修改Chromium源码实现HEVC/H.265 4K视频播放

公司内容生产端最近(2019/10)在推广 HEVC/H.265 的使用,这种视频编码格式对比H.264更加先进且节省带宽,虽然先进但是因为专利费的问题,在普及度,软硬件方面的支持都远不及预期,可以看知乎这篇 HEVC/H.265什么时候能普及开呢 。视频技术水深,还是先把了解的背景给大家整理罗列一下。

HEVC软硬件的支持

浏览器

Can I use 测试基本全军覆没,除了 iOS 11 以上的移动端 safari 和 chrome。

系统原生支持

Native 支持的情况已经相当不错,这里的支持是操作系统提供了 HEVC 编解码的 api,底层实现会根据硬件条件优先硬解否则软解,当然移动端机型也会因为系统定制,专利,性能考量等原因屏蔽支持(猜测)还要用黑名单控制一下。

  • Android:Android 5.0+,代码: os_version >= 5.0 && app_version >= 570 && device_model not in blacklist
  • iOS: iOS 11+,代码: os_vesion >= 11 && minMajorModelVersion >= 8 && device_model not in blacklist
  • macOS:macOS High Sierra+
  • Windows:DirectX Video Acceleration (DXVA),这个不是很确定,需要进一步深入调研,或许会在下一篇文章介绍。
硬件支持

左边的链接基本就是官方或者wiki 声明的支持度,数据相对权威。

  • Intel :支持较好,在第六代 Skylake 架构 cpu 及以上实现 HEVC 8-bit 编解码。
  • Nvidia GPU:Nvidia 900 Series GPUs (GeForce GTX 960 或者 950) 以上都支持。
  • AMD GPU :具体的支持度配合查看 Unified Video Decoder:比较完整的支持需要到 UVD 6.0 以上。
  • 苹果A :A9 及型号或者以上,A11 及以上支持 10-bit HEVC 编解码。
  • 华为麒麟):使用 Mali 的GPU,2014年以后都支持硬解,10-bit 超高清视频 + (HDR) + wide color gamut coverage。
  • 高通晓龙 Qualcomm Snapdragon :805, 810, 820, 835 支持 4K HEVC decoding. 615,410, 208 或以上芯片支持硬解。
  • 联发科 MediaTek):同样使用 Mali GPU。

编解码技术

我们说的 HEVC 是一种编码技术的标准,真正应用和落地的时候还有大量的优化工作,这里面从全球最权威的MSU视频编码大赛2018的报告中,中国的军团独占风骚,华为,腾讯和金山的表现都相当抢眼,可以说是站在了世界一流的梯队中,当然有宋利提出国外有高手并未参赛,不管如何,如今2019年已经接近尾声,相信会有新的一轮比拼和报告出现。
这里面开源的有:

  • X265,编码器,主要由MulticoreWare公司管理开发,并拥有著作权和商标权,开源协议是GNU GPL v2 license
  • openHevc,解码器,开发语言 C 基于ffmpeg/libav框架。
  • libde265,解码器,发布在Github上,采用LGPL许可证授权。

那这些编码的SDK我们能用吗,据我了解到这里面都是商家的核心技术,性能都是大幅领先开源编解码器,这里列出来做一个对标和选型参考。向我了解到字节跳动的视频架构组也有自研的编解码器,据说性能也是相当不错~

竞争格局


说起这个,不得不提起 HEVC 那恶心的专利费,许多内容提供商不愿意部署跟进 HEVC 的最主要原因是,当前有三个不同专利联盟开黑在嗷嗷收钱,每个联盟背后代表的公司也不一样。包括 MPEG LA,HEVC Advance,Velos Media,这个错综复杂的关系感兴趣可以看看这篇文章。简单说又贵又麻烦风险不可控(对互联网企业最怕的就是养肥再杀的这一招),所以必然导致发展缓慢替代品出现。
重点来了,苹果是HEVC专利拥有着,所以一直高调支持 HEVC;Google 不在开黑联盟里面,没什么专利,底下 Youtube 就是头大肥羊,是坚决不用 HEVC 的,目前 Google 用自研的 VP9; 2015 年成立了一个新联盟叫 AOM(Alliance for Open Media)开放媒体联盟,主要研发 AV1 的编码格式用于替代 HEVC 和 VP9,并且完全免费!机智的苹果一边收 HEVC 的费用,一边过来站队,还混了个 AOM 管理成员的职位,大佬毕竟还是大佬。

浏览器支持 HEVC 解码现有方案

那在Web前端技术标准之上的方案,在最近几年各个前端团队也都经过深入探索和总结,其中淘宝前端团队的方案比较有代表性,大体的思路就是:

  • JS 实现解封装
  • ffmpeg 模块转换成 WebAssemblly,用来实现高效音视频解码。
  • 引入 WebWorker 改善解码模块性能。
  • 分离的视频解码后用 canvas 绘制,音频用 audio 播放。
  • 优缺点:性能相对好,但是和C实现的还有较大差距,如果替换成更好的解码器会更快(比如金山点播的web实现,不免费),工作量大,无法硬件加速,要支持 4K 还是比较难。

具体大家可以看淘宝那片文章,各家的技术会调整某些流程上或者局部优化,这里缺少深入调研就不多做介绍了。而我目前要解决的场景,主要问题就是性能和稳定性,所以我尝试寻找一个在 c++ 层面的实现。

当时第一个考虑的其实是 Electron,Electron集成了Node.js,因此可以使用 c++ addon 的能力,经过一番调查,发现仍然不是最佳方案。虽然c++代码能提供最佳的解码性能,但是addon里无法直接调用渲染接口(涉及到addon的机制,即使能实现也非常Hack,看这位同学的挣扎 如何实现Electron开发的3D渲染引擎编辑器),需要把数据回调到 JS 堆让后通过调用 canvas 实现渲染。这种方案相比上面理论上有提升,仍然意犹未尽。想了解更多 chromium 关于 video 的实现参考 chromium 的这篇官方文章 Audio / Video Playback,这里面借用它的图片直接敲重点:

  • 架构设计上支持任何音视频编码
  • 文章理解解释了设计的一些初衷和思考,包括为了避免版权放弃了一些相对成熟的实现方案。

所以我就在想,直接修改 chromium 源码,参考 video 对 h.264 的实现机制完成 HEVC 的播放需求,相当连硬件解码的能力也打通了(调研尝试中),于是另一种实现方案呼之欲出。

修改 Chromium 实现真 4K HEVC 的播放

修改 Chromium 源码的方案,原来 chromium 里面已经实现了 HEVC 解码逻辑,只是加了开关禁止了相关代码,一切比想象的简单。最大的门槛其实是网络(无·奈),不包含历史数据的源码(--no-history),零零总总就有接近2GB,翻墙软件不稳定的入坑需谨慎,尝试过中间断掉需要重新开始的。还好公司网络给力,30MB+/s,我用的是 windows 机器,如何安装看这篇 [Checking out and Building Chromium for Windows
](https://chromium.googlesource...,细心点看懂了再动手,一步一步稳着走是最快的方式。

注:macOS 里面我也尝试过,比 windows 简单多了,具体看 Checking out and building Chromium for Mac

拿到源码过了一遍 video 相关的官方文档,总体了解对后面定位和排查问题有很大帮助:

  • chromium/src/media
  • audio-video
  • media playback

如果上网搜索一下实现方案,引用最多的就是这 henrypp/chromium,他列出了相对完整的修改代码,可惜版本比较老,一步一步改完后编译出来的版本仍然不能播放HEVC/H.265 的 MP4 视频。心情反倒轻松了,哪有这么容易的事,开启 debug 编译,准备用 visual studio 调试看看哪一步漏了。

在 src 目录里面,用这个命令生产构建工程。
gn gen --ide=vs2019 --filters=//chrome;//media/* --no-deps out\debug --args="is_component_build = true enable_nacl = false is_debug = true blink_symbol_level = 0"

--ide=vs2019,指明生产 visual studio 2019 的solution,这样方便我们使用 VS 强大的debug工具,但实际上如果在项目里点击构建,内部还是是用gn的配置。
--filters=//chrome;//media/*,//chrome是入口,必须包含,因为不关心入口里面具体项目,所以没有用 //chrome/\*。 我们重点调式 media 相关的源码。

打开 out/debug/all.solution 之后,把 chrome 项目设置为启动项目,点击调试

因为 chromium 的进程模型,每一个tab都在单独的子进程里面,并且一般有多个线程,所以需要手动附加到所有的线程。这里一个比较笨的方法是,关掉正常的 Chrome 浏览器,然后把能附加的 chrome.exe 全都加上就可以了。

调试的过程也是一个推理和学习的过程,还是相当有趣的,调试和构建一个GB级别以上的项目技能点亮。这里的过程就不一一列举了,直接放出修改源码(这里面有部分和 henrypp 重合直接整合列出来了)。

*注:构建过程可以随时中断,下一次编译就接着上一次的进度,而且VS里面的构建和官方命令行 autoninja -C out/debug chrome 是等价互通的。

注:debug编译结果需要占用~30GB的空间,主要用来存放debug相关的.pdb文件和编译结果,第一次编译的时候比较慢,后续再修改就会相对比较快

源码修改

这里面不是文章的重点,但还是放出来给喜欢折腾的人尝试一下。提醒一下,HEVC 是需要专利授权的,Google 也对 chromium 的修改分发有一定的限制,大家修改作何用途自行评估。

笔者编译出来的版本是 79.0.3928.0

修改这个文件,找到下面条件判断并修改代码:

  • src/third_party/ffmpeg/ffmpeg_generated.gni
if ((is_mac) || (is_win) || (use_linux_config)) {
  ffmpeg_c_sources += [
    "libavcodec/autorename_libavcodec_hpeldsp.c",
    "libavcodec/autorename_libavcodec_videodsp.c",
    "libavcodec/autorename_libavcodec_vp3dsp.c",
    "libavcodec/autorename_libavcodec_vp8dsp.c",
    "libavcodec/h264pred.c",
    "libavcodec/vp3.c",
    "libavcodec/vp3_parser.c",
    "libavcodec/vp56rac.c",
    "libavcodec/vp8.c",
    "libavcodec/vp8_parser.c",
  ]

  ffmpeg_c_sources += [
    "libavcodec/bswapdsp.c",
    "libavcodec/autorename_libavcodec_hevcdec.c",
    "libavcodec/hevc_cabac.c",
    "libavcodec/hevc_data.c",
    "libavcodec/hevc_filter.c",
    "libavcodec/hevc_mvs.c",
    "libavcodec/hevc_parse.c",
    "libavcodec/hevc_parser.c",
    "libavcodec/hevc_ps.c",
    "libavcodec/hevc_refs.c",
    "libavcodec/hevc_sei.c",
    "libavcodec/hevcdsp.c",
    "libavcodec/hevcpred.c",
    "libavcodec/x86/bswapdsp_init.c",
    "libavcodec/x86/hevcdsp_init.c",
    "libavformat/autorename_libavformat_hevc.c",
    "libavformat/hevcdec.c",
  ]
  ffmpeg_asm_sources += [
    "libavcodec/x86/bswapdsp.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_deblock.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_idct.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_mc.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_add_res.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_sao.asm",
    "libavcodec/x86/hevc_sao_10bit.asm",
  ]
}

复制并重命名这个文件里面的两个文件 src/third_party/ffmpeg

  • libavcodec/hevcdec.c to libavcodec/autorename_libavcodec_hevcdec.c
  • libavformat/hevc.c to libavformat/autorename_libavformat_hevc.c

修改这两个文件,YOUR_BRAND就是 chromium,YOUR_ARCH 像我用 Windows 就是 x64:

  • src/third_party/ffmpeg/chromium/config/YOUR_BRAND/win/YOUR_ARCH/config.asm
  • src/third_party/ffmpeg/chromium/config/YOUR_BRAND/win/YOUR_ARCH/config.h

把下面几个的值配成 1:

#define CONFIG_HEVC_DECODER 1
#define CONFIG_HEVC_DEMUXER 1
#define CONFIG_HEVC_PARSER 1

在这个文件添加一项:

  • src/third_party/ffmpeg/chromium/config/YOUR_BRAND/win/YOUR_ARCH/libavcodec/codec_list.c
&ff_hevc_decoder

同样的添加一项:

  • src/third_party/ffmpeg/chromium/config/YOUR_BRAND/win/YOUR_ARCH/libavcodec/parser_list.c
&ff_hevc_parser

同样的添加一项:

  • src/third_party/ffmpeg/chromium/config/YOUR_BRAND/win/YOUR_ARCH/libavformat/demuxer_list.c
&ff_hevc_demuxer
  • 修改文件 /build/config/features.gni
# Note: this flag is used by WebRTC which is DEPSed into Chrome. Moving it
# out of //build will require using the build_overrides directory.

- proprietary_codecs = is_chrome_branded || is_chromecast
+ proprietary_codecs = true
  • 修改文件 /media/media_options.gni
# Enable HEVC/H265 demuxing. Actual decoding must be provided by the
# platform. Enabled by default for Chromecast.

- enable_platform_hevc = proprietary_codecs && is_chromecast
+ enable_platform_hevc = true

去掉这个文件里面的一个判断

  • /media/BUILD.gn
if (proprietary_codecs && media_use_ffmpeg) {

- assert(
- ffmpeg_branding != "Chromium",
- "proprietary codecs and ffmpeg_branding set to Chromium are incompatible")

+ # assert(
+ # ffmpeg_branding != "Chromium",
+ # "proprietary codecs and ffmpeg_branding set to Chromium are incompatible")

}

修改文件

  • /media/base/supported_types.cc
bool IsDefaultSupportedVideoType(const VideoType& type) {
//...
switch (type.codec) {
    // ....
    case kCodecH264:
  + case kCodecHEVC:
    case kCodecVP8:
    case kCodecTheora:
        return true;

    case kUnknownVideoCodec:
    case kCodecVC1:
    case kCodecMPEG2:
  - case kCodecHEVC:
    case kCodecDolbyVision:
        return false;
    // ...
}
  • 修改完成,在 src 文件夹里面执行如下命令编译 release 版本
gn gen out/release --args="is_component_build = false enable_nacl = false is_debug = false symbol_level = 0 blink_symbol_level = 0"
autoninja -C out/release chrome

大概喝20杯咖啡时间,就开始在浏览器里面欣赏 4K 高清 HEVC/H.265 的视频了。毕竟是C++实现,性能比web端实现的软解方案不知道高到哪去了。笔者机器 ryzen 3600 + 垃圾 Radeom 5700显卡表现:

4K性能表现

不准确测试帧率测试:

内存和CPU占用:

后续补充

GPU 加速测试

直接在 chromium 源码修改一个最强大之处是,后续可以调用 GPU 加速,因为笔者电脑显卡不支持(支持的显卡在本文开始链接有相应资料),目前在准备硬件,后续测试后更新性能表现。

实现 m3u8|flv & HEVC

这个难度较高,需要更多的技术投入和开发。

最后

修改 chromium 实现的方式并不具有普适性,但是对部分 B 端项目确实能收到奇效,性能表现足够好用。
立足现在,展望未来,目前 HEVC 有专利问题,VP9 孤掌难鸣,AV1 又姗姗来迟,视频编码的新格局将会在在下一代的编码技术中竞争共存。其实 HEVC 的下一代技术 VVC/H.266 以及 AV1 的 下一代 AV2 也被提上日程。之前 AVC 一家独大的时代已经一去不复返,视频编码技术背后是一个非常大的竞争格局(视频多大的市场!),尤其为代表性的是拥有硬件手机 Android + Chrome + Youtube 的 Google VS Apple,后者拥有 硬件手机 + iOS + Safari + ?内容生态,加上各个视频云厂商,内容平台,互联网和短视频等大佬,视频编解码技术后续发展甚至关系到互联网格局和权力的更替!让我们拭目以待。

另外打一个小小的招聘广告,欢迎一起来共同学习成长。

文章竞争格局里面的图摘录自:这篇文章.

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