FFmpeg的API使用篇（四）：音频解码（不包含libavformat）

Author： LucasNan
发布时间：February 23, 2021
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14419 words
Categories：多媒体信息处理

## 1、前言

本例主要参考FFmpeg官方例程[decode_audio.c](http://ffmpeg.org/doxygen/trunk/decode_audio_8c-example.html)。该例程提供的音频解码思路时将一个mp2压缩格式的音频解码为PCM格式的纯音频，并不涉及解封装的过程。所以在本例中你可以看到，并没有使用`av_read_frame()`从读取AVPacket对象，而是使用`fread()`函数读取二进制文件数据，然后使用`av_parse_parse2()`函数将缓存中的数据读入AVPacket的data缓存中。另外需要注意的是，FFmpeg自3.0版本之后，新的音频解码方式从原有的`avcodec_decodec_audio4`更改为`avcodec_send_packet`配合`avcodec_receive_frame`进行解码。因此，如果你是FFmpeg旧版本API的使用者，那么这篇文章的部分内容可能不适合你，建议你去看[雷霄骅的博客](https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/42181571)，他的博客中使用的FFmpeg版本比较旧。

## 2、FFmpeg解码音频API调用流程

![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/Kevinnan-teen/CDN/FFmpeg纯净音频解码.png)

## 3、相关方法介绍

### 3.1 avcodec_find_decoder()：寻找解码器

```cpp
AVCodec* avcodec_find_decoder(enum AVCodecID id);
```

这个函数根据编码格式寻找对应的解码器。在本例中，我的输入音频为`aac`格式，所以我需要找`*AV_CODEC_ID_AAC `对应的解码器。而在官方例子中提供的是`AV_CODEC_ID_MP2`，所以如果你完全使用了官方例程的代码，那么你的输入文件需要是mp2格式。

### 3.2 avcodec_open2()：根据解码器初始化AVCodecContext

```cpp
int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options)
```

- avctx：需要初始化的AVCodecContext
- codec：输出的AVcodec
- options：一些选项。例如使用libx264编码的时候，“preset”，“tune”等都可以通过该参数设置。

### 3.3 av_parser_parse2()：解析数据获得一个AVPacket

```cpp
int av_parser_parse2(AVCodecParserContext *s,  
                     AVCodecContext *avctx,  
                     uint8_t **poutbuf, int *poutbuf_size, 
                     const uint8_t *buf, int buf_size,  
                     int64_t pts, int64_t dts,  
                     int64_t pos); 
```

- poutbuf：指向解析后输出的压缩编码数据帧
- buf：指向输入的压缩编码数据
- 返回值：输入比特流被使用的大小

### 3.4 avcodec_send_packet()和avcodec_recevie_frame

ffmpeg3版本的解码接口做了不少调整，之前的视频解码接口avcodec_decode_video2和avcodec_decode_audio4音频解码被设置为deprecated，对这两个接口做了合并，使用统一的接口。并且将音视频解码步骤分为了两步，第一步avcodec_send_packet，第二步avcodec_receive_frame，通过接口名字我们就可以知道第一步是发送编码数据包，第二步是接收解码后数据。新版本是否只是做了接口的变化，还有有哪些我们需要注意的事项，我们来分析一下。

```cpp
int avcodec_send_packet(AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt);
```

- avctx：AVCodecContext对象，音视频解码上下文，包含解码器。
- avpkt：编码的音视频帧数据

```cpp
int avcodec_receive_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame);
```

- avctx：与上面接口一致

- frame：解码后的音频/视频帧数据

### 3.5 av_get_bytes_per_sample():获取一个采样的字节数

```cpp
int av_get_bytes_per_sample	(enum AVSampleFormat sample_fmt)
```

## 4、转码流程

### 4.1 找到AAC解码器

```cpp
codec = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_AAC);
    if (!codec) {
        fprintf(stderr, "Codec not found\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.2 初始化数据解析器

```cpp
parser = av_parser_init(codec->id);
    if (!parser) {
        fprintf(stderr, "Parser not found\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.3 初始化解码器

```cpp
//初始化解码器
    c = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!c) {
        fprintf(stderr, "Could not allocate audio codec context\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.4 使用解码器初始化AVCodecContext

```cpp
if (avcodec_open2(c, codec, NULL) < 0) {
        fprintf(stderr, "Could not open codec\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.5 循环读取数据帧并解码

```cpp
while (!feof(f)) {
        if (!decoded_frame) {
            //初始化AVFrame
            if (!(decoded_frame = av_frame_alloc())) {
                fprintf(stderr, "Could not allocate audio frame\n");
                exit(1);
            }
        }
        /* read raw data from the input file */
    	//从文件中读取数据
        data_size = fread(inbuf, 1, AUDIO_INBUF_SIZE, f);
        if (!data_size)
            break;
        /* use the parser to split the data into frames */
        data = inbuf;
        while (data_size > 0) {
            //解析数据获得AVPacket
            ret = av_parser_parse2(parser, c, &pkt->data, &pkt->size,
                                   data, data_size, AV_NOPTS_VALUE, AV_NOPTS_VALUE, 0);
            if (ret < 0) {
                fprintf(stderr, "Error while parsing\n");
                exit(1);
            }
            
            data      += ret;
            data_size -= ret;
            if (pkt->size)
                //解码数据
                decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);
        }
    }
```

### 4.6 流处理结束，flush codec

```cpp
pkt->data = NULL;
pkt->size = 0;
decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);
```

### 4.7 释放资源

```cpp
fclose(outfile);
fclose(f);
avcodec_free_context(&c);
av_parser_close(parser);
av_frame_free(&decoded_frame);
av_packet_free(&pkt);
```

## 5、代码

下面的代码是参照了FFmpeg官方例子[decode_audio.c](http://ffmpeg.org/doxygen/trunk/decode_audio_8c-example.html)。不同之处在于，它提供的例子在循环读取数据帧的时候，还多加了一个步骤，代码如下：

```cpp
if (data_size < AUDIO_REFILL_THRESH) {
            memmove(inbuf, data, data_size);
            data = inbuf;
            len = fread(data + data_size, 1,
                        AUDIO_INBUF_SIZE - data_size, f);
            if (len > 0)
                data_size += len;
    }
```

这段代码的作用是：当数据缓存大小低于设置的阈值`AUDIO_REFILL_THRESH`时，需要从文件中重新读取大小为`AUDIO_INBUF_SIZE - data_size`的数据，然后与之前剩余的数据合并成新的缓存data，然后再循环通过`av_parse_parse2()`函数将数据读入AVPacket，进行解码。但是这部分代码对于初学者来说有点晦涩难懂，至少我最初看到这里的时候就很疑惑。所以，我将源码中循环读取数据帧的代码全部注释，然后重写了这部分代码，也就是**4.2节循环读取数据帧**部分内容。

下面的代码是我在官方提供例程之上更改后的代码，可直接运行，查看效果（输入为aac音频，输出为pcm原始音频数据）。代码中的关键部分我都有注释。

![运行结果：使用ffplay播放pcm音频](https://cdn.jsdelivr.net/gh/Kevinnan-teen/CDN/image-20210223170735856.png)

```cpp
/*
 * Copyright (c) 2001 Fabrice Bellard
 *
 * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy
 * of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal
 * in the Software without restriction, including without limitation the rights
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 * furnished to do so, subject to the following conditions:
 *
 * The above copyright notice and this permission notice shall be included in
 * all copies or substantial portions of the Software.
 *
 * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR
 * IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY,
 * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL
 * THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER
 * LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM,
 * OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN
 * THE SOFTWARE.
 */
/**
 * @file
 * audio decoding with libavcodec API example
 *
 * @example decode_audio.c
 */
#include <QCoreApplication>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

extern "C"{
    #include <libavutil/frame.h>
    #include <libavutil/mem.h>
    #include <libavcodec/avcodec.h>
}

#define AUDIO_INBUF_SIZE 20480
#define AUDIO_REFILL_THRESH 4096

static int get_format_from_sample_fmt(const char **fmt,
                                      enum AVSampleFormat sample_fmt)
{    
    struct sample_fmt_entry {
        enum AVSampleFormat sample_fmt;
        const char *fmt_be, *fmt_le;
    } sample_fmt_entries[] = {
        { AV_SAMPLE_FMT_U8,  "u8",    "u8"    },
        { AV_SAMPLE_FMT_S16, "s16be", "s16le" },
        { AV_SAMPLE_FMT_S32, "s32be", "s32le" },
        { AV_SAMPLE_FMT_FLT, "f32be", "f32le" },
        { AV_SAMPLE_FMT_DBL, "f64be", "f64le" },
    };
    *fmt = NULL;
    for (unsigned int i = 0; i < FF_ARRAY_ELEMS(sample_fmt_entries); i++) {
        struct sample_fmt_entry *entry = &sample_fmt_entries[i];
        if (sample_fmt == entry->sample_fmt) {
            *fmt = AV_NE(entry->fmt_be, entry->fmt_le);
            return 0;
        }
    }
    fprintf(stderr,
            "sample format %s is not supported as output format\n",
            av_get_sample_fmt_name(sample_fmt));
    return -1;
}
static void decode(AVCodecContext *dec_ctx, AVPacket *pkt, AVFrame *frame,
                   FILE *outfile)
{
    int i, ch;
    int ret, data_size;
    /* send the packet with the compressed data to the decoder */
    ret = avcodec_send_packet(dec_ctx, pkt);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "Error submitting the packet to the decoder\n");
        exit(1);
    }
    /* read all the output frames (in general there may be any number of them */
    while (ret >= 0) {
        ret = avcodec_receive_frame(dec_ctx, frame);
        if (ret == AVERROR(EAGAIN) || ret == AVERROR_EOF)
            return;
        else if (ret < 0) {
            fprintf(stderr, "Error during decoding\n");
            exit(1);
        }
        data_size = av_get_bytes_per_sample(dec_ctx->sample_fmt);
        if (data_size < 0) {
            /* This should not occur, checking just for paranoia */
            fprintf(stderr, "Failed to calculate data size\n");
            exit(1);
        }
        printf("nb_samples: %d\n", frame->nb_samples);
        for (i = 0; i < frame->nb_samples; i++)
            for (ch = 0; ch < dec_ctx->channels; ch++)
                fwrite(frame->data[ch] + data_size*i, 1, data_size, outfile);
    }
}

int main(int argc, char **argv)
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

const char *outfilename, *filename;
    const AVCodec *codec;
    AVCodecContext *c= NULL;
    AVCodecParserContext *parser = NULL;
    int len, ret;
    FILE *f, *outfile;
    uint8_t inbuf[AUDIO_INBUF_SIZE + AV_INPUT_BUFFER_PADDING_SIZE];
    uint8_t *data;
    size_t   data_size;
    AVPacket *pkt;
    AVFrame *decoded_frame = NULL;
    enum AVSampleFormat sfmt;
    int n_channels = 0;
    const char *fmt;
    if (argc <= 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <input file> <output file>\n", argv[0]);
        exit(0);
    }
    filename    = argv[1];
    outfilename = argv[2];
    pkt = av_packet_alloc();
    //找到AAC解码器
    codec = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_AAC);
    if (!codec) {
        fprintf(stderr, "Codec not found\n");
        exit(1);
    }
    //初始化数据解析器
    parser = av_parser_init(codec->id);
    if (!parser) {
        fprintf(stderr, "Parser not found\n");
        exit(1);
    }
    //初始化解码器
    c = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!c) {
        fprintf(stderr, "Could not allocate audio codec context\n");
        exit(1);
    }
    /* open it */
    if (avcodec_open2(c, codec, NULL) < 0) {
        fprintf(stderr, "Could not open codec\n");
        exit(1);
    }

f = fopen(filename, "rb");
    if (!f) {
        fprintf(stderr, "Could not open %s\n", filename);
        exit(1);
    }
    outfile = fopen(outfilename, "wb");
    if (!outfile) {
        av_free(c);
        exit(1);
    }

while (!feof(f)) {
        if (!decoded_frame) {
            if (!(decoded_frame = av_frame_alloc())) {
                fprintf(stderr, "Could not allocate audio frame\n");
                exit(1);
            }
        }
        /* read raw data from the input file */
        data_size = fread(inbuf, 1, AUDIO_INBUF_SIZE, f);
        if (!data_size)
            break;
        /* use the parser to split the data into frames */
        data = inbuf;
        while (data_size > 0) {
            ret = av_parser_parse2(parser, c, &pkt->data, &pkt->size,
                                   data, data_size, AV_NOPTS_VALUE, AV_NOPTS_VALUE, 0);
            if (ret < 0) {
                fprintf(stderr, "Error while parsing\n");
                exit(1);
            }
            data      += ret;
            data_size -= ret;
            if (pkt->size)
                decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);
        }
    }

/* decode until eof */
    //地址
//    data      = inbuf;
//    //每个数据块大小为1，数据个数AUDIO_INBUF_SIZE
//    data_size = fread(inbuf, 1, AUDIO_INBUF_SIZE, f);

//    while (data_size > 0) {
//        if (!decoded_frame) {
//            if (!(decoded_frame = av_frame_alloc())) {
//                fprintf(stderr, "Could not allocate audio frame\n");
//                exit(1);
//            }
//        }
//        //将data数据给AVPacket，返回值ret是输入比特流被使用的个数
//        ret = av_parser_parse2(parser, c, &pkt->data, &pkt->size,
//                               data, data_size,
//                               AV_NOPTS_VALUE, AV_NOPTS_VALUE, 0);
//        printf("ret: %d, data_size: %d\n", ret, data_size);
//        if (ret < 0) {
//            fprintf(stderr, "Error while parsing\n");
//            exit(1);
//        }
//        data      += ret;
//        data_size -= ret;
//        if (pkt->size)
//            decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);
//        //当数据缓存被填充得低于所述阈值时，重新得到音频媒体流的一部分。
//        //新读到的数据与之前剩余的数据组成新的缓存

//        if (data_size < AUDIO_REFILL_THRESH) {
//            memmove(inbuf, data, data_size);
//            data = inbuf;

//            //将文件中读取的数据保存到data+data_size内存之后的位置
//            len = fread(data + data_size, 1,
//                        AUDIO_INBUF_SIZE - data_size, f);
//            if (len > 0)
//                data_size += len;
//        }
//    }
    /* flush the decoder */
    //流处理结束需要flush codec. 因为codec可能在内部缓冲多个frame或packet
    //将pkt设为NULL
    pkt->data = NULL;
    pkt->size = 0;
    decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);

/* print output pcm infomations, because there have no metadata of pcm */
    //音频采样格式
    sfmt = c->sample_fmt;
    //如果音频采样格式是平面（planar）格式，则需要转换为packed格式
    //因为SDL不能播放plannar格式
    if (av_sample_fmt_is_planar(sfmt)) {
        const char *packed = av_get_sample_fmt_name(sfmt);
        printf("Warning: the sample format the decoder produced is planar "
               "(%s). This example will output the first channel only.\n",
               packed ? packed : "?");
        sfmt = av_get_packed_sample_fmt(sfmt);
    }
    n_channels = c->channels;
    if ((ret = get_format_from_sample_fmt(&fmt, sfmt)) < 0)
        goto end;
    printf("Play the output audio file with the command:\n"
           "ffplay -f %s -ac %d -ar %d %s\n",
           fmt, n_channels, c->sample_rate,
           outfilename);
end:
    fclose(outfile);
    fclose(f);
    avcodec_free_context(&c);
    av_parser_close(parser);
    av_frame_free(&decoded_frame);
    av_packet_free(&pkt);

return a.exec();
}
```

## 6、参考资料

[1] [FFmpeg源代码简单分析：avcodec_open2()](https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/44117891)

[2] [FFmpeg3最新的解码接口avcodec_send_packet和avcodec_receive_frame](https://blog.csdn.net/boonya/article/details/80598419)

[3] [FFmpeg学习笔记之av_parser_parse2()](https://blog.csdn.net/wqwqh/article/details/90713396?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522161404889116780264046549%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=161404889116780264046549&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduend~default-1-90713396.first_rank_v2_pc_rank_v29&utm_term=av_parser_parse2)

Last modification：June 15th, 2021 at 06:00 pm

FFmpeg的API使用篇（四）：音频解码（不包含libavformat）

LucasNan • 2021 年 02 月 23 日

## 1、前言

## 2、FFmpeg解码音频API调用流程

![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/Kevinnan-teen/CDN/FFmpeg纯净音频解码.png)

## 3、相关方法介绍

### 3.1 avcodec_find_decoder()：寻找解码器

```cpp
AVCodec* avcodec_find_decoder(enum AVCodecID id);
```

### 3.2 avcodec_open2()：根据解码器初始化AVCodecContext

```cpp
int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options)
```

- avctx：需要初始化的AVCodecContext
- codec：输出的AVcodec
- options：一些选项。例如使用libx264编码的时候，“preset”，“tune”等都可以通过该参数设置。

### 3.3 av_parser_parse2()：解析数据获得一个AVPacket

- poutbuf：指向解析后输出的压缩编码数据帧
- buf：指向输入的压缩编码数据
- 返回值：输入比特流被使用的大小

### 3.4 avcodec_send_packet()和avcodec_recevie_frame

```cpp
int avcodec_send_packet(AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt);
```

- avctx：AVCodecContext对象，音视频解码上下文，包含解码器。
- avpkt：编码的音视频帧数据

```cpp
int avcodec_receive_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame);
```

- avctx：与上面接口一致

- frame：解码后的音频/视频帧数据

### 3.5 av_get_bytes_per_sample():获取一个采样的字节数

```cpp
int av_get_bytes_per_sample	(enum AVSampleFormat sample_fmt)
```

## 4、转码流程

### 4.1 找到AAC解码器

```cpp
codec = avcodec_find_decoder(AV_CODEC_ID_AAC);
    if (!codec) {
        fprintf(stderr, "Codec not found\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.2 初始化数据解析器

```cpp
parser = av_parser_init(codec->id);
    if (!parser) {
        fprintf(stderr, "Parser not found\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.3 初始化解码器

```cpp
//初始化解码器
    c = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!c) {
        fprintf(stderr, "Could not allocate audio codec context\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.4 使用解码器初始化AVCodecContext

```cpp
if (avcodec_open2(c, codec, NULL) < 0) {
        fprintf(stderr, "Could not open codec\n");
        exit(1);
    }
```

### 4.5 循环读取数据帧并解码

### 4.6 流处理结束，flush codec

```cpp
pkt->data = NULL;
pkt->size = 0;
decode(c, pkt, decoded_frame, outfile);
```

### 4.7 释放资源

```cpp
fclose(outfile);
fclose(f);
avcodec_free_context(&c);
av_parser_close(parser);
av_frame_free(&decoded_frame);
av_packet_free(&pkt);
```

## 5、代码

![运行结果：使用ffplay播放pcm音频](https://cdn.jsdelivr.net/gh/Kevinnan-teen/CDN/image-20210223170735856.png)

extern "C"{
    #include <libavutil/frame.h>
    #include <libavutil/mem.h>
    #include <libavcodec/avcodec.h>
}

#define AUDIO_INBUF_SIZE 20480
#define AUDIO_REFILL_THRESH 4096

int main(int argc, char **argv)
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

/* decode until eof */
    //地址
//    data      = inbuf;
//    //每个数据块大小为1，数据个数AUDIO_INBUF_SIZE
//    data_size = fread(inbuf, 1, AUDIO_INBUF_SIZE, f);

//        if (data_size < AUDIO_REFILL_THRESH) {
//            memmove(inbuf, data, data_size);
//            data = inbuf;

return a.exec();
}
```

## 6、参考资料

[1] [FFmpeg源代码简单分析：avcodec_open2()](https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/44117891)

[2] [FFmpeg3最新的解码接口avcodec_send_packet和avcodec_receive_frame](https://blog.csdn.net/boonya/article/details/80598419)

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FFmpeg的API使用篇（四）：音频解码（不包含libavformat）