FFmpeg 开发(08)：FFmpeg 播放器视频渲染优化

2021-11-03 17:15:50

作者：字节流动

来源：https://blog.csdn.net/Kennethdroid/article/details/108737936


FFmpeg 开发系列连载：

前文中，我们已经利用 FFmpeg + OpenGLES + OpenSLES 实现了一个多媒体播放器，本文将在视频渲染方面对播放器进行优化。

视频渲染优化

前文中，我们都是将解码的视频帧通过 swscale 库转换为 RGBA 格式，然后在送给 OpenGL 渲染，而视频帧通常的格式是 YUV420P/YUV420SP ，所以大部分情况下都需要 swscale 进行格式转换。

当视频尺寸比较大时，再用 swscale 进行格式转化的话，就会存在性能瓶颈，所以本文将 YUV 到 RGBA 的格式转换放到 shader 里，用 GPU 来实现格式转换，提升渲染效率。

FFmpeg 开发(08)：FFmpeg 播放器视频渲染优化

本文视频渲染优化，实质上是对 OpenGLRender 视频渲染器进行改进，使其支持 YUV420P 、 NV21 以及 NV12 这些常用格式图像的渲染。

我们在前文一文掌握 YUV 的图像处理中知道，YUV420P 格式的图像在内存中有 3 个平面，YUV420SP （NV21、NV12）格式的图像在内存中有 2 个平面，而 RGBA 格式的图像只有一个平面。

FFmpeg 开发(08)：FFmpeg 播放器视频渲染优化FFmpeg 开发(08)：FFmpeg 播放器视频渲染优化

所以，OpenGLRender 视频渲染器要兼容 YUV420P、 YUV420SP 以及 RGBA 格式，需要创建 3 个纹理存储待渲染的数据，渲染 YUV420P 格式的图像需要用到 3 个纹理，渲染 YUV420SP 格式的图像只需用到 2 个纹理即可，而渲染 RGBA 格式图像只需一个纹理。

判断解码后视频帧的格式，AVFrame 是解码后的视频帧。

void VideoDecoder::OnFrameAvailable(AVFrame *frame) {
    LOGCATE("VideoDecoder::OnFrameAvailable frame=%p", frame);
    if(m_VideoRender != nullptr && frame != nullptr) {
        NativeImage image;
        //YUV420P
        if(GetCodecContext()->pix_fmt == AV_PIX_FMT_YUV420P || GetCodecContext()->pix_fmt == AV_PIX_FMT_YUVJ420P) {
            image.format = IMAGE_FORMAT_I420;
            image.width = frame->width;
            image.height = frame->height;
            image.pLineSize[0] = frame->linesize[0];
            image.pLineSize[1] = frame->linesize[1];
            image.pLineSize[2] = frame->linesize[2];
            image.ppPlane[0] = frame->data[0];
            image.ppPlane[1] = frame->data[1];
            image.ppPlane[2] = frame->data[2];
            if(frame->data[0] && frame->data[1] && !frame->data[2] && frame->linesize[0] == frame->linesize[1] && frame->linesize[2] == 0) {
                // on some android device, output of h264 mediacodec decoder is NV12 兼容某些设备可能出现的格式不匹配问题
                image.format = IMAGE_FORMAT_NV12;
            }
        } else if (GetCodecContext()->pix_fmt == AV_PIX_FMT_NV12) { //NV12
            image.format = IMAGE_FORMAT_NV12;
            image.width = frame->width;
            image.height = frame->height;
            image.pLineSize[0] = frame->linesize[0];
            image.pLineSize[1] = frame->linesize[1];
            image.ppPlane[0] = frame->data[0];
            image.ppPlane[1] = frame->data[1];
        } else if (GetCodecContext()->pix_fmt == AV_PIX_FMT_NV21) { //NV21
            image.format = IMAGE_FORMAT_NV21;
            image.width = frame->width;
            image.height = frame->height;
            image.pLineSize[0] = frame->linesize[0];
            image.pLineSize[1] = frame->linesize[1];
            image.ppPlane[0] = frame->data[0];
            image.ppPlane[1] = frame->data[1];
        } else if (GetCodecContext()->pix_fmt == AV_PIX_FMT_RGBA) { //RGBA
            image.format = IMAGE_FORMAT_RGBA;
            image.width = frame->width;
            image.height = frame->height;
            image.pLineSize[0] = frame->linesize[0];
            image.ppPlane[0] = frame->data[0];
        } else {  //其他格式由　swscale 转换为 RGBA                
            sws_scale(m_SwsContext, frame->data, frame->linesize, 0,
                      m_VideoHeight, m_RGBAFrame->data, m_RGBAFrame->linesize);
            image.format = IMAGE_FORMAT_RGBA;
            image.width = m_RenderWidth;
            image.height = m_RenderHeight;
            image.ppPlane[0] = m_RGBAFrame->data[0];
        }
        
        //将图像传递给渲染器进行渲染
        m_VideoRender->RenderVideoFrame(&image);
    }
}

创建 3 个纹理，但是不指定要加载图像的格式。

// TEXTURE_NUM = 3
glGenTextures(TEXTURE_NUM, m_TextureIds);
for (int i = 0; i < TEXTURE_NUM ; ++i) {
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[i]);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);
}

加载不同格式的数据到纹理。

switch (m_RenderImage.format)
{   
    //加载 RGBA 类型的数据
    case IMAGE_FORMAT_RGBA:
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[0]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, m_RenderImage.width, m_RenderImage.height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, m_RenderImage.ppPlane[0]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);
        break;
    //加载 YUV420SP 类型的数据
    case IMAGE_FORMAT_NV21:
    case IMAGE_FORMAT_NV12:
        //upload Y plane data
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[0]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, m_RenderImage.width,
                     m_RenderImage.height, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE,
                     m_RenderImage.ppPlane[0]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);

        //update UV plane data
        glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[1]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE_ALPHA, m_RenderImage.width >> 1,
                     m_RenderImage.height >> 1, 0, GL_LUMINANCE_ALPHA, GL_UNSIGNED_BYTE,
                     m_RenderImage.ppPlane[1]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);
        break;
    //加载 YUV420P 类型的数据
    case IMAGE_FORMAT_I420:
        //upload Y plane data
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[0]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, m_RenderImage.width,
                     m_RenderImage.height, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE,
                     m_RenderImage.ppPlane[0]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);

        //update U plane data
        glActiveTexture(GL_TEXTURE1);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[1]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, m_RenderImage.width >> 1,
                     m_RenderImage.height >> 1, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE,
                     m_RenderImage.ppPlane[1]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);

        //update V plane data
        glActiveTexture(GL_TEXTURE2);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureIds[2]);
        glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE, m_RenderImage.width >> 1,
                     m_RenderImage.height >> 1, 0, GL_LUMINANCE, GL_UNSIGNED_BYTE,
                     m_RenderImage.ppPlane[2]);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, GL_NONE);
        break;
    default:
        break;
}

对应的顶点着色器和片段着色器，其中重要的是，片段着色器需要针对不同的图像格式采用不用的采样策略。

//顶点着色器
#version 300 es
layout(location = 0) in vec4 a_Position;
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;
out vec2 v_texCoord;
void main()
{
    gl_Position = a_Position;
    v_texCoord = a_texCoord;
}

//片段着色器
#version 300 es
precision highp float;
in vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
uniform sampler2D s_texture0;
uniform sampler2D s_texture1;
uniform sampler2D s_texture2;
uniform int u_ImgType;// 1:RGBA, 2:NV21, 3:NV12, 4:I420

void main()
{

    if(u_ImgType == 1) //RGBA
    {
        outColor = texture(s_texture0, v_texCoord);
    }
    else if(u_ImgType == 2) //NV21
    {
        vec3 yuv;
        yuv.x = texture(s_texture0, v_texCoord).r;
        yuv.y = texture(s_texture1, v_texCoord).a - 0.5;
        yuv.z = texture(s_texture1, v_texCoord).r - 0.5;
        highp vec3 rgb = mat3(1.0,       1.0,     1.0,
        0.0,    -0.344,     1.770,
        1.403,  -0.714,     0.0) * yuv;
        outColor = vec4(rgb, 1.0);

    }
    else if(u_ImgType == 3) //NV12
    {
        vec3 yuv;
        yuv.x = texture(s_texture0, v_texCoord).r;
        yuv.y = texture(s_texture1, v_texCoord).r - 0.5;
        yuv.z = texture(s_texture1, v_texCoord).a - 0.5;
        highp vec3 rgb = mat3(1.0,       1.0,     1.0,
        0.0,    -0.344,     1.770,
        1.403,  -0.714,     0.0) * yuv;
        outColor = vec4(rgb, 1.0);
    }
    else if(u_ImgType == 4) //I420
    {
        vec3 yuv;
        yuv.x = texture(s_texture0, v_texCoord).r;
        yuv.y = texture(s_texture1, v_texCoord).r - 0.5;
        yuv.z = texture(s_texture2, v_texCoord).r - 0.5;
        highp vec3 rgb = mat3(1.0,       1.0,     1.0,
                              0.0,  -0.344,     1.770,
                              1.403,  -0.714,     0.0) * yuv;
        outColor = vec4(rgb, 1.0);
    }
    else
    {
        outColor = vec4(1.0);
    }
}

其中片段着色器 u_ImgType 变量用于设置待渲染图像的格式类型，从而采用不同的采样转换策略。

需要注意的是，YUV 格式图像 UV 分量的默认值分别是 127 ，Y 分量默认值是 0 ，8 个 bit 位的取值范围是 0 ~ 255，由于在 shader 中纹理采样值需要进行归一化，所以 UV 分量的采样值需要分别减去 0.5 ，确保 YUV 到 RGB 正确转换。

联系与交流

技术交流/获取源码可以添加我的微信：Byte-Flow


「视频云技术」你最值得关注的音视频技术公众号，每周推送来自阿里云一线的实践技术文章，在这里与音视频领域一流工程师交流切磋。

FFmpeg 开发(08)：FFmpeg 播放器视频渲染优化

上一篇：FFmpeg 开发(07)：FFmpeg + OpenGLES 实现 3D 全景播放器


下一篇：FFmpeg 开发(06)：FFmpeg 播放器实现音视频同步的三种方式