iOS微信小视频优化心得

小视频是微信6.0版本重大功能之一，在开发过程中遇到不少问题。本文先叙述小视频的产品需求，介绍了几个实现方案，分析每个方案的优缺点，最后总结出最优的解决方案。

小视频播放需求

1. 可以同时播放多个视频

2. 用户操作界面时视频可以继续播放

3. 播放时不能卡住界面，视频滑进界面内后要立即播放

4. 视频在列表内播放是静音播放，点击放大是有声播放

小视频播放方案

1. MPMoviePlayerController

MPMoviePlayerController是一个简单易用的视频播放控件，可以播放本地文件和网络流媒体，支持mov、mp4、mpv、3gp等H.264和MPEG-4视频编码格式，支持拖动进度条、快进、后退、暂停、全屏等操作，并为开发者提供了一系列播放状态事件通知。使用时先设置URL，然后把它的view add到某个parent view里，再调用play即可。

但这方案的缺点是，同一时间只能有一个MPMoviePlayerController对象播放，不满足同时多个播放的需求；而且也不支持静音播放。MPMoviePlayerController适合于全屏播放视频的场景。

2. AVPlayer

AVPlayer是AVFoundation.Framework提供的偏向于底层的视频播放控件，用起来复杂，但功能强大。单独使用AVPlayer是无法显示视频的，要把它添加到AVPlayerLayer里才行。另外它需要配合AVPlayerItem使用，AVPlayerItem类似于MVC里的Model层，负责资源加载、视频播放设置及播放状态管理（通过KVO方式来观察状态）。它们关系如下：

首先创建一个AVPlayerItem对象：

NSURL* videoUrl = [NSURL fileURLWithPath:m_path isDirectory:NO];
m_playItem = [AVPlayerItem playerItemWithURL:videoUrl];
// 监听playItem的status属性
[m_playItem addObserver:self forKeyPath:@"status" 
    options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];

接下来是创建AVPlayer和AVPlayerLayerView对象。AVPlayerLayerView是自定义的UIView，用于AVPlayer播放，其layerClass是AVPlayerLayer：

// AVPlayer
m_player = [AVPlayer playerWithPlayerItem:m_playItem];
m_player.actionAtItemEnd = AVPlayerActionAtItemEndNone;
// AVPlayerLayerView
m_playerView = [[AVPlayerLayerView alloc] initWithFrame:self.bounds];
[self addSubview:m_playerView];
// 把AVPlayer添加到AVPlayerLayer
[(AVPlayerLayer*)[m_playerView layer] setPlayer:m_player];
// 观察AVPlayerItem播放结束的通知
[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:self selector:@selector(itemPlayEnded:) 
    name:AVPlayerItemDidPlayToEndTimeNotification object:m_playItem];

AVPlayerItem的status属性有三种状态：AVPlayerStatusUnknown、AVPlayerStatusReadyToPlay及AVPlayerStatusFailed。当status=AVPlayerStatusReadyToPlay时，就代表视频能播放了，此时调用AVPlayer的play方法就能播放视频了。

相比MPMoviePlayerController，AVPlayer有最多可以同时播放16个视频。另外AVPlayer在使用时会占用AudioSession，这个会影响用到AudioSession的地方，如聊天窗口开启小视频功能。还有AVPlayer释放时最好先把AVPlayerItem置空，否则会有解码线程残留着。最后是性能问题，如果聊天窗口连续播放几个小视频，列表滑动时会非常卡。通过Instrument测试性能，看不出哪里耗时，怀疑是视频播放互相抢锁引起的。

3. AVAssetReader+AVAssetReaderTrackOutput

既然AVPlayer在播放视频时会有性能问题，我们不如做自己的播放器。AVAssetReader可以从原始数据里获取解码后的音视频数据。结合AVAssetReaderTrackOutput，能读取一帧帧的CMSampleBufferRef。CMSampleBufferRef可以转化成CGImageRef。为此，我们可以写个MMovieDecoder的类，负责视频解码，每读出一个SampleBuffer就往上层回调：

AVAssetReader* reader = [[AVAssetReader alloc] initWithAsset:m_asset error:&error];
NSArray* videoTracks = [m_asset tracksWithMediaType:AVMediaTypeVideo];
AVAssetTrack* videoTrack = [videoTracks objectAtIndex:0];
// 视频播放时，m_pixelFormatType=kCVPixelFormatType_32BGRA
// 其他用途，如视频压缩，m_pixelFormatType=kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarVideoRange
NSDictionary* options = [NSDictionary dictionaryWithObject:[NSNumber numberWithInt:
        (int)m_pixelFormatType] forKey:(id)kCVPixelBufferPixelFormatTypeKey];
AVAssetReaderTrackOutput* videoReaderOutput = [[AVAssetReaderTrackOutput alloc] 
        initWithTrack:videoTrack outputSettings:options];
[reader addOutput:videoReaderOutput];
[reader startReading];
// 要确保nominalFrameRate>0，之前出现过android拍的0帧视频
while ([reader status] == AVAssetReaderStatusReading && videoTrack.nominalFrameRate > 0) {
    // 读取video sample
    CMSampleBufferRef videoBuffer = [videoReaderOutput copyNextSampleBuffer];
    [m_delegate mMovieDecoder:self onNewVideoFrameReady:videoBuffer);
    CFRelease(videoBuffer);    
    // 根据需要休眠一段时间；比如上层播放视频时每帧之间是有间隔的
    [NSThread sleepForTimeInterval:sampleInternal];
}
    
// 告诉上层视频解码结束
[m_delegate mMovieDecoderOnDecodeFinished:self];

另一个是MVideoPlayerView，负责视频的显示，它接收MMovieDecoder回调的CMSampleBufferRef后，把它转为CGImageRef，然后设置layer.contents为这个CGImageRef对象。创建CGImageRef不会做图片数据的内存拷贝，它只会当Core Animation执行Transaction::commit()触发layer -display时，才把图片数据拷贝到layer buffer里。

AVAssetReader也能decode音频的SampleBuffer，不过本人还没想到如何播放CMSampleBufferRef的音频，目前只能静音播放。

4. 方案对比

对方案二、三做了滑动性能对比和耗电对比，测试条件分别是

滑动：在iPhone4的聊天窗口，有30个小视频，来回做4次列表滑动

耗电：在iPhone5s，屏幕亮度调到最大，禁止自动锁屏，开启飞行模式，聊天窗口同时播放着3个小视频，10分钟

方案三无论滑动性能和耗电均优于方案二，由于方案三只能静音播放，所以方案三用于聊天窗口和朋友圈列表播放，方案二用于点击放大时的有声播放。

小视频录制需求

1. 支持白平衡、对焦、缩放

2. 录制视频长度6秒，30帧/秒，尽量不丢帧

3. 能录制不同尺寸和码率的视频

小视频录制方案

对于需求1，AVFoundation有API可以支持，这里不多说。这里重点说说需求2、3的实现方案。

前期录制方案如下：

1. 创建AVCaptureSession，设置拍摄分辨率

2. 添加AVCaptureInput，如摄像头和麦克风

3. 添加AVCaptureOutput，如AVCaptureVideoDataOutput、AVCaptureAudioDataOutput。这里AVCaptureAudioDataOutput建议在Session -startRunning后才添加，避免影响摄像头启动时间

4. 添加AVCaptureVideoPreviewLayer，为用户提供拍摄预览界面

5. 创建MMovieWriter，里面包含AVAssetWriter对象，用于写视频

6. 开始捕捉-startRunning

7. AVCaptureVideoDataOutput和AVCaptureAudioDataOutput不停地往MMovieWriter传递VideoSampleBuffer和AudioSampleBuffer，MMovieWriter对VideoSampleBuffer做分辨率压缩，以及对AudioSampleBuffer做码率压缩

8. 结束捕捉-stopRunning，MMovieWriter停止写视频，把生成的视频文件抛给上层

在4s以上的设备拍摄小视频挺流畅，帧率能达到要求。但是在iPhone4，录制的时候特别卡，录到的视频只有6~8帧/秒。尝试把录制视频时的界面动画去掉，稍微流畅些，帧率多了3～4帧/秒，还是不满足需求。通过Instrument检测，发现跟写音频时的压缩有关，写音频时阻塞了AVFoundation的线程，引起后续的丢帧。网上也有人反馈类似问题 http://stackoverflow.com/questions/16686076/performance-issues-with-avassetwriterinput-audio-and-single-core-devices。把写音频去掉后，帧率果然上去了。但是系统相机的拍摄视频是非常流畅的。于是用AVCaptureMovieFileOutput（640*480）直接生成视频文件，拍视频很流畅。然而录制的6s视频大小有2M+，再用MMovieDecoder+MMovieWriter压缩至少要7~8s，影响聊天窗口发小视频的速度。

综上所述，要想拍视频不卡，就要在录制过程中尽量不做CPU耗时操作，而且AVCaptureOutput传递数据给上层时不能卡住AV线程。最终想到个方案，加个Cache层，先把AVCaptureOutput传递的SampleBuffer缓存下来，不在AV的线程写视频；等CPU空闲时，再唤起movieWriter线程写视频。流程如下图所示：

通过这样处理，拍视频流畅度跟系统相机接近了，只是刚拍的前1s帧数只有18帧，后面稳定到30帧/秒左右了。而且用户松手拍完后，最多等1s就能把视频写完文件了；也优化了之前的视频截图生成接口，减少200ms。不过拍摄稳定性不够好，经常出现下面的写失败错误，频率大概是6次/100次：

[GL] <MMovieWriter.mm:476::-[MMovieWriter appendAudioSampleBufferInternal:]> INFO: audio writer status 3, desc Error Domain=AVFoundationErrorDomain Code=-11800 "这项操作无法完成" UserInfo=0x11495910 {NSLocalizedDescription=这项操作无法完成, NSUnderlyingError=0x1146e8d0 "The operation couldn’t be completed. (OSStatus error -12633.)", NSLocalizedFailureReason=发生未知错误（-12633）}

通过google搜索，网上说这错误原因是同一个FrameTime写入了两帧。但是FrameTime是从SampleBuffer里取的，理论上不会时间重合（我没打log验证）；而且老方案没出现这种错误，新方案延后处理才会出现的。经过多次试验，把Buffer Cache设置上限，当Buffer数达到一定数量后强制让MovieWriter写入文件，同时把下面这行代码注释，错误不再出现了：

//m_writer.movieFragmentInterval = CMTimeMakeWithSeconds(1.0, 1000); // AVAssetWriter

方案对比：

在iPhone4聊天窗口拍摄若干个6s视频10次，算平均值

参考资料：

https://developer.apple.com/library/ios/documentation/AudioVideo/Conceptual/AVFoundationPG/Articles/00_Introduction.html#//apple_ref/doc/uid/TP40010188-CH1-SW3