视频的编解码-编码篇

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转载时间：2017年4月6日

在此之前我们通常使用的FFmpeg多媒体库,利用CPU来进行视频的编解码,占用CPU资源,效率低下,俗称软编解码.而苹果在2014年的iOS8中,开放了VideoToolbox.framwork框架,此框架使用GPU或专用的处理器来进行编解码,俗称硬编解码.而此框架在此之前只有MAC

OS系统中可以使用,在iOS作为私有框架.终于苹果在iOS8.0中得到开放引入.

2014年的WWDCDirect Access to Video Encoding and Decoding中,苹果介绍了使用videoToolbox硬编解码.

使用硬编解码有几个优点: * 提高性能; * 增加效率; * 延长电量的使用

（一）对于编解码,AVFoundation框架只有以下几个功能:

1. 直接解压后显示;

2. 直接压缩到一个文件当中;

（二）而对于Video Toolbox,我们可以通过以下功能获取到数据,进行网络流传输等多种保存：

1. 解压为图像的数据结构;

2. 压缩为视频图像的容器数据结构.

一、videoToolbox的基本数据

Video Toolbox视频编解码前后概念说明：

CVPixelBuffer：编码前和解码后的图像数据结构。此内容包含一系列的CVPixelBufferPool内容

CMTime、CMClock和CMTimebase：时间戳相关。时间以64-bit/32-bit的形式出现。

pixelBufferAttributes:字典设置.可能包括Width/height、pixel format type、• Compatibility (e.g., OpenGL ES, Core Animation)

CMBlockBuffer：编码后，结果图像的数据结构。

CMVideoFormatDescription：图像存储方式，编解码器等格式描述。

(CMSampleBuffer：存放编解码前后的视频图像的容器数据结构。

CMTimebase: 关于CMClock的一个控制视图,包含CMClock、时间映射(Time mapping)、速率控制(Rate control)

由二、采集视频数据可知,我们获取到的数据(CMSampleBufferRef)sampleBuffer为未编码的数据;

上图中,编码前后的视频图像都封装在CMSampleBuffer中,编码前以CVPixelBuffer进行存储;编码后以CMBlockBuffer进行存储。除此之外两者都包括CMTime、CMVideoFormatDesc.

二、视频数据流编码并上传到服务器

1.将CVPixelBuffer使用VTCompressionSession进行数据流的硬编码。

(1)初始化VTCompressionSession

VT_EXPORT

OSStatus VTCompressionSessionCreate(     CM_NULLABLE CFAllocatorRef

allocator,    int32_t

width,    int32_t

height,    CMVideoCodecType

codecType,    CM_NULLABLE CFDictionaryRef

encoderSpecification,    CM_NULLABLE CFDictionaryRef

sourceImageBufferAttributes,    CM_NULLABLE CFAllocatorRef

compressedDataAllocator,    CM_NULLABLE

VTCompressionOutputCallback             outputCallback,    void *

CM_NULLABLE                                  outputCallbackRefCon,

CM_RETURNS_RETAINED_PARAMETER CM_NULLABLE VTCompressionSessionRef *

CM_NONNULL compressionSessionOut)

__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_8, __IPHONE_8_0);

VTCompressionSession的初始化参数说明:

allocator:分配器,设置NULL为默认分配

width: 宽

height: 高

codecType: 编码类型,如kCMVideoCodecType_H264

encoderSpecification: 编码规范。设置NULL由videoToolbox自己选择

sourceImageBufferAttributes: 源像素缓冲区属性.设置NULL不让videToolbox创建,而自己创建

compressedDataAllocator: 压缩数据分配器.设置NULL,默认的分配

outputCallback:

当VTCompressionSessionEncodeFrame被调用压缩一次后会被异步调用.注:当你设置NULL的时候,你需要调用VTCompressionSessionEncodeFrameWithOutputHandler方法进行压缩帧处理,支持iOS9.0以上

outputCallbackRefCon: 回调客户定义的参考值.

compressionSessionOut: 压缩会话变量。

(2)配置VTCompressionSession

使用VTSessionSetProperty()调用进行配置compression。 * kVTCompressionPropertyKeyAllowFrameReordering: 允许帧重新排序.默认为true * kVTCompressionPropertyKeyAverageBitRate: 设置需要的平均编码率 * kVTCompressionPropertyKeyH264EntropyMode：H264的熵编码模式。有两种模式:一种基于上下文的二进制算数编码CABAC和可变长编码VLC.在slice层之上（picture和sequence）使用定长或变长的二进制编码，slice层及其以下使用VLC或CABAC.详情请参考* kVTCompressionPropertyKeyRealTime: 视频编码压缩是否是实时压缩。可设置CFBoolean或NULL.默认为NULL * kVTCompressionPropertyKeyProfileLevel: 对于编码流指定配置和标准 .比如kVTProfileLevelH264MainAutoLevel

配置过VTCompressionSession后,可以可选的调用VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames进行准备工作编码帧。

(3)开始硬编码流入的数据

使用VTCompressionSessionEncodeFrame方法进行编码.当编码结束后调用outputCallback回调函数。

VT_EXPORT

OSStatus  VTCompressionSessionEncodeFrame(      CM_NONNULL

VTCompressionSessionRef  session,    CM_NONNULL CVImageBufferRef

imageBuffer,    CMTime

presentationTimeStamp,    CMTime

duration,// may be kCMTimeInvalidCM_NULLABLE CFDictionaryRef

frameProperties,void* CM_NULLABLE                  sourceFrameRefCon,

VTEncodeInfoFlags * CM_NULLABLE     infoFlagsOut )

__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_8, __IPHONE_8_0);

presentationTimeStamp： 获取到的这个sample buffer数据的展示时间戳。每一个传给这个session的时间戳都要大于前一个展示时间戳.

duration: 对于获取到sample buffer数据,这个帧的展示时间.如果没有时间信息,可设置kCMTimeInvalid.

frameProperties: 包含这个帧的属性.帧的改变会影响后边的编码帧.

sourceFrameRefCon: 回调函数会引用你设置的这个帧的参考值.

infoFlagsOut:

指向一个VTEncodeInfoFlags来接受一个编码操作.如果使用异步运行,kVTEncodeInfo_Asynchronous被设置；同步运行,kVTEncodeInfo_FrameDropped被设置；设置NULL为不想接受这个信息.

(4)执行VTCompressionOutputCallback回调函数

typedefvoid(*VTCompressionOutputCallback)(void*

CM_NULLABLE outputCallbackRefCon,void* CM_NULLABLE sourceFrameRefCon,

OSStatus status,         VTEncodeInfoFlags infoFlags,

CM_NULLABLE CMSampleBufferRef sampleBuffer );

outputCallbackRefCon: 回调函数的参考值

sourceFrameRefCon: VTCompressionSessionEncodeFrame函数中设置的帧的参考值

status: 压缩的成功为noErr,如失败有错误码

infoFlags: 包含编码操作的信息标识

sampleBuffer: 如果压缩成功或者帧不丢失,则包含这个已压缩的数据CMSampleBuffer,否则为NULL

(5)将压缩成功的sampleBuffer数据进行处理为基本流NSData上传到服务器

MPEG-4是一套用于音频、视频信息的压缩编码标准.

由图1.1可知,已压缩 $$CMSampleBuffer = CMTime(可选) + CMBlockBuffer + CMVideoFormatDesc$$。

5.1 先判断压缩的数据是否正确

//不存在则代表压缩不成功或帧丢失if(!sampleBuffer)return;if(status

!=

noErr)return;//返回sampleBuffer中包括可变字典的不可变数组,如果有错误则为NULLCFArrayRefarray=

CMSampleBufferGetSampleAttachmentsArray(sampleBuffer,true);if(!array)return;

CFDictionaryRef dic =

CFArrayGetValueAtIndex(array,0);if(!dic)return;//issue

3:kCMSampleAttachmentKey_NotSync:没有这个键意味着同步, yes: 异步. no:同步BOOL keyframe

= !CFDictionaryContainsKey(dic,

kCMSampleAttachmentKey_NotSync);//此代表为同步

而对于issue 3从字面意思理解即为以上的说明,但是网上看到很多都是做为查询是否是视频关键帧,而查询文档看到有此关键帧key值kCMSampleBufferAttachmentKey_ForceKeyFrame存在,因此对此值如若有了解情况者敬请告知详情.

5.2 获取CMVideoFormatDesc数据由三、解码篇可知CMVideoFormatDesc 包括编码所用的profile，level，图像的宽和高，deblock滤波器等.具体包含第一个NALU的SPS（Sequence Parameter Set）和第二个NALU的PPS（Picture Parameter Set）.

//if

(keyframe && !encoder -> sps) {    //获取sample buffer 中的

CMVideoFormatDesc    CMFormatDescriptionRef format =

CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);

//获取H264参数集合中的SPS和PPS    const uint8_t * sparameterSet;size_t

sparameterSetSize,sparameterSetCount ;   OSStatus statusCode =

CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 0,

&sparameterSet, &sparameterSetSize,

&sparameterSetCount,0);if (statusCode == noErr) {        size_t

pparameterSetSize, pparameterSetCount;        const uint8_t

*pparameterSet;OSStatus statusCode =

CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 1,

&pparameterSet, &pparameterSetSize,

&pparameterSetCount,0);if (statusCode == noErr) {

encoder->sps = [NSData

dataWithBytes:sparameterSetlength:sparameterSetSize];encoder->pps =

[NSData dataWithBytes:pparameterSetlength:pparameterSetSize];}    }}

5.3 获取CMBlockBuffer并转换成数据

CMBlockBufferRef

blockBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);    size_t

lengthAtOffset,totalLength;char*dataPointer;//接收到的数据展示OSStatus

blockBufferStatus = CMBlockBufferGetDataPointer(blockBuffer,0,

&lengthAtOffset, &totalLength,

&dataPointer);if(blockBufferStatus != kCMBlockBufferNoErr)    {

size_t bufferOffset =0;staticconstintAVCCHeaderLength

=4;while(bufferOffset < totalLength -  AVCCHeaderLength) {// Read the

NAL unit lengthuint32_t NALUnitLength =0;/**

*  void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);

*  从源src所指的内存地址的起始位置开始拷贝n个字节到目标dest所指的内存地址的起始位置中

*/memcpy(&NALUnitLength,

dataPointer + bufferOffset, AVCCHeaderLength);//字节从高位反转到低位NALUnitLength

= CFSwapInt32BigToHost(NALUnitLength);            RTAVVideoFrame *

frame = [RTAVVideoFramenew];            frame.sps = encoder -> sps;

frame.pps = encoder -> pps;            frame.data = [NSData

dataWithBytes:(dataPointer+bufferOffset+AVCCHeaderLength)

length:NALUnitLength];            bufferOffset += NALUnitLength +

AVCCHeaderLength;        }    }

此得到的H264数据应用于后面的RTMP协议做推流准备。