使用 Rust 代码实现 FFmpeg 滤镜：简化音视频处理的新方法

引言

FFmpeg 是一个功能强大的多媒体处理工具，广泛应用于视频和音频的编码、解码、转码以及滤镜应用。然而，在 Rust 项目中直接使用 FFmpeg 的 C API 时，开发者可能会面临内存管理复杂、安全性隐患等问题。特别是实现自定义滤镜，传统方法需要编写 C 代码并深入理解 FFmpeg 内部结构，这对许多开发者来说门槛较高。Rust 凭借其内存安全和简洁的特性，提供了一种新的可能性：通过 ez-ffmpeg 库，我们可以用纯 Rust 代码实现 FFmpeg 的自定义滤镜，显著降低开发难度。

本文将深入探讨如何使用 Rust 和 ez-ffmpeg 实现 FFmpeg 自定义滤镜，覆盖视频和音频处理，从痛点分析到具体实现，帮助你从基础入门到进阶应用。

痛点与场景分析

传统方法的挑战

• 复杂性：FFmpeg 的 C API 需要手动管理内存，稍有不慎就会导致内存泄漏或程序崩溃。
• 安全性：在 Rust 中调用 C 代码需要使用 FFI（外部函数接口），涉及 unsafe 块，增加了安全隐患。
• 学习曲线：实现自定义滤镜需要掌握 FFmpeg 的内部机制，如滤镜图配置和帧处理流程，这对非 C 开发者而言尤为困难。

适用场景

• 实时视频处理：例如在直播中添加亮度调整或灰度特效。
• 机器学习数据增强：对视频帧进行变换，生成多样化的训练数据。
• 游戏开发：为视频内容添加动态效果，提升视觉体验。
• 音频处理：调整音量或添加音效，优化听觉效果。
• 监控系统：实现运动检测或对象跟踪等视频分析功能。

这些场景中，开发者需要高效、安全且易用的工具来实现自定义滤镜，而 ez-ffmpeg 通过 Rust 的特性很好地满足了这一需求。

基础实现：亮度调整滤镜（YUV420）

让我们从一个基础示例开始：实现一个针对 YUV420 格式视频的亮度调整滤镜。大多数视频采用 YUV420 格式，因此这是一个实用的起点。

配置环境

在 Cargo.toml 中添加依赖：

[dependencies]
ez-ffmpeg = "*"

确保系统已安装 FFmpeg 7.0 或更高版本的依赖(非执行文件)，Rust 版本为 1.80.0 或更高。

实现代码

以下代码通过增加 Y 分量来调整亮度：

use ez_ffmpeg::core::filter::frame_filter::FrameFilter;
use ez_ffmpeg::filter::frame_filter_context::FrameFilterContext;
use ez_ffmpeg::{AVMediaType, Frame};
​
pub struct BrightnessFilter {
    pub(crate) increment: i32,
}
​
impl FrameFilter for BrightnessFilter {
    fn media_type(&self) -> AVMediaType {
        AVMediaType::AVMEDIA_TYPE_VIDEO
    }
​
    fn filter_frame(
        &mut self,
        mut frame: Frame,
        _ctx: &FrameFilterContext,
    ) -> Result<Option<Frame>, String> {
        if unsafe { frame.as_ptr().is_null() } {
            println!("收到结束帧");
            return Ok(Some(frame));
        }
        // 只接收YUV420P
        if unsafe { (*frame.as_ptr()).format } != 0 {
            return Err("Unsupported pixel format".to_string());
        }
        let y_data = plane_mut(&mut frame);
        for y in y_data.iter_mut() {
            let new_y = (*y as i32 + self.increment).clamp(0, 255) as u8;
            *y = new_y;
        }
        Ok(Some(frame))
    }
}
​
#[inline]
pub fn plane_mut(frame: &mut Frame) -> &mut [u8] {
    unsafe {
        std::slice::from_raw_parts_mut(
            (*frame.as_mut_ptr()).data[0],
            (*frame.as_mut_ptr()).linesize[0] as usize * (*frame.as_mut_ptr()).height as usize,
        )
    }
}
​

完整运行代码

将滤镜应用到视频处理流程中：

use crate::brightness_filter::BrightnessFilter;
use ez_ffmpeg::filter::frame_pipeline_builder::FramePipelineBuilder;
use ez_ffmpeg::{AVMediaType, FfmpegContext, Output};
​
fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
let frame_pipeline_builder: FramePipelineBuilder = AVMediaType::AVMEDIA_TYPE_VIDEO.into();
    let brightness_filter = BrightnessFilter { increment: 20 };
    let frame_pipeline_builder = frame_pipeline_builder
        .filter("brightness", Box::new(brightness_filter))
        .build();
​
    FfmpegContext::builder()
        .input("input.mp4")
        .output(Output::from("output.mp4").add_frame_pipeline(frame_pipeline_builder))
        .build()?
        .start()?
        .wait()?;
    Ok(())
}

这个示例将输入视频的亮度增加 20，并生成新的输出文件 output.mp4。

更深的痛点与进阶实现

基础实现展示了简单的 CPU 处理，但对于实时性要求高或性能敏感的场景，CPU 处理可能成为瓶颈。此外，音频处理的需求也日益增加。以下是两个进阶示例：GPU 加速的灰度滤镜和音频音量调整滤镜。

更深的痛点

• 性能瓶颈：CPU 处理大量视频帧可能导致延迟，尤其在实时应用中。
• 硬件兼容性：GPU 加速需要处理不同硬件的兼容性问题。
• 多媒体需求：视频和音频的联合处理需要灵活的工具支持。

进阶示例 1：灰度滤镜（OpenGL）

对于高性能需求，我们可以使用 OpenGL 实现 GPU 加速的灰度滤镜。首先启用 opengl 特性：

[dependencies]
ez-ffmpeg = { version = "*", features = ["opengl"] }

启用了opengl特性后就可以使用库内自带的OpenGLFrameFilter，不需要另外自己实现Filter

片段着色器

#version 330 core
in vec2 TexCoord;
out vec4 FragColor;
uniform sampler2D texture1;
​
void main() {
    vec4 color = texture(texture1, TexCoord);
    float gray = 0.299 * color.r + 0.587 * color.g + 0.114 * color.b;
    FragColor = vec4(gray, gray, gray, color.a);
}

Rust 实现

use ez_ffmpeg::filter::frame_pipeline_builder::FramePipelineBuilder;
use ez_ffmpeg::opengl::opengl_frame_filter::OpenGLFrameFilter;
use ez_ffmpeg::{AVMediaType, FfmpegContext, Output};
​
fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let fragment_shader = r#"
    #version 330 core
    in vec2 TexCoord;
    out vec4 FragColor;
    uniform sampler2D texture1;
​
    void main() {
        vec4 color = texture(texture1, TexCoord);
        float gray = 0.299 * color.r + 0.587 * color.g + 0.114 * color.b;
        FragColor = vec4(gray, gray, gray, color.a);
    }"#;
​
    let filter = OpenGLFrameFilter::new_simple(fragment_shader).unwrap();
    let frame_pipeline_builder: FramePipelineBuilder = AVMediaType::AVMEDIA_TYPE_VIDEO.into();
    let frame_pipeline_builder = frame_pipeline_builder.filter("opengl", Box::new(filter));
​
    FfmpegContext::builder()
        .input("input.mp4")
        .output(Output::from("output.mp4").add_frame_pipeline(frame_pipeline_builder))
        .build()?
        .start()?
        .wait()?;
    Ok(())
}

这个示例利用 GPU 将视频转为灰度，适合实时处理。

进阶示例 2：音量调整滤镜（音频）

基于官方 custom_volume_filter 示例，我们实现一个音量调整滤镜：

实现代码

use ez_ffmpeg::{AVMediaType, Frame};
use ez_ffmpeg::core::filter::frame_filter::FrameFilter;
use ez_ffmpeg::filter::frame_filter_context::FrameFilterContext;
​
pub struct VolumeFilter {
    pub(crate) gain: f32,
}
​
impl FrameFilter for VolumeFilter {
    fn media_type(&self) -> AVMediaType {
        AVMediaType::AVMEDIA_TYPE_AUDIO
    }
​
    fn filter_frame(&mut self, mut frame: Frame, _ctx: &FrameFilterContext) -> Result<Option<Frame>, String> {
        if unsafe { frame.as_ptr().is_null() } {
            println!("收到结束帧");
            return Ok(Some(frame));
        }
        // 只接收S16格式的音频
        if unsafe { (*frame.as_ptr()).format } != 8 {
            return Err("Unsupported sample format".to_string());
        }
​
        let data = plane_mut(&mut frame);
        let samples = unsafe { std::slice::from_raw_parts_mut(data.as_mut_ptr() as *mut i16, data.len() / 2) };
        for sample in samples.iter_mut() {
            let new_sample = (*sample as f32 * self.gain).clamp(-32768.0, 32767.0) as i16;
            *sample = new_sample;
        }
        Ok(Some(frame))
    }
}
​
#[inline]
pub fn plane_mut(frame: &mut Frame) -> &mut [u8] {
    unsafe {
        std::slice::from_raw_parts_mut(
            (*frame.as_mut_ptr()).data[0],
            (*frame.as_mut_ptr()).linesize[0] as usize * (*frame.as_mut_ptr()).sample_rate as usize,
        )
    }
}

完整运行代码

use ez_ffmpeg::{AVMediaType, FfmpegContext, Output};
use ez_ffmpeg::filter::frame_pipeline_builder::FramePipelineBuilder;
use crate::volume_filter::VolumeFilter;
​
fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let frame_pipeline_builder: FramePipelineBuilder = AVMediaType::AVMEDIA_TYPE_AUDIO.into();
    let volume_filter = VolumeFilter { gain: 0.5 };
    let frame_pipeline_builder = frame_pipeline_builder.filter("volume", Box::new(volume_filter));
​
    FfmpegContext::builder()
        .input("test.mp4")
        .output(Output::from("output.mp4").add_frame_pipeline(frame_pipeline_builder))
        .build()?
        .start()?
        .wait()?;
    Ok(())
}

这个示例将音频音量降低到 50%，适用于音频处理场景。

结论与展望

通过 Rust 和 ez-ffmpeg，我们可以用纯 Rust 代码安全、高效地实现 FFmpeg 自定义滤镜，解决了传统 C API 的复杂性和安全性问题。从基础的 YUV420 亮度调整，到 GPU 加速的灰度滤镜，再到音频音量调整，ez-ffmpeg 提供了灵活的解决方案，适用于实时视频处理、机器学习数据增强、游戏开发等多种场景。未来，开发者可以进一步探索其硬件加速编解码、流媒体处理等功能。

想了解更多？请访问 ez-ffmpeg GitHub 仓库 获取详细文档和示例代码。