FFmpeg 硬编码VideoToolBox流程

DogDaoDao2023-08-10 21:48

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()；

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。
c 复制代码 
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。
c 复制代码 
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。
c 复制代码 
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；
c 复制代码 
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_IPHONE
    if(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);
    }
#endif

    if (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。

.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。
c 复制代码 
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。
c 复制代码 
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。
c 复制代码 
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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