音视频学习之 - H264解码

  1. 解析数据 (SPS PPS NALU Unit)
  2. 初始化解码器
  3. 将解析后的H264 NALU Unit输入到解码器
  4. 解码完成后回调,输出解码数据
  5. 解码数据显示(OpenGL ES)

解析数据

直接在上一篇 音视频学习之 - H264编码 代码基础上微调进行解码,即在生成sps/pps和视频流二进制的地方不去存储而是直接进行解码,修改上一篇源码中 函数 didCompressH264 的代码:

获取H264参数集合中的SPS和PPS:

const Byte startCode[] = "\x00\x00\x00\x01";
 if (statusCode == noErr)
  {
      NSData *spsData = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];
      NSData *ppsData = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];
      
      NSMutableData *sps = [NSMutableData dataWithCapacity:4 + sparameterSetSize];
      [sps appendBytes:startCode length:4];
      [sps appendBytes:spsData length:sparameterSetSize];

      NSMutableData *pps = [NSMutableData dataWithCapacity:4 + pparameterSetSize];
      [pps appendBytes:startCode length:4];
      [pps appendBytes:ppsData length:pparameterSetSize];
  }
复制代码

获取NALU数据:

const int lengthInfoSize = 4;
        //循环获取nalu数据
        while (bufferOffset < totalLength - AVCCHeaderLength) {
            uint32_t NALUnitLength = 0;
            
            //读取 一单元长度的 nalu
            memcpy(&NALUnitLength, dataPointer + bufferOffset, lengthInfoSize);
            
            //从大端模式转换为系统端模式
            NALUnitLength = CFSwapInt32BigToHost(NALUnitLength);
            
            NSMutableData *data = [NSMutableData dataWithCapacity:lengthInfoSize + NALUnitLength];
            [data appendBytes:startCode length:lengthInfoSize];
            [data dataPointer + bufferOffset + lengthInfoSize length:NALUnitLength];

            bufferOffset += lengthInfoSize + NALUnitLength;
        }

复制代码

初始化解码器

使用 VTDecompressionSessionCreate 创建一个解码器,它的参数中需要一个 CMVideoFormatDescriptionRef 类型的变量来描述视频的基本信息,所以我们要先准备一些创建session需要的数据,然后才能完成视频的解码。

/*初始化解码器**/
- (BOOL)initDecoder {
    
    if (_decodeSesion) return true;
    const uint8_t * const parameterSetPointers[2] = {_sps, _pps};
    const size_t parameterSetSizes[2] = {_spsSize, _ppsSize};
    int naluHeaderLen = 4;
    
    /**
     根据sps pps设置解码参数
     param kCFAllocatorDefault 分配器
     param 2 参数个数
     param parameterSetPointers 参数集指针
     param parameterSetSizes 参数集大小
     param naluHeaderLen nalu nalu start code 的长度 4
     param _decodeDesc 解码器描述
     return 状态
     */
    OSStatus status = CMVideoFormatDescriptionCreateFromH264ParameterSets(kCFAllocatorDefault, 2, parameterSetPointers, parameterSetSizes, naluHeaderLen, &_decodeDesc);
    if (status != noErr) {
        NSLog(@"Video hard DecodeSession create H264ParameterSets(sps, pps) failed status= %d", (int)status);
        return false;
    }
    
    /*
     解码参数:
    * kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey:摄像头的输出数据格式
     kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey,已测可用值为
        kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarVideoRange,即420v
        kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange,即420f
        kCVPixelFormatType_32BGRA,iOS在内部进行YUV至BGRA格式转换
     YUV420一般用于标清视频,YUV422用于高清视频,这里的限制让人感到意外。但是,在相同条件下,YUV420计算耗时和传输压力比YUV422都小。
     
    * kCVPixelBufferWidthKey/kCVPixelBufferHeightKey: 视频源的分辨率 width*height
     * kCVPixelBufferOpenGLCompatibilityKey : 它允许在 OpenGL 的上下文中直接绘制解码后的图像,而不是从总线和 CPU 之间复制数据。这有时候被称为零拷贝通道,因为在绘制过程中没有解码的图像被拷贝.
     
     */
    NSDictionary *destinationPixBufferAttrs =
    @{
      (id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey: [NSNumber numberWithInt:kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange], //iOS上 nv12(uvuv排布) 而不是nv21(vuvu排布)
      (id)kCVPixelBufferWidthKey: [NSNumber numberWithInteger:_config.width],
      (id)kCVPixelBufferHeightKey: [NSNumber numberWithInteger:_config.height],
      (id)kCVPixelBufferOpenGLCompatibilityKey: [NSNumber numberWithBool:true]
      };
    
    //解码回调设置
    /*
     VTDecompressionOutputCallbackRecord 是一个简单的结构体,它带有一个指针 (decompressionOutputCallback),指向帧解压完成后的回调方法。你需要提供可以找到这个回调方法的实例 (decompressionOutputRefCon)。VTDecompressionOutputCallback 回调方法包括七个参数:
            参数1: 回调的引用
            参数2: 帧的引用
            参数3: 一个状态标识 (包含未定义的代码)
            参数4: 指示同步/异步解码,或者解码器是否打算丢帧的标识
            参数5: 实际图像的缓冲
            参数6: 出现的时间戳
            参数7: 出现的持续时间
     */
    VTDecompressionOutputCallbackRecord callbackRecord;
    callbackRecord.decompressionOutputCallback = videoDecompressionOutputCallback;
    callbackRecord.decompressionOutputRefCon = (__bridge void * _Nullable)(self);
    
    //创建session
    
    /*!
     @function    VTDecompressionSessionCreate
     @abstract    创建用于解压缩视频帧的会话。
     @discussion  解压后的帧将通过调用OutputCallback发出
     @param    allocator  内存的会话。通过使用默认的kCFAllocatorDefault的分配器。
     @param    videoFormatDescription 描述源视频帧
     @param    videoDecoderSpecification 指定必须使用的特定视频解码器.NULL
     @param    destinationImageBufferAttributes 描述源像素缓冲区的要求 NULL
     @param    outputCallback 使用已解压缩的帧调用的回调
     @param    decompressionSessionOut 指向一个变量以接收新的解压会话
     */
    status = VTDecompressionSessionCreate(kCFAllocatorDefault, _decodeDesc, NULL, (__bridge CFDictionaryRef _Nullable)(destinationPixBufferAttrs), &callbackRecord, &_decodeSesion);
    
    //判断一下status
    if (status != noErr) {
        NSLog(@"Video hard DecodeSession create failed status= %d", (int)status);
        return false;
    }
    
    //设置解码会话属性(实时编码)
    status = VTSessionSetProperty(_decodeSesion, kVTDecompressionPropertyKey_RealTime,kCFBooleanTrue);
    
    NSLog(@"Vidoe hard decodeSession set property RealTime status = %d", (int)status);
    
    return true;
}
复制代码

数据输入

获取到数据之后,开始进行数据处理,前四位代表的是大端模式下的长度信息,第5个字节表示数据类型,转换为10进制后,5代表关键帧,7代表sps,8代表pps:

- (void)decodeNaluData:(NSData *)frame {
    //将解码放在异步队列.
    dispatch_async(_decodeQueue, ^{
        //获取frame 二进制数据
        uint8_t *nalu = (uint8_t *)frame.bytes;
        //调用解码Nalu数据方法,参数1:数据 参数2:数据长度
        [self decodeNaluData:nalu size:(uint32_t)frame.length];
    });
}

- (void)decodeNaluData:(uint8_t *)frame size:(uint32_t)size {
    int type = (frame[4] & 0x1F);
    
    // 将NALU的开始码转为4字节大端NALU的长度信息
    uint32_t naluSize = size - 4;
    uint8_t *pNaluSize = (uint8_t *)(&naluSize);
    CVPixelBufferRef pixelBuffer = NULL;
    frame[0] = *(pNaluSize + 3);
    frame[1] = *(pNaluSize + 2);
    frame[2] = *(pNaluSize + 1);
    frame[3] = *(pNaluSize);
    
    //第一次解析时: 初始化解码器initDecoder
    switch (type) {
        case 0x05: //关键帧
            if ([self initDecoder]) {
                pixelBuffer= [self decode:frame withSize:size];
            }
            break;
        case 0x06:
            //NSLog(@"SEI");//增强信息
            break;
        case 0x07: //sps
            _spsSize = naluSize;
            _sps = malloc(_spsSize);
            memcpy(_sps, &frame[4], _spsSize);
            break;
        case 0x08: //pps
            _ppsSize = naluSize;
            _pps = malloc(_ppsSize);
            memcpy(_pps, &frame[4], _ppsSize);
            break;
        default: //其他帧(1-5)
            if ([self initDecoder]) {
                pixelBuffer = [self decode:frame withSize:size];
            }
            break;
    }
}

复制代码

解码函数

先来看一下CMSampleBuffer的数据结构

最终要解码成一个CVPixelBufferRef类型的对象,先创建一个BlockBuffer,然后根据BlockBuffer创建SampleBuffer,最后将SampleBuffer传入函数 VTDecompressionSessionDecodeFrame 得到解码后的CVPixelBufferRef

- (CVPixelBufferRef)decode:(uint8_t *)frame withSize:(uint32_t)frameSize {
    
    CVPixelBufferRef outputPixelBuffer = NULL;
    CMBlockBufferRef blockBuffer = NULL;
    CMBlockBufferFlags flag0 = 0;
    
    //创建blockBuffer
    /*!
     参数1: structureAllocator kCFAllocatorDefault
     参数2: memoryBlock  frame
     参数3: frame size
     参数4: blockAllocator: Pass NULL
     参数5: customBlockSource Pass NULL
     参数6: offsetToData  数据偏移
     参数7: dataLength 数据长度
     参数8: flags 功能和控制标志
     参数9: newBBufOut blockBuffer地址,不能为空
     */
    OSStatus status = CMBlockBufferCreateWithMemoryBlock(kCFAllocatorDefault, frame, frameSize, kCFAllocatorNull, NULL, 0, frameSize, flag0, &blockBuffer);
    
    if (status != kCMBlockBufferNoErr) {
        NSLog(@"Video hard decode create blockBuffer error code=%d", (int)status);
        return outputPixelBuffer;
    }
    
    CMSampleBufferRef sampleBuffer = NULL;
    const size_t sampleSizeArray[] = {frameSize};
    
    //创建sampleBuffer
    /*
     参数1: allocator 分配器,使用默认内存分配, kCFAllocatorDefault
     参数2: blockBuffer.需要编码的数据blockBuffer.不能为NULL
     参数3: formatDescription,视频输出格式
     参数4: numSamples.CMSampleBuffer 个数.
     参数5: numSampleTimingEntries 必须为0,1,numSamples 
     参数6: sampleTimingArray.  数组.为空
     参数7: numSampleSizeEntries 默认为1
     参数8: sampleSizeArray
     参数9: sampleBuffer对象
     */
    status = CMSampleBufferCreateReady(kCFAllocatorDefault, blockBuffer, _decodeDesc, 1, 0, NULL, 1, sampleSizeArray, &sampleBuffer);
    
    if (status != noErr || !sampleBuffer) {
        NSLog(@"Video hard decode create sampleBuffer failed status=%d", (int)status);
        CFRelease(blockBuffer);
        return outputPixelBuffer;
    }
    
    //解码
    //向视频解码器提示使用低功耗模式是可以的
    VTDecodeFrameFlags flag1 = kVTDecodeFrame_1xRealTimePlayback;
    //异步解码
    VTDecodeInfoFlags  infoFlag = kVTDecodeInfo_Asynchronous;
    //解码数据
    /*
     参数1: 解码session
     参数2: 源数据 包含一个或多个视频帧的CMsampleBuffer
     参数3: 解码标志
     参数4: 解码后数据outputPixelBuffer
     参数5: 同步/异步解码标识
     */
    status = VTDecompressionSessionDecodeFrame(_decodeSesion, sampleBuffer, flag1, &outputPixelBuffer, &infoFlag);
    
    if (status == kVTInvalidSessionErr) {
        NSLog(@"Video hard decode  InvalidSessionErr status =%d", (int)status);
    } else if (status == kVTVideoDecoderBadDataErr) {
        NSLog(@"Video hard decode  BadData status =%d", (int)status);
    } else if (status != noErr) {
        NSLog(@"Video hard decode failed status =%d", (int)status);
    }
    CFRelease(sampleBuffer);
    CFRelease(blockBuffer);
    
    
    return outputPixelBuffer;
}
复制代码

OpenGL ES进行显示

实际上就是显示纹理,将生成的CVPixelBufferRef转换为纹理对象,然后使用 CAEAGLLayer 进行显示,具体显示代码下一篇文章来实现。

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