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iOS VideoToolBox 解码 HEVC Open-GOP 视频的问题排查

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最近项目中遇到一个问题,用户上传一个 H.265 编码,并且是 Open-GOP 格式的某个视频。

该视频在 iOS 平台上用 AssetReader 进行解码,频繁 Seek 的场景下会出现卡死。

用 VideoToolBox 解码也会有异常,具体表现在 iOS 16 的系统上出现花屏,iOS 17 的系统上解码失败,错误码是 kVTVideoDecoderBadDataErr (-12909)。

通过调研分析,AssetReader 解码对于开发者来说相当于是个黑盒,Play 和 Seek 行为都是通过指定 API 来完成的,可操作的空间比较小,并且官方论坛上也有反馈卡死的行为,因此暂时不处理这个,重点放在 VideoToolBox 上,毕竟竞品也是用 VideoToolBox 解码的,而且还一切正常。

VideoToolBox 的解码流程和 MediaCodec 还不一样,需要的前置操作比较多,比如判断 NALU 类型,提取 VPS、SPS、PPS 等,具体流程可以参考这里,讲的非常详细了。

https://stackoverflow.com/questions/29525000/how-to-use-videotoolbox-to-decompress-h-264-video-stream

上面是关于 H.264 的解码,对于要处理的 H.265 & Open-GOP 格式的视频还是不够的,不过他们的 API 调用流程都是一样的,H.265 的视频需要多提取一个 VPS 的 NALU 。

通过比对校验,确认了 VideoToolBox 的使用流程上没有问题之后,那么就是关于视频格式的解码处理流程有问题了。

重点还是在 Open-GOP 格式上,它的 GOP 结构是这样的:

I B B P B B P B B P B B I B B P B B P B(显示顺序)

I P B B P B B P B B I B B P B B P B B…(解码顺序)

解码顺序中,在 I 帧后面跟了两个 B 帧,而这两个 B 帧还参考了 I 帧前面 GOP 的内容。

假设 Seek 到 I 帧,然后接着解码后面 B 帧,由于 I 帧前面的内容并没有读取送给解码器,所以 B 帧缺少了参考内容导致解码失败,在 iOS 16 上表现为画面花屏,在 iOS 17 上则是报 -12909 的错误码,并且 B 帧后面所有的帧在 Seek 后顺序播放的情况下也解码失败了。

通过上面的现象定位到具体原因就是 Open-GOP 格式下 Seek 的 I 帧并不是 IDR 帧,导致 B 帧解码失败,从而影响了整个解码器运行。

解决办法要么把 B 帧要参考的帧给补上,要么把这个 B 帧给丢了。显然第一种太耗时了,不可取,只能把 B 帧给丢了。那么接下来要做的就是如何确定谁是 B 帧。

这里需要用到 H.265 相关的知识内容了,尤其是 H.265 的 NALU 类型,具体如下:

 1NAL_TRAIL_N = 0, 
 2NAL_TRAIL_R = 1, 
 3NAL_TSA_N = 2, 
 4NAL_TSA_R = 3, 
 5NAL_STSA_N = 4, 
 6NAL_STSA_R = 5, 
 7NAL_RADL_N = 6, 
 8NAL_RADL_R = 7, 
 9NAL_RASL_N = 8, 
10NAL_RASL_R = 9, 
11NAL_BLA_W_LP = 16, 
12NAL_BLA_W_RADL = 17, 
13NAL_BLA_N_LP = 18, 
14NAL_IDR_W_RADL = 19, 
15NAL_IDR_N_LP = 20, 
16NAL_CRA_NUT = 21, 
17NAL_VPS = 32, 
18NAL_SPS = 33, 
19NAL_PPS = 34, 
20NAL_AUD = 35, 
21NAL_EOS_NUT = 36, 
22NAL_EOB_NUT = 37, 
23NAL_FD_NUT = 38, 
24NAL_SEI_PREFIX = 39, 
25NAL_SEI_SUFFIX = 40,

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