iOS硬编码实现

前言

• 在上一篇中，我们已经知道iOS编码的一些概念知识，从现在开始，我们可以正式对采集到的视频进行编码
• 这里我们重点介绍硬编码的使用方式，也就是VideoToolBox框架的使用
• 编码的流程：采集--> 获取到视频帧--> 对视频帧进行编码 --> 获取到视频帧信息 --> 将编码后的数据以NALU方式写入到文件

视频采集

• 视频采集我们已经在前面进行了介绍和学习，所有这里就直接贴代码，只是我对采集过程进行了一些简单的封装

视频硬件编码

• 初始化压缩编码会话（VTCompressionSessionRef）

  • 在VideoToolbox框架的使用过程中，基本都是C语言函数

• 初始化后通过VTSessionSetProperty设置对象属性

  • 编码方式：H.264编码
  • 帧率：每秒钟多少帧画面
  • 码率：单位时间内保存的数据量
  • 关键帧（GOPsize)间隔：多少帧为一个GOP
  • 参数参考:

• 准备编码

• 代码如下：

- (void)setupVideoSession {
    // 1.用于记录当前是第几帧数据(画面帧数非常多)
    self.frameID = 0;

    // 2.录制视频的宽度&高度
    int width = [UIScreen mainScreen].bounds.size.width;
    int height = [UIScreen mainScreen].bounds.size.height;

    // 3.创建CompressionSession对象,该对象用于对画面进行编码
    // kCMVideoCodecType_H264 : 表示使用h.264进行编码
    // didCompressH264 : 当一次编码结束会在该函数进行回调,可以在该函数中将数据,写入文件中
    VTCompressionSessionCreate(NULL, width, height, kCMVideoCodecType_H264, NULL, NULL, NULL, didCompressH264, (__bridge void *)(self),  &_compressionSession);

    // 4.设置实时编码输出（直播必然是实时输出,否则会有延迟）
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_RealTime, kCFBooleanTrue);

    // 5.设置期望帧率(每秒多少帧,如果帧率过低,会造成画面卡顿)
    int fps = 30;
    CFNumberRef  fpsRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &fps);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate, fpsRef);


    // 6.设置码率(码率: 编码效率, 码率越高,则画面越清晰, 如果码率较低会引起马赛克 --> 码率高有利于还原原始画面,但是也不利于传输)
    int bitRate = 800*1024;
    CFNumberRef bitRateRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRate);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate, bitRateRef);
    NSArray *limit = @[@(bitRate * 1.5/8), @(1)];
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits, (__bridge CFArrayRef)limit);

    // 7.设置关键帧（GOPsize)间隔
    int frameInterval = 30;
    CFNumberRef  frameIntervalRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &frameInterval);
    VTSessionSetProperty(self.compressionSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameInterval, frameIntervalRef);

    // 8.基本设置结束, 准备进行编码
    VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames(self.compressionSession);
}

• 将输入的帧进行编码
  • 将CMSampleBufferRef转成CVImageBufferRef
  • 开始对CVImageBufferRef进行编码

- (void)encodeSampleBuffer:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    // 1.将sampleBuffer转成imageBuffer
    CVImageBufferRef imageBuffer = (CVImageBufferRef)CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

    // 2.根据当前的帧数,创建CMTime的时间
    CMTime presentationTimeStamp = CMTimeMake(self.frameID++, 1000);
    VTEncodeInfoFlags flags;

    // 3.开始编码该帧数据
    OSStatus statusCode = VTCompressionSessionEncodeFrame(self.compressionSession,
                                                          imageBuffer,
                                                          presentationTimeStamp,
                                                          kCMTimeInvalid,
                                                          NULL, (__bridge void * _Nullable)(self), &flags);
    if (statusCode == noErr) {
        NSLog(@"H264: VTCompressionSessionEncodeFrame Success");
    }
}

• 当编码成功后，将编码后的码流写入文件

  • 编码成功后会回调之前输入的函数
  • 1> 先判断是否是关键帧：
    • 如果是关键帧，则需要在写入关键帧之前，先写入PPS、SPS的NALU
    • 取出PPS、SPS数据，并且封装成NALU单元，写入文件
  • 2> 将I帧、P帧、B帧分别封装成NALU单元写入文件
  • 写入后，数据存储方式：

• 代码如下：

// 编码完成回调
void didCompressH264(void *outputCallbackRefCon, void *sourceFrameRefCon, OSStatus status, VTEncodeInfoFlags infoFlags, CMSampleBufferRef sampleBuffer) {

    // 1.判断状态是否等于没有错误
    if (status != noErr) {
        return;
    }

    // 2.根据传入的参数获取对象
    VideoEncoder* encoder = (__bridge VideoEncoder*)outputCallbackRefCon;

    // 3.判断是否是关键帧
    bool isKeyframe = !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 (isKeyframe)
    {
        // 获取编码后的信息（存储于CMFormatDescriptionRef中）
        CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);

        // 获取SPS信息
        size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;
        const uint8_t *sparameterSet;
        CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 0, &sparameterSet, &sparameterSetSize, &sparameterSetCount, 0 );

        // 获取PPS信息
        size_t pparameterSetSize, pparameterSetCount;
        const uint8_t *pparameterSet;
        CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, 1, &pparameterSet, &pparameterSetSize, &pparameterSetCount, 0 );

        // 装sps/pps转成NSData，以方便写入文件
        NSData *sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];
        NSData *pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];

        // 写入文件
        [encoder gotSpsPps:sps pps:pps];
    }

    // 获取数据块
    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 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;
            // Read the NAL unit length
            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 isKeyFrame:isKeyframe];

            // 移动到写一个块，转成NALU单元
            // Move to the next NAL unit in the block buffer
            bufferOffset += AVCCHeaderLength + NALUnitLength;
        }
    }
}

- (void)gotSpsPps:(NSData*)sps pps:(NSData*)pps
{
    // 1.拼接NALU的header
    const char bytes[] = "\x00\x00\x00\x01";
    size_t length = (sizeof bytes) - 1;
    NSData *ByteHeader = [NSData dataWithBytes:bytes length:length];

    // 2.将NALU的头&NALU的体写入文件
    [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
    [self.fileHandle writeData:sps];
    [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
    [self.fileHandle writeData:pps];

}
- (void)gotEncodedData:(NSData*)data isKeyFrame:(BOOL)isKeyFrame
{
    NSLog(@"gotEncodedData %d", (int)[data length]);
    if (self.fileHandle != 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];
        [self.fileHandle writeData:ByteHeader];
        [self.fileHandle writeData:data];
    }
}