Qt+FFmpeg仿VLC接收RTSP流并播放

关键词：Qt FFmpeg C++ RTSP RTP VLC 内存泄漏 摘要认证 花屏 源码 UDP

本系列原文地址。

下载直接可运行的源码，在原文顶部。

效果

产生RTSP流

比播放文件复杂一点是，为了接收RTSP流，我们需要产生RTSP流。简单搭建一个RTSP推流环境：

用EasyDarwin开启RTSP服务作为RTSP服务器。

用ffmpeg命令行作为客户端，向EasyDarwin循环推送一个视频文件。

./ffmpeg.exe -re -stream_loop -1 -i test.mp4 -c copy -f rtsp rtsp://127.0.0.1/stream

这样就可以从EasyDarwin接收RTSP流了。

我们用vlc接收RTSP流看看。

成功接收。

FFmepg接收RTSP流代码

用FFmpeg接收RTSP流并播放的流程和播放mp4文件的流程差不多，只不过播放mp4文件时，文件作为播放源，而接收RTSP流时，RTSP流作为了播放源：

我们依旧看下流程中的关键代码：

if (avformat_open_input(&fileFmtCtx, url.toStdString().c_str(), nullptr, nullptr) != 0) {
    qDebug() << "avformat_open_input() failed";
    return;
}

用于打开一个RTSP地址，跟打开一个文件相比，不仅要查找流信息，还需要和RTSP服务器建立连接，让RTSP服务器开始推流。

接收上述RTSP流后，我们打印AVFormatContext的相关属性：

qDebug() << "stream name: " << streamFmtCtx->url;
    qDebug() << "stream iformat: " << streamFmtCtx->iformat->name;
    qDebug() << "stream duration: " << streamFmtCtx->duration << " microseconds";
    qDebug() << "stream bit_rate: " << streamFmtCtx->bit_rate;
/* 
stream name:  rtsp://127.0.0.1/stream
stream iformat:  rtsp
stream duration:  -9223372036854775808  microseconds
stream bit_rate:  0
*/

这次由于是RTSP流，并不能获取准确的duration。继续打印流相关的信息：

qDebug() << "nb_streams:";
    for (unsigned int i = 0; i < streamFmtCtx->nb_streams; i++) {
        AVStream *stream = streamFmtCtx->streams[i];
        qDebug() << "Stream " << i + 1 << ":";
        qDebug() << "  Codec: " << avcodec_get_name(stream->codecpar->codec_id);
        qDebug() << "  Duration: " << stream->duration << " microseconds";
    }
/*
nb_streams:
Stream  1 :
  Codec:  h264
  Duration:  -9223372036854775808  microseconds
Stream  2 :
  Codec:  aac
  Duration:  -9223372036854775808  microseconds
*/

可以看到和上次直接读取文件的结果一样，包括1个H264视频流和1个AAC音频流。

swsCtx = sws_getContext(decoderCtx->width, decoderCtx->height, decoderCtx->pix_fmt,
                                     decoderCtx->width, decoderCtx->height, FMT_PIC_SHOW,
                                     SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);
qDebug() << "decoderCtx->pix_fmt:" << av_get_pix_fmt_name(decoderCtx->pix_fmt);
//decoderCtx->pix_fmt: yuv420p

sws_getContext()用于将RTSP流格式转换为将要显示的格式，这里是yuv420p=>AV_PIX_FMT_RGB24。

int numBytes = av_image_get_buffer_size(FMT_PIC_SHOW, decoderCtx->width, decoderCtx->height, 1);
showBuffer = (unsigned char*)av_malloc(static_cast<unsigned long long>(numBytes) * sizeof(unsigned char));
if(av_image_fill_arrays(showFrame->data, showFrame->linesize,
                        showBuffer, FMT_PIC_SHOW, decoderCtx->width, decoderCtx->height, 1) < 0)
{
    qDebug() << "av_image_fill_arrays() failed";
    return;
}

av_image_get_buffer_size计算了计算图像数据的缓冲区大小。av_malloc分配了1个内存块给showBuffer。av_image_fill_arrays用图像参数和showBuffer初始化AVFrame的data和linesize成员，并且让AVFrame和showBuffer关联。

while(av_read_frame(streamFmtCtx, packet) >= 0){
    if(packet->stream_index == nVideoIndex){
        if(avcodec_send_packet(decoderCtx, packet)>=0){
            while((ret = avcodec_receive_frame(decoderCtx, decodedFrame)) >= 0){
                //...
            }
        }
    }
}

和播放mp4文件类似的解码步骤，从RTSP流中读取一个数据包AVPacket，将AVPacket送入解码器进行解码，尝试从解码器中接收已解码的视频帧，并将接收到的帧数据存储在decodedFrame中。

经过上述基本步骤，我们的代码已经可以和VLC一样，从RTSP服务器接收RTSP流并播放了。

RTSP协议简述及验证

FFmpeg内部将RTSP连接建立处理得很好，但我们有必要进一步学习一下RTSP协议。RTSP全称Real Time Sreaming Protocol，是TCP/IP协议体系中的一个应用层协议。数据传输由RTP/RTCP完成，底层通过TCP/UDP实现。

一个标准的RTSP的收流协议层的交互流程如下：

话不多说，我们直接在上面的推流环境下（由于EasyDarwin似乎加密了某些信息，我们选择了一个其他的RTSP服务器，效果是一样的），用VLC收流，并用wireshark抓包看看协议流程是不是这样的：

直接看看每条信息都是什么：

client => server

Real Time Streaming Protocol
    Request: OPTIONS rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: OPTIONS
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 2\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    \r\n

client发送OPTIONS向rtsp://127.0.0.1:554/stream询问server支持哪些RTSP方法。

server=> client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    CSeq: 2\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    Public: DESCRIBE, SETUP, TEARDOWN, PLAY, PAUSE, OPTIONS, ANNOUNCE, RECORD\r\n
    \r\n

server回复支持DESCRIBE, SETUP, TEARDOWN, PLAY, PAUSE, OPTIONS, ANNOUNCE, RECORD

client => server

Real Time Streaming Protocol
    Request: DESCRIBE rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: DESCRIBE
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 3\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Accept: application/sdp\r\n
    \r\n

client请求媒体描述文件，格式为application/sdp。

一般server会进行用户认证，如果未携带Authorization鉴权信息，或者认证失败，server会返回错误号为401的响应，client接收到401响应时，需要根据已知的用户鉴权信息，生成Authorization，再次发送DESCRIBE，如果认证成功，服务器返回携带有SDP的响应信息。

是否进行认证和RTSP服务器有关，这里我们没有为EasyDarwin设置认证。

server=> client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
    CSeq: 3\r\n
    Session: _ZLZ7_NSR
    Content-type: application/sdp
    Content-length: 511
    \r\n
    Session Description Protocol
        Session Description Protocol Version (v): 0
        Owner/Creator, Session Id (o): - 0 0 IN IP4 127.0.0.1
        Session Name (s): No Name
        Connection Information (c): IN IP4 127.0.0.1
        Time Description, active time (t): 0 0
        Session Attribute (a): tool:libavformat 58.76.100
        Media Description, name and address (m): video 0 RTP/AVP 96
        Bandwidth Information (b): AS:1894
        Media Attribute (a): rtpmap:96 H264/90000
        Media Attribute (a): fmtp:96 packetization-mode=1; sprop-parameter-sets=Z2QAKqwspQFAFumoCAgKAAADAAIAAAMAYcTAAc/YABW+f4xwEA==,aOkJNSU=; profile-level-id=64002A
        Media Attribute (a): control:streamid=0
        Media Description, name and address (m): audio 0 RTP/AVP 97
        Bandwidth Information (b): AS:317
        Media Attribute (a): rtpmap:97 MPEG4-GENERIC/48000/2
        Media Attribute (a): fmtp:97 profile-level-id=1;mode=AAC-hbr;sizelength=13;indexlength=3;indexdeltalength=3; config=1190
        Media Attribute (a): control:streamid=1

server返回SDP信息，告诉client当前有哪些音视频流和属性，sdp协议不做展开。这里我们要关注的比较重要的信息是：server可以发送streamid=0的H264视频流和streamid=1的AAC音频流。

client => server

Real Time Streaming Protocol
    Request: SETUP rtsp://127.0.0.1:554/stream/streamid=0 RTSP/1.0\r\n
        Method: SETUP
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream/streamid=0
    CSeq: 4\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=52024-52025
    \r\n

client发送SETUP告诉server需要建立streamid=0即视频流的连接，这里RTP/AVP表示通过UDP传输，unicast表示单播，client_port=52024-52025需要单独解释一下，前面说到RTSP协议数据传输通过RTP+RTCP完成。RTP和RTCP都是建立在UDP之上的，RTP默认使用1个偶数端口号，而RTCP则默认使用RTP端口的下1个奇数端口号，就是这里的52024和52025。

server => client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    CSeq: 4\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=52024-52025
    \r\n

server向client返回确认。

client => server

Real Time Streaming Protocol
    Request: SETUP rtsp://127.0.0.1:554/stream/streamid=1 RTSP/1.0\r\n
        Method: SETUP
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream/streamid=1
    CSeq: 5\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=52028-52029
    Session: 4J_bOCNSg
    \r\n

client告诉server需要建立streamid=1的音频流的连接，RTP和RTCP的端口分别在52028和52029。

server => client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    Transport: RTP/AVP;unicast;client_port=52028-52029
    CSeq: 5\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    \r\n

server向client返回确认。

client=>server

Real Time Streaming Protocol
    Request: PLAY rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: PLAY
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 6\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    Range: npt=0.000-\r\n
    \r\n

client发送PLAY告诉server开始传输，Range代表媒体播放时间，server会根据Range的值播放指定段的数据流，对于实时流，一般只会指定起点，即Range: npt=0.000-

server=>client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    CSeq: 6\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    Range: npt=0.000-\r\n
    \r\n

server返回确认，使用同一Session。

client=>server

Real Time Streaming Protocol
    Request: TEARDOWN rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: TEARDOWN
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 7\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    \r\n

client发送TEARDOWN发起停止流传输请求。

server=>client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    CSeq: 7\r\n
    Session: 4J_bOCNSg
    \r\n

server返回确认，使用同一Session，停止流传输。

搭建摘要认证环境

上面说到了server可能会进行用户认证，那我们现在得创造一个需要认证的环境，直接看看EasyDarwin能不能直接选择认证，打开easydarwin.ini：

[http]
port=10008
default_username=admin
default_password=admin
#...
;是否使能向服务器推流或者从服务器播放时验证用户名密码. [注意] 因为服务器端并不保存明文密码，所以推送或者播放时，客户端应该输入密码的md5后的值。
;password should be the hex of md5(original password)
authorization_enable=0
#...

可以看到authorization_enable变量是控制认证的，把它的值改为1，重新启动服务。这时候发现原来的ffmpeg命令推流不成功了。

那就是说，向EasyDarwin推流的时候，也需要进行认证。从注释上来看，需要加入用户名和密码的md5值，我们用正确的参数再推流（下面mad5ofpassword换成你密码的md5）：

./ffmpeg.exe -re -stream_loop -1 -i test.mp4 -c copy -f rtsp rtsp://admin:mad5ofpassword@127.0.0.1/stream

成功了：

这时候用vlc接收试试，果然要进行认证，要求输入用户名和密码：

注意这里密码也要输入md5后的值。输入正确的密码后，vlc可以接收RTSP流了:

同样地，用wireshark抓包看看带有认证的流程是什么样的：

client=>server

Real Time Streaming Protocol
    Request: DESCRIBE rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: DESCRIBE
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 6\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Accept: application/sdp\r\n
    \r\n

首先client同样发起DESCRIBE

server=>client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 401 Unauthorized\r\n
        Status: 401
    CSeq: 6\r\n
    Session: ayQBojNIg
    WWW-Authenticate: Digest realm="EasyDarwin", nonce="539c6afee35b8edd354e983a6af947bf", algorithm="MD5"\r\n
    \r\n

server返回401，WWW-Authenticate: Digest表示需要摘要认证，realm和nonce用于生成response，algorithm="MD5"表示需要md5算法生成response。

client=>server

Real Time Streaming Protocol
    Request: DESCRIBE rtsp://127.0.0.1:554/stream RTSP/1.0\r\n
        Method: DESCRIBE
        URL: rtsp://127.0.0.1:554/stream
    CSeq: 7\r\n
    Authorization: Digest username="admin", realm="EasyDarwin", nonce="539c6afee35b8edd354e983a6af947bf", uri="rtsp://127.0.0.1:554/stream", response="d6a48b37f2010b3ddfad1eef18692648"\r\n
    User-Agent: LibVLC/3.0.18 (LIVE555 Streaming Media v2016.11.28)\r\n
    Accept: application/sdp\r\n
    \r\n

client用对应算法生成response并返回给server，response的计算方法单独再讲。

server=>client

Real Time Streaming Protocol
    Response: RTSP/1.0 200 OK\r\n
        Status: 200
    Content-length: 511
    CSeq: 7\r\n
    Session: ayQBojNIg
    \r\n
    Data (511 bytes)

server验证response通过，则返回200。

这里其实和上面一样返回了SDP信息（Data 511 bytes中的信息），但EasyDarwin是做了加密处理还是什么，是无法解析出来的。

之后的流程就和没有摘要认证的过程是一样的了。

完善代码，处理摘要认证

既然可能会存在认证，那我们代码中得处理server有认证的情况，否则肯定收不到RTSP流。首先我们定位server的返回在哪里被捕捉了，经过一番尝试，发现在方法avformat_open_input中：

if ((ret = avformat_open_input(&streamFmtCtx, url.toStdString().c_str(), nullptr, nullptr)) != 0) {
    qDebug() << "ret:" << ret;
}
//打印输出
//ret: -825242872
//ffmpeg日志输出
//[rtsp @ 000001d2d3940ec0] method DESCRIBE failed: 401 Unauthorized

在需要认证的情况下，avformat_open_input直接返回了一个负数。再结合ffmpeg的日志，大致可以断定这是server返回Unauthorized时的情况。但我们需要更具体的确认，所以查看avformat_open_input的声明：

//avformat.h
/*
* @return 0 on success, a negative AVERROR on failure.
*/
int avformat_open_input(AVFormatContext **ps, const char *url, ff_const59 AVInputFormat *fmt, AVDictionary **options);

返回值是一个int，注释中写到如果是失败，则返回AVERROR，那么接下来，我们可以去ffmpeg的源码中，找关于AVERROR的内容了。

如果编译了ffmpeg源码，直接debug就可以看到最终是如何返回的，但现在我们不想花额外的时间去编译源码，所以我们用宇宙第一IDE——Visual Studio，打开ffmpeg的源码文件夹，直接搜索AVERROR，很方便找到了AVERROR的定义：

//error.h
#define AVERROR(e) (-(e))   ///< Returns a negative error code from a POSIX error code, to return from library functions.

可以看到AVERROR是用来取POSIX中标准错误相反数的宏，继续追踪没有发现相关返回的地方。但我们在头文件却看见了Unauthorized的相关定义：

//error.h
#define AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED  FFERRTAG(0xF8,'4','0','1')
#define FFERRTAG(a, b, c, d) (-(int)MKTAG(a, b, c, d))
//common.h
#define MKTAG(a,b,c,d) ((a) | ((b) << 8) | ((c) << 16) | ((unsigned)(d) << 24))

按照定义，AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED实际上是(0xF8,'4','0','1')组合的移位，按照定义计算后AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED确实等于-825242872。为了验证，我们把宏定义从ffmpeg源码中复制出来，直接在我们项目中打印：

//mainwindow.h
#define AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED  FFERRTAG(0xF8,'4','0','1')
#define MKTAG(a, b, c, d) ((a) | ((b) << 8) | ((c) << 16) | ((unsigned)(d) << 24))
#define FFERRTAG(a, b, c, d) (-(int)MKTAG(a, b, c, d))
//mainwindow.cpp
qDebug() << "AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED:" <<FFERRTAG(0xF8,'4','0','1');

//输出
//AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED: -825242872

输出和前面的日志输出还有我们计算出来的结果都是一样的，到这里我们确定报出了AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED错误。顺手把error.h中其他宏定义打印出来，ffmpeg常用错误码错误码表如下：

于是可以在代码中增加Unauthorized情况的处理，如果Unauthorized则让用户输入用户名和密码。

//ffmpegmanager.cpp
if ((ret = avformat_open_input(&streamFmtCtx, url.toStdString().c_str(), nullptr, nullptr)) != 0) {
    if (ret == AVERROR_HTTP_UNAUTHORIZED)
    {
        //...
        return;
    }else{
        //...
        return;
    }
}

vlc中，如果输入的用户名和密码无法通过验证，则会重新弹出验证框（且用户名不用重新输入），直至输入正确或取消输入（效果看开头）。所以我们也加入RTSP地址合法性的检查等操作：

//ffmpegmanager.cpp
int rtspIndex = url.indexOf("rtsp://");
int atIndex = url.lastIndexOf("@");
if(rtspIndex != -1 && atIndex != -1){
    QString couple = url.mid(rtspIndex + 7, atIndex - rtspIndex - 7);
    username = couple;
    if(couple.contains(':')){
        username = couple.mid(0, couple.lastIndexOf(':'));
    }
}

到这里，我们的代码可以适配需要摘要认证的情况了。

增加错误窗口

vlc在无法打开RTSP地址的时候会弹出错误窗口。

我们也增加一个错误窗口，把所有错误都归为无法打开地址，并打印出来。

解决内存泄漏

最然程序可以正常接收RTSP流了，但出现了之前没出现的情况：内存持续增加。这种情况下一般是发生了内存泄露，之前读取MP4文件没有发现，可能是因为文件大小固定，现在持续收流，现象比较明显，我们得排查我们的代码。简单定位之后，我们发现是下面的代码块发生泄露：

while(av_read_frame(streamFmtCtx, packet) >= 0){
    if(packet->stream_index == nVideoIndex){
        if(avcodec_send_packet(decoderCtx, packet)>=0){
            while((ret = avcodec_receive_frame(decoderCtx, decodedFrame)) >= 0){
                //...
            }
        }
    }
}

接下来我们逐句排查，首先是av_read_frame，查看它的声明：

//avformat.h
/**
 *.....
 * On success, the returned packet is reference-counted (pkt->buf is set) and
 * valid indefinitely. The packet must be freed with av_packet_unref() when
 * it is no longer needed. 
 *.....
 */
int av_read_frame(AVFormatContext *s, AVPacket *pkt);

这里面有些有用的信息：pkt是reference-counted的，如果不av_packet_unref() ，则它将永久有效。继续看它的定义，我们的目标是找出和pkt相关的进行reference-counted的语句：

//avformat.cpp
int av_read_frame(AVFormatContext *s, AVPacket *pkt){
    //...
    ret = read_frame_internal(s, pkt);
    ret = avpriv_packet_list_put(&s->internal->packet_buffer,
                                 &s->internal->packet_buffer_end,
                                 pkt, NULL, 0);
    //...
}

最终pkt都要执行这两个函数，avpriv_packet_list_put就是我们要找的地方，继续看它的声明和定义：

//packet_internal.h
/**
 * Append an AVPacket to the list.
 *
 * @param head  List head element
 * @param tail  List tail element
 * @param pkt   The packet being appended. The data described in it will
 *              be made reference counted if it isn't already.
 */
int avpriv_packet_list_put(PacketList **head, PacketList **tail,
                           AVPacket *pkt,
                           int (*copy)(AVPacket *dst, const AVPacket *src),
                           int flags);
//avpacket.c
int avpriv_packet_list_put(PacketList **packet_buffer,
                           PacketList **plast_pktl,
                           AVPacket      *pkt,
                           int (*copy)(AVPacket *dst, const AVPacket *src),
                           int flags)
{
    //...
    if (*packet_buffer)
        (*plast_pktl)->next = pktl;
    else
        *packet_buffer = pktl;
    *plast_pktl = pktl;
    return 0;
}

最后pkt添加到了buffered packet中。其他细节我们可以不用深究，只需要知道pkt被添加到了一个list中，那么这里的确会产生内存泄漏。根据前面声明中的提示，我们需要使用av_packet_unref()来释放pkt的引用，那么直接在读取和使用完1个AVPacket和结束时调用av_packet_unref()。

while(av_read_frame(streamFmtCtx, packet) >= 0){
    //...
    av_packet_unref(packet);
}
av_packet_unref(packet);

加上后发现，内存泄漏的问题被解决了，那就不再继续向下排查了。

遗留问题

至此，一个简单好用的RTSP收流功能就算是完成了，但别高兴的太早，事情往往没有我们想象的那么简单——经过测试，接收高分辨率视频一段时间后（甚至一开始），就会产生花屏现象：

考虑到篇幅原因，后面单独篇章再去讨论解决这个问题，依旧是需要从源码切入：)

TO-DO

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