FFmpeg代码导读系列(一，下半部)----HEVC在RTMP中的扩展

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阅读本文前，请先阅读上半部分：FFmpeg代码导读系列(一)----基础篇

金山云多媒体SDK团队在移动直播、短视频等项目中遇到了许多FFmpeg问题，特设立《FFmpeg从入门到出家》系列文稿，希望博君一笑的同时，能让大家对FFmpeg有更深入的了解。

先在前面

FFmpeg社区曾经有过一次针对RTMP扩展HEVC的讨论，最终达成的结论是如果Adobe扩展了RTMP，那么FFmpeg才可以接受HEVC扩展。现状是Adobe更新RTMP协议遥遥无期。

随着iOS 11对HEVC的支持，还有Android芯片对H.265的支持。在移动平台支持场景下，使用更高效率的视频编码，在相同带宽负载情况下，能提供更优质的直播体验。可以阅读《基于iOS11的HEVC(H.265)硬编码/硬解码功能开发指南》了解iOS对HEVC的支持情况。

如果你也认可这个思路，那么你可以参考本文，在基于RTMP协议推流或者拉流中，体验H.265/HEVC带来的用户体验提升！

4. HEVC在RTMP中的扩展

为推进HEVC视频编码格式在直播方案中的落地，经过CDN联盟讨论，并和主流云服务厂商达成一致，规范了HEVC在RTMP/FLV中的扩展，具体修改内容见下。

4.1 FLV规范扩展

HEVC为视频编码格式，因此对FLV规范的扩展，只集中在Video Tag，其它部分，无任何改动。

4.1.1 支持HEVC的VideoTagHeader

扩展后的VideoTagHeader如下图所示(红色字体为新增内容)：

FFmpeg代码导读系列(一，下半部)----HEVC在RTMP中的扩展_第1张图片

支持HEVC的FLVTagHeader.png

修改点如下：

CodecID - 定义HEVC格式的值为12；
HEVCPacketType - 当CodecID == 12时，AVCPacketType为HEVCPacketType：
- 如果HEVCPacketType为0，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC sequence header；
- 如果HEVCPacketType为1，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC NALU；
- 如果HEVCPacketType为2，表示HEVCVIDEPACKET中存放的是HEVC end of sequence，即HEVCDecoderConfigurationRecord；
CompositionTime - 当CodecID == 12时，同样需要CompositionTime

4.1.2 支持HEVC的VideoTagBody

当CodecID为12时，VideoTagBody中存放的就是HEVC视频帧内容。

扩展后的VideoTagBody如下图所示(红色字体为HEVC新增内容)：

FFmpeg代码导读系列(一，下半部)----HEVC在RTMP中的扩展_第2张图片

支持HEVC的VideoTagBody.png

4.2 FFmpeg中的修改

我们已在FFmpeg的各个版本上提供相关的完整修改，具体参见：https://github.com/ksvc/FFmpeg，完整patch获取及相关说明见：https://github.com/ksvc/FFmpeg/wiki。

由第二章节的阐述可知，FLV的解复用和复用功能代码分别在libavformt/flvdec.c和libavformat/flvenc.c中，扩展后的修改也都集中在这两个文件。本节将在FFmpeg3.3的基础上，说明修改的关键点。

4.2.1 编码类型定义

libavformat/flv.h中按照VideoTagHeader中的CodecID定义了一组视频编码格式的枚举值，扩展后的枚举定义如下：

enum {
    FLV_CODECID_H263    = 2,
    FLV_CODECID_SCREEN  = 3,
    FLV_CODECID_VP6     = 4,
    FLV_CODECID_VP6A    = 5,
    FLV_CODECID_SCREEN2 = 6,
    FLV_CODECID_H264    = 7,
    FLV_CODECID_REALH263= 8,
    FLV_CODECID_MPEG4   = 9,
    FLV_CODECID_HEVC   = 12,
};

4.2.2 FLV demux

在解复用过程中，flv_read_packet方法是整个过程的核心，它里面完成了对每个Tag的读取和解析。

4.1.1中提到，当如果HEVCPacketType为0时，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC sequence header，也就是HEVCDecoderConfigurationRecord，解码时需设置HEVCDecoderConfigurationRecord方能正确解码。

HEVC与AVC视频帧在FLV中的存放格式相同，所以只需在读取Video Tag的地方增加AV_CODEC_ID_HEVC的判断条件即可，调整后的代码如下：

if (st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_AAC ||
    st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 ||
    st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
    st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4) {
    int type = avio_r8(s->pb);
    size--;
    if (st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 ||
         st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
         st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4) {
         // sign extension
         int32_t cts = (avio_rb24(s->pb) + 0xff800000) ^ 0xff800000;
         pts = dts + cts;
         if (cts < 0) { // dts might be wrong
             if (!flv->wrong_dts)
                av_log(s, AV_LOG_WARNING,
                        "Negative cts, previous timestamps might be wrong.\n");
            flv->wrong_dts = 1;
        } else if (FFABS(dts - pts) > 1000*60*15) {
           av_log(s, AV_LOG_WARNING,
                       "invalid timestamps %"PRId64" %"PRId64"\n", dts, pts);
           dts = pts = AV_NOPTS_VALUE;
        }
   }

   if (type == 0 && (!st->codecpar->extradata ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_AAC ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264)) {
       AVDictionaryEntry *t;
       if (st->codecpar->extradata) {
           if ((ret = flv_queue_extradata(flv, s->pb, stream_type, size)) < 0)
               return ret;
           ret = FFERROR_REDO;
           goto leave;
       }
       if ((ret = flv_get_extradata(s, st, size)) < 0)
           return ret;
       ……
   }
}

AVCDecoderConfigurationRecord和HEVCDecoderConfigurationRecord都是存放在AVStream->AVCodecParameter->extradata中。

4.2.3 FLV mux

FLV mux的修改相对较多、header、packet、trailer中均有涉及。

4.2.3.1 write header

flv_write_header中主要完成了以下工作：

写入FLV Header；
写入Metadata；
如果音频编码格式为AAC，则写入第一个Audio Tag，其AudioTagBody中存放的是AAC sequence header；
如果视频编码格式为AVC，则写入第一个Video Tag，其中VideoTagBody中存放的是AVC sequence header。

同样，当视频编码格式HEVC时，也要写入第一个VideoTag，其中VideoTagBody中存放的是HEVCDecoderConfigurationRecord，修改点如下：

avio_w8(pb, par->codec_tag | FLV_FRAME_KEY); // flags
avio_w8(pb, 0); // AVC sequence header
avio_wb24(pb, 0); // composition time

if (par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC)
       ff_isom_write_hvcc(pb, par->extradata, par->extradata_size, 0);
else
       ff_isom_write_avcc(pb, par->extradata, par->extradata_size);

ff_isom_write_hvcc的作用是将extradata转为HEVCDecoderConfigurationRecord结构并写入。

4.2.3.2 write packet

flv_write_packet的作用是写入音视频帧，其中有关写入video数据的地方，都需要加上AV_CODEC_ID_HEVC的判断条件，修改内容如下:

    else if (par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ){
        if (par->extradata_size > 0 && *(uint8_t*)par->extradata != 1)
            if ((ret = ff_hevc_annexb2mp4_buf(pkt->data, &data, &size, 0, NULL)) < 0)
                return ret;
    }

ff_hevc_annexb2mp4_buf方法的作用是将Annex-B格式的HEVC视频帧转为HVCC格式。

AnnexB与AVCC/HVCC的区别在于参数集与帧格式，AnnexB的参数集sps、pps以NAL的形式存在码流中（带内传输），以startcode分割NAL。而HVCC 的参数集存储在extradata中（带外传输），使用NALU长度（固定字节，通常为4字节，从extradata中解析）分隔NAL。

4.2.3.3 write trailer

结束时需要写入HEVC end of sequence，其格式与AVC end of sequence相同，直接复用即可，flv_write_trailer的修改内容如下：

 if (par->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO &&
           (par->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 || par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC || par->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4))
                put_avc_eos_tag(pb, sc->last_ts);

5. 结束语

本文只是简单介绍了如何在FFmpeg中扩展rtmp协议对HEVC编码格式的支持，而要将HEVC应用于直播整体方案，除推流端和播放端要提供相应能力外，源站、CDN、转码服务同样都需要提供这种能力。金山云直播整体方案，已完全支持HEVC视频编码格式，欢迎大家使用。

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