openh264 SVC 时域分层原理介绍

openh264

OpenH264是一个开源的H.264编码器，由Cisco公司开发并贡献给开源社区。它支持包括SVC（Scalable Video Coding）在内的多种编码特性，适用于实时应用场景，比如WebRTC。OpenH264项目在GitHub上是公开的，任何人都可以访问和使用它的源代码。

SVC编码

SVC（Scalable Video Coding，可伸缩视频编码）是一种先进的视频编码技术，它允许视频流被分割成多个层级，每个层级可以独立解码，并且可以根据网络带宽和解码能力提供不同质量的视频。这种技术特别适用于视频会议、视频监控和流媒体服务等场景，其中用户的网络条件和设备能力可能有很大差异。
SVC技术通过分层编码，实现了视频质量、分辨率和帧率的可扩展性。

其中帧率可扩展即时域分层编码，允许根据网络带宽能力实现不同的帧率变化；在网络带宽较低时，接收端可以只解码基本层帧率的视频，而在带宽较高时，可以解码更多的帧以获得更流畅的视频效。

SVC技术的关键优势在于其灵活性和适应性。通过一次编码过程，可以生成多个可解码的子码流，适应不同的网络条件和终端设备。例如，在视频会议中，可以根据每个参与者的网络带宽动态调整发送的视频质量，确保所有人都能获得尽可能好的观看体验。

SVC技术的应用可以有效解决传统视频编码中的一些问题，如多次编码的需求和转码过程中的计算复杂度及性能损失。它通过提供一种编码后的视频码流，使得可以根据不同的网络环境和终端需求灵活地传输和解码视频，从而优化了视频的传输效率和用户体验。

openh264 SVC时域分层编码原理

代码流程

在这里插入图片描述

原理

定义二维数组g_kuiTemporalIdListTable，是 openh264 实现时域分层的精髓部分，如下定义，分别对应 uiGopSize=1、2、3、4，表示时域分层 1、2、3、4 层；
- 当uiGopSize = 1 时，表示时域分层为 1 层，即所有帧都是 0 0 0 0 层；
- 当uiGopSize = 2 时，表示时域分层为 2 层，即帧序层是 0 1 0 1 层；
- 当uiGopSize = 3 时，表示时域分层为 3 层，即帧序层是 0 2 1 2 0 2 1 2 层；
- 当uiGopSize = 4 时，表示时域分层为 4 层，即帧序层是 0 3 2 3 1 3 2 3 层；

const uint8_t   g_kuiTemporalIdListTable[MAX_TEMPORAL_LEVEL][MAX_GOP_SIZE + 1] = {
  {
    0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    0
  },  // uiGopSize = 1
  {
    0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
    0
  },  // uiGopSize = 2
  {
    0, 2, 1, 2, 0, 0, 0, 0,
    0
  },  // uiGopSize = 4
  {
    0, 3, 2, 3, 1, 3, 2, 3,
    0
  }  //uiGopSize = 8
};

在ParamTranscode函数中通过输入参数iTemporalLayerNum计算得到uiGopSize；
- 其中iTemporalLayerNum的取值范围 1、2、3、4；
- 因此通过计算uiGopSize的取值为、2、4、8；

//代码有删减
iTemporalLayerNum = (int8_t)WELS_CLIP3 (pCodingParam.iTemporalLayerNum, 1,
                        MAX_TEMPORAL_LEVEL); // number of temporal layer specified
uiGopSize           = 1 << (iTemporalLayerNum - 1); // Override GOP size based temporal layer

定义WELS_LOG2函数通过输入uiGopSize 计算iDecStages；

static inline int32_t WELS_LOG2 (uint32_t v) {
  int32_t r = 0;
  while (v >>= 1) {
    ++r;
  }
  return r;

}

在DetermineTemporalSettings函数中实现将g_kuiTemporalIdListTable转换到uiCodingIdx2TemporalId一维数组中；
- 使用WELS_LOG2函数来计算GOP大小的对数，根据uiGopSize确定时域分层数；
- 定义pTemporalIdList指针，指向表g_kuiTemporalIdListTable；
- 遍历uiGopSize中，确定pTemporalIdList中帧的时域层级kiTemporalId；
- 根据kiTemporalId计算出每个空域层中的uiCodingIdx2TemporalId中的时域层级别标志，即对应g_kuiTemporalIdListTable中数字号；

  /*!
  * \brief  determined key coding tables for temporal scalability, uiProfileIdc etc for each spatial layer settings
  * \param  SWelsSvcCodingParam, and carried with known GOP size, max, input and output frame rate of each spatial
  * \return NONE (should ensure valid parameter before this procedure)
  */
  int32_t DetermineTemporalSettings() {
    const int32_t iDecStages = WELS_LOG2 (uiGopSize); // (int8_t)GetLogFactor(1.0f, 1.0f * pcfg->uiGopSize);  //log2(uiGopSize)
    const uint8_t* pTemporalIdList = &g_kuiTemporalIdListTable[iDecStages][0];
    SSpatialLayerInternal* pDlp    = &sDependencyLayers[0];
    SSpatialLayerConfig* pSpatialLayer = &sSpatialLayers[0];
    int8_t i = 0;

    while (i < iSpatialLayerNum) {
      const uint32_t kuiLogFactorInOutRate = GetLogFactor (pDlp->fOutputFrameRate, pDlp->fInputFrameRate);
      const uint32_t kuiLogFactorMaxInRate = GetLogFactor (pDlp->fInputFrameRate, fMaxFrameRate);
      if (UINT_MAX == kuiLogFactorInOutRate || UINT_MAX == kuiLogFactorMaxInRate) {
        return ENC_RETURN_INVALIDINPUT;
      }
      int32_t iNotCodedMask = 0;
      int8_t iMaxTemporalId = 0;

      memset (pDlp->uiCodingIdx2TemporalId, INVALID_TEMPORAL_ID, sizeof (pDlp->uiCodingIdx2TemporalId));
      iNotCodedMask = (1 << (kuiLogFactorInOutRate + kuiLogFactorMaxInRate)) - 1;
      for (uint32_t uiFrameIdx = 0; uiFrameIdx <= uiGopSize; ++ uiFrameIdx) {
        if (0 == (uiFrameIdx & iNotCodedMask)) {
          const int8_t kiTemporalId = pTemporalIdList[uiFrameIdx];
          pDlp->uiCodingIdx2TemporalId[uiFrameIdx] = kiTemporalId;
          if (kiTemporalId > iMaxTemporalId) {
            iMaxTemporalId = kiTemporalId;
          }
        }
      }

      pDlp->iHighestTemporalId   = iMaxTemporalId;
      pDlp->iTemporalResolution  = kuiLogFactorMaxInRate + kuiLogFactorInOutRate;
      pDlp->iDecompositionStages = iDecStages - kuiLogFactorMaxInRate - kuiLogFactorInOutRate;
      if (pDlp->iDecompositionStages < 0) {
        return ENC_RETURN_INVALIDINPUT;
      }
      ++ pDlp;
      ++ pSpatialLayer;
      ++ i;
    }
    iDecompStages = (int8_t)iDecStages;
    return ENC_RETURN_SUCCESS;
  }

之后根据时域分层 ID，进行参考帧管理和帧重要性管理操作。

    //代码有删减
   if (iCurTid == 0 || pCtx->eSliceType == I_SLICE)
      eNalRefIdc = NRI_PRI_HIGHEST;
    else if (iCurTid == iDecompositionStages)
      eNalRefIdc = NRI_PRI_LOWEST;
    else if (1 + iCurTid == iDecompositionStages)
      eNalRefIdc = NRI_PRI_LOW;
    else // more details for other temporal layers?
      eNalRefIdc = NRI_PRI_HIGHEST;
    pCtx->eNalType = eNalType;
    pCtx->eNalPriority = eNalRefIdc;