1小时学会：最简单的iOS直播推流（八）h264/aac 软编码

最简单的iOS 推流代码，视频捕获，软编码(faac，x264)，硬编码（aac，h264），美颜，flv编码，rtmp协议，陆续更新代码解析，你想学的知识这里都有，愿意懂直播技术的同学快来看！！

源代码：https://github.com/hardman/AWLive

软编码包含3部分内容：

1. 将pcm/yuv数据编码成aac/h264格式
2. 将aac/h264数据封装成flv格式
3. 另外无论软编码还是硬编码，最后获得的flv格式数据，需要通过rtmp协议发送至服务器。

本篇将介绍第1部分内容。另外两部分内容将在后续文章中介绍。

根据上文介绍，软编码实现，对应音频／视频编码分别为：AWSWFaacEncoder 和 AWSWX264Encoder。

这两个类只是用OC封装的一个壳，实际上使用的是 libfaac 和 libx264 进行处理。

音频软编码

aw_faac.h和aw_faac.c这两个文件是对libfaac这个库使用方法的简单封装。
这两个文件预期功能是，封装出一个函数，将pcm数据，转成aac数据。

faac的使用步骤：

1. 使用 faacEncOpen 开启编码环境 配置编码属性。
2. 使用 faacEncEncode 函数编码。
3. 使用完毕后，调用 faacEncClose 关闭编码环境。

根据这个步骤，来看aw_faac.c文件。

faac封装第一步：开启编码环境

/*
    aw_faac_context 是自己创建的结构体，用于辅助aac编码，存储了faac库的必需的数据，及一些过程变量。
    它的创建及关闭请看demo中的代码，很简单，这里不需要解释。
*/
static void aw_open_faac_enc_handler(aw_faac_context *faac_ctx){
    // 开启faac
    // 参数依次为：
    // 输入 采样率(44100) 声道数(2)
    // 得到 最大输入样本数(1024) 最大输出字节数(2048)
    faac_ctx->faac_handler = faacEncOpen(faac_ctx->config.sample_rate, faac_ctx->config.channel_count, &faac_ctx->max_input_sample_count, &faac_ctx->max_output_byte_count);
    
    //根据最大输入样本数得到最大输入字节数
    faac_ctx->max_input_byte_count = faac_ctx->max_input_sample_count * faac_ctx->config.sample_size / 8;
    
    if(!faac_ctx->faac_handler){
        aw_log("[E] aac handler open failed");
        return;
    }
    
    //创建buffer
    faac_ctx->aac_buffer = aw_alloc(faac_ctx->max_output_byte_count);
    
    //获取配置
    faacEncConfigurationPtr faac_config = faacEncGetCurrentConfiguration(faac_ctx->faac_handler);
    if (faac_ctx->config.sample_size == 16) {
        faac_config->inputFormat = FAAC_INPUT_16BIT;
    }else if (faac_ctx->config.sample_size == 24) {
        faac_config->inputFormat = FAAC_INPUT_24BIT;
    }else if (faac_ctx->config.sample_size == 32) {
        faac_config->inputFormat = FAAC_INPUT_32BIT;
    }else{
        faac_config->inputFormat = FAAC_INPUT_FLOAT;
    }
    
    //配置
    faac_config->aacObjectType = LOW;//aac对象类型: LOW Main LTP
    faac_config->mpegVersion = MPEG4;//mpeg版本: MPEG2 MPEG4
    faac_config->useTns = 1;//抗噪
    faac_config->allowMidside = 0;// 是否使用mid/side编码
    if(faac_ctx->config.bitrate){
        //每秒钟每个通道的bitrate
        faac_config->bitRate = faac_ctx->config.bitrate / faac_ctx->config.channel_count;
    }
    
    faacEncSetConfiguration(faac_ctx->faac_handler, faac_config);
    
    //获取audio specific config，本系列文章中第六篇里面介绍了这个数据，它存储了aac格式的一些关键数据，
    //在rtmp协议中，必须将此数据在所有音频帧之前发送
    uint8_t *audio_specific_data = NULL;
    unsigned long audio_specific_data_len = 0;
    faacEncGetDecoderSpecificInfo(faac_ctx->faac_handler, &audio_specific_data, &audio_specific_data_len);
    
    //将获取的audio specific config data 存储到faac_ctx中
    if (audio_specific_data_len > 0) {
        faac_ctx->audio_specific_config_data = alloc_aw_data(0);
        memcpy_aw_data(&faac_ctx->audio_specific_config_data, audio_specific_data, (uint32_t)audio_specific_data_len);
    }
    
}
//函数内具体参数配置，请参考：
//http://wenku.baidu.com/link?url=0E9GnSo7hZ-3WmB_eXz8EfnG8NqJJJtvjrVNW7hW-VEYWW-gYBMVM-CnFSicDE-veDl2tzfL-nu2FQ8msGcCOALuT8VW1l_NjQL9Gvw5V6_

faac封装第二步：开始编码

/*
    pcm_data 为 pcm格式的音频数据
    len 表示数据字节数
*/
extern void aw_encode_pcm_frame_2_aac(aw_faac_context *ctx, int8_t *pcm_data, long len){
    //判断输入参数
    if (!pcm_data || len <= 0) {
        aw_log("[E] aw_encode_pcm_frame_2_aac params error");
        return;
    }

    //清空encoded_aac_data，每次编码数据最终会存储到此字段中，所以首先清空。
    reset_aw_data(&ctx->encoded_aac_data);
    
    /*
        下列代码根据第一步"开启编码环境"函数中计算的最大输入子节数
        将pcm_data分割成合适的大小，使用faacEncEncode函数将pcm数据编码成aac数据。

        下列代码执行完成后，编码出的aac数据将会存储到encoded_aac_data字段中。
    */
    long max_input_count = ctx->max_input_byte_count;
    long curr_read_count = 0;
    
    do{
        long remain_count = len - curr_read_count;
        if (remain_count <= 0) {
            break;
        }
        long read_count = 0;
        if (remain_count > max_input_count) {
            read_count = max_input_count;
        }else{
            read_count = remain_count;
        }
        
        long input_samples = read_count * 8 / ctx->config.sample_size;
        int write_count = faacEncEncode(ctx->faac_handler, (int32_t * )(pcm_data + curr_read_count), (uint32_t)input_samples, (uint8_t *)ctx->aac_buffer, (uint32_t)ctx->max_output_byte_count);
        
        if (write_count > 0) {
            data_writer.write_bytes(&ctx->encoded_aac_data, (const uint8_t *)ctx->aac_buffer, write_count);
        }
        
        curr_read_count += read_count;
    } while (curr_read_count + max_input_count < len);
}

faac封装第三步：关闭编码器：

extern void free_aw_faac_context(aw_faac_context **context_p){
    ...
    //关闭faac编码器
    faacEncClose(context->faac_handler);
    ...
}

上述代码仅仅作为faac编码器的封装，能够实现打开编码器。

真正实现编码过程的文件是：aw_sw_faac_encoder.h/aw_sw_faac_encoder.c文件

此文件的功能是：将传入的pcm数据通过aw_faac.c提供的功能，将数据转成aac数据格式，然后将aac数据格式转成flv格式，如何转成flv格式，会在后续文章介绍。

来看一下 aw_sw_faac_encoder.c文件的实现。
此文件逻辑也很清晰，它实现的功能有：

1. 开启编码器，创建一些过程变量。
2. 将audio specific config data 转成flv帧数据。
3. 将接收到的pcm数据，转成aac数据，然后将aac数据转成flv音频数据。
4. 关闭编码器。

可以看出，这种类似功能性代码，一般都是三部曲：打开－使用－关闭。

下面来看代码。
音频软编码器第一步：开启编码器

/*
    faac_config：需要由上层传入相关配置属性
*/
extern void aw_sw_encoder_open_faac_encoder(aw_faac_config *faac_config){
    //是否已经开启了，避免重复开启
    if (aw_sw_faac_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_open_faac_encoder when encoder is already inited");
        return;
    }
    
    //创建配置
    int32_t faac_cfg_len = sizeof(aw_faac_config);
    if (!s_faac_config) {
        s_faac_config = aw_alloc(faac_cfg_len);
    }
    memcpy(s_faac_config, faac_config, faac_cfg_len);
    
    //开启faac软编码
    s_faac_ctx = alloc_aw_faac_context(*faac_config);
}

音频软编码第二步：将audio specific config data 转成flv帧数据。

extern aw_flv_audio_tag *aw_sw_encoder_create_faac_specific_config_tag(){
    //是否已打开编码器
    if(!aw_sw_faac_encoder_is_valid()){
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_create_faac_specific_config_tag when audio encoder is not inited");
        return NULL;
    }
    
    //创建 audio specfic config record
    aw_flv_audio_tag *aac_tag = aw_sw_encoder_create_flv_audio_tag(&s_faac_ctx->config);
    //根据flv协议：audio specific data对应的 aac_packet_type 固定为 aw_flv_a_aac_package_type_aac_sequence_header 值为0
    //普通的音频帧，此处值为1.
    aac_tag->aac_packet_type = aw_flv_a_aac_package_type_aac_sequence_header;
    
    aac_tag->config_record_data = copy_aw_data(s_faac_ctx->audio_specific_config_data);
    aac_tag->common_tag.timestamp = 0;
    aac_tag->common_tag.data_size = s_faac_ctx->audio_specific_config_data->size + 11 + aac_tag->common_tag.header_size;
    
    return aac_tag;
}

音频软编码器第三步：将接收到的pcm数据转成aac数据，然后将aac数据转成flv音频数据

/*
    pcm_data: 传入的pcm数据
    len: pcm数据长度
    timestamp：flv时间戳，rtmp协议要求发送的flv音视频帧的时间戳需为均匀增加，不允许 后发送的数据时间戳 比 先发送的数据的时间戳 还要小。
    aw_flv_audio_tag: 返回类型，生成的flv音频数据（flv中，每帧数据称为一个tag）。
*/
extern aw_flv_audio_tag *aw_sw_encoder_encode_faac_data(int8_t *pcm_data, long len, uint32_t timestamp){
    if (!aw_sw_faac_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_encode_faac_data when encoder is not inited");
        return NULL;
    }
    
    //将pcm数据编码成aac数据
    aw_encode_pcm_frame_2_aac(s_faac_ctx, pcm_data, len);
    
    // 使用faac编码的数据会带有7个字节的adts头。rtmp不接受此值，在此去掉前7个字节。
    int adts_header_size = 7;
    
    //除去ADTS头的7字节
    if (s_faac_ctx->encoded_aac_data->size <= adts_header_size) {
        return NULL;
    }
    
    //将aac数据封装成flv音频帧。flv帧仅仅是将aac数据增加一些固定信息。并没有对aac数据进行编码操作。
    aw_flv_audio_tag *audio_tag = aw_encoder_create_audio_tag((int8_t *)s_faac_ctx->encoded_aac_data->data + adts_header_size, s_faac_ctx->encoded_aac_data->size - adts_header_size, timestamp, &s_faac_ctx->config);
    
    audio_count++;
    
    //返回结果
    return audio_tag;
}

音频软编码器第四步：关闭编码器

extern void aw_sw_encoder_close_faac_encoder(){
    //避免重复关闭
    if (!aw_sw_faac_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_close_faac_encoder when encoder is not inited");
        return;
    }
    
    //是否aw_faac_context，也就关闭了faac编码环境。
    free_aw_faac_context(&s_faac_ctx);
    
    //释放配置数据
    if (s_faac_config) {
        aw_free(s_faac_config);
        s_faac_config = NULL;
    }
}

到此为止，音频软编码器就介绍完了。已经成功实现了将pcm数据转成flv音频帧。

下面介绍视频软编码。
套路同音频编码一致，对应的视频软编码是对x264这个库的封装。
文件在aw_x264.h/aw_x264.c中。

它实现的功能如下：

1. 初始化x264参数，打开编码环境
2. 进行编码
3. 关闭编码环境。

x264封装第一步：初始化x264参数，打开编码环境

/*
    config 表示配置数据
    aw_x264_context 是自定义结构体，用于存储x264编码重要属性及过程变量。
*/
extern aw_x264_context *alloc_aw_x264_context(aw_x264_config config){
    aw_x264_context *ctx = aw_alloc(sizeof(aw_x264_context));
    memset(ctx, 0, sizeof(aw_x264_context));
    
    //数据数据默认为 I420
    if (!config.input_data_format) {
        config.input_data_format = X264_CSP_I420;
    }
    
    //创建handler
    memcpy(&ctx->config, &config, sizeof(aw_x264_config));
    x264_param_t *x264_param = NULL;
    //x264参数，具体请参考：http://blog.csdn.net/table/article/details/8085115
    aw_create_x264_param(ctx, &x264_param);
    //开启编码器
    aw_open_x264_handler(ctx, x264_param);
    aw_free(x264_param);
    
    //创建pic_in，x264内部用于存储输入图像数据的一段空间。
    x264_picture_t *pic_in = aw_alloc(sizeof(x264_picture_t));
    x264_picture_init(pic_in);
    
    //[注意有坑]
    //aw_stride是一个宏，用于将视频宽度转成16的倍数。如果不是16的倍数，有时候会编码失败（颜色缺失等）。
    int alloc_width = aw_stride(config.width);
    
    x264_picture_alloc(pic_in, config.input_data_format, alloc_width, config.height);

    pic_in->img.i_csp = config.input_data_format;
    
    //i_stride 表示换行步长，跟plane数及格式有关，x264内部用来判定读取多少数据需要换行。
    //关于yuv数据格式在第二章里面介绍过，这里再次回顾一下。
    if (config.input_data_format == X264_CSP_NV12) {
        //nv12数据包含2个plane，第一个plane存储了y数据大小为 width * height，
        //第二个plane存储uv数据，u和v隔位存储，数据大小为：width * (height / 2)
        pic_in->img.i_stride[0] = alloc_width;
        pic_in->img.i_stride[1] = alloc_width;
        pic_in->img.i_plane = 2;
    }else if(config.input_data_format == X264_CSP_BGR || config.input_data_format == X264_CSP_RGB){
        //rgb数据包含一个plane，数据长度为 width * 3 * height。
        pic_in->img.i_stride[0] = alloc_width * 3;
        pic_in->img.i_plane = 1;
    }else if(config.input_data_format == X264_CSP_BGRA){
        //bgra同rgb类似
        pic_in->img.i_stride[0] = alloc_width * 4;
        pic_in->img.i_plane = 1;
    }else{//YUV420
        //yuv420即I420格式。
        //包含3个plane，第一个plane存储y数据大小为width * height
        //第二个存储u数据，数据大小为 width * height / 4
        //第三个存储v数据，数据大小为 width * height / 4
        pic_in->img.i_stride[0] = alloc_width;
        pic_in->img.i_stride[1] = alloc_width / 2;
        pic_in->img.i_stride[2] = alloc_width / 2;
        pic_in->img.i_plane = 3;
    }
    
    //其他数据初始化，pic_in 用于存储输入数据(yuv/rgb等数据)，pic_out用于存储输出数据(h264数据)
    ctx->pic_in = pic_in;
    
    ctx->pic_out = aw_alloc(sizeof(x264_picture_t));
    x264_picture_init(ctx->pic_out);
    
    //编码后数据变量
    ctx->encoded_h264_data = alloc_aw_data(0);
    ctx->sps_pps_data = alloc_aw_data(0);
    
    //获取sps pps
    // sps pps 数据是rtmp协议要求的必需在所有flv视频帧之前发送的一帧数据，存储了h264视频的一些关键属性。
    // 具体获取方法请看demo，很简单，这里就不解释了。
    aw_encode_x264_header(ctx);
    
    return ctx;
}

x264封装第二步：开始编码

//编码一帧数据
extern void aw_encode_yuv_frame_2_x264(aw_x264_context *aw_ctx, int8_t *yuv_frame, int len){
    if (len > 0 && yuv_frame) {
        //将视频数据填充到pic_in中，pic_in上面已经介绍过，x264需要这样处理。
        int actual_width = aw_stride(aw_ctx->config.width);
        //数据保存到pic_in中
        if (aw_ctx->config.input_data_format == X264_CSP_NV12) {
            aw_ctx->pic_in->img.plane[0] = (uint8_t *)yuv_frame;
            aw_ctx->pic_in->img.plane[1] = (uint8_t *)yuv_frame + actual_width * aw_ctx->config.height;
        }else if(aw_ctx->config.input_data_format == X264_CSP_BGR || aw_ctx->config.input_data_format == X264_CSP_RGB){
            aw_ctx->pic_in->img.plane[0] = (uint8_t *)yuv_frame;
        }else if(aw_ctx->config.input_data_format == X264_CSP_BGRA){
            aw_ctx->pic_in->img.plane[0] = (uint8_t *)yuv_frame;
        }else{//YUV420
            aw_ctx->pic_in->img.plane[0] = (uint8_t *)yuv_frame;
            aw_ctx->pic_in->img.plane[1] = (uint8_t *)yuv_frame + actual_width * aw_ctx->config.height;
            aw_ctx->pic_in->img.plane[2] = (uint8_t *)yuv_frame + actual_width * aw_ctx->config.height * 5 / 4;
        }
        //x264编码，编码后的数据存储在aw_ctx->nal中
        x264_encoder_encode(aw_ctx->x264_handler, &aw_ctx->nal, &aw_ctx->nal_count, aw_ctx->pic_in, aw_ctx->pic_out);
        aw_ctx->pic_in->i_pts++;
    }
    
    //将编码后的数据转存到encoded_h264_data中，这里面存储的就是编码好的h264视频帧了。
    reset_aw_data(&aw_ctx->encoded_h264_data);
    if (ctx->nal_count > 0) {
        int i = 0;
        for (; i < ctx->nal_count; i++) {
            data_writer.write_bytes(&ctx->encoded_h264_data, ctx->nal[i].p_payload, ctx->nal[i].i_payload);
        }
    }
}

x264封装第三步：关闭编码环境。

/*
    很简单，分别释放pic_in，pic_out，x264_handler即可
*/
extern void free_aw_x264_context(aw_x264_context **ctx_p){
    aw_x264_context *ctx = *ctx_p;
    if (ctx) {
        //释放pic_in
        if (ctx->pic_in) {
            x264_picture_clean(ctx->pic_in);
            aw_free(ctx->pic_in);
            ctx->pic_in = NULL;
        }
        
        //释放pic_out
        if (ctx->pic_out) {
            aw_free(ctx->pic_out);
            ctx->pic_out = NULL;
        }

        ...
        
        //关闭handler
        if (ctx->x264_handler) {
            x264_encoder_close(ctx->x264_handler);
            ctx->x264_handler = NULL;
        }
        ...
    }
}

上面的代码只是对x264编码流程进行简单封装。
真正实现完整转码逻辑的是在 aw_sw_x264_encoder.h/aw_sw_x264_encoder.c 中。

它实现了如下功能：

1. 将收到的yuv数据编码成 h264格式。
2. 生成包含sps/pps数据的flv视频帧。
3. 将h264格式的数据转成flv视频数据。
4. 关闭编码器。

视频软编码器第一步：收到yuv数据，并编码成h264格式。

//打开编码器，就是在aw_x264基础上，封了一层。
extern void aw_sw_encoder_open_x264_encoder(aw_x264_config *x264_config){
    if (aw_sw_x264_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_open_video_encoder when video encoder is not inited");
        return;
    }
    
    int32_t x264_cfg_len = sizeof(aw_x264_config);
    if (!s_x264_config) {
        s_x264_config = aw_alloc(x264_cfg_len);
    }
    memcpy(s_x264_config, x264_config, x264_cfg_len);
    
    s_x264_ctx = alloc_aw_x264_context(*x264_config);
}

视频软编码器第二步：生成包含sps/pps数据的flv视频帧

//根据flv/h264/aac协议创建video/audio首帧tag，flv 格式相关代码在 aw_encode_flv.h/aw_encode_flv.c 中
extern aw_flv_video_tag *aw_sw_encoder_create_x264_sps_pps_tag(){
    if(!aw_sw_x264_encoder_is_valid()){
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_create_video_sps_pps_tag when video encoder is not inited");
        return NULL;
    }
    
    //创建 sps pps
    // 创建flv视频tag
    aw_flv_video_tag *sps_pps_tag = aw_sw_encoder_create_flv_video_tag();
    // 关键帧
    sps_pps_tag->frame_type = aw_flv_v_frame_type_key;
    // package type 为header，固定
    sps_pps_tag->h264_package_type = aw_flv_v_h264_packet_type_seq_header;
    // cts，项目内所有视频帧的cts 都为0
    sps_pps_tag->h264_composition_time = 0;
    // 将aw_x264中生成的sps/pps数据copy到tag中
    sps_pps_tag->config_record_data = copy_aw_data(s_x264_ctx->sps_pps_data);
    // 时间戳为0
    sps_pps_tag->common_tag.timestamp = 0;
    // flv tag长度为：header size + data header(11字节) + 数据长度（后续介绍）
    sps_pps_tag->common_tag.data_size = s_x264_ctx->sps_pps_data->size + 11 + sps_pps_tag->common_tag.header_size;
    return sps_pps_tag;
}

视频软编码器第三步：将h264格式的数据转成flv视频数据。

//将采集到的video yuv数据，编码为flv video tag
extern aw_flv_video_tag * aw_sw_encoder_encode_x264_data(int8_t *yuv_data, long len, uint32_t timeStamp){
    //是否已开启编码
    if (!aw_sw_x264_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_encode_video_data when video encoder is not inited");
        return NULL;
    }
    
    //执行编码
    aw_encode_yuv_frame_2_x264(s_x264_ctx, yuv_data, (int32_t)len);
    
    //编码后是否能取到数据
    if (s_x264_ctx->encoded_h264_data->size <= 0) {
        return NULL;
    }
    
    //将h264数据转成flv tag
    x264_picture_t *pic_out = s_x264_ctx->pic_out;
    
    aw_flv_video_tag *video_tag = aw_encoder_create_video_tag((int8_t *)s_x264_ctx->encoded_h264_data->data, s_x264_ctx->encoded_h264_data->size, timeStamp, (uint32_t)((pic_out->i_pts - pic_out->i_dts) * 1000.0 / s_x264_ctx->config.fps), pic_out->b_keyframe);

    ...
    
    return video_tag;
}

视频软编码器第四步：关闭编码器

//关闭编码器
extern void aw_sw_encoder_close_x264_encoder(){
    //避免重复关闭
    if (!aw_sw_x264_encoder_is_valid()) {
        aw_log("[E] aw_sw_encoder_close_video_encoder s_faac_ctx is NULL");
        return;
    }
    
    //释放配置
    if (s_x264_config) {
        aw_free(s_x264_config);
        s_x264_config = NULL;
    }
    
    //释放context
    free_aw_x264_context(&s_x264_ctx);
}

至此，软编码代码介绍完毕。
可以通过 AWSWFaacEncoder/AWSWX264Encoder 类调用上面的软编码器，给上层提供一致的接口。

总结，软编码器涉及的内容：

1. 第三方编码器：libfaac/libx264
2. 第三方编码器封装：aw_faac.h/aw_faac.c，aw_x264.h/aw_x264.c
3. 编码器(将原始数据转成最终数据)封装：aw_sw_faac_encoder.h/aw_sw_faac_encoder.c，aw_sw_x264_encoder.h/aw_sw_x264_encoder.c
4. 顶层抽象：AWSWFaacEncoder/AWSWX264Encoder

编码过程中需要注意的地方：

1. 注意 audio specific config 及 sps/pps数据的获取，不获取这两种数据，服务器没办法识别音视频帧的。
2. faac编码后注意去除adts头部。
3. x264编码器如果输入分辨率的宽度不是16的倍数，需要将其扩展成16的倍数，否则编码可能会出问题(颜色丢失，uv混乱)。

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