FFmpeg 硬编码VideoToolBox流程

介绍

  1. FFmpeg已经提供对 VideoToolBox 的编解码支持；主要涉及到的文件有videotoolbox.c、videotoolbox.h、videotoolboxenc.c、ffmepg_videotoolbox.c。
  2. 在编译 FFmpeg 源码时，想要支持VideoToolBox，在 configure 时，需要–enable-videotoolbox 命令。
  3. 命令行ffmpeg -hwaccels查看支持哪些硬编码器。
  4. ffmpeg 支持 videotoolbox h264 和 h265 的编码，即 h264_videotoolbox、hevc_videotoolbox。

FFmpeg

  1. FFmpeg 是一个可以处理音视频的软件，功能非常强大，主要包括，编解码转换，封装格式转换，滤镜特效。
  2. FFmpeg支持各种网络协议，支持 RTMP ，RTSP，HLS 等高层协议的推拉流，也支持更底层的TCP/UDP 协议推拉流。
  3. FFmpeg 可以在 Windows，Linux，Mac，iOS，Android等操作系统上运行。
  4. FFmpeg 是 " Fast Forward mpeg " 的缩写；
  5. FFMPEG从功能上划分为几个模块，分别为核心工具（libutils）、媒体格式（libavformat）、编解码（libavcodec）、设备（libavdevice）和后处理（libavfilter, libswscale, libpostproc），分别负责提供公用的功能函数、实现多媒体文件的读包和写包、完成音视频的编解码、管理音视频设备的操作以及进行音视频后处理。

VideoToolBox

  1. VideoToolBox是一个优化的视频编解码器框架，由苹果公司开发并针对iOS和macOS平台进行优化，作为现代移动应用程序中不可或缺的组成部分之一，它被用于H.264解码和编码，HEVC解码和编码，以及MPEG-2解码和编码，同时还支持对Core Audio和Core Video的访问。
  2. VideoToolBox的优点是高效性、易用性；在iOS和macOS设备上，它的编解码速度比其他框架要快得多；此外，它为开发人员提供了各种功能，包括修改视频帧速率，更改编码格式等等。

FFmpeg 硬编码 VideoToolBox 流程

  1. 可以看出，FFmpeg 与 VideoToolBox之间的交互，主要通过三个函数指针 init、encode2、close 来完成；
  2. 从整体流程分析，VideoToolBox 的工作流程是：
    创建 一个压缩会话 ；
    添加会话属性 ；
    编码视频帧、接受视频编码回调 ；
    强制完成一些或者全部未处理的视频帧；
    释放压缩会话、释放内存资源。
  3. init模块核心函数是 vtenc_configure_encode()；
  4. encode2模块核心函数是vtenc_send_frame()；
  5. close 模块的核心函数是VTCompressionSessionCompleteFrames()；
    在这里插入图片描述

h264_videotoolbox

  1. VideoToolBox 的h264硬编码通过三个结构体h264_options、h264_videotoolbox_class、ff_h264_videotoolbox_encoder来完成与 FFmpeg 的交互。
  2. h264_options主要涉及的是内部参数，例如 profile、level、熵编码选择等。
  3. h264_videotoolbox_class来定义 h264的私有类，指定编码类型和编码参数。
  4. ff_h264_videotoolbox_encoder是具体的对外与 FFmpeg 的交互结构体，完成h264硬编码。
static const AVOption h264_options[] = {{ "profile", "Profile", OFFSET(profile), AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = H264_PROF_AUTO }, H264_PROF_AUTO, H264_PROF_COUNT, VE, "profile" },{ "baseline", "Baseline Profile", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = H264_PROF_BASELINE }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },{ "main",     "Main Profile",     0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = H264_PROF_MAIN     }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },{ "high",     "High Profile",     0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = H264_PROF_HIGH     }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },{ "extended", "Extend Profile",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = H264_PROF_EXTENDED }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },{ "level", "Level", OFFSET(level), AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = 0 }, 0, 52, VE, "level" },{ "1.3", "Level 1.3, only available with Baseline Profile", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 13 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "3.0", "Level 3.0", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 30 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "3.1", "Level 3.1", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 31 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "3.2", "Level 3.2", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 32 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "4.0", "Level 4.0", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 40 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "4.1", "Level 4.1", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 41 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "4.2", "Level 4.2", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 42 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "5.0", "Level 5.0", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 50 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "5.1", "Level 5.1", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 51 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "5.2", "Level 5.2", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = 52 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "level" },{ "coder", "Entropy coding", OFFSET(entropy), AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = VT_ENTROPY_NOT_SET }, VT_ENTROPY_NOT_SET, VT_CABAC, VE, "coder" },{ "cavlc", "CAVLC entropy coding", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = VT_CAVLC }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "coder" },{ "vlc",   "CAVLC entropy coding", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = VT_CAVLC }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "coder" },{ "cabac", "CABAC entropy coding", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = VT_CABAC }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "coder" },{ "ac",    "CABAC entropy coding", 0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = VT_CABAC }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "coder" },{ "a53cc", "Use A53 Closed Captions (if available)", OFFSET(a53_cc), AV_OPT_TYPE_BOOL, {.i64 = 1}, 0, 1, VE },COMMON_OPTIONS{ NULL },
};static const AVClass h264_videotoolbox_class = {.class_name = "h264_videotoolbox",.item_name  = av_default_item_name,.option     = h264_options,.version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
};AVCodec ff_h264_videotoolbox_encoder = {.name             = "h264_videotoolbox",.long_name        = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VideoToolbox H.264 Encoder"),.type             = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,.id               = AV_CODEC_ID_H264,.priv_data_size   = sizeof(VTEncContext),.pix_fmts         = avc_pix_fmts,.init             = vtenc_init,.encode2          = vtenc_frame,.close            = vtenc_close,.capabilities     = AV_CODEC_CAP_DELAY,.priv_class       = &h264_videotoolbox_class,.caps_internal    = FF_CODEC_CAP_INIT_THREADSAFE |FF_CODEC_CAP_INIT_CLEANUP,
};

hevc_videotoolbox

  1. VideoToolBox 的HEVC硬编码通过三个结构体hevc_options、hevc_videotoolbox_class、ff_hevc_videotoolbox_encoder来完成与 FFmpeg 的交互。
  2. hevc_options主要涉及的是内部参数，例如 profile的选择。
  3. hevc_videotoolbox_class来定义 HEVC的私有类，指定编码类型和编码参数。
  4. ff_hevc_videotoolbox_encoder是具体的对外与 FFmpeg 的交互结构体，完成HEVC硬编码。
static const AVOption hevc_options[] = {{ "profile", "Profile", OFFSET(profile), AV_OPT_TYPE_INT, { .i64 = HEVC_PROF_AUTO }, HEVC_PROF_AUTO, HEVC_PROF_COUNT, VE, "profile" },{ "main",     "Main Profile",     0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = HEVC_PROF_MAIN   }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },{ "main10",   "Main10 Profile",   0, AV_OPT_TYPE_CONST, { .i64 = HEVC_PROF_MAIN10 }, INT_MIN, INT_MAX, VE, "profile" },COMMON_OPTIONS{ NULL },
};static const AVClass hevc_videotoolbox_class = {.class_name = "hevc_videotoolbox",.item_name  = av_default_item_name,.option     = hevc_options,.version    = LIBAVUTIL_VERSION_INT,
};AVCodec ff_hevc_videotoolbox_encoder = {.name             = "hevc_videotoolbox",.long_name        = NULL_IF_CONFIG_SMALL("VideoToolbox H.265 Encoder"),.type             = AVMEDIA_TYPE_VIDEO,.id               = AV_CODEC_ID_HEVC,.priv_data_size   = sizeof(VTEncContext),.pix_fmts         = hevc_pix_fmts,.init             = vtenc_init,.encode2          = vtenc_frame,.close            = vtenc_close,.capabilities     = AV_CODEC_CAP_DELAY | AV_CODEC_CAP_HARDWARE,.priv_class       = &hevc_videotoolbox_class,.caps_internal    = FF_CODEC_CAP_INIT_THREADSAFE |FF_CODEC_CAP_INIT_CLEANUP,.wrapper_name     = "videotoolbox",
};

核心模块介绍

.init

  1. .init模块完成初始化工作，对应的函数是vtenc_init()；函数内部主要完成了线程初始化、配置编码器、检索属性以及 B 帧的相关处理。
    在这里插入图片描述
static av_cold int vtenc_init(AVCodecContext *avctx)
{VTEncContext    *vtctx = avctx->priv_data;CFBooleanRef    has_b_frames_cfbool;int             status;pthread_once(&once_ctrl, loadVTEncSymbols);pthread_mutex_init(&vtctx->lock, NULL);pthread_cond_init(&vtctx->cv_sample_sent, NULL);vtctx->session = NULL;status = vtenc_configure_encoder(avctx);if (status) return status;status = VTSessionCopyProperty(vtctx->session,kVTCompressionPropertyKey_AllowFrameReordering,kCFAllocatorDefault,&has_b_frames_cfbool);if (!status && has_b_frames_cfbool) {//Some devices don't output B-frames for main profile, even if requested.vtctx->has_b_frames = CFBooleanGetValue(has_b_frames_cfbool);CFRelease(has_b_frames_cfbool);}avctx->has_b_frames = vtctx->has_b_frames;return 0;
}
  1. vtenc_configure_encoder()函数是 init 模块的核心函数，主要完成编码器的配置工作；根据编码器类型（h264/HEVC）来配置 profile、level、熵编码等信息；此外还会选择裁剪信息、传递函数、YCbCr 矩阵、颜色原色以及额外信息；最后调用vtenc_create_encoder()完成编码器的创建；
    在这里插入图片描述
static int vtenc_configure_encoder(AVCodecContext *avctx)
{CFMutableDictionaryRef enc_info;CFMutableDictionaryRef pixel_buffer_info;CMVideoCodecType       codec_type;VTEncContext           *vtctx = avctx->priv_data;CFStringRef            profile_level;CFNumberRef            gamma_level = NULL;int                    status;codec_type = get_cm_codec_type(avctx->codec_id);if (!codec_type) {av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error: no mapping for AVCodecID %d\n", avctx->codec_id);return AVERROR(EINVAL);}vtctx->codec_id = avctx->codec_id;if (vtctx->codec_id == AV_CODEC_ID_H264) {vtctx->get_param_set_func = CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex;vtctx->has_b_frames = avctx->max_b_frames > 0;if(vtctx->has_b_frames && vtctx->profile == H264_PROF_BASELINE){av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "Cannot use B-frames with baseline profile. Output will not contain B-frames.\n");vtctx->has_b_frames = false;}if (vtctx->entropy == VT_CABAC && vtctx->profile == H264_PROF_BASELINE) {av_log(avctx, AV_LOG_WARNING, "CABAC entropy requires 'main' or 'high' profile, but baseline was requested. Encode will not use CABAC entropy.\n");vtctx->entropy = VT_ENTROPY_NOT_SET;}if (!get_vt_h264_profile_level(avctx, &profile_level)) return AVERROR(EINVAL);} else {vtctx->get_param_set_func = compat_keys.CMVideoFormatDescriptionGetHEVCParameterSetAtIndex;if (!vtctx->get_param_set_func) return AVERROR(EINVAL);if (!get_vt_hevc_profile_level(avctx, &profile_level)) return AVERROR(EINVAL);}enc_info = CFDictionaryCreateMutable(kCFAllocatorDefault,20,&kCFCopyStringDictionaryKeyCallBacks,&kCFTypeDictionaryValueCallBacks);if (!enc_info) return AVERROR(ENOMEM);#if !TARGET_OS_IPHONEif(vtctx->require_sw) {CFDictionarySetValue(enc_info,compat_keys.kVTVideoEncoderSpecification_EnableHardwareAcceleratedVideoEncoder,kCFBooleanFalse);} else if (!vtctx->allow_sw) {CFDictionarySetValue(enc_info,compat_keys.kVTVideoEncoderSpecification_RequireHardwareAcceleratedVideoEncoder,kCFBooleanTrue);} else {CFDictionarySetValue(enc_info,compat_keys.kVTVideoEncoderSpecification_EnableHardwareAcceleratedVideoEncoder,kCFBooleanTrue);}
#endifif (avctx->pix_fmt != AV_PIX_FMT_VIDEOTOOLBOX) {status = create_cv_pixel_buffer_info(avctx, &pixel_buffer_info);if (status)goto init_cleanup;} else {pixel_buffer_info = NULL;}vtctx->dts_delta = vtctx->has_b_frames ? -1 : 0;get_cv_transfer_function(avctx, &vtctx->transfer_function, &gamma_level);get_cv_ycbcr_matrix(avctx, &vtctx->ycbcr_matrix);get_cv_color_primaries(avctx, &vtctx->color_primaries);if (avctx->flags & AV_CODEC_FLAG_GLOBAL_HEADER) {status = vtenc_populate_extradata(avctx,codec_type,profile_level,gamma_level,enc_info,pixel_buffer_info);if (status)goto init_cleanup;}status = vtenc_create_encoder(avctx,codec_type,profile_level,gamma_level,enc_info,pixel_buffer_info,&vtctx->session);init_cleanup:if (gamma_level)CFRelease(gamma_level);if (pixel_buffer_info)CFRelease(pixel_buffer_info);CFRelease(enc_info);return status;
}
  1. vtenc_create_encoder()完成编码器创建工作；调用VTCompressionSessionCreate()创建压缩帧实例，接着会创建码率/码控等各类对象，并配置相应属性；最后，（可选）调用VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames()完成编码前的合理资源分配。
    在这里插入图片描述

.encode2

  1. .encode2模块完成具体的编码工作，对应的函数是 vtenc_frame()；判断 AVFrame里是否有帧数据，有数据就调用vtenc_send_frame()完成具体的编码，没有就 flush 下；然后调用 vtenc_q_pop()完成线程相关操作；最后利用vtenc_cm_to_avpacket()得到数据包信息，如 SEI、pts、dts 等。
    在这里插入图片描述
static av_cold int vtenc_frame(AVCodecContext *avctx,AVPacket       *pkt,const AVFrame  *frame,int            *got_packet)
{VTEncContext *vtctx = avctx->priv_data;bool get_frame;int status;CMSampleBufferRef buf = NULL;ExtraSEI *sei = NULL;if (frame) {status = vtenc_send_frame(avctx, vtctx, frame);if (status) {status = AVERROR_EXTERNAL;goto end_nopkt;}if (vtctx->frame_ct_in == 0) {vtctx->first_pts = frame->pts;} else if(vtctx->frame_ct_in == 1 && vtctx->has_b_frames) {vtctx->dts_delta = frame->pts - vtctx->first_pts;}vtctx->frame_ct_in++;} else if(!vtctx->flushing) {vtctx->flushing = true;status = VTCompressionSessionCompleteFrames(vtctx->session,kCMTimeIndefinite);if (status) {av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error flushing frames: %d\n", status);status = AVERROR_EXTERNAL;goto end_nopkt;}}*got_packet = 0;get_frame = vtctx->dts_delta >= 0 || !frame;if (!get_frame) {status = 0;goto end_nopkt;}status = vtenc_q_pop(vtctx, !frame, &buf, &sei);if (status) goto end_nopkt;if (!buf)   goto end_nopkt;status = vtenc_cm_to_avpacket(avctx, buf, pkt, sei);if (sei) {if (sei->data) av_free(sei->data);av_free(sei);}CFRelease(buf);if (status) goto end_nopkt;*got_packet = 1;return 0;end_nopkt:av_packet_unref(pkt);return status;
}
  1. vtenc_send_frame()完成编码核心工作；内部主要调用 VideoToolBox 的核心 API函数VTCompressionSessionEncodeFrame()完成具体的编码工作。
    在这里插入图片描述
static int vtenc_send_frame(AVCodecContext *avctx,VTEncContext   *vtctx,const AVFrame  *frame)
{CMTime time;CFDictionaryRef frame_dict;CVPixelBufferRef cv_img = NULL;AVFrameSideData *side_data = NULL;ExtraSEI *sei = NULL;int status = create_cv_pixel_buffer(avctx, frame, &cv_img);if (status) return status;status = create_encoder_dict_h264(frame, &frame_dict);if (status) {CFRelease(cv_img);return status;}side_data = av_frame_get_side_data(frame, AV_FRAME_DATA_A53_CC);if (vtctx->a53_cc && side_data && side_data->size) {sei = av_mallocz(sizeof(*sei));if (!sei) {av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Not enough memory for closed captions, skipping\n");} else {int ret = ff_alloc_a53_sei(frame, 0, &sei->data, &sei->size);if (ret < 0) {av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Not enough memory for closed captions, skipping\n");av_free(sei);sei = NULL;}}}time = CMTimeMake(frame->pts * avctx->time_base.num, avctx->time_base.den);status = VTCompressionSessionEncodeFrame(vtctx->session,cv_img,time,kCMTimeInvalid,frame_dict,sei,NULL);if (frame_dict) CFRelease(frame_dict);CFRelease(cv_img);if (status) {av_log(avctx, AV_LOG_ERROR, "Error: cannot encode frame: %d\n", status);return AVERROR_EXTERNAL;}return 0;
}

.close

  1. .close 模块完成关闭回收工作，对应的函数是 vtenc_close()；内部主要进行线程的销毁、强制完成一些或全部未处理的视频帧、清除帧队列、释放资源的工作。
    在这里插入图片描述
static av_cold int vtenc_close(AVCodecContext *avctx)
{VTEncContext *vtctx = avctx->priv_data;pthread_cond_destroy(&vtctx->cv_sample_sent);pthread_mutex_destroy(&vtctx->lock);if(!vtctx->session) return 0;VTCompressionSessionCompleteFrames(vtctx->session,kCMTimeIndefinite);clear_frame_queue(vtctx);CFRelease(vtctx->session);vtctx->session = NULL;if (vtctx->color_primaries) {CFRelease(vtctx->color_primaries);vtctx->color_primaries = NULL;}if (vtctx->transfer_function) {CFRelease(vtctx->transfer_function);vtctx->transfer_function = NULL;}if (vtctx->ycbcr_matrix) {CFRelease(vtctx->ycbcr_matrix);vtctx->ycbcr_matrix = NULL;}return 0;
}

参考

  1. https://developer.apple.com/documentation/videotoolbox
  2. http://ffmpeg.org/

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摘要 科技进步的飞速发展引起人们日常生活的巨大变化&#xff0c;电子信息技术的飞速发展使得电子信息技术的各个领域的应用水平得到普及和应用。信息时代的到来已成为不可阻挡的时尚潮流&#xff0c;人类发展的历史正进入一个新时代。在现实运用中&#xff0c;应用软件的工作规…
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分布式问题

分布式问题

1. 分布式系统CAP原理 CAP原理&#xff1a;指在一个分布式系统中&#xff0c;Consistency&#xff08;一致性&#xff09;、Availability&#xff08;可用性&#xff09;、Partitontolerance&#xff08;分区容忍性&#xff09;&#xff0c;三者不可得兼。 一致性&#xff08;C…
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Java并发 | 常见线程安全容器

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文章目录 简介一、Hash表&#x1f6a3;1、ConcurrentHashMap1.1 内部实现原理1.2 并发操作方法1.3 ConcurrentHashMap与Hashtable的比较 二、集合&#x1f6a3;2、CopyOnWriteArrayList2.1 内部实现原理2.2 Copy-On-Write(COW)设计思想2.3 实操 三、Map&#x1f6a3;3、Concurr…
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