关于 iOS 中的视频压缩

最近在开发过程中涉及到了视频压缩的需求，那么在 iOS 上怎么实现自定义码率和分辨率的视频压缩呢？

1. 传统压缩方式

产品需求：不管原视频的清晰度如何，压缩后的视频码率和分辨率是一样的。首先，iOS在AVFoundation中已经提供了简单的视频压缩方法，示例代码如下：

正常情况下这段代码不会出现任何问题，但是大家可以用下面的视频做个测试，链接: https://pan.baidu.com/s/1wLVbDFtzROVPo8T1qw6MXA 密码: ij7d。结果会发现原视频分辨率1080x608，大小 90M，经过上面的代码压缩后变成了分辨率960x540, 大小147M！虽然分辨率降低，但文件大小增加了！

2. 压缩参数分析

可以使用 mediainfo 工具查看压缩前后两个视频的详细参数信息。

原视频参数：

压缩视频参数:

码率：bit rate，是指单位时间内处理的数据位数，单位是 b/s 。码率=视频文件大小/视频时长。
帧率：frame rate，是指每秒钟有多少个画面，单位 f/s 。视频画面帧率高于16 时大脑就会把图片连贯成动画，高于24大脑就认为是非常流畅了。因此，24FPS是视频行业的标准。
分辨率：通常我们了解的分辨率是指图像的高/宽像素值，严格意义上的分辨率是指单位长度内的有效像素值ppi（每英寸像素Pixel per inch）。差别是，图像的高/宽像素值和尺寸无关，但单位长度内的有效像素值ppi和尺寸就有关了。比如，同样Width x Height的图片，尺寸越大ppi越小。

3. 视频编码标准

根据上面的概念得出，帧率相同的情况下（压缩前后都是30FPS），分辨率越高码率越大，但是截图的中的参数显示码率大的分辨率低。仔细对比两个视频的参数会发现唯一有区别的是 Format profile，这个参数才是问题的根源。

在介绍这个参数之前需要了解另一个概念，H264视频编码。所谓视频编码方式就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。

如果视频不编码会出现什么后果？我们来计算一下，以原视频为例，每秒钟包含了30张1080x600的图片，那一秒钟的视频大小应该是 1080x60030/(102410248) = 2.3 MB. 这个视频有3分42秒，文件大小应该是 2.3222 = 510MB 远超过95M。既然编码是必须的那编码标准有哪些呢？

国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有H.261、H.263、H.263+等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”它制定的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等。

而H.264则是由两个组织联合组建的联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准，所以它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4高级视频编码（Advanced Video Coding，AVC）的第10 部分。所以大家在用不同工具查看同一个视频时有时候会显示AVC有时候会显示H.264实际是同一种编码方式。

4. H264 编码详解

而H264最大的优势就是低码率情况下提供高质量的视频图像，有兴趣的同学新一代视频压缩编码标准 — H.264/AVC。

总的来说编码流程可以分为五部分：帧间和帧内预测（Estimation）、变换（Transform）和反变换、量化（Quantization）和反量化、环路滤波（Loop Filter）、熵编码（Entropy Coding）。而H264为了满足不同设备不同场景的需要（比如直播注重实时性，存储注重压缩比）定义了多种编码层次也就是Profile，官方给Profile的定义是：

The standarddefines a set of capabilities, which are referred to as profiles,targeting specific classes of applications. These are declared as a profilecode (profile_idc) and a set of constraints applied in the encoder. This allowsa decoder to recognize the requirements to decode that specific stream.

Profiles可以细分为十几种，实际使用的主要有以下四种，

1）BaslineProfile：支持I/P 帧，只支持无交错（Progressive）和CAVLC

2）Extended Profile：支持I/P/B/SP/SI 帧，只支持无交错（Progressive）和CAVLC

3）MainProfile：提供I/P/B 帧，支持无交错（Progressive）和交错（Interlaced），也支持CAVLC 和CABAC

4）High Profile：在mainProfile 的基础上增加了8x8内部预测、自定义量化、无损视频编码和更多的YUV 格式；

大家对里面的术语可能不太理解，简单介绍下。

视频压缩很重要的一个就是帧间预测，也就是视频相邻的几帧有很大的相关性，变化不会太大，所以存在很多冗余信息，压缩要做的就是去除这些冗余信息。帧类型主要有以下几种

1）I帧表示关键帧，这一帧保留完整的画面数据，解码时只需要本帧数据就可以完成

2）P帧，前向预测帧，表示的是这一帧跟之前的一个关键帧（或P帧）的差别，解码时需要用之前的画面叠加上本帧定义的差别，生成最终画面。

3）B帧是双向预测帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别，要解码B帧，不仅要取得之前的画面，还要解码之后的画面，通过前后画面的与本帧数据的叠加取得最终的画面。B帧压缩率高，但是解码时比较耗费CPU 。

总结起来就是Profile 越高，压缩比就越高，但是编码、解码时要求的设备性能也就越高，编码、解码的效率也就越低。

5. Profile 与 Level 详解

回到之前的两个视频信息，profile分别是main@L3.1，high@L3.1，现在我们搞清楚了main和high是profile，L3.1是什么？这个是profile的码流级别，同样给出官方的定义：

As the term is used in the standard, a "level" is aspecified set of constraints that indicate a degree of required decoderperformance for a profile. For example, a level of support within a profilespecifies the maximum picture resolution, frame rate, and bit rate that adecoder may use. A decoder that conforms to a given level must be able todecode all bitstreams encoded for that level and all lower levels.

简单的说level就是对每个profile的能力细分。

而3.1规定的最高标准如下：

6. iOS 设备对 Profile 和 level 的支持情况

了解完视频的profile和level之后，大家会有疑问，既然每种profile对设备性能的要求不同，苹果的不同机型对各种profile支持程度是怎样的？可以参照下面的列表：

iPhone 3GS 和更早的设备支持 Baseline Profile level 3.0 及更低的级别;
iPhone 4S 支持 High Profile level 4.1 及更低的级别;
iPhone 5C 支持 High Profile level 4.1 及更低的级别;
iPhone 5S 支持 High Profile level 4.1 及更低的级别;
iPad 1 支持 Main Profile level 3.1 及更低的级别;
iPad 2 支持 Main Profile level 3.1 及更低的级别;
iPad with Retina display 支持 High Profile level 4.1 及更低的级别;
iPad mini 支持 High Profile level 4.1 及更低的级别。