FFmpeg代码导读——HEVC在RTMP中的扩展

视频流媒体中视频数据的传输占据了绝大部分的带宽，如何提升编码效率、减小带宽使用、提升画面质量，成为音视频开发者努力的重点。HEVC编码格式的推出为此带来了突破点。对于直播而言，大部分推拉流协议是基于RTMP的，因此本文将主要介绍如何在RTMP协议中增加对HEVC视频编码格式的支持。 本文来自金山云OBG事业部投稿，是《FFmpeg从入门到出家》系列的第一篇下半部分，由LiveVideoStack审校整理，希望能让大家对FFmpeg有更深入了解。阅读上半部分内容请点击【阅读原文】。

文 / 施雪梅

4. HEVC在RTMP中的扩展

为推进HEVC视频编码格式在直播方案中的落地，经过CDN联盟讨论，并和主流云服务厂商达成一致，规范了HEVC在RTMP/FLV中的扩展，具体修改内容见下。

4.1 FLV规范扩展

HEVC为视频编码格式，因此对FLV规范的扩展，只集中在Video Tag，其它部分，无任何改动。

4.1.1 支持HEVC的VideoTagHeader

扩展后的VideoTagHeader如下图所示(红色字体为新增内容)：

图9. 支持HEVC的FLVTagHeader

修改点如下：

1.CodecID - 定义HEVC格式的值为12；

2.HEVCPacketType - 当CodecID == 12时，AVCPacketType为HEVCPacketType：

• 如果HEVCPacketType为0，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC sequence header；
• 如果HEVCPacketType为1，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC NALU；
• 如果HEVCPacketType为2，表示HEVCVIDEPACKET中存放的是HEVC end of sequence，即HEVCDecoderConfigurationRecord；

3.CompositionTime - 当CodecID == 12时，同样需要CompositionTime。

4.1.2 支持HEVC的VideoTagBody

当CodecID为12时，VideoTagBody中存放的就是HEVC视频帧内容。

扩展后的VideoTagBody如下图所示(红色字体为HEVC新增内容)：

图10. 支持HEVC的VideoTagBody

4.2 FFmpeg中的修改

我们已在FFmpeg的各个版本上提供相关的完整修改，具体参见：https://github.com/ksvc/FFmpeg，完整patch获取及相关说明见：https://github.com/ksvc/FFmpeg/wiki。

由第二章节的阐述可知，FLV的解复用和复用功能代码分别在libavformt/flvdec.c和libavformat/flvenc.c中，扩展后的修改也都集中在这两个文件。本节将在FFmpeg3.3的基础上，说明修改的关键点。

4.2.1 编码类型定义

libavformat/flv.h中按照VideoTagHeader中的CodecID定义了一组视频编码格式的枚举值，扩展后的枚举定义如下：

enum {
    FLV_CODECID_H263    = 2,
    FLV_CODECID_SCREEN  = 3,
    FLV_CODECID_VP6     = 4,
    FLV_CODECID_VP6A    = 5,
    FLV_CODECID_SCREEN2 = 6,
    FLV_CODECID_H264    = 7,
    FLV_CODECID_REALH263= 8,
    FLV_CODECID_MPEG4   = 9,
    FLV_CODECID_HEVC   = 12,
};

4.2.2 FLV demux

在解复用过程中，flv_read_packet方法是整个过程的核心，它里面完成了对每个Tag的读取和解析。

4.1.1中提到，如果HEVCPacketType为0时，表示HEVCVIDEOPACKET中存放的是HEVC sequence header，也就是HEVCDecoderConfigurationRecord，解码时需设置HEVCDecoderConfigurationRecord方能正确解码。

HEVC与AVC视频帧在FLV中的存放格式相同，所以只需在读取Video Tag的地方增加AV_CODEC_ID_HEVC的判断条件即可，调整后的代码如下：

if (st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_AAC ||
     st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 ||
     st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
    st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4) {
    int type = avio_r8(s->pb);
    size--;
    if (st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 || 
         st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
         st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4) {
         // sign extension
         int32_t cts = (avio_rb24(s->pb) + 0xff800000) ^ 0xff800000;
         pts = dts + cts;
         if (cts< 0) { // dts might be wrong
             if (!flv->wrong_dts)
                 av_log(s, AV_LOG_WARNING,
                        "Negative cts, previous timestamps might be wrong.\n");
            flv->wrong_dts = 1;
        } else if (FFABS(dts - pts) > 1000*60*15) {
                av_log(s, AV_LOG_WARNING,
                       "invalid timestamps %"PRId64" %"PRId64"\n", dts, pts);
                dts = pts = AV_NOPTS_VALUE;
        }
   }
   
   if (type == 0 &&(!st->codecpar->extradata ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_AAC ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ||
       st->codecpar->codec_id == AV_CODEC_ID_H264)) {
       AVDictionaryEntry *t;
       if (st->codecpar->extradata) {
           if ((ret = flv_queue_extradata(flv, s->pb, stream_type, size)) < 0)
               return ret;
           ret = FFERROR_REDO;
           goto leave;
       }
       if ((ret = flv_get_extradata(s, st, size)) < 0)
           return ret;
       ……
   }
}

AVCDecoderConfigurationRecord和HEVCDecoderConfigurationRecord都是存放在AVStream->AVCodecParameter->extradata中。

4.2.3 FLV mux

FLV mux的修改相对较多、header、packet、trailer中均有涉及。

4.2.3.1 write header

flv_write_header中主要完成了以下工作：

1. 写入FLV Header；
2. 写入Metadata；
3. 如果音频编码格式为AAC，则写入第一个Audio Tag，其AudioTagBody中存放的是AAC sequence header；
4. 如果视频编码格式为AVC，则写入第一个Video Tag，其中VideoTagBody中存放的是AVC sequence header。

同样，当视频编码格式HEVC时，也要写入第一个VideoTag，其中VideoTagBody中存放的是HEVCDecoderConfigurationRecord，修改点如下：

avio_w8(pb, par->codec_tag | FLV_FRAME_KEY); // flags
avio_w8(pb, 0); // AVC sequence header
avio_wb24(pb, 0); // composition time

if (par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC)
    ff_isom_write_hvcc(pb, par->extradata, par->extradata_size, 0);
else
    ff_isom_write_avcc(pb, par->extradata, par->extradata_size);

ff_isom_write_hvcc的作用是将extradata转为HEVCDecoderConfigurationRecord结构并写入。

4.2.3.2 write packet

flv_write_packet的作用是写入音视频帧，其中有关写入video数据的地方，都需要加上AV_CODEC_ID_HEVC的判断条件，修改内容如下:

else if (par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC ){
        if (par->extradata_size> 0 && *(uint8_t*)par->extradata != 1)
            if ((ret = ff_hevc_annexb2mp4_buf(pkt->data, &data, &size, 0, NULL)) < 0)
                return ret;
    }

ff_hevc_annexb2mp4_buf方法的作用是将Annex-B格式的HEVC视频帧转为HVCC格式。

AnnexB与AVCC/HVCC(ISO/IEC14496-15中所定义，通常也称为MPEG-4格式)的区别在于参数集与帧格式，AnnexB的参数集sps、pps以NAL的形式存在码流中（带内传输），以startcode分割NAL。而HVCC 的参数集存储在extradata中（带外传输），使用NALU长度（固定字节，通常为4字节，从extradata中解析）分隔NAL。

4.2.3.3 write trailer

结束时需要写入HEVC end of sequence，其格式与AVC end of sequence相同，直接复用即可，flv_write_trailer的修改内容如下：

if (par->codec_type == AVMEDIA_TYPE_VIDEO &&
           (par->codec_id == AV_CODEC_ID_H264 || par->codec_id == AV_CODEC_ID_HEVC || par->codec_id == AV_CODEC_ID_MPEG4))
      put_avc_eos_tag(pb, sc->last_ts);

5. 结束语

本文简单介绍了如何在FFmpeg中扩展rtmp协议对HEVC编码格式的支持，而要将HEVC应用于直播整体方案，除推流端和播放端要提供相应能力外，源站、CDN、转码服务同样都需要提供这种能力。金山云的所有视频服务中，已完全支持HEVC视频编码格式，欢迎大家使用。