FFmpeg的H.264解碼器原始碼簡單分析：概述，ffmpegh.264

FFmpeg的H.264解碼器原始碼簡單分析：概述，ffmpegh.264
本文簡單記錄FFmpeg中libavcodec的H.264解碼器（H.264 Decoder）的原始碼。這個H.264解碼器十分重要，可以說FFmpeg項目今天可以幾乎“壟斷”視音頻編解碼技術，很大一部分貢獻就來自於這個H.264解碼器。這個H.264解碼器一方面功能強大，效能穩定；另一方面原始碼也比較複雜，難以深入研究。本文打算梳理一下這個H.264解碼器的原始碼結構，以方便以後深入學習H.264使用。
PS：這部分代碼挺複雜的，還有不少地方還比較模糊，還需要慢慢學習......

函數呼叫歷程圖

H.264解碼器的函數呼叫歷程圖如下所示。

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下面解釋一中關鍵標記的含義。

作為介面的結構體FFmpeg和H.264解碼器之間作為介面的結構體有2個：

ff_h264_parser：用於解析H.264碼流的AVCodecParser結構體。
ff_h264_decoder：用於解碼H.264碼流的AVCodec結構體。

函數背景色函數在圖中以方框的形式表現出來。不同的背景色標誌了該函數不同的作用：

白色背景的函數：普通內建函式。
粉紅色背景函數：解析函數（Parser）。這些函數用於解析SPS、PPS等資訊。
紫色背景的函數：熵解碼函數（Entropy Decoding）。這些函數讀取碼流資料並且進行CABAC或者CAVLC熵解碼。
綠色背景的函數：解碼函數（Decode）。這些函數通過幀內預測、幀間預測、DCT反變換等方法解碼壓縮資料。
黃色背景的函數：環路濾波函數（Loop Filter）。這些函數對解碼後的資料進行濾波，去除方塊效應。
藍色背景函數：彙編函數（Assembly）。這些函數是做過彙編最佳化的函數。圖中主要畫出了這些函數的C語言版本，此外這些函數還包含MMX版本、SSE版本、NEON版本等。

箭頭線箭頭線標誌了函數的調用關係：

黑色箭頭線：不加區別的調用關係。
粉紅色的箭頭線：解析函數（Parser）之間的調用關係。
紫色箭頭線：熵解碼函數（Entropy Decoding）之間的調用關係。
綠色箭頭線：解碼函數（Decode）之間的調用關係。
黃色箭頭線：環路濾波函數（Loop Filter）之間的調用關係。

 
函數所在的檔案

每個函數標識了它所在的檔案路徑。

下文簡單記錄幾個關鍵的部分。

FFmpeg和H.264解碼器之間作為介面的結構體

FFmpeg和H.264解碼器之間作為介面的結構體有2個：ff_h264_parser和ff_h264_decoder。

ff_h264_parser
ff_h264_parser是用於解析H.264碼流的AVCodecParser結構體。AVCodecParser中包含了幾個重要的函數指標：

parser_init()：初始化解析器。
parser_parse()：解析。
parser_close()：關閉解析器。

在ff_h264_parser結構體中，上述幾個函數指標分別指向下面幾個實現函數：

init()：初始化H.264解析器。
h264_parse()：解析H.264碼流。
close()：關閉H.264解析器。

ff_h264_decoder
ff_h264_decoder是用於解碼H.264碼流的AVCodec結構體。AVCodec中包含了幾個重要的函數指標：

init()：初始化解碼器。
decode()：解碼。
close()：關閉解碼器。

在ff_h264_decoder結構體中，上述幾個函數指標分別指向下面幾個實現函數：

ff_h264_decode_init()：初始化H.264解碼器。
h264_decode_frame()：解碼H.264碼流。
h264_decode_end()：關閉H.264解碼器。

普通內建函式普通內建函式指的是H.264解碼器中還沒有進行分類的函數。下面舉幾個例子。

ff_h264_decoder中ff_h264_decode_init()調用的初始化函數：

ff_h264dsp_init()：初始化DSP相關的函數。包含了IDCT、環路濾波函數等。
ff_h264qpel_init()：初始化四分之一像素運動補償相關的函數。
ff_h264_pred_init()：初始化幀內預測相關的函數。
ff_h264_decode_extradata()：解析AVCodecContext中的extradata。

ff_h264_decoder中h264_decode_frame()逐層調用的和解碼Slice相關的函數：

decode_nal_units()，ff_h264_execute_decode_slices()，decode_slice()等。

ff_h264_decoder中h264_decode_end()調用的清理函數：

ff_h264_remove_all_refs()：移除所有參考幀。
ff_h264_free_context()：釋放在初始化H.264解碼器的時候分配的記憶體。

ff_h264_parser中h264_parse()逐層調用的和解析Slice相關的函數：

h264_find_frame_end()：尋找NALU的結尾。
parse_nal_units()：解析一個NALU。

解析函數（Parser）解析函數（Parser）用於解析H.264碼流中的一些資訊（例如SPS、PPS、Slice Header等）。在parse_nal_units()和decode_nal_units()中都調用這些解析函數完成瞭解析。下面舉幾個解析函數的例子。

ff_h264_decode_nal()：解析NALU。這個函數是後幾個解析函數的前提。
ff_h264_decode_slice_header()：解析Slice Header。
ff_h264_decode_sei()：解析SEI。
ff_h264_decode_seq_parameter_set()：解析SPS。
ff_h264_decode_picture_parameter_set()：解析PPS。

熵解碼函數（Entropy Decoding）熵解碼函數（Entropy Decoding）讀取碼流資料並且進行CABAC或者CAVLC熵解碼。CABAC解碼函數是ff_h264_decode_mb_cabac()，CAVLC解碼函數是ff_h264_decode_mb_cavlc()。熵解碼函數中包含了很多的讀取指數哥倫布編碼資料的函數，例如get_ue_golomb_long()，get_ue_golomb()，get_se_golomb()，get_ue_golomb_31()等等。
在擷取殘差資料的時候需要進行CAVLC/CABAC解碼。例如解碼CAVLC的時候，會調用decode_residual()函數，而decode_residual()會調用get_vlc2()函數，get_vlc2()會調用OPEN_READER()，UPDATE_CACHE()，GET_VLC()，CLOSE_READER()幾個函數讀取CAVLC格式的資料。
此外，在擷取運動向量的時候，會調用pred_motion()以及類似的幾個函數擷取運動向量相關的資訊。

解碼函數（Decode）解碼函數（Decode）通過幀內預測、幀間預測、DCT反變換等方法解碼壓縮資料。解碼函數是ff_h264_hl_decode_mb()。其中跟宏塊類型的不同，會調用幾個不同的函數，最常見的就是調用hl_decode_mb_simple_8()。
hl_decode_mb_simple_8()的定義是無法在原始碼中直接找到的，這是因為它實際代碼的函數名稱是使用宏的方式寫的（以後再具體分析）。hl_decode_mb_simple_8()的原始碼實際上就是FUNC(hl_decode_mb)()函數的原始碼。
FUNC(hl_decode_mb)()根據宏塊類型的不同作不同的處理：如果宏塊類型是INTRA，就會調用hl_decode_mb_predict_luma()進行幀內預測；如果宏塊類型不是INTRA，就會調用FUNC(hl_motion_422)()或者FUNC(hl_motion_420)()進行四分之一像素運動補償。
隨後FUNC(hl_decode_mb)()會調用hl_decode_mb_idct_luma()等幾個函數對資料進行DCT反變換工作。

環路濾波函數（Loop Filter）環路濾波函數（Loop Filter）對解碼後的資料進行濾波，去除方塊效應。環路濾波函數是loop_filter()。其中調用了ff_h264_filter_mb()和ff_h264_filter_mb_fast()。ff_h264_filter_mb_fast()中又調用了h264_filter_mb_fast_internal()。而h264_filter_mb_fast_internal()中又調用了下面幾個函數進行濾波：

filter_mb_edgeh()：亮度水平濾波
filter_mb_edgev()：亮度垂直濾波
filter_mb_edgech()：色度水平濾波

filter_mb_edgecv()：色度垂直濾波

彙編函數（Assembly）彙編函數（Assembly）是做過彙編最佳化的函數。為了提高效率，整個H.264解碼器中（主要在解碼部分和環路濾波部分）包含了大量的彙編函數。實際解碼的過程中，FFmpeg會根據系統的特性調用相應的彙編函數（而不是C語言函數）以提高解碼的效率。如果系統不支援彙編最佳化的話，FFmpeg才會調用C語言版本的函數。例如在幀內預測的時候，對於16x16亮度DC模式，有以下幾個版本的函數：

C語言版本的pred16x16_dc_8_c()
NEON版本的ff_pred16x16_dc_neon()
MMXEXT版本的ff_pred16x16_dc_8_mmxext()
SSE2版本的ff_pred16x16_dc_8_sse2()

附錄

在網上找到一張圖（出處不詳），分析了FFmpeg的H.264解碼器每個函數啟動並執行耗時情況，比較有參考意義，在這裡附上。

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可以看出，熵解碼、宏塊解碼、環路濾波耗時比例分別為：23.64%、51.85%、22.22%。

至此FFmpeg的H.264解碼器的結構就大致梳理完畢了。




雷霄驊
leixiaohua1020@126.com
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