Простая программная генерация видео и картинок без стороннего API

В этой статье я покажу простой способ генерации видео программами на Python и C/C++ без использования стороннего API. Вам так же потребуется ffmpeg, без него вы не сможете конвертировать файлы в читаемые форматы!

Зачем это нужно?

Можно экспериментировать, например вы можете создать видео максимального качества и проверять как оно будет эффективно сжиматься тем или иным видео кодеком. Можете даже создать картинку с градиентом в 64-битном цвете и с дизерингом, мало ли какие ещё извращения можно придумать. Можно ещё делать видео с быстро движущимися объектами и сохранять его в 1000 кадров в секунду и потом тестировать всякие интерполяторы движения и моушн блюры.

Способ 1: на Python

С помощью скрипта на Python можно создать видео. Просто сохраните этот код в какой-нибудь "main.py"

import os
import sys

state = 0; # переменная нужная для анимации смещения узора
w = 320 # ширина кадра
h = 240 # высота кадра
fps = 25 # кадров в секунду
duration = 2 * fps # сколько длится видео (2 сек)
buffer = bytearray(w * h) # для хранения данных кадра

# генерация кадров
while state < duration:
  for y in range(0, h):
    for x in range(0, w):
      buffer[y * w + x] = ((x + state) ^ y) % 256 # генерация узора
  os.write(sys.stdout.fileno(), buffer) # кадр записывается в вывод консоли
  state += 1 # немного сдвинуть узор в следующем кадре

Далее исполняете команду в консоли: python main.py | ffmpeg -y -f rawvideo -pixel_format gray -video_size 320x240 -framerate 25 -i pipe: out.mkv
В результате у вас получится двухсекундное видео с узором out.mkv.

Как это работает?

В командную строку в Windows и Linux можно выводить не только текст, но и бинарные данные файлов, а так же эти данные можно перенаправлять в другую программу, в данном случае это ffmpeg который принимает RAW кадры и конвертирует их в видео. И в коде и в команде вызова должны совпадать fps/framerate и video_size/w/h иначе всё разъедется. Нельзя просто взять и написать данные пикселей в консоль через print, нужно записывать их в stdout как в файл через os.write.

Если в коде изменить duration на 1, то создастся только один кадр с узором и его можно сохранить как картинку так:python main.py | ffmpeg -y -f rawvideo -pixel_format gray -video_size 320x240 -i pipe: out.png

Способ 2: на C/C++

Конечно Питон это медленно и я покажу как сделать это на C и C++, в этих языках стандартный поток вывода stdout тоже считается файлом и в него можно записывать бинарные данные.

#ifdef WIN32 
  #include <fcntl.h>
#endif
#include <cstdio>
#include <iostream>
#include <cstdint>
#include <vector>

int main() {
  constexpr size_t fps = 25;
  constexpr size_t w = 320;
  constexpr size_t h = 240;
  constexpr size_t duration = fps * 5;
  constexpr size_t size = w * h;
  auto buffer = std::vector<uint8_t>(size);
  size_t state = 0;
#ifdef WIN32 
  setmode(fileno(stdout), O_BINARY);
#endif

  while (state < duration) {
    for (size_t y = 0; y < h; ++y)
    for (size_t x = 0; x < w; ++x)
      buffer[y * w + x] = (((x + state) ^ y) + state) % 256u;
    ++state;
    std::cout.write(reinterpret_cast<char*>(buffer.data()), size);
  }
}

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <malloc.h>

typedef uint8_t byte;

int main() {
  const int fps = 25;
  const int w = 320;
  const int h = 240;
  const int duration = fps * 5;
  const int size = w * h * sizeof(byte);
  byte *buffer = (byte*)malloc(size);
  int state = 0;
  setmode(fileno(stdout), O_BINARY);
  FILE *const out = fdopen(dup(fileno(stdout)), "wb");

  while (state < duration) {
    for (int y = 0; y < h; ++y)
    for (int x = 0; x < w; ++x)
      buffer[y * w + x] = (((x + state) ^ y) + state) % 256;
    fwrite(buffer, 1, size, out);
    ++state;
  }
  
  fclose(out);
  free(buffer);
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
  const int fps = 25;
  const int w = 320;
  const int h = 240;
  const int duratuion = fps * 5;
  const int size = w * h;
  unsigned char * buffer = malloc(size);
  int state = 0;
 
  while (state < duratuion) {
    for (int y = 0; y < h; ++y)
    for (int x = 0; x < w; ++x)
      buffer[y * w + x] = (((x + state) ^ y) + state) % 256;
    fwrite(buffer, size, 1, stdout);
    ++state;
  }

  free(buffer);
  return EXIT_SUCCESS;
}

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <fcntl.h>
#include <malloc.h>

typedef uint8_t byte;

int main() {
  const int fps = 25;
  const int w = 320;
  const int h = 240;
  const int duratuion = fps * 5;
  const int size = w * h * sizeof(byte);
  byte *buffer = (byte*)malloc(size);
  int state = 0;
  freopen(NULL, "wb", stdout);

  while (state < duratuion) {
    for (int y = 0; y < h; ++y)
    for (int x = 0; x < w; ++x)
      buffer[y * w + x] = (((x + state) ^ y) + state) % 256;

    fwrite(buffer, 1, size, stdout);

    ++state;
  }

  free(buffer);
}

Как сохранить в FFmpeg видео в полном качестве

Я специально не указывал выходной видео кодек для упрощения команд, но вы можете добавить в ffmpeg опции -vcodec libx264rgb -crf 0 для сохранения видео в lossless качестве. Если вы модернизируете программу и добавите в неё поддержку RGBA цвета, то помните что h264 не умеет сохранять прозрачность в кадрах и вам лучше использовать кодек FFV1.

Что ещё можно сделать

• Можно сгенерировать видео на любом языке программирования, если на нём можно переключить стандартный вывод в бинарный режим.

• По такой же логике можно и перенастроить поток ввода stdin в бинарный режим и передать в программу бинарные данные из ffmpeg, таким образом можно будет смастерить видео-фильтр. В общем надо сделать что-то типа того:ffmpeg | фильтр | ffmpeg. Вообще можно просто написать Frei0r фильтр на Си и использовать его в ffmpeg, но мой способ просто не требует никакого стороннего API.

• Поток можно перенаправлять и в файл и потом этот файл скармливать ffmpeg'у, но учтите что видео будет совсем без сжатия и несколько секунд видео 1280x720 будут весить гигабайты. Сделать это можно так:
  prog > video.dat
fmpeg -y -f rawvideo -pixel_format gray -video_size 320x240 -framerate 25 -i video.dat out.mkv

• Раз можно сгенерировать сырое видео, то можно и создать сырой PCM звук и конвертировать его в аудио форматы. Можно например генерировать мелодии и сохранять их в pcm_s16le поток. Опять же переключив stdin в pipe режим вы можете получать аудио поток извне, обрабатывать его своей программой и передавать далее, таким образом у вас получится аудио фильтр и не надо никакого VST/LADSPA API.

Заключение

Это очень простой способ создания видео (для программиста). Если что, в ffmpeg уже встроены некоторые генераторы тестовых видео. Сохраняются ли гигабайты сырых кадров в оперативной памяти при использовании такого способа передачи или же на диске - мне это неизвестно, возможно что у такого способа есть какие-то ограничения на размер передаваемых данных. Помните что в передаваемом потоке данных нет никаких меток синхронизации и если что-то где-то потеряется в пути, то видео всё станет кашей, так что не пытайтесь передавать такой поток через net cat (я не пробовал).