iOS视频相关技术初探

一.视频播放

    简介

    视频播放器播放一个互联网上的视频文件,需要经过以下几个步骤:解协议,解封装,解码视音频,视音频同步。如果播放本地文件则不需要解协议,为以下几个步骤:解封装,解码视音频,视音频同步。


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    解协议的作用,就是将流媒体协议的数据,解析为标准的相应的封装格式数据。视音频在网络上传播的时候,常常采用各种流媒体协议,例如HTTP,RTMP,或是MMS等等。这些协议在传输视音频数据的同时,也会传输一些信令数据。这些信令数据包括对播放的控制(播放,暂停,停止),或者对网络状态的描述等。解协议的过程中会去除掉信令数据而只保留视音频数据。例如,采用RTMP协议传输的数据,经过解协议操作后,输出FLV格式的数据。

    解封装的作用,就是将输入的封装格式的数据,分离成为音频流压缩编码数据和视频流压缩编码数据。封装格式种类很多,例如MP4,MKV,RMVB,TS,FLV,AVI等等,它的作用就是将已经压缩编码的视频数据和音频数据按照一定的格式放到一起。例如,FLV格式的数据,经过解封装操作后,输出H.264编码的视频码流和AAC编码的音频码流。

    解码的作用,就是将视频/音频压缩编码数据,解码成为非压缩的视频/音频原始数据。音频的压缩编码标准包含AAC,MP3,AC-3等等,视频的压缩编码标准则包含H.264,MPEG2,VC-1等等。解码是整个系统中最重要也是最复杂的一个环节。通过解码,压缩编码的视频数据输出成为非压缩的颜色数据,例如YUV420P,RGB等等;压缩编码的音频数据输出成为非压缩的音频抽样数据,例如PCM数据。

    视音频同步的作用,就是根据解封装模块处理过程中获取到的参数信息,同步解码出来的视频和音频数据,并将视频音频数据送至系统的显卡和声卡播放出来。

    播放方式

    1.系统

        ①.MPMoviePlayerController

        优点:自带的播放控制UI(进度条,上一个,下一个,暂停), 不需要手动添加

        缺点:不能自定义UI

        只能将此控制器视图添加到其他视图进行展示

        此控制器不是视图控制器, 不能直接弹出

        播放器的播放状态, 是通过通知的方式告诉外界


        ②.MPMoviePlayerViewController

        优点:自带的播放控制UI, 不需要手动添加

       此控制器是视图控制器, 可以弹出, 可以压栈

       也可以手动调整视图大小, 添加到其他视图上

        缺点:不能自定义UI


        ③.AVPlayer

        优点:可以自定义 UI, 进行控制

        缺点:单纯的播放,没有控制 UI(进度,暂停,播放等按钮),而且如果 要显示播放界面, 需要借助AVPlayerLayer, 添加图层到需要展示 的图层上


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        ④. AVPlayerViewController

        优点:自带的播放控制UI, 不需要手动添加

        此控制器是视图控制器, 可以弹出, 可以压栈 

       也可以手动调整视图大小, 添加到其他视图上

        缺点:不能自定义UI

   1.第三方

        Kxmovie,ijkplayer,ffmpeg等


二.视频采集

    1.UIImagePickerController

     这种方式只能设置一些简单参数,自定义程度不高,只能自定义界面上的操作按钮,还有视频的画质等。

    2.AVCaptureSession + AVCaptureMovieFileOutput


3 .AVCaptureSession + AVAssetWriter


fileOut和writer的相同点和不同点:

相同点:数据采集都在AVCaptureSession中进行,视频和音频的输入都一样,画面的预览一致。不同点:输出不一致, AVCaptureMovieFileOutput 只需要一个输出即可,指定一个文件路后,视频和音频会写入到指定路径,不需要其他复杂的操作。AVAssetWriter 需要AVCaptureVideoDataOutput 和 AVCaptureAudioDataOutput 两个单独的输出,拿到各自的输出数据后,然后自己进行相应的处理。

可配参数不一致,AVAssetWriter可以配置更多的参数。

视频剪裁不一致,AVCaptureMovieFileOutput 如果要剪裁视频,因为系统已经把数据写到文件中了,我们需要从文件中取到一个完整的视频,然后处理;而AVAssetWriter我们拿到的是数据流,还没有合成视频,对数据流进行处理,所以两则剪裁方式也是不一样。

其他添加背景音乐,水印等也是不一样的


额外功能:切换摄像头,聚焦光标等


三.视频压缩

    视频编码的主要作用是将视频像素数据(RGB,YUV等)压缩成为视频码流, 从而降低视频的数据量。视频编码是视音频技术中最重要的技术之一。视频 码流的数据量占了视音频总数据量的绝大部分。高效率的视频编码在同等的 码率下,可以获得更高的视频质量。

    视频编码的简单原理可以参考: https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/28114081

1.影响因素:

①.编码标准

iOS中使用的主要编解码器标准为H.264,H.264对应AVFoundation的 AVVideoSettings.h中:


H.264通过空间和时间2个维度来压缩体积:

①.空间:空间上的压缩独立于视频帧,也称为帧内压缩。主要通过压 缩图片的方式(如色彩二次抽样等)来减小体积,帧内压缩一般为有损 压缩

②.时间:时间上的压缩也称为帧间压缩。视频是由连续的帧(图片) 组成。一段视频中(很多张图片)有很多不变的冗余元素,通过减小这 些冗余元素来达到压缩的目的,这就是帧间压缩,帧间压缩一般为无损 压缩

H.264有3种profile,用于确定编码过程中帧间压缩使用的算法:

①.BaseLine:这个标准提供了最低效的压缩,经过这个标准压缩后的 文件体积任然比较大,但是这种算法计算强度最小

②.Main:这个标准的计算强度比BaseLine大,但是能达到更高的压缩 效果

③.High:这个标准能达到最高质量的压缩效果,但他的压缩算法最复 杂

H.264除了profile还有一个等级(Level)标准,Level是对自身特性的一 些描 述(码率,分辨率,fps等),Level越高,视频的码率、分辨率、fps 越 高。

对应AVfoundation的AVVideoSettings.h中:


附:压缩率关键参数设置


关于h.264: 

https://blog.csdn.net/gl1987807/article/details/11945357

②.视频码率(bitRate)

    码率是指单位时间内传输的数据位数。视频体积=视频码率*时间,由此 可见固定长度的视频,视频码率决定着视频的压缩效果,也决定了视频是质量。码率越高,质量越好,体积越大。 码率越低,体积越小,视频质量也越差。 编码时,根据码率可以分为固定码率(CBR)编码和可变码率(VBR)编码。

1.的码率一直为一个固定值,这种编码方式计算量小,编码速度快,但是编码效果不怎么好。对于画面变化大的视频片段,由于码率限制,导致视频非常模糊,然而对于画面变化小的片段,却会造成码率浪费。

2.出码率可以根据编码器的输入源信号的复杂度自适应的调整,这种方式编码效果比较好

码率对应于AVFoundation中AVVideoSettings.h:


附:码率

2.压缩方式

    ①.AVAssetExportSession

    详细用法:https://www.jianshu.com/p/c3931e356b88

    对象转码以及输出,对一个AVAsset对象进行操作,用来做视频处理输出



    ②.VideoToolBox 硬编码

    https://www.jianshu.com/p/f7736c34ca70

    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。    

    使用硬编解码有几个优点: * 提高性能; * 增加效率; * 延长电量的使用


    VideoToolbox 工作流程大致为:

    创建Session ->设置编码相关参数 ->开始编码

    —> 循环输入源数据(yuv类型的数据,直接从摄像头获取)

    —> 获取编码后的h264数据

    结束编码

    编解码流程说明:https://www.jianshu.com/p/a6530fa46a88

    

硬编码处理流程示意图


硬解码流程示意图


      ③.AVAssetWriter硬编码

        https://blog.csdn.net/sinat_31177681/article/details/75252341

      ④.FFmpeg 等软编码

        ffmpeg是一个跨平台的开源视频框架,能实现如视频编码,解码,转码, 串 流,播放等丰富的功能。   其支持的视频格式以及播放协议非常丰富,几乎包 含了所有音视频编解码、封装格式以及播放协议。

        集成:https://blog.csdn.net/vkooy/article/details/65442632








        ffmpeg结构体以及函数介绍

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