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VideoToolbox框架详细解析(一) —— 基本概览

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篇首语:本文由小编为大家整理,主要介绍了VideoToolbox框架详细解析(一) —— 基本概览相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

参考技术A 首先看一下该框架的基本信息。

VideoToolbox 是一个底层框架,可以直接访问硬件编码器和解码器。 它提供视频压缩和解压缩服务,并在 CoreVideo 像素缓冲区中存储的光栅 raster 图像格式之间进行转换。 这些服务以会话对象(压缩,解压缩和像素传输)的形式提供,它们以 Core Foundation(CF) 类型呈现。 不需要直接访问硬件编码器和解码器的应用程序App就不需要直接使用 VideoToolbox 。

下面我们先看一下该框架的基本结构。

该框架在使用的时候需要引入框架

下面我们就看一下头文件和API

下面我们就看一下详细结构。

iOS-VideoToolbox硬编码H264

前言

VideoToolBox是iOS8之后,苹果开发的用于硬解码编码H264/H265(iOS11以后支持)的API。

对于H264还不了解的童鞋一定要先看下这边的H264的简介。

编码流程

我们实现一个简单的Demo,从摄像头获取到视频数据,然后再编码成H264裸数据保存在沙盒中。

1. 创建初始化VideoToolBox

 

 

 

 

核心代码如下

- (void)initVideoToolBox     dispatch_sync(encodeQueue  , ^        frameNO = 0;        int width = 480, height = 640;        OSStatus status = VTCompressionSessionCreate(NULL, width, height, kCMVideoCodecType_H264, NULL, NULL, NULL, didCompressH264, (__bridge void *)(self),  &encodingSession);        NSLog(@"H264: VTCompressionSessionCreate %d", (int)status);        if (status != 0)                    NSLog(@"H264: Unable to create a H264 session");            return ;                        // 设置实时编码输出(避免延迟)        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_RealTime, kCFBooleanTrue);        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_ProfileLevel, kVTProfileLevel_H264_Baseline_AutoLevel);                // 设置关键帧(GOPsize)间隔        int frameInterval = 24;        CFNumberRef  frameIntervalRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &frameInterval);        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameInterval, frameIntervalRef);                //设置期望帧率        int fps = 24;        CFNumberRef  fpsRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &fps);        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate, fpsRef);                        //设置码率,均值,单位是byte        int bitRate = width * height * 3 * 4 * 8;        CFNumberRef bitRateRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRate);        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate, bitRateRef);                //设置码率,上限,单位是bps        int bitRateLimit = width * height * 3 * 4;        CFNumberRef bitRateLimitRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRateLimit);        VTSessionSetProperty(encodingSession, kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits, bitRateLimitRef);                //开始编码        VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames(encodingSession);    );

初始化这里设置了编码类型kCMVideoCodecType_H264,
分辨率640 * 480,fps,GOP,码率。

2. 从摄像头获取视频数据丢给VideoToolBox编码成H264

 



 

 

 

 

初始化视频采集端核心代码如下

//初始化摄像头采集端- (void)initCapture        self.captureSession = [[AVCaptureSession alloc]init];        //设置录制640 * 480    self.captureSession.sessionPreset = AVCaptureSessionPreset640x480;        AVCaptureDevice *inputCamera = [self cameraWithPostion:AVCaptureDevicePositionBack];      self.captureDeviceInput = [[AVCaptureDeviceInput alloc] initWithDevice:inputCamera error:nil];        if ([self.captureSession canAddInput:self.captureDeviceInput])         [self.captureSession addInput:self.captureDeviceInput];            self.captureDeviceOutput = [[AVCaptureVideoDataOutput alloc] init];    [self.captureDeviceOutput setAlwaysDiscardsLateVideoFrames:NO];        //设置YUV420p输出    [self.captureDeviceOutput setVideoSettings:[NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey]];        [self.captureDeviceOutput setSampleBufferDelegate:self queue:captureQueue];        if ([self.captureSession canAddOutput:self.captureDeviceOutput])         [self.captureSession addOutput:self.captureDeviceOutput];            //建立连接    AVCaptureConnection *connection = [self.captureDeviceOutput connectionWithMediaType:AVMediaTypeVideo];    [connection setVideoOrientation:AVCaptureVideoOrientationPortrait];

这里需要注意设置的视频分辨率和编码器一致640 * 480. AVCaptureVideoDataOutput类型选用YUV420p。

摄像头数据回调部分

- (void)captureOutput:(AVCaptureOutput *)output didOutputSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer fromConnection:(AVCaptureConnection *)connection    dispatch_sync(encodeQueue, ^        [self encode:sampleBuffer];    );//编码sampleBuffer- (void) encode:(CMSampleBufferRef )sampleBuffer    CVImageBufferRef imageBuffer = (CVImageBufferRef)CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);    // 帧时间,如果不设置会导致时间轴过长。    CMTime presentationTimeStamp = CMTimeMake(frameNO++, 1000);    VTEncodeInfoFlags flags;    OSStatus statusCode = VTCompressionSessionEncodeFrame(encodingSession,                                                          imageBuffer,                                                          presentationTimeStamp,                                                          kCMTimeInvalid,                                                          NULL, NULL, &flags);    if (statusCode != noErr)         NSLog(@"H264: VTCompressionSessionEncodeFrame failed with %d", (int)statusCode);                VTCompressionSessionInvalidate(encodingSession);        CFRelease(encodingSession);        encodingSession = NULL;        return;        NSLog(@"H264: VTCompressionSessionEncodeFrame Success");

3.框架中出现的数据结构
CMSampleBufferRef
存放一个或者多个压缩或未压缩的媒体数据;
下图列举了两种CMSampleBuffer。

 

 

 

CMTime
64位的value,32位的scale,media的时间格式;

 

 

 

 

 

CMBlockBuffer
这里可以叫裸数据;

CVPixelBuffer
包含未压缩的像素数据,图像宽度、高度等;

pixelBufferAttributes
CFDictionary包括宽高、像素格式(RGBA、YUV)、使用场景(OpenGL ES、Core Animation)

 

 

 

CVPixelBufferPool
CVPixelBuffer的缓冲池,因为CVPixelBuffer的创建和销毁开销很大

 

 

 

 

CMVideoFormatDescription
video格式,包括宽高、颜色空间、编码格式信息等;对于H264,还包含sps和pps数据;

 

 

 

 

4. 编码完成后的数据写入H264

 

 

 

 

这里编码完成我们先判断的是否为I帧,如果是需要读取sps和pps参数集,为什么要这样呢?

我们先看一下一个裸数据H264(Elementary Stream)的NALU构成

 

 

 

 

 

H.264裸流中,不存在单独的SPS、PPS包或帧,而是附加在I帧前面,存储的一般形式为

00 00 00 01 SPS 00 00 00 01 PPS 00 00 00 01 I帧

前面的这些00 00数据称为起始码(Start Code),它们不属于SPS、PPS的内容。

SPS(Sequence Parameter Sets)和PPS(Picture Parameter Set):H.264的SPS和PPS包含了初始化H.264解码器所需要的信息参数,包括编码所用的profile,level,图像的宽和高,deblock滤波器等。

上面介绍了sps和pps是封装在CMFormatDescriptionRef中,所以我们得先CMFormatDescriptionRef中取出sps和pps写入h264裸流中。

这就不难理解写入H264的流程了。

代码如下



// 编码完成回调void didCompressH264(void *outputCallbackRefCon, void *sourceFrameRefCon, OSStatus status, VTEncodeInfoFlags infoFlags, CMSampleBufferRef sampleBuffer)     NSLog(@"didCompressH264 called with status %d infoFlags %d", (int)status, (int)infoFlags);    if (status != 0)         return;        if (!CMSampleBufferDataIsReady(sampleBuffer))         NSLog(@"didCompressH264 data is not ready ");        return;        ViewController* encoder = (__bridge ViewController*)outputCallbackRefCon;    bool keyframe = !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 (keyframe)            CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);        size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;        const uint8_t *sparameterSet;        OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 0, &sparameterSet, &sparameterSetSize, &sparameterSetCount, 0 );        if (statusCode == noErr)                    // 获得了sps,再获取pps            size_t pparameterSetSize, pparameterSetCount;            const uint8_t *pparameterSet;            OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 1, &pparameterSet, &pparameterSetSize, &pparameterSetCount, 0 );            if (statusCode == noErr)                            // 获取SPS和PPS data                NSData *sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];                NSData *pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];                if (encoder)                                    [encoder gotSpsPps:sps pps:pps];                                                CMBlockBufferRef dataBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);    size_t length, totalLength;    char *dataPointer;        //这里获取了数据指针,和NALU的帧总长度,前四个字节里面保存的    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;            // 读取NALU长度的数据            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];                        // 移动到下一个NALU单元            bufferOffset += AVCCHeaderLength + NALUnitLength;                //填充SPS和PPS数据- (void)gotSpsPps:(NSData*)sps pps:(NSData*)pps    NSLog(@"gotSpsPps %d %d", (int)[sps length], (int)[pps length]);    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];  //写入startcode    [self.h264FileHandle writeData:ByteHeader];    [self.h264FileHandle writeData:sps];  //写入startcode    [self.h264FileHandle writeData:ByteHeader];    [self.h264FileHandle writeData:pps];    //填充NALU数据- (void)gotEncodedData:(NSData*)data    NSLog(@"gotEncodedData %d", (int)[data length]);    if (self.h264FileHandle != 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];        //写入startcode        [self.h264FileHandle writeData:ByteHeader];        //写入NALU数据        [self.h264FileHandle writeData:data];    

结束编码后销毁session

- (void)EndVideoToolBox    VTCompressionSessionCompleteFrames(encodingSession, kCMTimeInvalid);    VTCompressionSessionInvalidate(encodingSession);    CFRelease(encodingSession);    encodingSession = NULL;

这样就完成了使用VideoToolbox 的H264编码。编码好的H264文件可以从沙盒中取出。

总结

仅仅看流程不看代码肯定是学不会框架的,自己动手编码试试吧!
Demo下载地址:iOS-VideoToolBox-demo

 

 

以上是关于VideoToolbox框架详细解析(一) —— 基本概览的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章