解码 h264 时的 ffmpeg 延迟

Question

注意：仍在寻找答案！

我正在获取原始 RGB 帧，将它们编码为 h264，然后将它们解码回原始 RGB 帧。

[RGB frame] ------ encoder ------> [h264 stream] ------ decoder ------> [RGB frame]
              ^               ^                    ^               ^
        encoder_write    encoder_read        decoder_write    decoder_read

我想尽快检索解码的帧。 但是，无论等待多长时间，似乎总是会有一帧延迟。¹ 在此示例中，我每 2 秒向编码器馈送一帧：

$ python demo.py 2>/dev/null
time=0 frames=1 encoder_write
time=2 frames=2 encoder_write
time=2 frames=1 decoder_read   <-- decoded output is delayed by extra frame
time=4 frames=3 encoder_write
time=4 frames=2 decoder_read
time=6 frames=4 encoder_write
time=6 frames=3 decoder_read
...

我想要的是：

$ python demo.py 2>/dev/null
time=0 frames=1 encoder_write
time=0 frames=1 decoder_read   <-- decode immediately after encode
time=2 frames=2 encoder_write
time=2 frames=2 decoder_read
time=4 frames=3 encoder_write
time=4 frames=3 decoder_read
time=6 frames=4 encoder_write
time=6 frames=4 decoder_read
...

编码器和解码器 ffmpeg 进程使用以下参数运行：

encoder: ffmpeg -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 -i pipe: \
                -f h264 -tune zerolatency pipe:

decoder: ffmpeg -probesize 32 -flags low_delay \
                -f h264 -i pipe: \
                -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 pipe:

完整的可重现示例如下。 无需外部视频文件。 只需复制、粘贴并运行python demo.py 2>/dev/null ！

import subprocess
from queue import Queue
from threading import Thread
from time import sleep, time
import numpy as np

WIDTH = 224
HEIGHT = 224
NUM_FRAMES = 256

def t(epoch=time()):
    return int(time() - epoch)

def make_frames(num_frames):
    x = np.arange(WIDTH, dtype=np.uint8)
    x = np.broadcast_to(x, (num_frames, HEIGHT, WIDTH))
    x = x[..., np.newaxis].repeat(3, axis=-1)
    x[..., 1] = x[:, :, ::-1, 1]
    scale = np.arange(1, len(x) + 1, dtype=np.uint8)
    scale = scale[:, np.newaxis, np.newaxis, np.newaxis]
    x *= scale
    return x

def encoder_write(writer):
    """Feeds encoder frames to encode"""
    frames = make_frames(num_frames=NUM_FRAMES)
    for i, frame in enumerate(frames):
        writer.write(frame.tobytes())
        writer.flush()
        print(f"time={t()} frames={i + 1:<3} encoder_write")
        sleep(2)
    writer.close()

def encoder_read(reader, queue):
    """Puts chunks of encoded bytes into queue"""
    while chunk := reader.read1():
        queue.put(chunk)
        # print(f"time={t()} chunk={len(chunk):<4} encoder_read")
    queue.put(None)

def decoder_write(writer, queue):
    """Feeds decoder bytes to decode"""
    while chunk := queue.get():
        writer.write(chunk)
        writer.flush()
        # print(f"time={t()} chunk={len(chunk):<4} decoder_write")
    writer.close()

def decoder_read(reader):
    """Retrieves decoded frames"""
    buffer = b""
    frame_len = HEIGHT * WIDTH * 3
    targets = make_frames(num_frames=NUM_FRAMES)
    i = 0
    while chunk := reader.read1():
        buffer += chunk
        while len(buffer) >= frame_len:
            frame = np.frombuffer(buffer[:frame_len], dtype=np.uint8)
            frame = frame.reshape(HEIGHT, WIDTH, 3)
            psnr = 10 * np.log10(255**2 / np.mean((frame - targets[i])**2))
            buffer = buffer[frame_len:]
            i += 1
            print(f"time={t()} frames={i:<3} decoder_read  psnr={psnr:.1f}")

cmd = (
    "ffmpeg "
    "-f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 "
    "-i pipe: "
    "-f h264 "
    "-tune zerolatency "
    "pipe:"
)
encoder_process = subprocess.Popen(
    cmd.split(), stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE
)

cmd = (
    "ffmpeg "
    "-probesize 32 "
    "-flags low_delay "
    "-f h264 "
    "-i pipe: "
    "-f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 "
    "pipe:"
)
decoder_process = subprocess.Popen(
    cmd.split(), stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE
)

queue = Queue()

threads = [
    Thread(target=encoder_write, args=(encoder_process.stdin,),),
    Thread(target=encoder_read, args=(encoder_process.stdout, queue),),
    Thread(target=decoder_write, args=(decoder_process.stdin, queue),),
    Thread(target=decoder_read, args=(decoder_process.stdout,),),
]

for thread in threads:
    thread.start()

¹我做了一些测试，似乎解码器在解码当前帧之前正在等待下一帧的 NAL 标头00 00 00 01 41 88 （十六进制）。 人们希望前缀00 00 00 01就足够了，但它还要等待接下来的两个字节！

²~~问题的先前修订。~~

Answer 1

将-probesize 32添加到您的解码器参数中。

将解码器命令设置为：

 cmd = "ffmpeg -probesize 32 -f h264 -i pipe: -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 pipe:"

我在这里找到了解决方案：如何使用 FFmpeg 最大限度地减少直播中的延迟。

根据 FFmpeg StreamingGuide ：

此外，将 -probesize 和 -analyzeduration 设置为低值可能有助于您的流更快启动。

添加-probesize 32参数后，我得到 9 行Decoder written 862 bytes ......而不是大约 120 行。

更新：

我找不到解决方案，但我设法形成了问题的简单演示。

代码示例没有使用两个子进程和 4 个线程，而是使用一个子进程并且没有 Python 线程。

该示例使用以下“过滤器图”：

 _________              ______________            _________
| BMP     |            |              |          | BMP     |
| encoded |  demuxer   | encoded data |  muxer   | encoded |
| frames  | ---------> | packets      | -------> | frames  |
|_________|            |______________|          |_________|
input PIPE                                       output PIPE

请参阅：流复制章节

我发现为了将第一帧从输入“推送”到输出，我们需要从第二帧的开头至少写入4112个字节。

这是代码示例：

import cv2
import numpy as np
import subprocess as sp

width, height, n_frames, fps = 256, 256, 10, 1  # 10 frames, resolution 256x256, and 1 fps


def make_bmp_frame_as_bytes(i):
    """ Build synthetic image for testing, encode as BMP and convert to bytes sequence """
    p = width//50
    img = np.full((height, width, 3), 60, np.uint8)
    cv2.putText(img, str(i+1), (width//2-p*10*len(str(i+1)), height//2+p*10), cv2.FONT_HERSHEY_DUPLEX, p, (255, 30, 30), p*2)  # Blue number

    # BMP Encode img into bmp_img
    _, bmp_img = cv2.imencode(".BMP", img)
    bmp_img_bytes = bmp_img.tobytes()

    return bmp_img_bytes



# BMP in, BMP out:
process = sp.Popen(f'ffmpeg -debug_ts -probesize 32 -f bmp_pipe -framerate {fps} -an -sn -dn -i pipe: -f image2pipe -codec copy -an -sn -dn pipe:', stdin=sp.PIPE, stdout=sp.PIPE)

# Build image (number -1) before the loop.
bmp_img_bytes = make_bmp_frame_as_bytes(-1)

# Write one BMP encoded image before the loop.
process.stdin.write(bmp_img_bytes)
process.stdin.flush()

for i in range(n_frames):
    # Build image (number i) before the loop.
    bmp_img_bytes = make_bmp_frame_as_bytes(i)

    # Write 4112 first bytes of the BMP encoded image.
    # Writing 4112 "push" forward the previous image (writing less than 4112 bytes hals on the first frame).
    process.stdin.write(bmp_img_bytes[0:4112])
    process.stdin.flush()

    # Read output BMP encoded image from stdout PIPE.
    buffer = process.stdout.read(width*height*3 + 54)   # BMP header is 54 bytes
    buffer = np.frombuffer(buffer, np.uint8)
    frame = cv2.imdecode(buffer, cv2.IMREAD_COLOR)  # Decode BMP image (using OpenCV).

    # Display the image
    cv2.imshow('frame', frame)
    cv2.waitKey(1000)

    # Write the next bytes of the BMP encoded image (from byte 4112 to the end).
    process.stdin.write(bmp_img_bytes[4112:])
    process.stdin.flush()


process.stdin.close()
buffer = process.stdout.read(width*height*3 + 54)   # Read last image
process.stdout.close()

# Wait for sub-process to finish
process.wait()

cv2.destroyAllWindows()

我不知道为什么是4112字节。
我使用了FFmpeg 4.2.2 版，在 Windows 10 下静态链接（ ffmpeg.exe ）。
我没有检查4112字节是否对其他版本/平台是持久的。
我怀疑“延迟问题”是FFmpeg复用器固有的。
我找不到任何参数/标志来防止这个问题。
rawvideo 分路器是唯一没有增加延迟的分路器（我发现）。

我希望更简单的示例代码有助于找到延迟问题的解决方案......

更新：

H.264 流示例：

该示例使用以下“过滤器图”：

 _________              ______________              _________ 
| H.264   |            |              |            |         |
| encoded |  demuxer   | encoded data |  decoder   | decoded |
| frames  | ---------> | packets      | ---------> | frames  |
|_________|            |______________|            |_________|
input PIPE                                         output PIPE

代码示例在写入每个编码帧后写入 AUD NAL 单元。

AUD（访问单元分隔符）是一个可选的 NAL 单元，位于编码帧的开头。
显然，在写入编码帧后写入 AUD 会将编码帧从解复用器“推送”到解码器。

这是一个代码示例：

import cv2
import numpy as np
import subprocess as sp
import json

width, height, n_frames, fps = 256, 256, 100, 1  # 100 frames, resolution 256x256, and 1 fps


def make_raw_frame_as_bytes(i):
    """ Build synthetic "raw BGR" image for testing, convert the image to bytes sequence """
    p = width//60
    img = np.full((height, width, 3), 60, np.uint8)
    cv2.putText(img, str(i+1), (width//2-p*10*len(str(i+1)), height//2+p*10), cv2.FONT_HERSHEY_DUPLEX, p, (255, 30, 30), p*2)  # Blue number

    raw_img_bytes = img.tobytes()

    return raw_img_bytes


# Build input file input.264 (AVC encoded elementary stream)
################################################################################
process = sp.Popen(f'ffmpeg -y -video_size {width}x{height} -pixel_format bgr24 -f rawvideo -r {fps} -an -sn -dn -i pipe: -f h264 -g 1 -pix_fmt yuv444p -crf 10 -tune zerolatency -an -sn -dn input.264', stdin=sp.PIPE)

#-x264-params aud=1
#Adds [  0,   0,   0,   1,   9,  16 ] to the beginning of each encoded frame
aud_bytes = b'\x00\x00\x00\x01\t\x10'  #Access Unit Delimiter
#process = sp.Popen(f'ffmpeg -y -video_size {width}x{height} -pixel_format bgr24 -f rawvideo -r {fps} -an -sn -dn -i pipe: -f h264 -g 1 -pix_fmt yuv444p -crf 10 -tune zerolatency -x264-params aud=1 -an -sn -dn input.264', stdin=sp.PIPE)

for i in range(n_frames):
    raw_img_bytes = make_raw_frame_as_bytes(i)
    process.stdin.write(raw_img_bytes) # Write raw video frame to input stream of ffmpeg sub-process.

process.stdin.close()
process.wait()
################################################################################

# Execute FFprobe and create JSON file (showing pkt_pos and pkt_size for every encoded frame):
sp.run('ffprobe -print_format json -show_frames input.264', stdout=open('input_probe.json', 'w'))

# Read FFprobe output to dictionary p
with open('input_probe.json') as f:
    p = json.load(f)['frames']


# Input PIPE: H.264 encoded video, output PIPE: decoded video frames in raw BGR video format
process = sp.Popen(f'ffmpeg -probesize 32 -flags low_delay -f h264 -framerate {fps} -an -sn -dn -i pipe: -f rawvideo -s {width}x{height} -pix_fmt bgr24 -an -sn -dn pipe:', stdin=sp.PIPE, stdout=sp.PIPE)

f = open('input.264', 'rb')

process.stdin.write(aud_bytes)  # Write AUD NAL unit before the first encoded frame.

for i in range(n_frames-1):
    # Read H.264 encoded video frame
    h264_frame_bytes = f.read(int(p[i]['pkt_size']))

    process.stdin.write(h264_frame_bytes)
    process.stdin.write(aud_bytes)  # Write AUD NAL unit after the encoded frame.
    process.stdin.flush()

    # Read decoded video frame (in raw video format) from stdout PIPE.
    buffer = process.stdout.read(width*height*3)
    frame = np.frombuffer(buffer, np.uint8).reshape(height, width, 3)

    # Display the decoded video frame
    cv2.imshow('frame', frame)
    cv2.waitKey(1)

# Write last encoded frame
h264_frame_bytes = f.read(int(p[n_frames-1]['pkt_size']))
process.stdin.write(h264_frame_bytes)

f.close()


process.stdin.close()
buffer = process.stdout.read(width*height*3)   # Read the last video frame
process.stdout.close()

# Wait for sub-process to finish
process.wait()

cv2.destroyAllWindows()

更新：

额外帧延迟的原因是h264基本流没有“帧结束”信号，并且NAL单元头中没有“有效载荷大小”字段。

检测一帧何时结束的唯一方法是查看下一帧的开始位置。

请参阅：检测 H.264 视频流中的帧结束。
以及如何知道 H.264 流中代表图片的 NAL 单元的数量。

为了避免等待下一帧的开始，您必须使用“传输流”层或视频容器格式。
传输流和少数容器格式允许接收器（解复用器）检测“帧结束”。

我尝试使用MPEG-2 传输流，但它增加了一帧的延迟。
[我没有尝试RTSP协议，因为它不适用于管道]。

使用Flash Video (FLV) 容器将延迟减少到单个帧。
FLV 容器在数据包头中有一个“Payload Size”字段，允许分路器避免等待下一帧。

使用 FLV 容器和 H.264 编解码器的命令：

cmd = (
    "ffmpeg "
    "-f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 "
    "-i pipe: "
    "-vcodec libx264 "
    "-f flv "
    "-tune zerolatency "
    "pipe:"
)
encoder_process = subprocess.Popen(
    cmd.split(), stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE
)

cmd = (
    "ffmpeg "
    "-probesize 32 "
    "-flags low_delay "
    "-f flv "
    "-vcodec h264 "
    "-i pipe: "
    "-f rawvideo -pix_fmt rgb24 -s 224x224 "
    "pipe:"
)

decoder_process = subprocess.Popen(
    cmd.split(), stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE
)

在上面的命令中，FFmpeg 将 FLV muxer 用于编码器进程，FLV demuxer 用于解码器进程。

输出结果：

time=0 frames=1   encoder_write
time=0 frames=1   decoder_read  psnr=49.0
time=2 frames=2   encoder_write
time=2 frames=2   decoder_read  psnr=48.3
time=4 frames=3   encoder_write
time=4 frames=3   decoder_read  psnr=45.8
time=6 frames=4   encoder_write
time=6 frames=4   decoder_read  psnr=46.7

如您所见，没有额外的帧延迟。

其他也有效的容器是：AVI 和 MKV。

解码 h264 时的 ffmpeg 延迟

问题描述

1 个解决方案

解决方案1
8 2020-02-29 22:01:48

更新：

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解码 h264 时的 ffmpeg 延迟

问题描述

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解决方案1 8 2020-02-29 22:01:48

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8 2020-02-29 22:01:48