海思HI35xx平台软件开发快速入门之H264解码实例
前言
H264视频编码技术诞生于2003年，至今已有十余载，技术相当成熟，它的优势在于有高的视频的压缩率，利用帧间和帧内预测（Estimation）、变换（Transform）和反变换、量化（Quantization）和反量化、环路滤波（Loop Filter）、熵编码（Entropy Coding）等视频编码技术，可以实现高质量、低码率的视频流编码。H.264提供了网络抽象层NALU（Network Abstraction Layer）概念对编码出来的视频码流进一步格式封装，使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输，以达到低带宽占用、低播放延时的目的。相信在未来几年H.264仍是视频编码的主流技术，尽管在2013年提出了H.265新一代视频编码技术，但是H265的压缩率仅仅提高40%，复杂程度却提升%50以上，这对硬件性能提出新的要求。本文讲述如何在海思HI35xx平台上实现H.264解码。
背景知识
先来弄清楚视频格式和视频编码的相互关系，视频格式可以理解为一个容器，它将编码器生成的多媒体内容（视频，音频，字幕，章节信息等）混合封装在一起的标准，这样就能很好处理视频、音频、字幕的播放同步问题，常见的视频格式有mp4、avi、flv、rmvb、mkv等等。视频编码属于后处理技术，它其实是非必须的，但是从摄像机采集出来的数据十分庞大，不适合网络传输和存储，故需要对视频进行编码压缩，以达到低码率、高成像质量的目的，常见的视频编码技术有h.263，h.264，mpeg-4。接下来我们了解一下海思HIMPP平台解码的概念，HIMPP平台音视频编解码架构遵循下图所示的数据处理流程。H264解码实例走的是HARD DISK->VDEC->VPSS->VO->显示器的流程，这个流程一定要熟悉牢记，代码实现都是围绕这条主线来编写的。
H264解码实例
实例源码很简单，先来了解一下实现H.264解码实例的几个函数，以达到了解实例源码大概构造组成，然后再对每个函数进行具体分析。
-
/* -
**函数描述：linux标准信号捕捉函数 -
**函数功用：接收Ctrl+C信号，用来退出程序，并销毁HIMPP调用 -
*/ -
HI_VOID SAMPLE_VDEC_HandleSig(HI_S32 signo) -
{ -
...... -
} -
/* -
**函数描述：用于音视频文件读写推流 -
**函数功用：用fread等文件操作函数读取音视频文件，并解析后推送HIMPP进行解码 -
*/ -
int SAMPLE_COMM_VDEC_H264_SendStream( VdecThreadParam *pArgs) -
{ -
...... -
} -
} -
/* -
**函数描述：HIMPP系统初始化 -
**函数功用：配置HIMPP系统的各项参数以满足对目标进行编解码 -
*/ -
HI_S32 HI_S32 SAMPLE_VDEC_VdhH264(char *filename) -
{ -
...... -
} -
/* -
**主函数 -
*/ -
int main(int argc, char *argv[]) -
{ -
...... -
}
下面重点讲解SAMPLE_VDEC_VdhH264(char*filename)这个函数，它是H264解码样例的重点函数。HIMPP系统的API函数是海思提供的SDK开发包，调用它相关的接口，在编译时必须将其提供的相应库文件进行包含编译。下面结合样例程序讲述如何使用HIMPP提供的API实现自己的业务逻辑。H.264视频解码实例走的是HARDDISK->VDEC->VPSS->VO->显示器的处理流程，这个过程可以细分为八大步骤，这八大步骤在其他类型的音视频编解码样例也类似，可以说这八大步骤是使用海思HIMPP API的灵魂。下面简单介绍这个八大步骤的内容：
Step1：初始化HIMPP SYS和通用VB缓冲，包括设置缓冲区的大小，缓冲区块的数目。需要注意的是，在设置通用VB参数之前，必须确保HIMPP系统已经退出，否则设置失败。
Step2：设置通用缓冲区的公共缓冲池属性。
Step3：配置解码器，包括指定解码类型，这里是H.264解码样例，当然选PT_H264啦，然后指定视频大小、解码优先级等等。然后创建解码通道，并是能加收解码流。
Step4：配置VPSS参数，VPSS是对VDEC解码后的流进行处理，如裁剪、降噪等，MPEG解码实例从简单应用出发，仅仅按默认的方式配置VPSS。
Step5：配置VO参数，这一步也很关键，因为它指定了画面输出，包括常见的HDMI和VGA，主要是配置输出显示，图层属性设置、输出位置等信息。
Step6：绑定VDEC与VPSS，实现H264解码流程。
Step7：绑定VPSS与VO，实现H264解码流程。
Step8：推送视频流数据，这一步需要文件读写配合使用，对于H264一般做法是先从NALU层中找到视频I帧，然后将I帧推流至VDEC，紧接下来就按帧推送就好了，该注意的是H264解码必须先推送I帧，否则会视频会花屏。
-
/* -
**函数功能：HIMPP系统初始化及配置 -
**HARDDISK->VDEC->VPSS->VO->显示器的处理流程 -
*/ -
HARDDISK->VDEC->VPSS->VO->显示器的处理流程 -
HI_S32 SAMPLE_VDEC_VdhH264(char *filename) -
{ -
VB_CONF_S stVbConf, stModVbConf; -
HI_S32 i, s32Ret = HI_SUCCESS; -
VdecThreadParam pstVdecSend; -
SIZE_S stSize; -
VO_PUB_ATTR_S stVoPubAttr; -
VO_VIDEO_LAYER_ATTR_S stVoLayerAttr; -
stSize.u32Width = HD_WIDTH; -
stSize.u32Height = HD_HEIGHT; -
/************************************************ -
step1: HIMPP系统初始化以及通用视频缓冲池配置 -
*************************************************/ -
MPP_SYS_CONF_S stSysConf = {0}; -
memset(&stVbConf,0,sizeof(stVbConf)); -
stSize.u32Width = HD_WIDTH; //指定宽度 -
stSize.u32Height = HD_HEIGHT; //指定高度 -
stVbConf.u32MaxPoolCnt = 1; //指定最大缓冲池数量，我们只创建一路H264解码 -
stVbConf.astCommPool[0].u32BlkSize = (stSize.u32Width * stSize.u32Height* 4) >> 1; //指定缓冲池大小，经验值一般为分辨率的1.5倍左右，这里取2倍 -
stVbConf.astCommPool[0].u32BlkCnt = 3; -
memset(stVbConf.astCommPool[0].acMmzName,0,sizeof(stVbConf.astCommPool[0].acMmzName)); -
HI_MPI_SYS_Exit(); //设置前先去初始换HIMPP调用 -
for(i=0;i<22;i++) -
{ -
HI_MPI_VB_ExitModCommPool(i); -
} -
for(i=0; i<256; i++) -
{ -
HI_MPI_VB_DestroyPool(i); -
} -
HI_MPI_VB_Exit(); -
s32Ret = HI_MPI_VB_SetConf(&stVbConf);//配置缓冲池 -
if (HI_SUCCESS != s32Ret) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VB_SetConf failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
s32Ret = HI_MPI_VB_Init();//缓冲池初始化 -
if (HI_SUCCESS != s32Ret) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VB_Init failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
stSysConf.u32AlignWidth = 16; -
/*set config of mpp system*/ -
s32Ret = HI_MPI_SYS_SetConf(&stSysConf);//HIMPP配置 -
if (HI_SUCCESS != s32Ret) -
{ -
hidebug("HI_MPI_SYS_SetConf failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
s32Ret = HI_MPI_SYS_Init(); //HIMPP系统初始化 -
if (HI_SUCCESS != s32Ret) -
{ -
hidebug("HI_MPI_SYS_Init failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/************************************************ -
step2: 系统缓冲池模块初始化配置 -
*************************************************/ -
memset(&stModVbConf, 0, sizeof(VB_CONF_S)); -
stModVbConf.u32MaxPoolCnt = 2; -
stModVbConf.astCommPool[0].u32BlkSize = (stSize.u32Width * stSize.u32Height* 4) >> 1;; -
stModVbConf.astCommPool[0].u32BlkCnt = 5; -
stModVbConf.astCommPool[1].u32BlkSize = (stSize.u32Width * stSize.u32Height* 4) >> 1;; -
stModVbConf.astCommPool[1].u32BlkCnt = 5; -
HI_MPI_VB_ExitModCommPool(VB_UID_VDEC); -
HI_MPI_VB_SetModPoolConf(VB_UID_VDEC, &stModVbConf); -
HI_MPI_VB_InitModCommPool(VB_UID_VDEC); -
/************************************************ -
step3: 解码器配置及初始化 -
*************************************************/ -
VDEC_CHN_ATTR_S stVdecChnAttr; -
stVdecChnAttr.enType = PT_H264; //创建H264类型的解码器 -
stVdecChnAttr.u32BufSize = 3 * stSize.u32Width * stSize.u32Height;//指定解码缓冲区大小 -
stVdecChnAttr.u32Priority = 5; //设置解码优先级 -
stVdecChnAttr.u32PicWidth = stSize.u32Width; //解码宽高 -
stVdecChnAttr.u32PicHeight =stSize.u32Height; -
stVdecChnAttr.stVdecVideoAttr.enMode = VIDEO_MODE_FRAME; //帧式解码模式 -
stVdecChnAttr.stVdecVideoAttr.u32RefFrameNum = 2; -
stVdecChnAttr.stVdecVideoAttr.bTemporalMvpEnable = 0; -
HI_MPI_VDEC_SetChnVBCnt(0, 10); -
HI_MPI_VDEC_CreateChn(0, &stVdecChnAttr); -
HI_MPI_VDEC_StartRecvStream(0); -
/************************************************ -
step4: VPSS配置及初始化 -
*************************************************/ -
VPSS_GRP_PARAM_S stVpssParam = {0}; -
VPSS_CHN_ATTR_S stChnAttr = {0}; -
VPSS_GRP_ATTR_S stVpssGrpAttr; -
stVpssGrpAttr.enDieMode = VPSS_DIE_MODE_NODIE; -
stVpssGrpAttr.bIeEn = HI_FALSE; -
stVpssGrpAttr.bDciEn = HI_TRUE; -
stVpssGrpAttr.bNrEn = HI_FALSE; -
stVpssGrpAttr.bHistEn = HI_FALSE; -
stVpssGrpAttr.bEsEn = HI_FALSE; -
stVpssGrpAttr.enPixFmt = PIXEL_FORMAT_YUV_SEMIPLANAR_420;//解码像素格式YUV420 -
stVpssGrpAttr.u32MaxW = stSize.u32Width; -
stVpssGrpAttr.u32MaxH = stSize.u32Height; -
/*** create vpss group ***/ -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_CreateGrp(0, &stVpssGrpAttr);//创建VPSS Group，在HI3536平台一个Group有4个VPSS Channel -
if (s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_CreateGrp failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/*** set vpss param ***/ -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_GetGrpParam(0, &stVpssParam);//设置VPSS Group属性 -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_GetGrpParam failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
stVpssParam.u32IeStrength = 0; -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_SetGrpParam(0, &stVpssParam); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_GetGrpParam failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/*** enable vpss chn, with frame ***/ -
/* Set Vpss Chn attr */ -
stChnAttr.bSpEn = HI_FALSE; -
stChnAttr.bUVInvert = HI_FALSE; -
stChnAttr.bBorderEn = HI_TRUE; -
stChnAttr.stBorder.u32Color = 0xffffff;//背景色为黑色 -
stChnAttr.stBorder.u32LeftWidth = 2; -
stChnAttr.stBorder.u32RightWidth = 2; -
stChnAttr.stBorder.u32TopWidth = 2; -
stChnAttr.stBorder.u32BottomWidth = 2; -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_SetChnAttr(0, 0, &stChnAttr); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_SetChnAttr failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_EnableChn(0, 0);//由于只有一路H264解码，故只用Group0 及 Channel 0 -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_EnableChn failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/*** start vpss group ***/ -
s32Ret = HI_MPI_VPSS_StartGrp(0); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VPSS_StartGrp failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/************************************************ -
step5: 配置VO及初始化VO -
*************************************************/ -
VO_CHN_ATTR_S stChnAttr1; -
stVoPubAttr.enIntfSync = VO_OUTPUT_1080P60;//VO输出模式为1080p 60帧，普通显示器的输出 -
stVoPubAttr.enIntfType = VO_INTF_VGA | VO_INTF_HDMI;//启用VGA及HDMI输出 -
s32Ret = HI_MPI_VO_SetPubAttr(0, &stVoPubAttr); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VO_SetPubAttr failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
s32Ret = HI_MPI_VO_Enable(0); -
if (s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VO_Enable failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
//设置VO Layer显示配置，如显示位置，大小，像素类型 -
stVoLayerAttr.u32DispFrmRt = 60; -
stVoLayerAttr.stDispRect.u32Width = 1920; -
stVoLayerAttr.stDispRect.u32Height = 1080; -
stVoLayerAttr.stImageSize.u32Width = stVoLayerAttr.stDispRect.u32Width; -
stVoLayerAttr.stImageSize.u32Height = stVoLayerAttr.stDispRect.u32Height; -
stVoLayerAttr.bClusterMode = HI_FALSE; -
stVoLayerAttr.bDoubleFrame = HI_FALSE; -
stVoLayerAttr.enPixFormat = PIXEL_FORMAT_YUV_SEMIPLANAR_420; -
s32Ret = HI_MPI_VO_SetVideoLayerAttr(0, &stVoLayerAttr); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VO_SetVideoLayerAttr failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
s32Ret = HI_MPI_VO_EnableVideoLayer(0); -
if (s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_VO_EnableVideoLayer failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/* -
if (HI_SUCCESS != SAMPLE_COMM_VO_HdmiStart(stVoPubAttr.enIntfSync)) -
{ -
hidebug("Start SAMPLE_COMM_VO_HdmiStart failed!\n"); -
} -
*/ -
//设置VO Channel显示位置，大小 -
stChnAttr1.stRect.s32X = 0; -
stChnAttr1.stRect.s32Y = 0; -
stChnAttr1.stRect.u32Width = 1920; -
stChnAttr1.stRect.u32Height = 1080; -
stChnAttr1.u32Priority = 0; -
stChnAttr1.bDeflicker = HI_FALSE; -
s32Ret = HI_MPI_VO_SetChnAttr(0, 0, &stChnAttr1); -
if (s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("failed with %#x!\n", s32Ret); -
} -
s32Ret = HI_MPI_VO_EnableChn(0,0); -
if (s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("failed with %#x!\n", s32Ret); -
} -
/************************************************ -
step6: 解码器绑定VPSS -
*************************************************/ -
MPP_CHN_S stSrcChn; -
MPP_CHN_S stDestChn; -
stSrcChn.enModId = HI_ID_VDEC; -
stSrcChn.s32DevId = 0; -
stSrcChn.s32ChnId = 0; -
stDestChn.enModId = HI_ID_VPSS; -
stDestChn.s32DevId = 0; -
stDestChn.s32ChnId = 0; -
s32Ret = HI_MPI_SYS_Bind(&stSrcChn, &stDestChn); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_SYS_Bind failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/************************************************ -
step7: VPSS绑定VO -
*************************************************/ -
stSrcChn.enModId = HI_ID_VPSS; -
stSrcChn.s32DevId = 0; -
stSrcChn.s32ChnId = 0; -
stDestChn.enModId = HI_ID_VOU; -
stDestChn.s32DevId = 0; -
stDestChn.s32ChnId = 0; -
s32Ret = HI_MPI_SYS_Bind(&stSrcChn, &stDestChn); -
if(s32Ret != HI_SUCCESS) -
{ -
hidebug("HI_MPI_SYS_Bind failed!\n"); -
return HI_FAILURE; -
} -
/************************************************ -
step8: 发送解码流，推送H264流至VDEC -
*************************************************/ -
sprintf(pstVdecSend.cFileName,filename); -
pstVdecSend.s32MilliSec = 0; -
pstVdecSend.s32ChnId = 0; -
pstVdecSend.s32IntervalTime = 1; -
pstVdecSend.u64PtsInit = 0; -
pstVdecSend.u64PtsIncrease = 0; -
pstVdecSend.eCtrlSinal = VDEC_CTRL_START; -
pstVdecSend.bLoopSend = HI_TRUE; -
pstVdecSend.bManuSend = HI_FALSE; -
pstVdecSend.enType = PT_H264; -
pstVdecSend.s32MinBufSize = (stVdecChnAttr.u32PicWidth *stVdecChnAttr.u32PicHeight * 3)>>1; -
pstVdecSend.s32StreamMode = VIDEO_MODE_FRAME; -
SAMPLE_COMM_VDEC_H264_SendStream(&pstVdecSend); -
return s32Ret; -
} -
int main(int argc, char *argv[]) -
{ -
if(argc != 2) -
{ -
printf("Usage: h264 filename\n"); -
exit(0); -
} -
signal(SIGINT, SAMPLE_VDEC_HandleSig); -
signal(SIGTERM, SAMPLE_VDEC_HandleSig); -
SAMPLE_VDEC_VdhH264(argv[1]); -
return 0; -
}
H264的NALU
这里讲一下H264编码的NALU基础知识，NAL全称Network Abstract Layer, 即网络抽象层。如何从NAL里面找到我们需要的帧呢，原来实际的H264数据帧中，往往在帧前面带有00 00 00 01 或 00 00 01分隔符，来标识一帧的起始位置。以00 00 00 01分割之后的下一个字节就是NALU类型，将其转为二进制数据后，解读顺序为从左往右算，第一位为禁止位，值为1表示语法出错；第2~3位为参考级别；第4~8为是NAL单元类型。常见的NALU的类型有序列参数集SPS，它的NAL单元类型值为0x67，即0000 0001 0110 0111；图像参数集PPS，它的NAL单元类型值为0x68，即0000 00010110 1000；IDR图像中的片(I帧) ，它的NAL单元类型值为0x65，即0000 0001 0110 0101。所以判断是否为I帧的算法为： （NALU类型 & 0001 1111）= 5，即NALU类型 & 1F= 5，比如0x65 & 1F = 5。结合H264推流的代码看一下，这段代码的通过读取H.264文件到一个缓冲区，然后对缓冲区进行数据处理，判断I帧的起始位置。
-
//解析H264文件的I帧信息 -
else if ( (pstVdecThreadParam->s32StreamMode==VIDEO_MODE_FRAME) && (pstVdecThreadParam->enType == PT_H264) ) -
{ -
bFindStart = HI_FALSE; -
bFindEnd = HI_FALSE; -
fseek(fpStrm, s32UsedBytes, SEEK_SET); -
s32ReadLen = fread(pu8Buf, 1, pstVdecThreadParam->s32MinBufSize, fpStrm); -
if (s32ReadLen == 0) -
{ -
if (pstVdecThreadParam->bLoopSend) -
{ -
s32UsedBytes = 0; -
fseek(fpStrm, 0, SEEK_SET); -
s32ReadLen = fread(pu8Buf, 1, pstVdecThreadParam->s32MinBufSize, fpStrm); -
} -
else -
{ -
break; -
} -
} -
for (i=0; i -
{ -
int tmp = pu8Buf[i+3] & 0x1F; //判断I帧 -
if ( pu8Buf[i] == 0 && pu8Buf[i+1] == 0 && pu8Buf[i+2] == 1 && -
( -
((tmp == 5 || tmp == 1) && ((pu8Buf[i+4]&0x80) == 0x80)) || -
(tmp == 20 && (pu8Buf[i+7]&0x80) == 0x80) -
) -
) -
{ -
bFindStart = HI_TRUE; -
i += 8; -
break; -
} -
} -
for (; i -
{ -
int tmp = pu8Buf[i+3] & 0x1F;//判断I帧 -
if ( pu8Buf[i ] == 0 && pu8Buf[i+1] == 0 && pu8Buf[i+2] == 1 && -
( -
tmp == 15 || tmp == 7 || tmp == 8 || tmp == 6 || -
((tmp == 5 || tmp == 1) && ((pu8Buf[i+4]&0x80) == 0x80)) || -
(tmp == 20 && (pu8Buf[i+7]&0x80) == 0x80) -
) -
) -
{ -
bFindEnd = HI_TRUE; -
break; -
} -
} -
if(i > 0) s32ReadLen = i; -
if (bFindStart == HI_FALSE) -
{ -
printf("SAMPLE_TEST: chn %d can not find start code!s32ReadLen %d, s32UsedBytes %d. \n", -
pstVdecThreadParam->s32ChnId, s32ReadLen, s32UsedBytes); -
} -
else if (bFindEnd == HI_FALSE) -
{ -
s32ReadLen = i+8; -
} -
}
总结
H.264解码实例参考了海思提供的样例及库，程序源码及相关库文件请点击这里，修改不同的编译链工具，即可在不同HI35XX系列平台运行，整个H.264解码实例提供了最简单的解码实现方式，当然还可以实现快进播放、暂停播放等常用的视频播放控制逻辑，这需要读者进一步摸索。