iOS解码关于视频中带B帧排序问题

需求

在解码带B帧的视频编码码流中,由于B帧的存在,导致parse出来的数据时间戳本身不是连续的,因为B帧需要可能需要参考后面的帧.因此,解码完成后需要对码流解码做一个重排序

实现原理

首先分析parse出来的数据的时间戳,后面得出的结论是除了第一帧时间戳为0,总体时间戳是增长的,后面每4帧为一组,每组中的顺序需要重新排序,排序后即可实现时间戳连续递增.

考虑内存开销,我们每次缓存4帧视频数据,将其放入线性表中,然后使用排序算法对这4帧数据根据pts做一个排序,排好序后即可传给渲染模块将其渲染到屏幕上.

注意: 使用FFmpeg硬解无需关心排序问题,因为FFmpeg内部有缓存排序机制,即从FFmepg拿到解码后的数据可直接渲染.

阅读前提

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TODO

因为我们无法判断码流中的B帧是否依赖后面的视频帧,而是经过分析可得视频帧的时间戳是总体增长,每组4帧,需要对4帧数据进行排序,目前暂时未知是否有非4帧一组的视频帧,如果有则此Demo会有问题,因此如果有了解此方面大神望评论告知更好的解决方案.

总体架构

本文基于已实现解码一个包含带B帧的H.265码流文件.因此,这里不对parse,解码,渲染做过多说明,如需了解参考阅读前提中的链接.

下面是从FFmpeg parse H.265文件得到的时间戳,我们可以看到,parse出来的时间戳总体是递增的,除了第一帧时间戳为0的数据外,剩下的时间戳均以4个一组,每组内时间戳不是递增的,因为解码时我们仍需按照Parse出来的数据送去解码,所以,我们只能对解码后的数据做一个排序,即将每组数据装入一个线性表,然后使用任一一种排序算法对其排序.

+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.000000

2019-06-25 12:38:09.656282+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.133333
2019-06-25 12:38:09.659350+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.066667
2019-06-25 12:38:09.660900+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.033333
2019-06-25 12:38:09.662889+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.100000


2019-06-25 12:38:09.664786+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.266667
2019-06-25 12:38:09.666900+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.200000
2019-06-25 12:38:09.668196+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.166667
2019-06-25 12:38:09.669825+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.233333


2019-06-25 12:38:09.670368+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.400000
2019-06-25 12:38:09.670948+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.333333
2019-06-25 12:38:09.671806+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.300000
2019-06-25 12:38:09.673082+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.366667


2019-06-25 12:38:09.673899+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.533333
2019-06-25 12:38:09.674961+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.466667
2019-06-25 12:38:09.675637+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.433333
2019-06-25 12:38:09.676451+0800 XDXVideoDecoder[1489:223381] Test - 0.500000

快速使用

初始化

- (void)viewDidLoad {
    self.sortHandler = [[XDXSortFrameHandler alloc] init];
    self.sortHandler.delegate = self;
}

在解码回调中将解码出来数据送给排序模块

- (void)getVideoDecodeDataCallback:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer isFirstFrame:(BOOL)isFirstFrame {
    if (self.isH265File) {
        // Note : the first frame not need to sort.
        if (isFirstFrame) {
            [self.sortHandler cleanLinkList];
            CVPixelBufferRef pix = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
            [self.previewView displayPixelBuffer:pix];
            return;
        }
        
        [self.sortHandler addDataToLinkList:sampleBuffer];
    }else {
        CVPixelBufferRef pix = CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer);
        [self.previewView displayPixelBuffer:pix];
    }
}

排序后通过代理方法拿到排过序的每帧数据将其渲染到屏幕

- (void)getSortedVideoNode:(CMSampleBufferRef)sampleBuffer {
    int64_t pts = (int64_t)(CMTimeGetSeconds(CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(sampleBuffer)) * 1000);
    static int64_t lastpts = 0;
    NSLog(@"Test marigin - %lld",pts - lastpts);
    lastpts = pts;
    
    [self.previewView displayPixelBuffer:CMSampleBufferGetImageBuffer(sampleBuffer)];
}

具体实现

1. 定义一个线性表用来缓存视频帧

使用一个装有CMSampleBufferRef指针的数据来缓存视频帧.因为每4帧排一次序,所以长度为4,使用索引Index记录每个视频帧的位置.

const static int g_maxSize = 4;

struct XDXSortLinkList {
    CMSampleBufferRef dataArray[g_maxSize];
    int index;
};

2. 初始化

@interface XDXSortFrameHandler ()
{
    XDXSortLinkList _sortLinkList;
}

......

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        XDXSortLinkList linkList = {
            .index = 0,
            .dataArray = {0},
        };
        
        _sortLinkList = linkList;
    }
    return self;
}

3.将视频帧存入线性表

CMSampleBufferRef实际即为一个指针,首先使用CFRetain函数使其引用计数+1以维持我们使用期间视频帧不会被销毁,当线性表没有装满前一直为其添加视频帧,当线性表装满后使用插入排序对其进行排序,排好后将数据依次以代理方法的形式传出以供渲染模块使用.使用完成后使用CFRelease减少原始数据的引用计数.

- (void)addDataToLinkList:(CMSampleBufferRef)sampleBufferRef {
    CFRetain(sampleBufferRef);
    _sortLinkList.dataArray[_sortLinkList.index] = sampleBufferRef;
    _sortLinkList.index++;
    
    if (_sortLinkList.index == g_maxSize) {
        _sortLinkList.index = 0;
        
        // sort
        [self selectSortWithLinkList:&_sortLinkList];
        
        for (int i = 0; i < g_maxSize; i++) {
            if ([self.delegate respondsToSelector:@selector(getSortedVideoNode:)]) {
                [self.delegate getSortedVideoNode:_sortLinkList.dataArray[i]];
                CFRelease(_sortLinkList.dataArray[i]);
                _sortLinkList.dataArray[i] = NULL;
            }
        }   
    }
}

- (void)selectSortWithLinkList:(XDXSortLinkList *)sortLinkList {
    for (int i = 0; i < g_maxSize; i++) {
        int64_t minPTS = i;
        for (int j = i + 1; j < g_maxSize; j++) {
            if ([self getPTS:sortLinkList->dataArray[j]] < [self getPTS:sortLinkList->dataArray[minPTS]]) {
                minPTS = j;
            }
        }
        
        if (i != minPTS) {
            void *tmp = sortLinkList->dataArray[i];
            sortLinkList->dataArray[i] = sortLinkList->dataArray[minPTS];
            sortLinkList->dataArray[minPTS] = tmp;
        }
    }
}
- (int64_t)getPTS:(CMSampleBufferRef)sampleBufferRef {
    int64_t pts = (int64_t)(CMTimeGetSeconds(CMSampleBufferGetPresentationTimeStamp(sampleBufferRef)) * 1000);
    return pts;
}

- (void)cleanLinkList {
    _sortLinkList.index = 0;
    for (int i = 0; i < g_maxSize; i++) {
        if (CMSampleBufferIsValid(_sortLinkList.dataArray[i])) {
            CFRelease(_sortLinkList.dataArray[i]);
        }
        _sortLinkList.dataArray[i] = NULL;
    }
}