【FFMpeg视频开发与应用基础】七、 调用FFMpeg SDK实现视频水印

《FFMpeg视频开发与应用基础——使用FFMpeg工具与SDK》视频教程已经在“CSDN学院”上线，视频中包含了从0开始逐行代码实现FFMpeg视频开发的过程，欢迎观看！链接地址：FFMpeg视频开发与应用基础——使用FFMpeg工具与SDK

Github工程代码地址：FFmpeg_Tutorial

视频的水印通常指附加在原始视频上的可见或者不可见的，与原始视频无直接关联的标识。通常在有线电视画面上电视台的台标以及视频网站上的logo就是典型的视频水印的应用场景。通常实现视频水印可以通过FFMpeg提供的libavfilter库实现。libavfilter库实际上实现的是视频的滤镜功能，除了水印之外，还可以实现视频帧的灰度化、平滑、翻转、直方图均衡、裁剪等操作。

我们这里实现的视频水印等操作，完全在视频像素域实现，即从一个yuv文件中读取数据到AVFrame结构，对AVFrame结构进行处理后再输出到另一个yuv文件。中间不涉及封装或编码解码等操作。

1. 解析命令行，获取输入输出文件信息

我们通过与之前类似的方式，在命令行中获取输入、输出文件名，图像宽高。首先定义如下的结构体用于保存配置信息：

typedef struct _IOFiles
{
    const char *inputFileName;      //输入文件名
    const char *outputFileName;     //输出文件名

    FILE *iFile;                    //输入文件指针
    FILE *oFile;                    //输出文件指针

    uint8_t filterIdx;              //Filter索引

    unsigned int frameWidth;        //图像宽度
    unsigned int frameHeight;       //图像高度
}IOFiles;

在这个结构体中，filterIdx用于表示当前工程选择哪一种filter，即希望实现哪一种功能。

在进入main函数之后，调用hello函数来解析命令行参数：

static int hello(int argc, char **argv, IOFiles &files)
{
    if (argc < 4) 
    {
        printf("usage: %s output_file input_file filter_index\n"
            "Filter index:.\n"
            "1. Color component\n"
            "2. Blur\n"
            "3. Horizonal flip\n"
            "4. HUE\n"
            "5. Crop\n"
            "6. Box\n"
            "7. Text\n"
            "\n", argv[0]);

        return -1;
    }

    files.inputFileName = argv[1];
    files.outputFileName = argv[2];
    files.frameWidth = atoi(argv[3]);
    files.frameHeight = atoi(argv[4]);
    files.filterIdx = atoi(argv[5]);

    fopen_s(&files.iFile, files.inputFileName, "rb+");
    if (!files.iFile)
    {
        printf("Error: open input file failed.\n");
        return -1;
    }

    fopen_s(&files.oFile, files.outputFileName, "wb+");
    if (!files.oFile)
    {
        printf("Error: open output file failed.\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

该函数实现了输入输出文件的文件名获取并打开，并读取filter索引。

2. Video Filter初始化

在进行初始化之前，必须调用filter的init函数，之后才能针对Video Filter进行各种操作。其声明如下：

void avfilter_register_all(void);

为了实现视频水印的功能，所需要的相关结构主要有：

AVFilterContext *buffersink_ctx;  
AVFilterContext *buffersrc_ctx;  
AVFilterGraph *filter_graph;

其中AVFilterContext用于表示一个filter的实例上下文，AVFilterGraph表示一个video filtering的工作流。Video Filter的初始化实现如以下函数：

//初始化video filter相关的结构
int Init_video_filter(const char *filter_descr, int width, int height)
{
    char args[512];  
    AVFilter *buffersrc  = avfilter_get_by_name("buffer");  
    AVFilter *buffersink = avfilter_get_by_name("buffersink");  
    AVFilterInOut *outputs = avfilter_inout_alloc();  
    AVFilterInOut *inputs  = avfilter_inout_alloc();  
    enum AVPixelFormat pix_fmts[] = { AV_PIX_FMT_YUV420P, AV_PIX_FMT_NONE };  
    AVBufferSinkParams *buffersink_params;  

    filter_graph = avfilter_graph_alloc();  

    /* buffer video source: the decoded frames from the decoder will be inserted here. */  
    snprintf(args, sizeof(args), "video_size=%dx%d:pix_fmt=%d:time_base=%d/%d:pixel_aspect=%d/%d", width,height,AV_PIX_FMT_YUV420P, 1, 25,1,1);
    int ret = avfilter_graph_create_filter(&buffersrc_ctx, buffersrc, "in", args, NULL, filter_graph);  
    if (ret < 0) 
    {
        printf("Error: cannot create buffer source.\n");  
        return ret;  
    }  

    /* buffer video sink: to terminate the filter chain. */  
    buffersink_params = av_buffersink_params_alloc();  
    buffersink_params->pixel_fmts = pix_fmts;  
    ret = avfilter_graph_create_filter(&buffersink_ctx, buffersink, "out", NULL, buffersink_params, filter_graph);  
    av_free(buffersink_params);  
    if (ret < 0) 
    {
        printf("Error: cannot create buffer sink\n");  
        return ret;
    }  

    /* Endpoints for the filter graph. */  
    outputs->name       = av_strdup("in");  
    outputs->filter_ctx = buffersrc_ctx;  
    outputs->pad_idx    = 0;  
    outputs->next       = NULL;  

    inputs->name       = av_strdup("out");  
    inputs->filter_ctx = buffersink_ctx;  
    inputs->pad_idx    = 0;  
    inputs->next       = NULL;  

    if ((ret = avfilter_graph_parse_ptr(filter_graph, filter_descr, &inputs, &outputs, NULL)) < 0)
    {
        printf("Error: avfilter_graph_parse_ptr failed.\n");
        return ret;  
    }

    if ((ret = avfilter_graph_config(filter_graph, NULL)) < 0)  
    {
        printf("Error: avfilter_graph_config");
        return ret;  
    }

    return 0;
}

3. 初始化输入输出AVFrame并分配内存

我们首先声明AVFrame类型的对象和指向像素缓存的指针：

AVFrame *frame_in = NULL;  
AVFrame *frame_out = NULL;  
unsigned char *frame_buffer_in = NULL;  
unsigned char *frame_buffer_out = NULL; 

然后分配AVFrame对象，并分配其中的缓存区：

void Init_video_frame_in_out(AVFrame **frameIn, AVFrame **frameOut, unsigned char **frame_buffer_in, unsigned char **frame_buffer_out, int frameWidth, int frameHeight)
{
    *frameIn = av_frame_alloc();  
    *frame_buffer_in = (unsigned char *)av_malloc(av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_YUV420P, frameWidth,frameHeight,1));  
    av_image_fill_arrays((*frameIn)->data, (*frameIn)->linesize,*frame_buffer_in, AV_PIX_FMT_YUV420P,frameWidth,frameHeight,1);  

    *frameOut = av_frame_alloc();  
    *frame_buffer_out = (unsigned char *)av_malloc(av_image_get_buffer_size(AV_PIX_FMT_YUV420P, frameWidth,frameHeight,1));  
    av_image_fill_arrays((*frameOut)->data, (*frameOut)->linesize,*frame_buffer_out, AV_PIX_FMT_YUV420P,frameWidth,frameHeight,1);  

    (*frameIn)->width = frameWidth;  
    (*frameIn)->height = frameHeight;  
    (*frameIn)->format = AV_PIX_FMT_YUV420P;
}

4. Video Filtering循环体

这一部分主要包括三大部分：

1. 读取原始的YUV数据到输入的frame；
2. 使用预先定义好的filter_graph处理输入frame，生成输出frame；
3. 将输出frame中的像素值写入输出yuv文件；

第一部分，读取原始yuv的实现由自定义函数Read_yuv_data_to_buf实现：

//从输入yuv文件中读取数据到buffer和frame结构
bool Read_yuv_data_to_buf(unsigned char *frame_buffer_in, const IOFiles &files, AVFrame **frameIn)
{
    AVFrame *pFrameIn = *frameIn;
    int width = files.frameWidth, height = files.frameHeight;
    int frameSize = width * height * 3 / 2;

    if (fread_s(frame_buffer_in, frameSize, 1, frameSize, files.iFile) != frameSize)
    {
        return false;
    }

    pFrameIn->data[0] = frame_buffer_in;
    pFrameIn->data[1] = pFrameIn->data[0] + width * height;
    pFrameIn->data[2] = pFrameIn->data[1] + width * height / 4;

    return true;
}

第二部分实际上分为两部分，即将输入frame送入filter graph，以及从filter graph中取出输出frame。实现方法分别为：

//将待处理的输入frame添加进filter graph
bool Add_frame_to_filter(AVFrame *frameIn)
{
    if (av_buffersrc_add_frame(buffersrc_ctx, frameIn) < 0) 
    {  
        return false;  
    }  

    return true;
}

//从filter graph中获取输出frame
int Get_frame_from_filter(AVFrame **frameOut)
{
    if (av_buffersink_get_frame(buffersink_ctx, *frameOut) < 0)
    {
        return false;
    }

    return true;
}

第三部分，写出输出frame到输出yuv文件：

//从输出frame中写出像素数据到输出文件
void Write_yuv_to_outfile(const AVFrame *frame_out, IOFiles &files)
{
    if(frame_out->format==AV_PIX_FMT_YUV420P)
    {  
        for(int i=0;i<frame_out->height;i++)
        {  
            fwrite(frame_out->data[0]+frame_out->linesize[0]*i,1,frame_out->width,files.oFile);  
        }  
        for(int i=0;i<frame_out->height/2;i++)
        {  
            fwrite(frame_out->data[1]+frame_out->linesize[1]*i,1,frame_out->width/2,files.oFile);  
        }  
        for(int i=0;i<frame_out->height/2;i++)
        {  
            fwrite(frame_out->data[2]+frame_out->linesize[2]*i,1,frame_out->width/2,files.oFile);  
        }  
    }  
}

该部分的综合实现如下：

while (Read_yuv_data_to_buf(frame_buffer_in, files, &frame_in)) 
{
    //将输入frame添加到filter graph
    if (!Add_frame_to_filter(frame_in))
    {
        printf("Error while adding frame.\n");
        goto end;
    }

    //从filter graph中获取输出frame
    if (!Get_frame_from_filter(&frame_out))
    {
        printf("Error while getting frame.\n");
        goto end;
    }

    //将输出frame写出到输出文件
    Write_yuv_to_outfile(frame_out, files);

    printf("Process 1 frame!\n");  
    av_frame_unref(frame_out);  
}

5、 收尾工作

整体实现完成后，需要进行善后的收尾工作有释放输入和输出frame、关闭输入输出文件，以及释放filter graph：

//关闭文件及相关结构
fclose(files.iFile);
fclose(files.oFile);

av_frame_free(&frame_in);
av_frame_free(&frame_out);

avfilter_graph_free(&filter_graph);

处理前的原始图像如下：

添加水印之后的图像如下：