iOS利用FFmpeg实现视频硬解码

需求

将编码的视频流解码为原始视频数据,编码视频流可以来自网络流或文件,解码后即可渲染到屏幕.

实现原理

正如我们所知,编码数据仅用于传输,无法直接渲染到屏幕上,所以这里利用FFmpeg解析文件中的编码的视频流,并将压缩视频数据(h264/h265)解码为指定格式(yuv,RGB)的视频原始数据,以渲染到屏幕上.

注意: 本例主要为解码,需要借助FFmpeg搭建模块,视频解析模块,渲染模块,这些模块在下面阅读前提皆有链接可直接访问.

阅读前提

代码地址 : Video Decoder

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博客地址 : Video Decoder

总体架构

简易流程

FFmpeg parse流程

创建format context: avformat_alloc_context
打开文件流: avformat_open_input
寻找流信息: avformat_find_stream_info
获取音视频流的索引值: formatContext->streams[i]->codecpar->codec_type == (isVideoStream ? AVMEDIA_TYPE_VIDEO : AVMEDIA_TYPE_AUDIO)
获取音视频流: m_formatContext->streams[m_audioStreamIndex]
解析音视频数据帧: av_read_frame
获取extra data: av_bitstream_filter_filter

FFmpeg decode流程

确定解码器类型: enum AVHWDeviceType av_hwdevice_find_type_by_name(const char *name)
创建视频流: int av_find_best_stream(AVFormatContext *ic,enum FfmpegaVMediaType type,int wanted_stream_nb,int related_stream,AVCodec **decoder_ret,int flags);
初始化解码器: AVCodecContext *avcodec_alloc_context3(const AVCodec *codec)
填充解码器上下文: int avcodec_parameters_to_context(AVCodecContext *codec, const AVCodecParameters *par);
打开指定类型的设备: int av_hwdevice_ctx_create(AVBufferRef **device_ctx, enum AVHWDeviceType type, const char *device, AVDictionary *opts, int flags)
初始化编码器上下文对象: int avcodec_open2(AVCodecContext *avctx, const AVCodec *codec, AVDictionary **options)
初始化视频帧: AVFrame *av_frame_alloc(void)
找到第一个I帧开始解码: packet.flags == 1
将parse到的压缩数据送给解码器: int avcodec_send_packet(AVCodecContext *avctx, const AVPacket *avpkt)
接收解码后的数据: int avcodec_receive_frame(AVCodecContext *avctx, AVFrame *frame)
构造时间戳
将解码后的数据存到CVPixelBufferRef并将其转为CMSampleBufferRef,解码完成

文件结构

快速使用

初始化preview

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [self setupUI];
}

- (void)setupUI {
    self.previewView = [[XDXPreviewView alloc] initWithFrame:self.view.frame];
    [self.view addSubview:self.previewView];
    [self.view bringSubviewToFront:self.startBtn];
}

解析并解码文件中视频数据

- (void)startDecodeByFFmpegWithIsH265Data:(BOOL)isH265 {
    NSString *path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:isH265 ? @"testh265" : @"testh264" ofType:@"MOV"];
    XDXAVParseHandler *parseHandler = [[XDXAVParseHandler alloc] initWithPath:path];
    XDXFFmpegVideoDecoder *decoder = [[XDXFFmpegVideoDecoder alloc] initWithFormatContext:[parseHandler getFormatContext] videoStreamIndex:[parseHandler getVideoStreamIndex]];
    decoder.delegate = self;
    [parseHandler startParseGetAVPackeWithCompletionHandler:^(BOOL isVideoFrame, BOOL isFinish, AVPacket packet) {
        if (isFinish) {
            [decoder stopDecoder];
            return;
        }
        
        if (isVideoFrame) {
            [decoder startDecodeVideoDataWithAVPacket:packet];
        }
    }];
}

将解码后数据渲染到屏幕上

-(void)getDecodeVideoDataByFFmpeg:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    CVPixelBufferRef pix = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
    [self.previewView displayPixelBuffer:pix];
}

具体实现

1. 初始化实例对象

因为本例中的视频数据源是文件,而format context上下文实在parse模块初始化的,所以这里仅仅需要将其传入解码器即可.

- (instancetype)initWithFormatContext:(AVFormatContext *)formatContext videoStreamIndex:(int)videoStreamIndex {
    if (self = [super init]) {
        m_formatContext     = formatContext;
        m_videoStreamIndex  = videoStreamIndex;
        
        m_isFindIDR = NO;
        m_base_time = 0;
        
        [self initDecoder];
    }
    return self;
}

2. 初始化解码器

- (void)initDecoder {
    // 获取视频流
    AVStream *videoStream = m_formatContext->streams[m_videoStreamIndex];
    // 创建解码器上下文对象
    m_videoCodecContext = [self createVideoEncderWithFormatContext:m_formatContext
                                                            stream:videoStream
                                                  videoStreamIndex:m_videoStreamIndex];
    if (!m_videoCodecContext) {
        log4cplus_error(kModuleName, "%s: create video codec failed",__func__);
        return;
    }
    
    // 创建视频帧
    m_videoFrame = av_frame_alloc();
    if (!m_videoFrame) {
        log4cplus_error(kModuleName, "%s: alloc video frame failed",__func__);
        avcodec_close(m_videoCodecContext);
    }
}

2.1. 创建解码器上下文对象

- (AVCodecContext *)createVideoEncderWithFormatContext:(AVFormatContext *)formatContext stream:(AVStream *)stream videoStreamIndex:(int)videoStreamIndex {
    AVCodecContext *codecContext = NULL;
    AVCodec *codec = NULL;
    
    // 指定解码器名称, 这里使用苹果VideoToolbox中的硬件解码器
    const char *codecName = av_hwdevice_get_type_name(AV_HWDEVICE_TYPE_VIDEOTOOLBOX);
    // 将解码器名称转为对应的枚举类型
    enum AVHWDeviceType type = av_hwdevice_find_type_by_name(codecName);
    if (type != AV_HWDEVICE_TYPE_VIDEOTOOLBOX) {
        log4cplus_error(kModuleName, "%s: Not find hardware codec.",__func__);
        return NULL;
    }
    
    // 根据解码器枚举类型找到解码器
    int ret = av_find_best_stream(formatContext, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, &codec, 0);
    if (ret < 0) {
        log4cplus_error(kModuleName, "av_find_best_stream faliture");
        return NULL;
    }
    
    // 为解码器上下文对象分配内存
    codecContext = avcodec_alloc_context3(codec);
    if (!codecContext){
        log4cplus_error(kModuleName, "avcodec_alloc_context3 faliture");
        return NULL;
    }
    
    // 将视频流中的参数填充到视频解码器中
    ret = avcodec_parameters_to_context(codecContext, formatContext->streams[videoStreamIndex]->codecpar);
    if (ret < 0){
        log4cplus_error(kModuleName, "avcodec_parameters_to_context faliture");
        return NULL;
    }
    
    // 创建硬件解码器上下文
    ret = InitHardwareDecoder(codecContext, type);
    if (ret < 0){
        log4cplus_error(kModuleName, "hw_decoder_init faliture");
        return NULL;
    }
    
    // 初始化解码器上下文对象
    ret = avcodec_open2(codecContext, codec, NULL);
    if (ret < 0) {
        log4cplus_error(kModuleName, "avcodec_open2 faliture");
        return NULL;
    }
    
    return codecContext;
}

#pragma mark - C Function
AVBufferRef *hw_device_ctx = NULL;
static int InitHardwareDecoder(AVCodecContext *ctx, const enum AVHWDeviceType type) {
    int err = av_hwdevice_ctx_create(&hw_device_ctx, type, NULL, NULL, 0);
    if (err < 0) {
        log4cplus_error("XDXParseParse", "Failed to create specified HW device.\n");
        return err;
    }
    ctx->hw_device_ctx = av_buffer_ref(hw_device_ctx);
    return err;
}

av_find_best_stream : 在文件中找到最佳流信息.
- ic: 媒体文件
- type: video, audio, subtitles…
- wanted_stream_nb: 用户请求的流编号,-1表示自动选择
- related_stream: 试着找到一个相关的流,如果没有可填-1
- decoder_ret: 非空返回解码器引用
- flags: 保留字段
avcodec_parameters_to_context: 根据提供的解码器参数中的值填充解码器上下文

仅仅将解码器中具有相应字段的任何已分配字段par被释放并替换为par中相应字段的副本。不涉及解码器中没有par中对应项的字段。

av_hwdevice_ctx_create: 打开指定类型的设备并为其创建AVHWDeviceContext。
avcodec_open2: 使用给定的AVCodec初始化AVCodecContext,在使用此函数之前,必须使用avcodec_alloc_context3（）分配内存。

int av_find_best_stream(AVFormatContext *ic,
                        enum FfmpegaVMediaType type,
                        int wanted_stream_nb,
                        int related_stream,
                        AVCodec **decoder_ret,
                        int flags);

2.2. 创建视频帧

AVFrame 作为解码后原始的音视频数据的容器.AVFrame通常被分配一次然后多次重复（例如，单个AVFrame以保持从解码器接收的帧）。在这种情况下，av_frame_unref（）将释放框架所持有的任何引用，并在再次重用之前将其重置为其原始的清理状态。

// Get video frame
m_videoFrame = av_frame_alloc();
if (!m_videoFrame) {
    log4cplus_error(kModuleName, "%s: alloc video frame failed",__func__);
    avcodec_close(m_videoCodecContext);
}

3. 开始解码

首先找到编码数据流中第一个I帧, 然后调用avcodec_send_packet将压缩数据发送给解码器.最后利用循环接收avcodec_receive_frame解码后的视频数据.构造时间戳,并将解码后的数据填充到CVPixelBufferRef中并将其转为CMSampleBufferRef.

- (void)startDecodeVideoDataWithAVPacket:(AVPacket)packet {
    if (packet.flags == 1 && m_isFindIDR == NO) {
        m_isFindIDR = YES;
        m_base_time =  m_videoFrame->pts;
    }
    
    if (m_isFindIDR == YES) {
        [self startDecodeVideoDataWithAVPacket:packet
                             videoCodecContext:m_videoCodecContext
                                    videoFrame:m_videoFrame
                                      baseTime:m_base_time
                              videoStreamIndex:m_videoStreamIndex];
    }
}

- (void)startDecodeVideoDataWithAVPacket:(AVPacket)packet videoCodecContext:(AVCodecContext *)videoCodecContext videoFrame:(AVFrame *)videoFrame baseTime:(int64_t)baseTime videoStreamIndex:(int)videoStreamIndex {
    Float64 current_timestamp = [self getCurrentTimestamp];
    AVStream *videoStream = m_formatContext->streams[videoStreamIndex];
    int fps = DecodeGetAVStreamFPSTimeBase(videoStream);
    
    
    avcodec_send_packet(videoCodecContext, &packet);
    while (0 == avcodec_receive_frame(videoCodecContext, videoFrame))
    {
        CVPixelBufferRef pixelBuffer = (CVPixelBufferRef)videoFrame->data[3];
        CMTime presentationTimeStamp = kCMTimeInvalid;
        int64_t originPTS = videoFrame->pts;
        int64_t newPTS    = originPTS - baseTime;
        presentationTimeStamp = CMTimeMakeWithSeconds(current_timestamp + newPTS * av_q2d(videoStream->time_base) , fps);
        CMSampleBufferRef sampleBufferRef = [self convertCVImageBufferRefToCMSampleBufferRef:(CVPixelBufferRef)pixelBuffer
                                                                   withPresentationTimeStamp:presentationTimeStamp];
        
        if (sampleBufferRef) {
            if ([self.delegate respondsToSelector:@selector(getDecodeVideoDataByFFmpeg:)]) {
                [self.delegate getDecodeVideoDataByFFmpeg:sampleBufferRef];
            }
            
            CFRelease(sampleBufferRef);
        }
    }
}

avcodec_send_packet: 将压缩视频帧数据送给解码器
- AVERROR(EAGAIN): 当前状态下不接受输入,用户必须通过avcodec_receive_frame()读取输出的buffer. (一旦所有输出读取完毕,packet应该被重新发送,调用不会失败)
- AVERROR_EOF: 解码器已经被刷新,没有新的packet能发送给它.
- AVERROR(EINVAL): 解码器没有被打开
- AVERROR(ENOMEM): 将Packet添加到内部队列失败.
avcodec_receive_frame: 从解码器中获取解码后的数据
- AVERROR(EAGAIN): 输出不可用, 用户必须尝试发送一个新的输入数据
- AVERROR_EOF: 解码器被完全刷新,这儿没有更多的输出帧
- AVERROR(EINVAL): 解码器没有被打开.
- 其他负数: 解码错误.

4. 停止解码

释放相关资源

- (void)stopDecoder {
    [self freeAllResources];
}

- (void)freeAllResources {
    if (m_videoCodecContext) {
        avcodec_send_packet(m_videoCodecContext, NULL);
        avcodec_flush_buffers(m_videoCodecContext);
        
        if (m_videoCodecContext->hw_device_ctx) {
            av_buffer_unref(&m_videoCodecContext->hw_device_ctx);
            m_videoCodecContext->hw_device_ctx = NULL;
        }
        avcodec_close(m_videoCodecContext);
        m_videoCodecContext = NULL;
    }
    
    if (m_videoFrame) {
        av_free(m_videoFrame);
        m_videoFrame = NULL;
    }
}