iOS系统中H264硬解及显示详解

iOS系统中H264硬解及显示详解

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iOS系统中H264硬解及显示详解

苹果在iOS 8.0系统之前，没有开放系统的硬件编码解码功能，不过Mac OS系统一直有，被称为VideoToolBox的框架来处理硬件的编码和解码，终于在iOS 8.0后，苹果将该框架引入iOS系统。

一、VideoToolbox基本数据结构：

1、CVPixelBuffer：编码前和解码后的图像数据结构；

2、CMTime、CMClock和CMTimebase：时间戳相关。时间以64-bit/32-bit的形式出现；

3、CMBlockBuffer：编码后，结果图像的数据结构；

4、CMVideoFormatDescription：图像存储方式，编解码器等格式描述；

5、CMSampleBuffer：存放编解码前后的视频图像的容器数据结构。

下图为H264解码前后数据结构示意图：

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二、硬解使用方法：

H264的码流由NALU单元组成，NALU单元包含视频图像数据和H264的参数信息。其中视频图像数据就是CMBlockBuffer，而H264的参数信息则可以组合成FormatDesc。具体来说参数信息包含SPS（Sequence Parameter Set）和PPS（Picture Parameter Set）。下图显示一个H264码流的结构:

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解码方式一：（通过系统提供的AVSampleBufferDisplayLayer来解码并显示）

• 1、初始化H264硬解param:

  1) 提取sps和pps生成format description：

      //sps
      _spsSize = format.getCsd_0_size()-4;
      _sps = (uint8_t *)malloc(_spsSize);
      memcpy(_sps, format.getCsd_0()+4, _spsSize);
  
      //pps
      _ppsSize = format.getCsd_1_size()-4;
      _pps = (uint8_t *)malloc(_ppsSize);
      memcpy(_pps, format.getCsd_1()+4, _ppsSize);

  2) 使用CMVideoFormatDescriptionCreateFromH264ParameterSets函数来构建CMVideoFormatDescriptionRef：

  CMVideoFormatDescriptionCreateFromH264ParameterSets(kCFAllocatorDefault,
                                                      2, //param count
                                                      parameterSetPointers,
                                                      parameterSetSizes,
                                                      4, //nal start code size
                                                      &_decoderFormatDescription);

• 2、将H264码流转换成解码前的CMSampleBuffer:
  1） 使用CMBlockBufferCreateWithMemoryBlock接口构造CMBlockBufferRef;

  CMBlockBufferRef blockBuffer = NULL;
  CMBlockBufferCreateWithMemoryBlock(kCFAllocatorDefault,
                                    (void*)frame.bytes, 
                                     frame.length,
                                     kCFAllocatorNull,
                                     NULL, 0, frame.length,
                                     0, &blockBuffer);

  2）根据上述得到CMVideoFormatDescriptionRef、CMBlockBufferRef和可选的时间信息，使用CMSampleBufferCreate接口得到CMSampleBuffer数据这个待解码的原始的数据。

  CMSampleBufferRef sampleBuffer = NULL;
  CMSampleBufferCreateReady(kCFAllocatorDefault,
                            blockBuffer,
                            _decoderFormatDescription,
                            1, 0, NULL, 1, sampleSizeArray,
                            &sampleBuffer);  

• 3、硬解图像显示：
  通过系统提供的AVSampleBufferDisplayLayer来解码并显示。

  AVSampleBufferDisplayLayer是苹果提供的一个专门显示编码后的H264数据的显示层，它是CALayer的子类，因此使用方式和其它CALayer类似。该层内置了硬件解码功能，将原始的CMSampleBuffer解码后的图像直接显示在屏幕上面，非常的简单方便。

  CFArrayRef attachments = CMSampleBufferGetSampleAttachmentsArray(sampleBuffer, YES);
  CFMutableDictionaryRef dict = (CFMutableDictionaryRef)CFArrayGetValueAtIndex(attachments, 0);
  CFDictionarySetValue(dict, kCMSampleAttachmentKey_DisplayImmediately, kCFBooleanTrue);
  
  if (status == kCMBlockBufferNoErr) {
      if ([_avslayer isReadyForMoreMediaData]) {
          dispatch_sync(dispatch_get_main_queue(),^{
              [_avslayer enqueueSampleBuffer:sampleBuffer];
          });
      }
  
      CFRelease(sampleBuffer);
  } 

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解码方式二：（通过VTDecompression接口，将CMSampleBuffer解码成图像，将图像通过UIImageView或者OpenGL来显示）

• 1、初始化H264硬解param:

  在方式一的基础上,使用VTDecompressionSessionCreate接口构造VTDecompressionSessionRef;（初始化VTDecompressionSession，设置解码器的相关信息）

  VTDecompressionSessionRef _deocderSession;
  VTDecompressionSessionCreate(kCFAllocatorDefault,
                               _decoderFormatDescription,
                               NULL, attrs,
                               &callBackRecord,
                               &_deocderSession);

• 2、将H264码流转换成解码前的CMSampleBuffer:

  同方式一

• 3、将CMSampleBuffer数据使用VTDecompressionSessionDecodeFrame接口解码成CVPixelBufferRef数据:

  CVPixelBufferRef outputPixelBuffer = NULL;
  VTDecompressionSessionDecodeFrame(_deocderSession,
                                    sampleBuffer,
                                    flags,
                                    &outputPixelBuffer,
                                    &flagOut);

• 4、将CVPixelBufferRef数据转换成UIImage并显示:

CIImage *ciImage = [CIImage imageWithCVPixelBuffer:pixelBuffer];

CIContext *temporaryContext = [CIContext contextWithOptions:nil];//required
CGImageRef videoImage = [temporaryContext
                         createCGImage:ciImage
                         fromRect:CGRectMake(0, 0,
                                             CVPixelBufferGetWidth(pixelBuffer),
                                             CVPixelBufferGetHeight(pixelBuffer))];//required

UIImage *uiImage = [UIImage imageWithCGImage:videoImage];
CGImageRelease(videoImage);

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三、程序流程框图:

解码方式一 解码方式二

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四、两种解码方式比较：

解码方式一:

• 优点: 该方式通过系统提供的AVSampleBufferDisplayLayer显示层来解码并显示。该层内置了硬件解码功能，将原始的CMSampleBuffer解码后的图像直接显示在屏幕上，非常的简单方便,且执行效率高，占用内存相对较少。
• 缺点: 从解码的数据中不能直接获取图像数据并对其做相应处理，解码后的数据不能直接进行其他方面的应用（一般要做较复杂的转换）。

解码方式二:

• 优点: 该方式通过VTDecompressionSessionDecodeFrame接口，得到CVPixelBufferRef数据，我们可以直接从CVPixelBufferRef数据中获取图像数据并对其做相应处理，方便于其他应用。
• 缺点: 解码中执行效率相对降低，占用的内存也会相对较大。