为什么 OpenCV 计算的视频 FPS 是错的

作者： 王伟 , 刘一卓
视频技术
字数统计: 3.7k   |   阅读时长≈ 18 分钟

我们有一个平台来周期性的对线上的直播流数据进行某些检测，例如黑/白屏检测、静态画面检测……在检测中，我们会根据提取到的直播流的帧率来预估要计算的帧数量，例如如果要检测 5s 的直播流，而该直播流的帧率为 20 fps，需要计算的帧数量则为 100。忽然有一天，我们发现，平台开始大面积的超时，之前只需要 2s 就能完成的计算，现在却需要 30+ 分钟。查了之后，我们发现，之所以计算超时是因为 OpenCV 计算的帧率为 2000，从而导致需要计算的帧数量从之前的 100 变为了 10000，进而引起了计算超时。

OpenCV 如何计算帧率

这个问题的具体描述可以参见 OpenCV Issues 21006。该问题的模拟直播流片段 test.ts 可以点击链接下载，下载提取码为 x87m。

如果用如下的代码获取 test.ts 的 fps，

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const double FPS = cap.get(cv::CAP_PROP_FPS);
std::cout << "fps: " << FPS << std::endl;

可以得到：

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$ fps: 2000

用 ffprobe 对视频进行分析，

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$ ffprobe -select_streams v -show_streams test.ts

可以得到：

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codec_name=h264
r_frame_rate=30/1
avg_frame_rate=0/0
……

从 opencv/modules/videoio/src/cap_ffmpeg_impl.hpp 中，我们发现 fps 由 CvCapture_FFMPEG::get_fps() 计算而来，其计算逻辑如下：

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double fps = r2d(ic->streams[video_stream]->avg_frame_rate);
if (fps < eps_zero) {
    fps = 1.0 / r2d(ic->streams[video_stream]->codec->time_base);
}

为什么 OpenCV 得到的帧率是错的

利用 test_time_base.cpp，我们可以得到：

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time_base: 1/2000
framerate: 0/0
avg_framerate: 0/0
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r2d(ic->streams[video_stream]->avg_frame_rate) = 0

所以 OpenCV 采用了 

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1.0 / r2d(ic->streams[video_stream]->codec->time_base)

来计算该视频的 fps。而此处的 time_base = 1/2000，因此，最终得到的 fps 是 2000。

也就是说，AVStream->codec->time_base 的值导致了 OpenCV 得到一个看起来是错误的 fps。那么，AVStream->codec->time_base 为什么是这个数呢？FFmpeg 是怎么计算这个字段的呢？

FFmpeg 如何计算 AVCodecContext.time_base

AVStream->codec->time_base 是 AVCodecContext 中定义的 time_base 字段，根据 libavcodec/avcodec.h 中的定义，该字段的解释如下：

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/**
  * This is the fundamental unit of time (in seconds) in terms
  * of which frame timestamps are represented. For fixed-fps content,
  * timebase should be 1/framerate and timestamp increments should be
  * identically 1.
  * This often, but not always is the inverse of the frame rate or field rate
  * for video. 1/time_base is not the average frame rate if the frame rate is not
  * constant.
  *
  * Like containers, elementary streams also can store timestamps, 1/time_base
  * is the unit in which these timestamps are specified.
  * As example of such codec time base see ISO/IEC 14496-2:2001(E)
  * vop_time_increment_resolution and fixed_vop_rate
  * (fixed_vop_rate == 0 implies that it is different from the framerate)
  *
  * - encoding: MUST be set by user.
  * - decoding: the use of this field for decoding is deprecated.
  *             Use framerate instead.
  */
AVRational time_base;

从中可以看出，对于解码而言，time_base 已经被废弃，需要使用 framerate 来替换 time_base。并且，对于固定帧率而言，time_base = 1/framerate，但是，并非总是如此。

利用 H264Naked 对 test.ts 对应的 H264 码流进行分析，我们得到 SPS.Vui 信息：

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timing_info_present_flag :1
num_units_in_tick :1
time_scale :2000
fixed_frame_rate_flag :0

从中可以看到，test.ts 是非固定帧率视频。从 test_time_base.cpp 的结果看，test.ts 视频中，framerate = 0/0，而 time_base = 1/2000。

难道，对于非固定帧率视频而言，time_base 和 framerate 之间没有关联？如果存在关联，那又是怎样的运算才能产生这种结果？这个 time_base 究竟是怎么计算的呢？究竟和 framerate 有没有关系呢？一连串的问题随之而来……

源码面前，了无秘密。接下来，带着这个问题，我们来一起分析一下 FFmpeg 究竟是如何处理 time_base 的。

avformat_find_stream_info

在 FFmpeg 中，avformat_find_stream_info() 会对 ic->streams[video_stream]->codec 进行初始化，因此，我们可以从 avformat_find_stream_info() 开始分析。

从 libavformat/avformat.h 中，可以得知avformat_open_input()会打开视频流，从中读取相关的信息，然后存储在AVFormatContext中，但是有时候，此处获取的信息并不完整，因此需要调用avformat_find_stream_info()来获取更多的信息。

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* @section lavf_decoding_open Opening a media file
* The minimum information required to open a file is its URL, which
* is passed to avformat_open_input(), as in the following code:
* @code
* const char    *url = "file:in.mp3";
* AVFormatContext *s = NULL;
* int ret = avformat_open_input(&s, url, NULL, NULL);
* if (ret < 0)
*     abort();
* @endcode
* The above code attempts to allocate an AVFormatContext, open the
* specified file (autodetecting the format) and read the header, exporting the
* information stored there into s. Some formats do not have a header or do not
* store enough information there, so it is recommended that you call the
* avformat_find_stream_info() function which tries to read and decode a few
* frames to find missing information.

需要注意的是：avformat_find_stream_info() 会尝试通过解码部分视频帧来获取需要的信息。

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/**
 * Read packets of a media file to get stream information. This
 * is useful for file formats with no headers such as MPEG. This
 * function also computes the real framerate in case of MPEG-2 repeat
 * frame mode.
 * The logical file position is not changed by this function;
 * examined packets may be buffered for later processing.
 *
 * @param ic media file handle
 * @param options  If non-NULL, an ic.nb_streams long array of pointers to
 *                 dictionaries, where i-th member contains options for
 *                 codec corresponding to i-th stream.
 *                 On return each dictionary will be filled with options that were not found.
 * @return >=0 if OK, AVERROR_xxx on error
 *
 * @note this function isn't guaranteed to open all the codecs, so
 *       options being non-empty at return is a perfectly normal behavior.
 *
 * @todo Let the user decide somehow what information is needed so that
 *       we do not waste time getting stuff the user does not need.
 */
int avformat_find_stream_info(AVFormatContext *ic, AVDictionary **options);

avformat_find_stream_info() 的整体逻辑大致如下图所示，其中特别需要关注图中所示的 7 个步骤：

avformat_find_stream_info() 的重要步骤说明

  • STEP 1. 设置线程数，避免 H264 多线程解码时没有把 SPS/PPS 信息提取到 extradata。
  • STEP 2. 设置 AVStream *st，st 会在后续的函数调用中一直透到 try_decode_frame()。
  • STEP 4. 设置 AVCodecContext *avctx 为透传的 st->internal->avctx，在后续的解码函数调用中，一直透传的就是这个 avctx，因此，从这里开始的执行流程，FFmpeg 使用的全部都是 st->internal->avctx，而不是 st->codec，这里要特别的注意。此处同时会设置解码的线程数，其目的和 STEP 1是一致的。
  • STEP 5. 因为之前设置了解码线程数为 1，因此此处会调用 
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    ret = avctx->codec->decode(avctx, frame, &got_frame, pkt)
    来解码并计算 avctx->framerate。 注意，此处的 avctx 实际上是透传而来的 st->internal->avctx。计算 framerate 的逻辑会在 如何计算 framerate 介绍。
  • STEP 6. 根据解码器得到的 framerate 信息来计算 avctx->time_base，注意此处实际上是 st->internal->avctx->time_base。 根据 下文 framerate 的计算 可知，此处 framerate = {1000, 1}。 根据 AVCodecContext.ticks_per_frame 的介绍 可知，ticks_per_frame = 2。 因此，此处 avctx->time_base = {1, 2000}： 
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    avctx->time_base = av_inv_q(av_mul_q({1000, 1}, {2, 1})) = {1, 2000}
  • STEP 7. 这一步可谓是“瞒天过海，明修栈道暗度陈仓”，这一步为了解决 API 的前向兼容，做了一个替换，把 st->internal->avctx->time_base 赋值给了 st->codec->time_base，而把 st->avg_frame_rate 赋值给了 st->codec->framerate。因此： 
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    st->codec->time_base = {1, 2000}
    st->codec->framerate = {0, 0}
    st->codec->time_base 的计算和 st->codec->framerate 之间没有任何关系，而是和 st->internal->avctx->framerate 有关。本质而言，和 sps.time_scale，sps.num_units_in_tick 有关。 
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    st->internal->avctx->time_base.num = sps->num_units_in_tick * 
        st->internal->avctx->ticks_per_frame

    st->internal->avctx->time_base.den = sps->time_scale * 
        st->internal->avctx->ticks_per_frame;

    st->internal->avctx->time_base = {sps->num_units_in_tick, sps->time_scale}

internal->avctx->time_base & internal->framerate

  • 所以实际上，internal->avctx->time_base 为： 
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    avctx->time_base = sps->num_units_in_tick / sps->time_scale
  • 而，internal->avctx->framerate 则是： 
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    avctx->framerate = sps->time_scale / (sps->num_units_in_tick * avctx->ticks_per_frame)
    因此，对于 H264 码流而言，time_base = 1 / (2 * framerate)，而不是 1 / framerate。

这也就是为什么 libavcodec/avcodec.h 中说：

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* This often, but not always is the inverse of the frame rate or field rate
* for video.

从如上的分析可以知道： 

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avctx->framerate = 1 / (avctx->time_base * avctx->ticks_per_frame)
因此，当 st->avg_frame_rate = 0 时，OpenCV 计算 fps 的逻辑 是错误的。

在 H265 中，ticks_per_frame = 1，因此对于 H265 的编码，OpenCV 是没有这个问题的。可以使用 Zond 265 工具来分析一个 H265 的视频码流，然后对照 OpenCV 以及 FFmpeg 的结果来验证。

同时，正是如上所示的 STEP 7 中的移花接木导致了 test_time_base.cpp 的结果：

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st->codec->framerate: 0/0
st->codec->time_base: 1/2000

ff_h264_decoder

libavcodec/decode.c 中的 decode_simple_internal() 中会调用对应的解码器来进行解码（STPE 5）。而正如前所示，test.ts 为 H264 编码的视频流，因此，此处会调用 H264 解码器来进行解码。在 FFmpeg 中，H264 解码器位于 libavcodec/h264dec.c 中定义的 const AVCodec ff_h264_decoder。

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const AVCodec ff_h264_decoder = {
    .name                  = "h264",
    .type                  = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,
    .id                    = AV_CODEC_ID_H264,
    .priv_data_size        = sizeof(H264Context),
    .init                  = h264_decode_init,
    .close                 = h264_decode_end,
    .decode                = h264_decode_frame,
    ......
};

在上文图中的 STPE 5 中，

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ret = avctx->codec->decode(avctx, frame, &got_frame, pkt);

实际调用的就是

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ff_h264_decoder->h264_decode_frame(avctx, frame, &got_frame, pkt);

而此处的 avctx 也就是 try_decode_frame() 中的透传下来的 st->internal->avctx，即上文图中的 STEP 4。

h264_decode_frame

h264_decode_frame() 的整体逻辑如下图所示：

AVCodecContext.ticks_per_frame

后面会用到 ticks_per_frame 来计算 framerate。在 STEP 6 中计算 time_base 的时候也用到了该值。因此，有必要做一下特殊说明。 在 H264 解码器中，ticks_per_frame=2，其具体的取值可以从如下几处得知：

  • libavcodec/avcodec.h 中的字段说明： 
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    /**
     * For some codecs, the time base is closer to the field rate than the frame rate.
     * Most notably, H.264 and MPEG-2 specify time_base as half of frame duration
     * if no telecine is used ...
     *
     * Set to time_base ticks per frame. Default 1, e.g., H.264/MPEG-2 set it to 2.
     */
    int ticks_per_frame;
  • libavcodec/h264dec.c 中的 h264_decode_init()： 
    1
    avctx->ticks_per_frame = 2;

如何计算 framerate

如何计算 st->internal->avctx->framerate

  • STEP 1. 根据整体的计算流程可知，此处的 h 实际上就是 avformat_find_stream_info() 中的 st->internal->avctx->priv_data。h 会一直透传到之后的所有流程，这个务必要注意。
  • STEP 2. 此处会首先获取到 sps 的相关信息，以备后续的计算使用，我们可以再次看一下 test.ts sps 的相关信息。 
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    timing_info_present_flag :1
    num_units_in_tick :1
    time_scale :2000
    fixed_frame_rate_flag :0
  • STEP 3. 根据 sps 的相关信息计算 framerate，在上文的 STEP 6 中计算 time_base 用到的 framerate 就是在此处计算的。因为 timing_info_present_flag = 1，因此会执行计算 framerate 的逻辑： 
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    avctx->framerate.den = sps->num_units_in_tick * h->avctx->ticks_per_frame = 1 * 2 = 2
    avctx->framerate.num = sps->time_scale = 2000
    avctx->framerate = (AVRational){1000, 1}
    因此， 
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    st->internal->avctx->framerate = {1000, 1}

结论

通过如上的分析我们可以知道：

  • FFmpeg 在计算 AVCodecContex 中的 framerate 和 time_base 的时候，会用到：
    • sps.time_scale
    • sps.num_units_in_tick
    • AVCodecContex.ticks_per_frame
  • 在 FFmpeg 中，framerate 和 time_base 的关系为：
    • framerate = 1 / (time_base * ticks_per_frame)
    • time_base = 1 / (framerate * ticks_per_frame)
  • 对于非 H.264/MPEG-2，ticks_per_frame=1，因此 framerate 和 time_base 是互为倒数的关系。而对于 H.264/MPEG-2 而言，ticks_per_frame=2，因此，此时，二者并非是互为倒数的关系。因此，FFmpeg 中才说，framerate 和 time_base 通常是互为倒数的关系，但并非总是如此。
  • 在 OpenCV 中，对于 H.264/MPEG-2 视频而言，当 AVStream.avg_frame_rate=0 时，其计算 fps 的逻辑存在 BUG。
  • 因为在解码时，AVCodecContex.time_base 已经废弃，同时 AVStream.avctx 也已经废弃，而 avformat_find_stream_info() 中为了兼容老的 API，因此会利用 AVStream.internal.avctx 和其他的信息来设置 AVStream.avctx。而 AVStream.avctx.time_base 取自 AVStream.internal.avctx，AVStream.avctx.framerate 则取自 AVStream.framerate。
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