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ffmpeg_develop_doc/iOS资料/iOS AVDemo(8):视频编码,H.264 和 ...

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# iOS AVDemo(8):视频编码,H.264 和 H.265 都支持
iOS/Android 客户端开发同学如果想要开始学习音视频开发,最丝滑的方式是对[音视频基础概念知识](https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&action=getalbum&album_id=2140155659944787969#wechat_redirect)有一定了解后,再借助 iOS/Android 平台的音视频能力上手去实践音视频的`采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染`过程,并借助[音视频工具](https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&action=getalbum&album_id=2216997905264082945#wechat_redirect)来分析和理解对应的音视频数据。
在[音视频工程示例](https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&action=getalbum&album_id=2273301900659851268#wechat_redirect)这个栏目,我们将通过拆解`采集 → 编码 → 封装 → 解封装 → 解码 → 渲染`流程并实现 Demo 来向大家介绍如何在 iOS/Android 平台上手音视频开发。
这里是第八篇:**iOS 视频编码 Demo**。这个 Demo 里包含以下内容:
- 1)实现一个视频采集模块;
- 2)实现一个视频编码模块,支持 H.264/H.265;
- 3)串联视频采集和编码模块,将采集到的视频数据输入给编码模块进行编码,并存储为文件;
- 4)详尽的代码注释,帮你理解代码逻辑和原理。
想要了解视频编码,可以看看这几篇:
- [《视频编码(1):H.264(AVC)》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257484471&idx=1&sn=421be18e5b591043f13996734c60780b&scene=21#wechat_redirect)
- [《视频编码(2):H.265(HEVC)》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257484563&idx=1&sn=f08f9994ef7d8a6ee09491e870c6e843&scene=21#wechat_redirect)
- [《视频编码(3):H.266(VVC)》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257484673&idx=1&sn=9a6f5e69d9af825b85210c023b85b81a&scene=21#wechat_redirect)
## 1、视频采集模块
在这个 Demo 中,视频采集模块 `KFVideoCapture` 的实现与 [《iOS 视频采集 Demo》](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257485011&idx=1&sn=8bb9cfa01deba9670e9999bd20892440&scene=21#wechat_redirect) 中一样,这里就不再重复介绍了,其接口如下:
```
KFVideoCapture.h
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "KFVideoCaptureConfig.h"
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface KFVideoCapture : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithConfig:(KFVideoCaptureConfig *)config;
@property (nonatomic, strong, readonly) KFVideoCaptureConfig *config;
@property (nonatomic, strong, readonly) AVCaptureVideoPreviewLayer *previewLayer; // 视频预览渲染 layer。
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sample); // 视频采集数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^sessionErrorCallBack)(NSError *error); // 视频采集会话错误回调。
@property (nonatomic, copy) void (^sessionInitSuccessCallBack)(void); // 视频采集会话初始化成功回调。
- (void)startRunning; // 开始采集。
- (void)stopRunning; // 停止采集。
- (void)changeDevicePosition:(AVCaptureDevicePosition)position; // 切换摄像头。
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
```
## 2、视频编码模块
在实现视频编码模块之前,我们先实现一个视频编码配置类 `KFVideoEncoderConfig`
```
KFVideoEncoderConfig.h
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <AVFoundation/AVFoundation.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface KFVideoEncoderConfig : NSObject
@property (nonatomic, assign) CGSize size; // 分辨率。
@property (nonatomic, assign) NSInteger bitrate; // 码率。
@property (nonatomic, assign) NSInteger fps; // 帧率。
@property (nonatomic, assign) NSInteger gopSize; // GOP 帧数。
@property (nonatomic, assign) BOOL openBFrame; // 编码是否使用 B 帧。
@property (nonatomic, assign) CMVideoCodecType codecType; // 编码器类型。
@property (nonatomic, assign) NSString *profile; // 编码 profile。
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
KFVideoEncoderConfig.m
#import "KFVideoEncoderConfig.h"
#import <VideoToolBox/VideoToolBox.h>
@implementation KFVideoEncoderConfig
- (instancetype)init {
self = [super init];
if (self) {
_size = CGSizeMake(1080, 1920);
_bitrate = 5000 * 1024;
_fps = 30;
_gopSize = _fps * 5;
_openBFrame = YES;
BOOL supportHEVC = NO;
if (@available(iOS 11.0, *)) {
if (&VTIsHardwareDecodeSupported) {
supportHEVC = VTIsHardwareDecodeSupported(kCMVideoCodecType_HEVC);
}
}
_codecType = supportHEVC ? kCMVideoCodecType_HEVC : kCMVideoCodecType_H264;
_profile = supportHEVC ? (__bridge NSString *) kVTProfileLevel_HEVC_Main_AutoLevel : AVVideoProfileLevelH264HighAutoLevel;
}
return self;
}
@end
```
这里实现了在设备支持 H.265 时,默认选择 H.265 编码。
接下来,我们来实现一个视频编码模块 `KFVideoEncoder`,在这里输入采集后的数据,输出编码后的数据。
```
KFVideoEncoder.h
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "KFVideoEncoderConfig.h"
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface KFVideoEncoder : NSObject
+ (instancetype)new NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)init NS_UNAVAILABLE;
- (instancetype)initWithConfig:(KFVideoEncoderConfig*)config;
@property (nonatomic, strong, readonly) KFVideoEncoderConfig *config; // 视频编码配置参数。
@property (nonatomic, copy) void (^sampleBufferOutputCallBack)(CMSampleBufferRef sampleBuffer); // 视频编码数据回调。
@property (nonatomic, copy) void (^errorCallBack)(NSError *error); // 视频编码错误回调。
- (void)encodePixelBuffer:(CVPixelBufferRef)pixelBuffer ptsTime:(CMTime)timeStamp; // 编码。
- (void)refresh; // 刷新重建编码器。
- (void)flush; // 清空编码缓冲区。
- (void)flushWithCompleteHandler:(void (^)(void))completeHandler; // 清空编码缓冲区并回调完成。
@end
NS_ASSUME_NONNULL_END
```
上面是 `KFVideoEncoder` 接口的设计,除了`初始化方法`,主要是有`获取视频编码配置`以及视频编码`数据回调`和`错误回调`的接口,另外就是`编码`、`刷新重建编码器`、`清空编码缓冲区`的接口。
其中`编码`接口对应着视频编码模块输入,`数据回调`接口则对应着输出。可以看到这里输出参数我们依然用的是 **CMSampleBufferRef**[1] 这个数据结构。不过输入的参数换成了 **CVPixelBufferRef**[2] 这个数据结构。它是对 `CVPixelBuffer` 的一个引用。
之前我们介绍过,`CMSampleBuffer` 中包含着零个或多个某一类型(audio、video、muxed 等)的采样数据。比如:
- 要么是一个或多个媒体采样的 **CMBlockBuffer**[3]。其中可以封装:音频采集后、编码后、解码后的数据(如:PCM 数据、AAC 数据);视频编码后的数据(如:H.264/H.265 数据)。
- 要么是一个 **CVImageBuffer**[4](也作 **CVPixelBuffer**[5])。其中包含媒体流中 CMSampleBuffers 的格式描述、每个采样的宽高和时序信息、缓冲级别和采样级别的附属信息。缓冲级别的附属信息是指缓冲区整体的信息,比如播放速度、对后续缓冲数据的操作等。采样级别的附属信息是指单个采样的信息,比如视频帧的时间戳、是否关键帧等。其中可以封装:视频采集后、解码后等未经编码的数据(如:YCbCr 数据、RGBA 数据)。
所以,因为是视频编码的接口,这里用 `CVPixelBufferRef` 也就是图一个方便,其实也可以用 `CMSampleBufferRef`,只要编码用 `CMSampleBufferGetImageBuffer(...)` 取出对应的 `CVPixelBufferRef` 即可。
```
KFVideoEncoder.m
#import "KFVideoEncoder.h"
#import <VideoToolBox/VideoToolBox.h>
#import <UIKit/UIKit.h>
#define KFEncoderRetrySessionMaxCount 5
#define KFEncoderEncodeFrameFailedMaxCount 20
@interface KFVideoEncoder ()
@property (nonatomic, assign) VTCompressionSessionRef compressionSession;
@property (nonatomic, strong, readwrite) KFVideoEncoderConfig *config; // 视频编码配置参数。
@property (nonatomic, strong) dispatch_queue_t encoderQueue;
@property (nonatomic, strong) dispatch_semaphore_t semaphore;
@property (nonatomic, assign) BOOL needRefreshSession; // 是否需要刷新重建编码器。
@property (nonatomic, assign) NSInteger retrySessionCount; // 刷新重建编码器的次数。
@property (nonatomic, assign) NSInteger encodeFrameFailedCount; // 编码失败次数。
@end
@implementation KFVideoEncoder
#pragma mark - LifeCycle
- (instancetype)initWithConfig:(KFVideoEncoderConfig *)config {
self = [super init];
if (self) {
_config = config;
_encoderQueue = dispatch_queue_create("com.KeyFrameKit.videoEncoder", DISPATCH_QUEUE_SERIAL);
_semaphore = dispatch_semaphore_create(1);
[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self selector:@selector(didEnterBackground:) name:UIApplicationDidEnterBackgroundNotification object:nil];
}
return self;
}
- (void)dealloc {
[[NSNotificationCenter defaultCenter] removeObserver:self];
dispatch_semaphore_wait(_semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
[self _releaseCompressionSession];
dispatch_semaphore_signal(_semaphore);
}
#pragma mark - Public Method
- (void)refresh {
self.needRefreshSession = YES; // 标记位待刷新重建编码器。
}
- (void)flush {
// 清空编码缓冲区。
__weak typeof(self) weakSelf = self;
dispatch_async(self.encoderQueue, ^{
dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
[weakSelf _flush];
dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
});
}
- (void)flushWithCompleteHandler:(void (^)(void))completeHandler {
// 清空编码缓冲区并回调完成。
__weak typeof(self) weakSelf = self;
dispatch_async(self.encoderQueue, ^{
dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
[weakSelf _flush];
dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
if (completeHandler) {
completeHandler();
}
});
}
- (void)encodePixelBuffer:(CVPixelBufferRef)pixelBuffer ptsTime:(CMTime)timeStamp {
// 编码。
if (!pixelBuffer || self.retrySessionCount >= KFEncoderRetrySessionMaxCount || self.encodeFrameFailedCount >= KFEncoderEncodeFrameFailedMaxCount) {
return;
}
CFRetain(pixelBuffer);
__weak typeof(self) weakSelf = self;
dispatch_async(self.encoderQueue, ^{
dispatch_semaphore_wait(weakSelf.semaphore, DISPATCH_TIME_FOREVER);
OSStatus setupStatus = noErr;
// 1、如果还没创建过编码器或者需要刷新重建编码器,就创建编码器。
if (!weakSelf.compressionSession || weakSelf.needRefreshSession) {
[weakSelf _releaseCompressionSession];
setupStatus = [weakSelf _setupCompressionSession];
// 支持重试,记录重试次数。
weakSelf.retrySessionCount = setupStatus == noErr ? 0 : (weakSelf.retrySessionCount + 1);
if (setupStatus != noErr) {
[weakSelf _releaseCompressionSession];
NSLog(@"KFVideoEncoder setupCompressionSession error:%d", setupStatus);
} else {
weakSelf.needRefreshSession = NO;
}
}
// 重试超过 KFEncoderRetrySessionMaxCount 次仍然失败则认为创建失败,报错。
if (!weakSelf.compressionSession) {
CFRelease(pixelBuffer);
dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
if (weakSelf.retrySessionCount >= KFEncoderRetrySessionMaxCount && weakSelf.errorCallBack) {
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
weakSelf.errorCallBack([NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFVideoEncoder class]) code:setupStatus userInfo:nil]);
});
}
return;
}
// 2、对 pixelBuffer 进行编码。
VTEncodeInfoFlags flags;
OSStatus encodeStatus = VTCompressionSessionEncodeFrame(weakSelf.compressionSession, pixelBuffer, timeStamp, CMTimeMake(1, (int32_t) weakSelf.config.fps), NULL, NULL, &flags);
if (encodeStatus == kVTInvalidSessionErr) {
// 编码失败进行重建编码器重试。
[weakSelf _releaseCompressionSession];
setupStatus = [weakSelf _setupCompressionSession];
weakSelf.retrySessionCount = setupStatus == noErr ? 0 : (weakSelf.retrySessionCount + 1);
if (setupStatus == noErr) {
encodeStatus = VTCompressionSessionEncodeFrame(weakSelf.compressionSession, pixelBuffer, timeStamp, CMTimeMake(1, (int32_t) weakSelf.config.fps), NULL, NULL, &flags);
} else {
[weakSelf _releaseCompressionSession];
}
NSLog(@"KFVideoEncoder kVTInvalidSessionErr");
}
// 记录编码失败次数。
if (encodeStatus != noErr) {
NSLog(@"KFVideoEncoder VTCompressionSessionEncodeFrame error:%d", encodeStatus);
}
weakSelf.encodeFrameFailedCount = encodeStatus == noErr ? 0 : (weakSelf.encodeFrameFailedCount + 1);
CFRelease(pixelBuffer);
dispatch_semaphore_signal(weakSelf.semaphore);
// 编码失败次数超过 KFEncoderEncodeFrameFailedMaxCount 次,报错。
if (weakSelf.encodeFrameFailedCount >= KFEncoderEncodeFrameFailedMaxCount && weakSelf.errorCallBack) {
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
weakSelf.errorCallBack([NSError errorWithDomain:NSStringFromClass([KFVideoEncoder class]) code:encodeStatus userInfo:nil]);
});
}
});
}
#pragma mark - Privte Method
- (OSStatus)_setupCompressionSession {
if (_compressionSession) {
return noErr;
}
// 1、创建视频编码器实例。
// 这里要设置画面尺寸、编码器类型、编码数据回调。
OSStatus status = VTCompressionSessionCreate(NULL, _config.size.width, _config.size.height, _config.codecType, NULL, NULL, NULL, encoderOutputCallback, (__bridge void *) self, &_compressionSession);
if (status != noErr) {
return status;
}
// 2、设置编码器属性:实时编码。
VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_RealTime, (__bridge CFTypeRef) @(YES));
// 3、设置编码器属性:编码 profile。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_ProfileLevel, (__bridge CFStringRef) self.config.profile);
if (status != noErr) {
return status;
}
// 4、设置编码器属性:是否支持 B 帧。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_AllowFrameReordering, (__bridge CFTypeRef) @(self.config.openBFrame));
if (status != noErr) {
return status;
}
if (self.config.codecType == kCMVideoCodecType_H264) {
// 5、如果是 H.264 编码,设置编码器属性:熵编码类型为 CABAC,上下文自适应的二进制算术编码。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_H264EntropyMode, kVTH264EntropyMode_CABAC);
if (status != noErr) {
return status;
}
}
// 6、设置编码器属性:画面填充模式。
NSDictionary *transferDic= @{
(__bridge NSString *) kVTPixelTransferPropertyKey_ScalingMode: (__bridge NSString *) kVTScalingMode_Letterbox,
};
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_PixelTransferProperties, (__bridge CFTypeRef) (transferDic));
if (status != noErr) {
return status;
}
// 7、设置编码器属性:平均码率。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate, (__bridge CFTypeRef) @(self.config.bitrate));
if (status != noErr) {
return status;
}
// 8、设置编码器属性:码率上限。
if (!self.config.openBFrame && self.config.codecType == kCMVideoCodecType_H264) {
NSArray *limit = @[@(self.config.bitrate * 1.5 / 8), @(1)];
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits, (__bridge CFArrayRef) limit);
if (status != noErr) {
return status;
}
}
// 9、设置编码器属性:期望帧率。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate, (__bridge CFTypeRef) @(self.config.fps));
if (status != noErr) {
return status;
}
// 10、设置编码器属性:最大关键帧间隔帧数,也就是 GOP 帧数。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameInterval, (__bridge CFTypeRef) @(self.config.gopSize));
if (status != noErr) {
return status;
}
// 11、设置编码器属性:最大关键帧间隔时长。
status = VTSessionSetProperty(_compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameIntervalDuration, (__bridge CFTypeRef)@(_config.gopSize / _config.fps));
if (status != noErr) {
return status;
}
// 12、预备编码。
status = VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames(_compressionSession);
return status;
}
- (void)_releaseCompressionSession {
if (_compressionSession) {
// 强制处理完所有待编码的帧。
VTCompressionSessionCompleteFrames(_compressionSession, kCMTimeInvalid);
// 销毁编码器。
VTCompressionSessionInvalidate(_compressionSession);
CFRelease(_compressionSession);
_compressionSession = NULL;
}
}
- (void)_flush {
// 清空编码缓冲区。
if (_compressionSession) {
// 传入 kCMTimeInvalid 时,强制处理完所有待编码的帧,清空缓冲区。
VTCompressionSessionCompleteFrames(_compressionSession, kCMTimeInvalid);
}
}
#pragma mark - NSNotification
- (void)didEnterBackground:(NSNotification *)notification {
self.needRefreshSession = YES; // 退后台回来后需要刷新重建编码器。
}
#pragma mark - EncoderOutputCallback
static void encoderOutputCallback(void * CM_NULLABLE outputCallbackRefCon,
void * CM_NULLABLE sourceFrameRefCon,
OSStatus status,
VTEncodeInfoFlags infoFlags,
CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
if (!sampleBuffer) {
if (infoFlags & kVTEncodeInfo_FrameDropped) {
NSLog(@"VideoToolboxEncoder kVTEncodeInfo_FrameDropped");
}
return;
}
// 向外层回调编码数据。
KFVideoEncoder *videoEncoder = (__bridge KFVideoEncoder *) outputCallbackRefCon;
if (videoEncoder && videoEncoder.sampleBufferOutputCallBack) {
videoEncoder.sampleBufferOutputCallBack(sampleBuffer);
}
}
@end
```
上面是 `KFVideoEncoder` 的实现,从代码上可以看到主要有这几个部分:
- 1)创建视频编码实例。
- - 在 `-_setupCompressionSession` 方法中实现。
- 2)实现视频编码逻辑,并在编码实例的数据回调中接收编码后的数据,抛给对外数据回调接口。
- - 在 `-encodePixelBuffer:ptsTime:` 方法中实现。
- 回调在 `encoderOutputCallback` 中实现。
- 3)实现清空编码缓冲区功能。
- - 在 `-_flush` 方法中实现。
- 4)刷新重建编码器功能。
- - 在 `-refresh` 方法中标记需要刷新重建,在 `-encodePixelBuffer:ptsTime:` 方法检查标记并重建编码器实例。
- 5)捕捉视频编码过程中的错误,抛给对外错误回调接口。
- - 主要在 `-encodePixelBuffer:ptsTime:` 方法捕捉错误。
- 6)清理视频编码器实例。
- - 在 `-_releaseCompressionSession` 方法中实现。
更具体细节见上述代码及其注释。
## 3、采集视频数据进行 H.264/H.265 编码和存储
我们在一个 ViewController 中来实现视频采集及编码逻辑,并且示范了将 iOS 编码的 AVCC/HVCC 码流格式转换为 AnnexB 码流格式后再存储。
我们先来简单介绍一下这两种格式的区别:
AVCC/HVCC 码流格式类似:
```
[extradata]|[length][NALU]|[length][NALU]|...
```
- VPS、SPS、PPS 不用 NALU 来存储,而是存储在 `extradata` 中;
- 每个 NALU 前有个 `length` 字段表示这个 NALU 的长度(不包含 `length` 字段),`length` 字段通常是 4 字节。
AnnexB 码流格式:
```
[startcode][NALU]|[startcode][NALU]|...
```
需要注意的是:
- 每个 NALU 前要添加起始码:`0x00000001`;
- VPS、SPS、PPS 也都用这样的 NALU 来存储,一般在码流最前面。
iOS 的 VideoToolbox 编码和解码只支持 AVCC/HVCC 的码流格式。但是 Android 的 MediaCodec 只支持 AnnexB 的码流格式。
```
KFVideoEncoderViewController.m
#import "KFVideoEncoderViewController.h"
#import "KFVideoCapture.h"
#import "KFVideoEncoder.h"
@interface KFVideoPacketExtraData : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSData *sps;
@property (nonatomic, strong) NSData *pps;
@property (nonatomic, strong) NSData *vps;
@end
@implementation KFVideoPacketExtraData
@end
@interface KFVideoEncoderViewController ()
@property (nonatomic, strong) KFVideoCaptureConfig *videoCaptureConfig;
@property (nonatomic, strong) KFVideoCapture *videoCapture;
@property (nonatomic, strong) KFVideoEncoderConfig *videoEncoderConfig;
@property (nonatomic, strong) KFVideoEncoder *videoEncoder;
@property (nonatomic, assign) BOOL isEncoding;
@property (nonatomic, strong) NSFileHandle *fileHandle;
@end
@implementation KFVideoEncoderViewController
#pragma mark - Property
- (KFVideoCaptureConfig *)videoCaptureConfig {
if (!_videoCaptureConfig) {
_videoCaptureConfig = [[KFVideoCaptureConfig alloc] init];
// 这里我们采集数据用于编码,颜色格式用了默认的:kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange。
}
return _videoCaptureConfig;
}
- (KFVideoCapture *)videoCapture {
if (!_videoCapture) {
_videoCapture = [[KFVideoCapture alloc] initWithConfig:self.videoCaptureConfig];
__weak typeof(self) weakSelf = self;
_videoCapture.sessionInitSuccessCallBack = ^() {
dispatch_async(dispatch_get_main_queue(), ^{
// 预览渲染。
[weakSelf.view.layer insertSublayer:weakSelf.videoCapture.previewLayer atIndex:0];
weakSelf.videoCapture.previewLayer.backgroundColor = [UIColor blackColor].CGColor;
weakSelf.videoCapture.previewLayer.frame = weakSelf.view.bounds;
});
};
_videoCapture.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
if (weakSelf.isEncoding && sampleBuffer) {
// 编码。
[weakSelf.videoEncoder encodePixelBuffer:CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer) ptsTime:CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(sampleBuffer)];
}
};
_videoCapture.sessionErrorCallBack = ^(NSError* error) {
NSLog(@"KFVideoCapture Error:%zi %@", error.code, error.localizedDescription);
};
}
return _videoCapture;
}
- (KFVideoEncoderConfig *)videoEncoderConfig {
if (!_videoEncoderConfig) {
_videoEncoderConfig = [[KFVideoEncoderConfig alloc] init];
}
return _videoEncoderConfig;
}
- (KFVideoEncoder *)videoEncoder {
if (!_videoEncoder) {
_videoEncoder = [[KFVideoEncoder alloc] initWithConfig:self.videoEncoderConfig];
__weak typeof(self) weakSelf = self;
_videoEncoder.sampleBufferOutputCallBack = ^(CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
// 保存编码后的数据。
[weakSelf saveSampleBuffer:sampleBuffer];
};
}
return _videoEncoder;
}
- (NSFileHandle *)fileHandle {
if (!_fileHandle) {
NSString *fileName = @"test.h264";
if (self.videoEncoderConfig.codecType == kCMVideoCodecType_HEVC) {
fileName = @"test.h265";
}
NSString *videoPath = [[NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES) lastObject] stringByAppendingPathComponent:fileName];
[[NSFileManager defaultManager] removeItemAtPath:videoPath error:nil];
[[NSFileManager defaultManager] createFileAtPath:videoPath contents:nil attributes:nil];
_fileHandle = [NSFileHandle fileHandleForWritingAtPath:videoPath];
}
return _fileHandle;
}
#pragma mark - Lifecycle
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Navigation item.
UIBarButtonItem *startBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Start" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(start)];
UIBarButtonItem *stopBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Stop" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(stop)];
UIBarButtonItem *cameraBarButton = [[UIBarButtonItem alloc] initWithTitle:@"Camera" style:UIBarButtonItemStylePlain target:self action:@selector(changeCamera)];
self.navigationItem.rightBarButtonItems = @[stopBarButton,startBarButton,cameraBarButton];
[self requestAccessForVideo];
UITapGestureRecognizer *doubleTapGesture = [[UITapGestureRecognizer alloc]initWithTarget:self action:@selector(handleDoubleTap:)];
doubleTapGesture.numberOfTapsRequired = 2;
doubleTapGesture.numberOfTouchesRequired = 1;
[self.view addGestureRecognizer:doubleTapGesture];
}
- (void)viewWillLayoutSubviews {
[super viewWillLayoutSubviews];
self.videoCapture.previewLayer.frame = self.view.bounds;
}
- (void)dealloc {
}
#pragma mark - Action
- (void)start {
if (!self.isEncoding) {
self.isEncoding = YES;
[self.videoEncoder refresh];
}
}
- (void)stop {
if (self.isEncoding) {
self.isEncoding = NO;
[self.videoEncoder flush];
}
}
- (void)onCameraSwitchButtonClicked:(UIButton *)button {
[self.videoCapture changeDevicePosition:self.videoCapture.config.position == AVCaptureDevicePositionBack ? AVCaptureDevicePositionFront : AVCaptureDevicePositionBack];
}
- (void)changeCamera {
[self.videoCapture changeDevicePosition:self.videoCapture.config.position == AVCaptureDevicePositionBack ? AVCaptureDevicePositionFront : AVCaptureDevicePositionBack];
}
-(void)handleDoubleTap:(UIGestureRecognizer *)sender {
[self.videoCapture changeDevicePosition:self.videoCapture.config.position == AVCaptureDevicePositionBack ? AVCaptureDevicePositionFront : AVCaptureDevicePositionBack];
}
#pragma mark - Private Method
- (void)requestAccessForVideo{
__weak typeof(self) weakSelf = self;
AVAuthorizationStatus status = [AVCaptureDevice authorizationStatusForMediaType:AVMediaTypeVideo];
switch (status) {
case AVAuthorizationStatusNotDetermined: {
// 许可对话没有出现,发起授权许可。
[AVCaptureDevice requestAccessForMediaType:AVMediaTypeVideo completionHandler:^(BOOL granted) {
if (granted) {
[weakSelf.videoCapture startRunning];
} else {
// 用户拒绝。
}
}];
break;
}
case AVAuthorizationStatusAuthorized: {
// 已经开启授权,可继续。
[weakSelf.videoCapture startRunning];
break;
}
default:
break;
}
}
- (KFVideoPacketExtraData *)getPacketExtraData:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
// 从 CMSampleBuffer 中获取 extra data。
if (!sampleBuffer) {
return nil;
}
// 获取编码类型。
CMVideoCodecType codecType = CMVideoFormatDescriptionGetCodecType(CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer));
KFVideoPacketExtraData *extraData = nil;
if (codecType == kCMVideoCodecType_H264) {
// 获取 H.264 的 extra data:sps、pps。
CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);
size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;
const uint8_t *sparameterSet;
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) {
extraData = [[KFVideoPacketExtraData alloc] init];
extraData.sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];
extraData.pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];
}
}
} else if (codecType == kCMVideoCodecType_HEVC) {
// 获取 H.265 的 extra data:vps、sps、pps。
CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);
size_t vparameterSetSize, vparameterSetCount;
const uint8_t *vparameterSet;
if (@available(iOS 11.0, *)) {
OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetHEVCParameterSetAtIndex(format, 0, &vparameterSet, &vparameterSetSize, &vparameterSetCount, 0);
if (statusCode == noErr) {
size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;
const uint8_t *sparameterSet;
OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetHEVCParameterSetAtIndex(format, 1, &sparameterSet, &sparameterSetSize, &sparameterSetCount, 0);
if (statusCode == noErr) {
size_t pparameterSetSize, pparameterSetCount;
const uint8_t *pparameterSet;
OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetHEVCParameterSetAtIndex(format, 2, &pparameterSet, &pparameterSetSize, &pparameterSetCount, 0);
if (statusCode == noErr) {
extraData = [[KFVideoPacketExtraData alloc] init];
extraData.vps = [NSData dataWithBytes:vparameterSet length:vparameterSetSize];
extraData.sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];
extraData.pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];
}
}
}
} else {
// 其他编码格式。
}
}
return extraData;
}
- (BOOL)isKeyFrame:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
CFArrayRef array = CMSampleBufferGetSampleAttachmentsArray(sampleBuffer, true);
if (!array) {
return NO;
}
CFDictionaryRef dic = (CFDictionaryRef)CFArrayGetValueAtIndex(array, 0);
if (!dic) {
return NO;
}
// 检测 sampleBuffer 是否是关键帧。
BOOL keyframe = !CFDictionaryContainsKey(dic, kCMSampleAttachmentKey_NotSync);
return keyframe;
}
- (void)saveSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
// 将编码数据存储为文件。
// iOS 的 VideoToolbox 编码和解码只支持 AVCC/HVCC 的码流格式。但是 Android 的 MediaCodec 只支持 AnnexB 的码流格式。这里我们做一下两种格式的转换示范,将 AVCC/HVCC 格式的码流转换为 AnnexB 再存储。
// 1、AVCC/HVCC 码流格式:[extradata]|[length][NALU]|[length][NALU]|...
// VPS、SPS、PPS 不用 NALU 来存储,而是存储在 extradata 中;每个 NALU 前有个 length 字段表示这个 NALU 的长度(不包含 length 字段),length 字段通常是 4 字节。
// 2、AnnexB 码流格式:[startcode][NALU]|[startcode][NALU]|...
// 每个 NAL 前要添加起始码:0x00000001;VPS、SPS、PPS 也都用这样的 NALU 来存储,一般在码流最前面。
if (sampleBuffer) {
NSMutableData *resultData = [NSMutableData new];
uint8_t nalPartition[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x01};
// 关键帧前添加 vps(H.265)、sps、pps。这里要注意顺序别乱了。
if ([self isKeyFrame:sampleBuffer]) {
KFVideoPacketExtraData *extraData = [self getPacketExtraData:sampleBuffer];
if (extraData.vps) {
[resultData appendBytes:nalPartition length:4];
[resultData appendData:extraData.vps];
}
[resultData appendBytes:nalPartition length:4];
[resultData appendData:extraData.sps];
[resultData appendBytes:nalPartition length:4];
[resultData appendData:extraData.pps];
}
// 获取编码数据。这里的数据是 AVCC/HVCC 格式的。
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 NALULengthHeaderLength = 4;
// 拷贝编码数据。
while (bufferOffset < totalLength - NALULengthHeaderLength) {
// 通过 length 字段获取当前这个 NALU 的长度。
uint32_t NALUnitLength = 0;
memcpy(&NALUnitLength, dataPointer + bufferOffset, NALULengthHeaderLength);
NALUnitLength = CFSwapInt32BigToHost(NALUnitLength);
// 拷贝 AnnexB 起始码字节。
[resultData appendData:[NSData dataWithBytes:nalPartition length:4]];
// 拷贝这个 NALU 的字节。
[resultData appendData:[NSData dataWithBytes:(dataPointer + bufferOffset + NALULengthHeaderLength) length:NALUnitLength]];
// 步进。
bufferOffset += NALULengthHeaderLength + NALUnitLength;
}
}
[self.fileHandle writeData:resultData];
}
}
@end
```
上面是 `KFVideoEncoderViewController` 的实现,主要分为以下几个部分:
- 1)在 `-videoCaptureConfig` 中初始化采集配置参数,在 `-videoEncoderConfig` 中初始化编码配置参数。
- - 这里需要注意的是,由于采集的数据后续用于编码,我们设置了采集的颜色空间格式为默认的 `kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange`
- 编码参数配置这里,默认是在设备支持 H.265 时,选择 H.265 编码。
- 2)在 `-videoCapture` 中初始化采集器,并实现了采集会话初始化成功的回调、采集数据回调、采集错误回调。
- 3)在采集会话初始化成功的回调 `sessionInitSuccessCallBack` 中,对采集预览渲染视图层进行布局。
- 4)在采集数据回调 `sampleBufferOutputCallBack` 中,从 CMSampleBufferRef 中取出 CVPixelBufferRef 送给编码器编码。
- 5)在编码数据回调 `sampleBufferOutputCallBack` 中,调用 `-saveSampleBuffer:` 将编码数据存储为 H.264/H.265 文件。
- - 这里示范了将 AVCC/HVCC 格式的码流转换为 AnnexB 再存储的过程。
## 4、用工具播放 H.264/H.265 文件
完成视频采集和编码后,可以将 App Document 文件夹下面的 `test.h264``test.h265` 文件拷贝到电脑上,使用 `ffplay` 播放来验证一下视频采集是效果是否符合预期:
```
$ ffplay -i test.h264
$ ffplay -i test.h265
```
关于播放 H.264/H.265 文件的工具,可以参考[《FFmpeg 工具》第 2 节 ffplay 命令行工具](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257484831&idx=1&sn=6bab905a5040c46b971bab05f787788b&scene=21#wechat_redirect)和[《可视化音视频分析工具》第 2.1 节 StreamEye](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MTkxOTQyMQ==&mid=2257484834&idx=1&sn=5dd9768bfc0d01ca1b036be8dd2f5fa1&scene=21#wechat_redirect)。
## 5、参考资料
[1]CMSampleBufferRef: *https://developer.apple.com/documentation/coremedia/cmsamplebufferref/*
[2]CVPixelBufferRef: *https://developer.apple.com/documentation/corevideo/cvpixelbufferref/*
[3]CMBlockBuffer: *https://developer.apple.com/documentation/coremedia/cmblockbuffer-u9i*
[4]CVImageBuffer: *https://developer.apple.com/documentation/corevideo/cvimagebuffer-q40*
[5]CVPixelBuffer: *https://developer.apple.com/documentation/corevideo/cvpixelbuffer-q2e*
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/M2l-9_W8heu_NjSYKQLCRA