! video/x-raw,framerate=1/1 ! videoconvert ! pngenc ! filesink location=output.png

视频叠加文字：

  • 将从输入的 MP4 视频上叠加文字并将结果保存到输出文件中。
shell 复制代码 
gst-launch-1.0 filesrc location=input.mp4 ! decodebin ! videoconvert ! textoverlay text="Hello, World!" valignment=top halignment=left ! x264enc ! mp4mux ! filesink location=output.mp4

2.3 第一个GStreamer 应用程序

C代码实现 MP4 文件的播放，步骤如下：

  • 初始化 GStreamer 库
  • 构建管道
  • 播放视频
  • 等待错误 / 文件结束信号
  • 释放资源

代码示例：

c 复制代码 
#include <gst/gst.h>

int tutorial_main(int argc, char *argv[]) {
    GstElement *pipeline;
    GstBus *bus;
    GstMessage *msg;

    /* Initialize GStreamer */
    gst_init(&argc, &argv);

    /* Build the pipeline */
    pipeline = gst_parse_launch("playbin uri=file:/home/ubuntu/Code/Gstreamer/GStreamer-helloWorld/input.mp4", NULL);

    /* Start playing */
    gst_element_set_state(pipeline, GST_STATE_PLAYING);

    /* Wait until error or EOS */
    bus = gst_element_get_bus(pipeline);
    msg = gst_bus_timed_pop_filtered(bus, GST_CLOCK_TIME_NONE, GST_MESSAGE_ERROR | GST_MESSAGE_EOS);

    /* See next tutorial for proper error message handling/parsing */
    if (GST_MESSAGE_TYPE(msg) == GST_MESSAGE_ERROR) {
        g_error("An error occurred! Re-run with the GST_DEBUG=*:WARN environment "
                "variable set for more details.");
    }

    /* Free resources */
    gst_message_unref(msg);
    gst_object_unref(bus);
    gst_element_set_state(pipeline, GST_STATE_NULL);
    gst_object_unref(pipeline);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    return tutorial_main(argc, argv);
}

Makefile：

Makefile 复制代码 
# 编译器
CC := gcc
# 编译选项
CCFLAGS := -Wall -O2
# 头文件路径
INCLUDES := -I/usr/include/x86_64-linux-gnu/ -I/usr/include/gstreamer-1.0 -I/usr/include/glib-2.0 -I/usr/lib/x86_64-linux-gnu/glib-2.0/include
# 库文件路径
LIBS := -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu/
# 需要链接的库
LDLIBS := -lgstreamer-1.0 -lgobject-2.0 -lglib-2.0 

TARGET = basic-tutorial

SRCS = main.c

# 生成目标文件列表
OBJS := $(SRCS:.c=.o)

# 默认目标
all: $(TARGET)

# 生成可执行文件
$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) $(CXXFLAGS) $(INCLUDES) $(LIBS) -o $@ $^ $(LDLIBS)

# 生成目标文件
%.o: %.c
	$(CC) $(CCFLAGS) $(INCLUDES) -c $< -o $@

# 清理生成的文件
clean:
	$(RM) $(TARGET) $(OBJS)

编译运行：

shell 复制代码 
make
./basic-tutorial

2.4 创建并连接管道

C代码实现创建元素并将元素相互连接，步骤如下：

  • 初始化 GStreamer 库
  • 创建元素和管道
  • 构建管道并链接元素
  • 输入测试源属性
  • 开始播放并等待错误 / EOS
  • 释放资源

代码示例：

c 复制代码 
#include <gst/gst.h>

#ifdef __APPLE__
#include <TargetConditionals.h>
#endif

int
tutorial_main (int argc, char *argv[])
{
  GstElement *pipeline, *source, *sink;
  GstBus *bus;
  GstMessage *msg;
  GstStateChangeReturn ret;

  /* Initialize GStreamer */
  gst_init (&argc, &argv);

  /* Create the elements */
  source = gst_element_factory_make ("videotestsrc", "source");
  sink = gst_element_factory_make ("autovideosink", "sink");

  /* Create the empty pipeline */
  pipeline = gst_pipeline_new ("test-pipeline");

  if (!pipeline || !source || !sink) {
    g_printerr ("Not all elements could be created.\n");
    return -1;
  }

  /* Build the pipeline */
  gst_bin_add_many (GST_BIN (pipeline), source, sink, NULL);
  if (gst_element_link (source, sink) != TRUE) {
    g_printerr ("Elements could not be linked.\n");
    gst_object_unref (pipeline);
    return -1;
  }

  /* Modify the source's properties */
  g_object_set (source, "pattern", 0, NULL);

  /* Start playing */
  ret = gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_PLAYING);
  if (ret == GST_STATE_CHANGE_FAILURE) {
    g_printerr ("Unable to set the pipeline to the playing state.\n");
    gst_object_unref (pipeline);
    return -1;
  }

  /* Wait until error or EOS */
  bus = gst_element_get_bus (pipeline);
  msg =
      gst_bus_timed_pop_filtered (bus, GST_CLOCK_TIME_NONE,
      GST_MESSAGE_ERROR | GST_MESSAGE_EOS);

  /* Parse message */
  if (msg != NULL) {
    GError *err;
    gchar *debug_info;

    switch (GST_MESSAGE_TYPE (msg)) {
      case GST_MESSAGE_ERROR:
        gst_message_parse_error (msg, &err, &debug_info);
        g_printerr ("Error received from element %s: %s\n",
            GST_OBJECT_NAME (msg->src), err->message);
        g_printerr ("Debugging information: %s\n",
            debug_info ? debug_info : "none");
        g_clear_error (&err);
        g_free (debug_info);
        break;
      case GST_MESSAGE_EOS:
        g_print ("End-Of-Stream reached.\n");
        break;
      default:
        /* We should not reach here because we only asked for ERRORs and EOS */
        g_printerr ("Unexpected message received.\n");
        break;
    }
    gst_message_unref (msg);
  }

  /* Free resources */
  gst_object_unref (bus);
  gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_NULL);
  gst_object_unref (pipeline);
  return 0;
}

int
main (int argc, char *argv[])
{
#if defined(__APPLE__) && TARGET_OS_MAC && !TARGET_OS_IPHONE
  return gst_macos_main ((GstMainFunc) tutorial_main, argc, argv, NULL);
#else
  return tutorial_main (argc, argv);
#endif
}

Makefile：

Makefile 复制代码 
# 编译器
CC := gcc
# 编译选项
CCFLAGS := -Wall -O2
# 头文件路径
INCLUDES := -I/usr/include/x86_64-linux-gnu/ -I/usr/include/gstreamer-1.0 -I/usr/include/glib-2.0 -I/usr/lib/x86_64-linux-gnu/glib-2.0/include
# 库文件路径
LIBS := -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu/
# 需要链接的库
LDLIBS := -lgstreamer-1.0 -lgobject-2.0 -lglib-2.0

TARGET = concepts-tutorial

SRCS = main.c

# 生成目标文件列表
OBJS := $(SRCS:.c=.o)

# 默认目标
all: $(TARGET)

# 生成可执行文件
$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) $(CXXFLAGS) $(INCLUDES) $(LIBS) -o $@ $^ $(LDLIBS)

# 生成目标文件
%.o: %.c
	$(CC) $(CCFLAGS) $(INCLUDES) -c $< -o $@

# 清理生成的文件
clean:
	$(RM) $(TARGET) $(OBJS)

编译运行：

shell 复制代码 
make
./concepts-tutorial
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luoyayun3614 天前
Qt + FFmpeg 实战：音频静音段检测
qt·ffmpeg·音视频·静音段检测
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