一文搞懂IOS音视频编解码器VideoToolbox

在 IOS 平台上，我们经常需要处理音视频数据，比如播放视频、录制音频等。为了高效处理这些数据，IOS 提供了 VideoToolbox 类，它允许我们对音视频进行编解码操作。

什么是 VideoToolbox？

IOS 8.0之后，苹果开放了硬编解码API，即 VideoToolbox.framework的API。VideoToolbox是一套纯C语言API，可以直接访问硬件编解码器。它提供视频压缩和解压缩以及存储在像素缓存区中的数据转换服务。

下面以编码器为例进行说明：

先介绍VideoToolbox相关的几种数据结构

（1）CVPixelBuffer：存储编码前或解码后的视频帧，包含了图像的像素数据以及有关像素格式、大小和颜色空间等信息。

（2）CMBlockBuffer：存储压缩后的视频数据，例如H.264视频流中的NAL单元。

（3）CMSampleBuffer：包含时间戳和持续时间等元数据的样本数据。它可以包含一个CVPixelBuffer或者CMBlockBuffer，相当于存放视频图像的容器数据结构。

H.264编码整体流程：

• CVPixelBuffer → CMSampleBuffer → H.264

VideoToolbox用法

1. 创建 VideoToolbox 会话

要使用 VideoToolbox，首先需要创建一个 VTCompressionSessionRef 实例作为编码器的句柄。以下是创建编码器实例的基本步骤：

VTCompressionSessionRef compressionSession;
OSStatus status = VTCompressionSessionCreate(NULL, width, height, kCMVideoCodecType_H264, NULL, NULL, NULL, compressionCallback, NULL, &compressionSession);
if (status != noErr) {
    NSLog(@"Failed to create compression session: %d", (int)status);
    return;
}

其中，width 和 height 是要编码的视频帧的宽度和高度，kCMVideoCodecType_H264 是视频编码器类型。compressionCallback 是一个回调函数，用于处理编码后的数据。

2. 配置 VideoToolbox

配置编码器的参数，包括码率、帧率、关键帧间隔等

NSDictionary *compressionProperties = @{
    (__bridge NSString *)kVTCompressionPropertyKey_RealTime: @YES, // 开启实时编码，降低延迟
    (__bridge NSString *)kVTCompressionPropertyKey_ProfileLevel: (__bridge NSString *)kVTProfileLevel_H264_Baseline_AutoLevel, // BaseLine等级
    (__bridge NSString *)kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameIntervalDuration: @(10), // 关键帧间隔
    (__bridge NSString *)kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate: @(500000), // 平均码率，单位bps
    (__bridge NSString *)kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits: @(600000/8), // 最高码率，单位byte/s
};
VTSessionSetProperties(compressionSession, (__bridge CFDictionaryRef)compressionProperties);

IOS只支持ABR码控模式：

ABR：恒定平均目标码率，简单场景分配较低bit，复杂场景分配足够bit，使得有限的bit数能够在不同场景下合理分配 ，这类似VBR。同时一定时间内，平均码率又接近设置的目标码率 ，这样可以控制输出文件的大小，这又类似CBR。可以认为是CBR和VBR的折中方案。

3. 处理输入数据

将需要编码的原始视频帧传递给编码器进行处理。首先将原始数据放入 CMSampleBufferRef 中，然后将其传递给 VideoToolbox：

CVPixelBufferRef pixelBuffer;   // 存放原始视频帧数据
CFDictionaryRef frameProperties;    // 设置编码帧属性，如是否为关键帧
CMTime presentationTimeStamp = CMTimeMake(value, timescale); // 显示时间戳
VTCompressionSessionEncodeFrame(compressionSession, pixelBuffer, presentationTimeStamp, kCMTimeInvalid, frameProperties, NULL, NULL);

注意事项：

CMTime是IOS专门描述视频时间的一种数据类型

官网注释 /*@field value the value of the CMTime. value/timescale = seconds*/

举个例子说明，假设以下情形：

A视频15帧，播放速度5fps，持续时间=15/5=3s

B视频60帧，播放速度20fps，持续时间60/20=3s

由此可知，timesclae应设置为帧率

4. 处理输出数据

编码器处理完数据后，会通过上述定义的回调函数返回编码后的数据。在回调函数中可以处理编码后的数据，比如将其写入文件或传输到网络上。

void compressionCallback(void *outputCallbackRefCon, void *sourceFrameRefCon, OSStatus status, VTEncodeInfoFlags infoFlags, CMSampleBufferRef sampleBuffer) {
    if (status != noErr) {
        NSLog(@"Failed to encode frame: %d", (int)status);
        return;
    }
    // 从sampleBuffer中取出编码后的数据
    CMBlockBufferRef dataBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);
    size_t length, totalLength;
    char *dataPointer;
    // 处理编码后的数据，比如将其写入文件或传输到网络上
    OSStatus statusCodeRet = CMBlockBufferGetDataPointer(dataBuffer, 0, &length, &totalLength, &dataPointer);
    if (statusCodeRet == noErr) {
        size_t bufferOffset = 0;
        static const int AVCCHeaderLength = 4; // 返回的NALU数据前四个字节是大端模式的帧长度
        // 循环获取NALU数据
        while (bufferOffset < totalLength - AVCCHeaderLength) {
            uint32_t NALUnitLength = 0;
            // 读取NALU长度的数据
            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];
            // 移动到下一个NALU单元
            bufferOffset += AVCCHeaderLength+NALUnitLength;
        }
    }
}

注意事项：

VideoToolbox编码以AVCC格式 （头四个字节表示NALU长度）存储数据，且字节顺序是反的 ，在转换为H.264格式时需取出头四个字节并替换为Annex B格式（头四个字节是0001），并将字节顺序反转得到H.264数据。

5. 销毁编码器

VTCompressionSessionCompleteFrames(compressionSession, kCMTimeInvalid);
VTCompressionSessionInvalidate(compressionSession);

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