文／落影loyinglin（简书作者）
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使用VideoToolbox硬编码H.264

前言

H.264是目前很流行的编码层视频压缩格式，目前项目中的协议层有rtmp与http，但是视频的编码层都是使用的H.264。
在熟悉H.264的过程中，为更好的了解H.264，尝试用VideoToolbox硬编码与硬解码H.264的原始码流。

介绍

1、H.264

H.264由视讯编码层(Video Coding Layer，VCL)与网络提取层(Network Abstraction Layer，NAL)组成。
H.264包含一个内建的NAL网络协议适应层，藉由NAL来提供网络的状态，让VCL有更好的编译码弹性与纠错能力。
H.264的介绍看这里
H.264的码流结构
重点对象：

序列参数集SPS：作用于一系列连续的编码图像；
图像参数集PPS：作用于编码视频序列中一个或多个独立的图像；

2、VideoToolbox

VideoToolbox是iOS8以后开放的硬编码与硬解码的API，一组用C语言写的函数。使用流程如下：

1、-initVideoToolBox中调用VTCompressionSessionCreate创建编码session，然后调用VTSessionSetProperty设置参数，最后调用VTCompressionSessionPrepareToEncodeFrames开始编码；
2、开始视频录制，获取到摄像头的视频帧，传入-encode:，调用VTCompressionSessionEncodeFrame传入需要编码的视频帧，如果返回失败，调用VTCompressionSessionInvalidate销毁session，然后释放session；
3、每一帧视频编码完成后会调用预先设置的编码函数didCompressH264，如果是关键帧需要用CMSampleBufferGetFormatDescription获取CMFormatDescriptionRef，然后用
CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex取得PPS和SPS；
最后把每一帧的所有NALU数据前四个字节变成0x00 00 00 01之后再写入文件；
4、调用VTCompressionSessionCompleteFrames完成编码，然后销毁session：VTCompressionSessionInvalidate，释放session。

效果展示

下图是解码出来的图像

贴贴代码

创建session

 int width = , height = ;

     OSStatus status = VTCompressionSessionCreate(NULL, width, height, kCMVideoCodecType_H264, NULL, NULL, NULL, didCompressH264, (__bridge void *)(self),  &EncodingSession);

设置session属性

// 设置实时编码输出（避免延迟）

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_RealTime, kCFBooleanTrue);

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_ProfileLevel, kVTProfileLevel_H264_Baseline_AutoLevel);

     // 设置关键帧（GOPsize)间隔

     int frameInterval = ;

     CFNumberRef  frameIntervalRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &frameInterval);

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_MaxKeyFrameInterval, frameIntervalRef);

     // 设置期望帧率

     int fps = ;

     CFNumberRef  fpsRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberIntType, &fps);

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_ExpectedFrameRate, fpsRef);

     //设置码率，上限，单位是bps

     int bitRate = width * height *  *  * ;

     CFNumberRef bitRateRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRate);

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_AverageBitRate, bitRateRef);

     //设置码率，均值，单位是byte

     int bitRateLimit = width * height *  * ;

     CFNumberRef bitRateLimitRef = CFNumberCreate(kCFAllocatorDefault, kCFNumberSInt32Type, &bitRateLimit);

     VTSessionSetProperty(EncodingSession, kVTCompressionPropertyKey_DataRateLimits, bitRateLimitRef);

传入编码帧

CVImageBufferRef imageBuffer = (CVImageBufferRef)CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);

 // 帧时间，如果不设置会导致时间轴过长。

 CMTime presentationTimeStamp = CMTimeMake(frameID++, );

 VTEncodeInfoFlags flags;

 OSStatus statusCode = VTCompressionSessionEncodeFrame(EncodingSession,

                                                       imageBuffer,

                                                       presentationTimeStamp,

                                                       kCMTimeInvalid,

                                                       NULL, NULL, &flags);

关键帧获取SPS和PPS

 bool keyframe = !CFDictionaryContainsKey( (CFArrayGetValueAtIndex(CMSampleBufferGetSampleAttachmentsArray(sampleBuffer, true), )), kCMSampleAttachmentKey_NotSync);

 // 判断当前帧是否为关键帧

 // 获取sps & pps数据

 if (keyframe)

 {

     CMFormatDescriptionRef format = CMSampleBufferGetFormatDescription(sampleBuffer);

     size_t sparameterSetSize, sparameterSetCount;

     const uint8_t *sparameterSet;

     OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, , &sparameterSet, &sparameterSetSize, &sparameterSetCount,  );

     if (statusCode == noErr)

     {

         // Found sps and now check for pps

         size_t pparameterSetSize, pparameterSetCount;

         const uint8_t *pparameterSet;

         OSStatus statusCode = CMVideoFormatDescriptionGetH264ParameterSetAtIndex(format, , &pparameterSet, &pparameterSetSize, &pparameterSetCount,  );

         if (statusCode == noErr)

         {

             // Found pps

             NSData *sps = [NSData dataWithBytes:sparameterSet length:sparameterSetSize];

             NSData *pps = [NSData dataWithBytes:pparameterSet length:pparameterSetSize];

             if (encoder)

             {

                 [encoder gotSpsPps:sps pps:pps];

             }

         }

     }

 }

写入数据

CMBlockBufferRef dataBuffer = CMSampleBufferGetDataBuffer(sampleBuffer);

 size_t length, totalLength;

 char *dataPointer;

 OSStatus statusCodeRet = CMBlockBufferGetDataPointer(dataBuffer, , &length, &totalLength, &dataPointer);

 if (statusCodeRet == noErr) {

     size_t bufferOffset = ;

     static const int AVCCHeaderLength = ; // 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 = ;

         // 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:keyframe];

         // Move to the next NAL unit in the block buffer

         bufferOffset += AVCCHeaderLength + NALUnitLength;

     }

 }

总结

在网上找到的多个VideoToolboxDemo代码大都类似，更重要是自己尝试实现。
学习硬编码与硬解码，目的是对H264码流更清晰的了解，实则我们开发过程中并不会触碰到H264的真正编码与解码过程，故而难度远没有想象中那么大。
这里有代码地址