FFmpeg中的主动丢帧功能

1、主动丢帧的应用场景

视频丢帧有被动的情况，例如数据丢失损坏导致的丢帧；也有主动的丢帧，例如：

高倍速播放（4倍速、8倍速等），解码全部视频帧可能解码速度跟不上，丢弃一部分也不影响播放渲染效果
按一定的间隔截图
服务器发送码流出现网络拥塞严重的情况，需要主动丢帧降低拥塞

丢帧可以是解码前，也可以是解码后。视频解码算力开销大，与解码后丢帧相比，能在解码前丢帧可以降低算力开销。

2、FFmpeg解封装丢帧

FFmpeg libavformat解封装可以配置主动丢帧，配置的地方在AVStream::discard

enum AVDiscard discard; ///< Selects which packets can be discarded at will and do not need to be demuxed.

enum AVDiscard的定义：

/**
 * @ingroup lavc_decoding
 */
enum AVDiscard{
    /* We leave some space between them for extensions (drop some
     * keyframes for intra-only or drop just some bidir frames). */
    AVDISCARD_NONE    =-16, ///< discard nothing
    AVDISCARD_DEFAULT =  0, ///< discard useless packets like 0 size packets in avi
    AVDISCARD_NONREF  =  8, ///< discard all non reference
    AVDISCARD_BIDIR   = 16, ///< discard all bidirectional frames
    AVDISCARD_NONINTRA= 24, ///< discard all non intra frames
    AVDISCARD_NONKEY  = 32, ///< discard all frames except keyframes
    AVDISCARD_ALL     = 48, ///< discard all
};

AVDISCARD_NONREF 丢弃非参考帧
AVDISCARD_NONREF 丢弃B帧
AVDISCARD_NONINTRA 丢弃非I帧
AVDISCARD_NONKEY 丢弃非关键帧

这里值得一提的有两点：

B帧可以是参考帧，所以FFmpeg区分定义了非参考帧和B帧
I帧不等于关键帧（IDR帧），所以FFmpeg区分定义了non intra和non key

libavformat demux有主动丢帧能力，但是功能十分有限：

只有部分封装格式实现了，其他封装格式忽略discard配置
虽然enum AVDiscard有多个等级区分，但是封装格式因解析层度过浅，往往只能区分关键帧和非关键帧，没法进行精细的丢帧控制

怎样实现更精细的丢帧逻辑控制呢？我们往下看。

3、FFmpeg解码器丢帧

FFmpeg的解码器支持丢帧配置。看AVCodecContext的三个字段：


    /**

     * Skip loop filtering for selected frames.

     * - encoding: unused

     * - decoding: Set by user.

     */

    enum AVDiscard skip_loop_filter;



    /**

     * Skip IDCT/dequantization for selected frames.

     * - encoding: unused

     * - decoding: Set by user.

     */

    enum AVDiscard skip_idct;


    /**

     * Skip decoding for selected frames.

     * - encoding: unused

     * - decoding: Set by user.

     */

    enum AVDiscard skip_frame;

skip_loop_filter是跳过视频解码的一个环节：in-loop filter
skip_idct是跳过反离散余弦变换，一些老的编码格式有实现
skip_frame是按帧类型或者说帧的特性，来丢弃一些帧不解码

我们这里主要关注skip_frame。skip_frame是由解码器实现的，在解析到一定深度之后，根据skip_frame的配置，判断是否丢弃当前正在处理的视频帧，不做进一步的解码。

越早做决策，越早放弃，节省的算力越多。所以实现方式上，当具备了所需的信息之后，解码器会尽早做丢帧处理，能解析完NALU header就丢帧的，那就不要再解析slice header了。

与libavformat demuxer丢帧相比，libavcodec decoder丢帧实现了精细控制。但是解码丢帧也有一个缺点：没法用在非解码的场景。例如服务器码流转发/分发遇到网络拥塞时，要按需丢弃视频数据包，解码丢帧无意义。

FFmpeg能否实现像demuxer一样不解码、像decoder一样精细控制丢帧逻辑呢？借助libavcodec cbs框架和bitstream filter的能力，我实现了这个功能。

4、FFmpeg bitstream filter 丢帧

libavcodec/cbs*（coded bitstream）是一套libavcodec内部使用的、多种编码格式通用的、码流解析修改合成工具，提供统一的接口，实现代码复用。一些新的parser是在cbs之上实现的，一些bsf（bitstream filter）也是借助cbs实现的。

cbs原来没有丢帧的功能，所以我们第一步是加上响应的API，见patch 1/6（https://patchwork.ffmpeg.org/project/ffmpeg/list/?series=8947&state=*）。

对于H.264、H.265来说，cbs能够解析到slice header，拥有足够的信息做丢弃判断。cbs H.264 H.265丢帧逻辑实现见patch 2/6，3/6。H.264、H.265判断IDR、I、B、非参考帧等的逻辑这里就不介绍了，感兴趣的可以看下代码。

cbs是FFmpeg内部的功能，不具有对外的API。怎样对外暴露新加的丢帧功能呢？我选择用filter_units bsf 实现，见patch 4/6。filter_units bsf原来是按照NALU的类型做丢帧的一个filter（比如你可以用它来过滤掉SEI），我新增的功能是按照enum AVDiscard来丢NALU。

patch 5/6是代码格式调整（FFmpeg因为用邮件做patch review，功能实现和代码格式调整往往要分开提交），patch 6/6是添加测试。

通过命令行的使用示例：

./ffmpeg -i /tmp/test.mp4 -c:v copy -bsf:v filter_units=discard=nonref /tmp/abc.mp4

输入的test.mp4的帧类型

GOP: IPPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPPBBPBBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPPPPPP 128 CLOSED
GOP: IBPPPBPBPPPPBPPBPPBPPPBPPPBPPPPPBBPBPBPPBPPBPBPBPBPBPPBPBPBBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPBPPBPPBPPPPPP 106 CLOSED
GOP: IPPPPBPBPBPPBPBPP 17 CLOSED

输出的abc.mp4的帧类型

GOP: IPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP 68 CLOSED
GOP: IPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP 65 CLOSED
GOP: IPPPPPPPPPPP 12 CLOSED

在实现这个功能的时候，我特意考虑了根据网络情况动态调整丢帧的情况，所以允许filter_units的discard配置随时可变，不需要重复的创建和销毁filter_units的实例。当然，ffmpeg命令无法展示这个功能，只有通过bsf API调用才能实现动态配置。

此外还考虑了一些细节，比如只丢弃视频帧数据，保留其他的NALU，典型场景是保留SEI。

还有一个有趣的应用场景，当你使用第三方解码器，特别是硬件解码的时候，第三方解码器没实现丢帧能力，你可以用filter_units做主动丢帧。视频播放特别是倍速播放会很有用处。

TODO：为更多编码格式添加实现。