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iOS直播技术学习笔记-硬编码&软编码实现（五）

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iOS硬编码实现

前言

  • 在上一篇中，我们已经知道iOS编码的一些概念知识，从现在开始，我们可以正式对采集到的视频进行编码
  • 这里我们重点介绍硬编码的使用方式，也就是VideoToolBox框架的使用
  • 编码的流程：采集–> 获取到视频帧–> 对视频帧进行编码 –> 获取到视频帧信息 –> 将编码后的数据以NALU方式写入到文件

视频采集

  • 视频采集我们已经在前面进行了介绍和学习，所有这里就直接贴代码，只是我对采集过程进行了一些简单的封装

视频采集.png

视频硬件编码

  • 初始化压缩编码会话（VTCompressionSessionRef）
    • 在VideoToolbox框架的使用过程中，基本都是C语言函数
  • 初始化后通过VTSessionSetProperty设置对象属性
    • 编码方式：H.264编码
    • 帧率：每秒钟多少帧画面
    • 码率：单位时间内保存的数据量
    • 关键帧（GOPsize)间隔：多少帧为一个GOP
  • 准备编码
  • 代码如下：
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- (void)setupVideoSession {
    // 1.用于记录当前是第几帧数据(画面帧数非常多)
    self.frameID = 0;

    // 2.录制视频的宽度&高度
    int width = [UIScreen mainScreen].bounds.size.width;
    int height = [UIScreen mainScreen].bounds.size.height;

    // 3.创建CompressionSession对象,该对象用于对画面进行编码
    // kCMVideoCodecType_H264 : 表示使用h.264进行编码
    // didCompressH264 : 当一次编码结束会在该函数进行回调,可以在该函数中将数据,写入文件中
    VTCompressionSessionCreate(NULL, width, height, kCMVideoCodecType_H264, NULL, NULL, NULL, didCompressH264, (__bridge void *)(self),  &_compressionSession);

    // 4.设置实时编码输出（直播必然是实时输出,否则会有延迟）
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_RealTime, kCFBooleanTrue);

    // 5.设置期望帧率(每秒多少帧,如果帧率过低,会造成画面卡顿)
    int fps = 30;
    CFNumberRef  fpsRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &fps);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate, fpsRef);

    // 6.设置码率(码率: 编码效率, 码率越高,则画面越清晰, 如果码率较低会引起马赛克 --> 码率高有利于还原原始画面,但是也不利于传输)
    int bitRate = 800*1024;
    CFNumberRef bitRateRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRate);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate, bitRateRef);
    NSArray *limit = @[@(bitRate * 1.5/8), @(1)];
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits, (__bridge CFArrayRef)limit);

    // 7.设置关键帧（GOPsize)间隔
    int frameInterval = 30;
    CFNumberRef  frameIntervalRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &frameInterval);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameInterval, frameIntervalRef);

    // 8.基本设置结束, 准备进行编码
    VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames(self.compressionSession);
}

  • 将输入的帧进行编码
    • 将CMSampleBufferRef转成CVImageBufferRef
    • 开始对CVImageBufferRef进行编码
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- (void)encodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    // 1.将sampleBuffer转成imageBuffer
    CVImageBufferRef imageBuffer = (CVImageBufferRef)CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

    // 2.根据当前的帧数,创建CMTime的时间
    CMTime presentationTimeStamp = CMTimeMake(self.frameID++, 1000);
    VTEncodeInfoFlags flags;

    // 3.开始编码该帧数据
    OSStatus statusCode = VTCompressionSessionEncodeFrame(self.compressionSession,
                                                          imageBuffer,
                                                          presentationTimeStamp,
                                                          kCMTimeInvalid,
                                                          NULL, (__bridge void * _Nullable)(self), &flags);
    if (statusCode == noErr) {
        NSLog(@"H264: VTCompressionSessionEncodeFrame Success");
    }
}

  • 当编码成功后，将编码后的码流写入文件
    • 编码成功后会回调之前输入的函数
    • 1> 先判断是否是关键帧：
      • 如果是关键帧，则需要在写入关键帧之前，先写入PPS、SPS的NALU
      • 取出PPS、SPS数据，并且封装成NALU单元，写入文件
    • 2> 将I帧、P帧、B帧分别封装成NALU单元写入文件
    • 写入后，数据存储方式：

数据存储方式.png

  • 代码如下：
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// 编码完成回调
void didCompressH264(void *outputCallbackRefCon, void *sourceFrameRefCon, OSStatus status, VTEncodeInfoFlags infoFlags, CMSampleBufferRef sampleBuffer) {

    // 1.判断状态是否等于没有错误
    if (status != noErr) {
        return;
    }

    // 2.根据传入的参数获取对象
    VideoEncoder* encoder = (__bridge VideoEncoder*)outputCallbackRefCon;

    // 3.判断是否是关键帧
    bool isKeyframe = !CFDictionaryContainsKey( (CFArrayGetValueAtIndex(CMSampleBufferGetSampleAttachmentsArray(sampleBuffer, true), 0)), kCMSampleAttachmentKey_NotSync);
    // 判断当前帧是否为关键帧
    // 获取sps & pps数据
    if (isKeyframe)
    {
        // 获取编码后的信息（存储于CMFormatDescriptionRef中）
        CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);

        // 获取SPS信息
        size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;
        const uint8_t *sparameterSet;
        CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 0, &sparameterSet, &sparameterSetSize, &sparameterSetCount, 0 );

        // 获取PPS信息
        size_t pparameterSetSize, pparameterSetCount;
        const uint8_t *pparameterSet;
        CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 1, &pparameterSet, &pparameterSetSize, &pparameterSetCount, 0 );

        // 装sps/pps转成NSData，以方便写入文件
        NSData *sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];
        NSData *pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];

        // 写入文件
        [encoder gotSpsPps:sps pps:pps];
    }

    // 获取数据块
    CMBlockBufferRef dataBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);
    size_t length, totalLength;
    char *dataPointer;
    OSStatus statusCodeRet = CMBlockBufferGetDataPointer(dataBuffer, 0, &length, &totalLength, &dataPointer);
    if (statusCodeRet == noErr) {
        size_t bufferOffset = 0;
        static const int AVCCHeaderLength = 4; // 返回的nalu数据前四个字节不是0001的startcode，而是大端模式的帧长度length

        // 循环获取nalu数据
        while (bufferOffset < totalLength - AVCCHeaderLength) {
            uint32_t NALUnitLength = 0;
            // Read the NAL unit length
            memcpy(&NALUnitLength, dataPointer + bufferOffset, AVCCHeaderLength);

            // 从大端转系统端
            NALUnitLength = CFSwapInt32BigToHost(NALUnitLength);

            NSData* data = [[NSData alloc] initWithBytes:(dataPointer + bufferOffset + AVCCHeaderLength) length:NALUnitLength];
            [encoder gotEncodedData:data isKeyFrame:isKeyframe];

            // 移动到写一个块，转成NALU单元
            // Move to the next NAL unit in the block buffer
            bufferOffset += AVCCHeaderLength + NALUnitLength;
        }
    }
}

- (void)gotSpsPps:(NSData*)sps pps:(NSData*)pps
{
    // 1.拼接NALU的header
    const char bytes[] = "\x00\x00\x00\x01";
    size_t length = (sizeof bytes) - 1;
    NSData *ByteHeader = [NSData dataWithBytes:bytes length:length];

    // 2.将NALU的头&NALU的体写入文件
    [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
    [self.fileHandle writeData:sps];
    [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
    [self.fileHandle writeData:pps];

}
- (void)gotEncodedData:(NSData*)data isKeyFrame:(BOOL)isKeyFrame
{
    NSLog(@"gotEncodedData %d", (int)[data length]);
    if (self.fileHandle != NULL)
    {
        const char bytes[] = "\x00\x00\x00\x01";
        size_t length = (sizeof bytes) - 1; //string literals have implicit trailing '\0'
        NSData *ByteHeader = [NSData dataWithBytes:bytes length:length];
        [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
        [self.fileHandle writeData:data];
    }
}

iOS视频软编码

软编码介绍

  • 软编码主要是利用CPU进行编码的过程, 具体的编码通常会用FFmpeg+x264
  • FFmpeg
    • FFmpeg是一个非常强大的音视频处理库,包括视频采集功能、视频格式转换、视频抓图、给视频加水印等。
    • FFmpeg在Linux平台下开发，但它同样也可以在其它操作系统环境中编译运行，包括Windows、Mac OS X等。
  • X264
    • H.264是ITU制定的视频编码标准
    • 而x264是一个开源的H.264/MPEG-4 AVC视频编码函数库[1] ，是最好的有损视频编码器,里面集成了非常多优秀的算法用于视频编码.
  • 关于软编码推荐博客(雷霄骅)

Mac安装/使用FFmpeg

  • 安装
    • ruby -e “$(curl -fsSkL raw.github.com/mxcl/homebrew/go)”
    • brew install ffmpeg
  • 简单使用
    • 转化格式: ffmpeg -i story.webm story.mp4
    • 分离视频: ffmpeg -i story.mp4 -vcodec copy -an demo.mp4
    • 分离音频: ffmpeg -i story.mp4 -acodec copy -vn demo.aac

编译FFmpeg(iOS)

编译X264

  • 下载x264
  • 下载gas-preprocessor(FFmpeg编译时已经下载过)
  • 下载x264 build shell
  • 修改权限/执行脚本
    • sudo chmod u+x build-x264.sh
    • sudo ./build-x264.sh

iOS项目中集成FFmpeg

  • 将编译好的文件夹拖入到工程中
  • 添加依赖库: libiconv.dylib/libz.dylib/libbz2.dylib/CoreMedia.framework/AVFoundation.framework
  • 初始化编码器
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/*
 *  设置X264
 */
- (int)setX264ResourceWithVideoWidth:(int)width height:(int)height bitrate:(int)bitrate
{
    // 1.默认从第0帧开始(记录当前的帧数)
    framecnt = 0;

    // 2.记录传入的宽度&高度
    encoder_h264_frame_width = width;
    encoder_h264_frame_height = height;

    // 3.注册FFmpeg所有编解码器(无论编码还是解码都需要该步骤)
    av_register_all();

    // 4.初始化AVFormatContext: 用作之后写入视频帧并编码成 h264，贯穿整个工程当中(释放资源时需要销毁)
    pFormatCtx = avformat_alloc_context();

    // 5.设置输出文件的路径
    fmt = av_guess_format(NULL, out_file, NULL);
    pFormatCtx->oformat = fmt;

    // 6.打开文件的缓冲区输入输出，flags 标识为  AVIO_FLAG_READ_WRITE ，可读写
    if (avio_open(&pFormatCtx->pb, out_file, AVIO_FLAG_READ_WRITE) < 0){
        printf("Failed to open output file! \n");
        return -1;
    }

    // 7.创建新的输出流, 用于写入文件
    video_st = avformat_new_stream(pFormatCtx, 0);

    // 8.设置 20 帧每秒 ，也就是 fps 为 20
    video_st->time_base.num = 1;
    video_st->time_base.den = 25;

    if (video_st==NULL){
        return -1;
    }

    // 9.pCodecCtx 用户存储编码所需的参数格式等等
    // 9.1.从媒体流中获取到编码结构体，他们是一一对应的关系，一个 AVStream 对应一个  AVCodecContext
    pCodecCtx = video_st->codec;

    // 9.2.设置编码器的编码格式(是一个id)，每一个编码器都对应着自己的 id，例如 h264 的编码 id 就是 AV_CODEC_ID_H264
    pCodecCtx->codec_id = fmt->video_codec;

    // 9.3.设置编码类型为 视频编码
    pCodecCtx->codec_type = AVMEDIA_TYPE_VIDEO;

    // 9.4.设置像素格式为 yuv 格式
    pCodecCtx->pix_fmt = PIX_FMT_YUV420P;

    // 9.5.设置视频的宽高
    pCodecCtx->width = encoder_h264_frame_width;
    pCodecCtx->height = encoder_h264_frame_height;

    // 9.6.设置帧率
    pCodecCtx->time_base.num = 1;
    pCodecCtx->time_base.den = 15;

    // 9.7.设置码率（比特率）
    pCodecCtx->bit_rate = bitrate;

    // 9.8.视频质量度量标准(常见qmin=10, qmax=51)
    pCodecCtx->qmin = 10;
    pCodecCtx->qmax = 51;

    // 9.9.设置图像组层的大小(GOP-->两个I帧之间的间隔)
    pCodecCtx->gop_size = 250;

    // 9.10.设置 B 帧最大的数量，B帧为视频图片空间的前后预测帧， B 帧相对于 I、P 帧来说，压缩率比较大，也就是说相同码率的情况下，
    // 越多 B 帧的视频，越清晰，现在很多打视频网站的高清视频，就是采用多编码 B 帧去提高清晰度，
    // 但同时对于编解码的复杂度比较高，比较消耗性能与时间
    pCodecCtx->max_b_frames = 5;

    // 10.可选设置
    AVDictionary *param = 0;
    // H.264
    if(pCodecCtx->codec_id == AV_CODEC_ID_H264) {
        // 通过--preset的参数调节编码速度和质量的平衡。
        av_dict_set(&param, "preset", "slow", 0);

        // 通过--tune的参数值指定片子的类型，是和视觉优化的参数，或有特别的情况。
        // zerolatency: 零延迟，用在需要非常低的延迟的情况下，比如视频直播的编码
        av_dict_set(&param, "tune", "zerolatency", 0);
    }

    // 11.输出打印信息，内部是通过printf函数输出（不需要输出可以注释掉该局）
    av_dump_format(pFormatCtx, 0, out_file, 1);

    // 12.通过 codec_id 找到对应的编码器
    pCodec = avcodec_find_encoder(pCodecCtx->codec_id);
    if (!pCodec) {
        printf("Can not find encoder! \n");
        return -1;
    }

    // 13.打开编码器，并设置参数 param
    if (avcodec_open2(pCodecCtx, pCodec,&param) < 0) {
        printf("Failed to open encoder! \n");
        return -1;
    }

    // 13.初始化原始数据对象: AVFrame
    pFrame = av_frame_alloc();

    // 14.通过像素格式(这里为 YUV)获取图片的真实大小，例如将 480 * 720 转换成 int 类型
    avpicture_fill((AVPicture *)pFrame, picture_buf, pCodecCtx->pix_fmt, pCodecCtx->width, pCodecCtx->height);

    // 15.h264 封装格式的文件头部，基本上每种编码都有着自己的格式的头部，想看具体实现的同学可以看看 h264 的具体实现
    avformat_write_header(pFormatCtx, NULL);

    // 16.创建编码后的数据 AVPacket 结构体来存储 AVFrame 编码后生成的数据
    av_new_packet(&pkt, picture_size);

    // 17.设置 yuv 数据中 y 图的宽高
    y_size = pCodecCtx->width * pCodecCtx->height;

    return 0;
}

  • 编码每一帧数据
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/*
 * 将CMSampleBufferRef格式的数据编码成h264并写入文件
 *
 */
- (void)encoderToH264:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer
{
    // 1.通过CMSampleBufferRef对象获取CVPixelBufferRef对象
    CVPixelBufferRef imageBuffer = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

    // 2.锁定imageBuffer内存地址开始进行编码
    if (CVPixelBufferLockBaseAddress(imageBuffer, 0) == kCVReturnSuccess) {
        // 3.从CVPixelBufferRef读取YUV的值
        // NV12和NV21属于YUV格式，是一种two-plane模式，即Y和UV分为两个Plane，但是UV（CbCr）为交错存储，而不是分为三个plane
        // 3.1.获取Y分量的地址
        UInt8 *bufferPtr = (UInt8 *)CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane(imageBuffer,0);
        // 3.2.获取UV分量的地址
        UInt8 *bufferPtr1 = (UInt8 *)CVPixelBufferGetBaseAddressOfPlane(imageBuffer,1);

        // 3.3.根据像素获取图片的真实宽度&高度
        size_t width = CVPixelBufferGetWidth(imageBuffer);
        size_t height = CVPixelBufferGetHeight(imageBuffer);
        // 获取Y分量长度
        size_t bytesrow0 = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer,0);
        size_t bytesrow1  = CVPixelBufferGetBytesPerRowOfPlane(imageBuffer,1);
        UInt8 *yuv420_data = (UInt8 *)malloc(width * height *3/2);

        /* convert NV12 data to YUV420*/
        // 3.4.将NV12数据转成YUV420数据
        UInt8 *pY = bufferPtr ;
        UInt8 *pUV = bufferPtr1;
        UInt8 *pU = yuv420_data + width*height;
        UInt8 *pV = pU + width*height/4;
        for(int i =0;i<height;i++)
        {
            memcpy(yuv420_data+i*width,pY+i*bytesrow0,width);
        }
        for(int j = 0;j<height/2;j++)
        {
            for(int i =0;i<width/2;i++)
            {
                *(pU++) = pUV[i<<1];
                *(pV++) = pUV[(i<<1) + 1];
            }
            pUV+=bytesrow1;
        }

        // 3.5.分别读取YUV的数据
        picture_buf = yuv420_data;
        pFrame->data[0] = picture_buf;              // Y
        pFrame->data[1] = picture_buf+ y_size;      // U
        pFrame->data[2] = picture_buf+ y_size*5/4;  // V

        // 4.设置当前帧
        pFrame->pts = framecnt;
        int got_picture = 0;

        // 4.设置宽度高度以及YUV各式
        pFrame->width = encoder_h264_frame_width;
        pFrame->height = encoder_h264_frame_height;
        pFrame->format = PIX_FMT_YUV420P;

        // 5.对编码前的原始数据(AVFormat)利用编码器进行编码，将 pFrame 编码后的数据传入pkt 中
        int ret = avcodec_encode_video2(pCodecCtx, &pkt, pFrame, &got_picture);
        if(ret < 0) {
            printf("Failed to encode! \n");

        }

        // 6.编码成功后写入 AVPacket 到 输入输出数据操作着 pFormatCtx 中，当然，记得释放内存
        if (got_picture==1) {
            framecnt++;
            pkt.stream_index = video_st->index;
            ret = av_write_frame(pFormatCtx, &pkt);
            av_free_packet(&pkt);
        }

        // 7.释放yuv数据
        free(yuv420_data);
    }

    CVPixelBufferUnlockBaseAddress(imageBuffer, 0);
}

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/*
 * 释放资源
 */
- (void)freeX264Resource
{
    // 1.释放AVFormatContext
    int ret = flush_encoder(pFormatCtx,0);
    if (ret < 0) {
        printf("Flushing encoder failed\n");
    }

    // 2.将还未输出的AVPacket输出出来
    av_write_trailer(pFormatCtx);

    // 3.关闭资源
    if (video_st){
        avcodec_close(video_st->codec);
        av_free(pFrame);
    }
    avio_close(pFormatCtx->pb);
    avformat_free_context(pFormatCtx);
}

int flush_encoder(AVFormatContext *fmt_ctx,unsigned int stream_index)
{
    int ret;
    int got_frame;
    AVPacket enc_pkt;
    if (!(fmt_ctx->streams[stream_index]->codec->codec->capabilities &
          CODEC_CAP_DELAY))
        return 0;

    while (1) {
        enc_pkt.data = NULL;
        enc_pkt.size = 0;
        av_init_packet(&enc_pkt);
        ret = avcodec_encode_video2 (fmt_ctx->streams[stream_index]->codec, &enc_pkt,
                                     NULL, &got_frame);
        av_frame_free(NULL);
        if (ret < 0)
            break;
        if (!got_frame){
            ret=0;
            break;
        }
        ret = av_write_frame(fmt_ctx, &enc_pkt);
        if (ret < 0)
            break;
    }
    return ret;
}