# 时域可分层视频编码

## 基础概念

### 时域可分层视频编码介绍

**可分层视频编码**，又叫可分级视频编码、可伸缩视频编码，是视频编码的扩展标准，目前常用的包含SVC（H.264编码标准采用的可伸缩扩展）和SHVC（H.265编码标准采用的可扩展标准）。

其特点是能一次编码出时域分层、空域分层、质量域分层的码流结构，满足因网络、终端能力和用户需求不同带来的的差异化需求。

**时域可分层视频编码**, 是指能编码出时域分层码流的视频编码，下图是通过参考关系构建的4层时域分层码流结构。

![Temporal scalability 4 layers](figures/temporal-scalability-4layers.png)

从高到低逐层丢弃部分层级的码流（丢弃顺序L3->L2->L1），能实现不同程度的帧率伸缩，以满足传输和解码能力的变化需求。

如下图所示，是上述4层时域分层码流结构丢弃L3后组成的新的码流结构，能在解码正常的情况下实现帧率减半的效果。其他层的丢弃同理。

![Temporal scalability 4 layers L3 dropped](figures/temporal-scalability-4layers-L3-dropped.png)

### 时域分层码流结构介绍
基础码流是由一个或多个独立图像组（Group Of Pictures，简称GOP）组合而成的。GOP是在编码中一组从I帧开始到I帧结束的连续的可独立解码的图像组。

时域分层码流可以在GOP内继续细分为独立的一个或多个时域图像组（Temporal Group Of Pictures, 简称TGOP），每一个TGOP由一个基本层和后续的一个或多个增强层组合而成，如上述4层时域分层码流结构中的帧0到帧7是一个TGOP。

- **基本层（Base Layer, 简称BL）：** 是GOP中的最底层（L0）。在时域分层中，该层用最低帧率进行编码。

- **增强层（Enhance Layer简称EL）：** 是BL之上的层级，由低到高可以分为多层（L1,L2,L3）。在时域分层中，最低层的EL依据BL获得的编码信息，进一步编码帧率更高的层级，更高层的EL会依据BL或低层EL，来编码比低层更高帧率的视频。

### 如何实现时域分层码流结构

时域分层码流结构的实现是依靠参考关系逐帧指定实现的，参考帧按在解码图像缓存区（Decoded Picture Buffer，简称DPB）驻留的时长分为短期参考帧和长期参考帧。

- **短期参考帧（Short-Term Reference，简称STR）：** 是不能长期驻留在DPB中的参考帧，更新方式是先进先出，如果DPB满，旧的短期参考帧会被移出DPB。

- **长期参考帧（Long-Term Reference，简称LTR）：** 是能长期驻留在DPB中的参考帧，通过标记替换的方式更新，不主动标记替换就不会更新。

虽然STR个数大于1时，也能实现一定的跨帧参考结构，但受限于存在时效过短，时域分层结构支持的跨度有限。LTR则不存在上述问题，也能覆盖短期参考帧跨帧场景。优选使用LTR实现时域分层码流结构。

## 适用场景
基于上述描述的时域分层编码特点，推荐以下场景使用：

- 场景1：播放侧无缓存或低缓存的实时编码传输场景，例如视频会议、视频直播、协同办公等。

- 场景2：有视频预览播放或倍速播放需求的视频编码录制场景。

若开发场景不涉及动态调整时域参考结构，且分层结构简单，则推荐使用[全局时域可分层特性](#全局时域可分层特性feature_temporal_scalability)，否则使能[长期参考帧特性](#长期参考帧特性feature_long-term_reference)。

## 约束和限制

- 不可以混用全局时域可分层特性和长期参考帧特性。

  由于底层实现归一，全局时域可分层特性和长期参考帧特性不能同时开启。

- 叠加强制IDR配置时，请使用随帧通路配置。

  参考帧仅在GOP内有效，刷新I帧后，DPB随之清空，参考帧也会被清空，因此参考关系的指定受I帧刷新位置影响很大。

  使能时域分层能力后，若需要通过`OH_MD_KEY_REQUEST_I_FRAME`临时请求I帧，应使用生效时机确定的随帧通路配置方式准确告知框架I帧刷新位置以避免参考关系错乱，参考随帧通路配置相关指导，避免使用生效时机不确定的`OH_VideoEncoder_SetParameter`方式。

- 支持`OH_AVBuffer`回调通路，不支持`OH_AVMemory`回调通路。

   新特性依赖随帧特性，应避免使用`OH_AVMemory`回调`OH_AVCodecAsyncCallback`，应使用`OH_AVBuffer`回调`OH_AVCodecCallback`。

- 支持时域P分层，不支持时域B分层。

  时域可分层编码按分层帧类型分为基于P帧的时域分层和基于B帧的时域编码，当前支持分层P编码，不支持分层B编码。

- 均匀分层模式当前只支持TGOP为2或4。

## 全局时域可分层特性（Feature_Temporal_Scalability）

### 接口介绍

全局时域可层特性，适用于编码稳定和简单的时域分层结构，初始配置，全局生效，不支持动态修改。开发配置参数如下：

| 配置参数 | 语义                         |
| -------- | ---------------------------- |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_ENABLE_TEMPORAL_SCALABILITY  |  全局时域分层编码使能参数 |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_TEMPORAL_GOP_SIZE  | 全局时域分层编码TGOP大小参数 |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_TEMPORAL_GOP_REFERENCE_MODE  | 全局时域分层编码TGOP参考模式  |

- **全局时域分层编码使能参数：** 在配置阶段配置，仅特性支持才会真正使能成功。

- **全局时域分层编码TGOP大小参数：** 可选配置，影响时域关键帧之间的间隔，用户需要基于自身业务场景下抽帧需求自定义关键帧密度，可在[2, GopSize)范围内配置，若不配置则使用默认值。

- **全局时域分层编码TGOP参考模式参数：** 可选配置，影响非关键帧参考模式。包括相邻参考`ADJACENT_REFERENCE`、跨帧参考`JUMP_REFERENCE` 和均匀分层`UNIFORMLY_SCALED_REFERENCE`。相邻参考相对跨帧参考拥有更好的压缩性能，跨帧参考相对相邻参考拥有更好的丢帧自由度，均匀分层模式丢帧后的码流分布更均匀，如不配置则使用默认值。

    > **说明**：均匀分层模式当前只支持TGOP为2或4。

使用举例1：TGOP=4，相邻参考模式。

![Temporal gop 4 adjacent reference](figures/temporal-scalability-tgop4-adjacent.png)

使用举例2：TGOP=4，跨帧参考模式。

![TGOP4 jump reference](figures/temporal-scalability-tgop4-jump.png)

使用举例3：TGOP=4，均匀分层模式。

![TGOP4 uniformly scaled reference](figures/temporal-scalability-tgop4-uniformly.png)

### 开发指导

基础编码流程请参考[视频编码开发指导](video-encoding.md)，下面仅针与基础视频编码过程中存在的区别做具体说明。

1. 在初始阶段创建编码实例时，校验当前视频编码器是否支持全局时域可分层特性。

    ```c++
    // 1.1 获取对应视频编码器能力句柄，此处以H.264为例
    OH_AVCapability *cap = OH_AVCodec_GetCapability(OH_AVCODEC_MIMETYPE_VIDEO_AVC, true);
    // 1.2 通过特性能力查询接口校验是否支持全局时域可分层特性
    bool isSupported = OH_AVCapability_IsFeatureSupported(cap, VIDEO_ENCODER_TEMPORAL_SCALABILITY);
    ```

    若支持，则可以使能全局时域可分层特性。

2. 在配置阶段，配置全局时域分层编码特性参数。

    ```c++
    constexpr int32_t TGOP_SIZE = 3; 
    // 2.1 创建配置用临时AVFormat
    OH_AVFormat *format = OH_AVFormat_Create();
    // 2.2 填充使能参数键值对
    OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_ENABLE_TEMPORAL_SCALABILITY, 1);
    // 2.3 (可选)填充TGOP大小和TGOP内参考模式键值对
    OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_TEMPORAL_GOP_SIZE, TGOP_SIZE);
    OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_TEMPORAL_GOP_REFERENCE_MODE, ADJACENT_REFERENCE);
    // 2.4 参数配置
    int32_t ret = OH_VideoEncoder_Configure(videoEnc, format);
    if (ret != AV_ERR_OK) {
        // 异常处理
    }
    // 2.5 配置完成后销毁临时AVFormat
    OH_AVFormat_Destroy(format);
    ```

3. （可选）在运行阶段输出轮转中，获取码流对应时域层级信息。

    开发者可基于已配置的TGOP参数，按编码出帧数目周期性获取。

    通过配置周期获取示例代码如下：

    ```c++
    uint32_t outPoc = 0;
    // 通过输出回调中有效帧数，获取TGOP内相对位置，对照配置确认层级
    static void OnNewOutputBuffer(OH_AVCodec *codec, uint32_t index, OH_AVBuffer *buffer, void *userData)
    {
        // 注：若涉及复杂处理流程，建议相关
        struct OH_AVCodecBufferAttr attr;
        (void)buffer->GetBufferAttr(attr);
        // 刷新I帧后POC归零
        if (attr.flags & AVCODEC_BUFFER_FLAG_KEY_FRAME) {
            outPoc = 0;
        }
        // 没有帧码流只有XPS的输出需要跳过
        if (attr.flags != AVCODEC_BUFFER_FLAG_CODEC_DATA) {
            int32_t tGopInner = outPoc % TGOP_SIZE;
            if (tGopInner == 0) {
                // 时域关键帧，后续传输、解码流程不可丢弃
            } else {
                // 时域非关键帧，后续传输、解码流程可以丢弃
            }
            outPoc++;
        }
    }
    ```

4. （可选）在运行阶段输出轮转中，使用步骤3获取的时域层级信息，自适应传输或自适应解码。

    基于获取的时域可分层码流和对应的层级信息，开发者可选择需要的层级进行传输，或携带至对端自适应选帧解码。

## 长期参考帧特性（Feature_Long-Term_Reference）

### 接口介绍

长期参考帧特性提供帧级灵活的参考关系配置。适用于灵活和复杂的时域分层结构。

| 配置参数 | 语义                 |
| -------- | ---------------------------- |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_LTR_FRAME_COUNT  |  长期参考帧个数参数 |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_MARK_LTR  | 当前帧标记为LTR帧 |
| OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_USE_LTR   | 当前帧参考的LTR帧的POC号  |

- **长期参考帧个数参数：** 在配置阶段配置，应小于等于查询到的最大支持数目，查询方式详见开发指导。
- **当前帧标记为LTR帧：** BL层标记为LTR，被跳跃参考的EL层也标记为LTR。
- **当前帧参考的LTR帧的POC号：** 如当前帧需要跳跃参考前面已被标记为LTR帧的POC号。

使用举例，实现[时域可分层视频编码介绍](#时域可分层视频编码介绍)中的4层时域分层结构的配置如下：

1. 在配置阶段，将`OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_LTR_FRAME_COUNT` 配置为5。

2. 在运行阶段输入轮转中，按如下表所示随帧配置LTR相关参数，下表中`\`表示不做配置。

    | 配置\POC | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
    | -------- |---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|----|----|----|----|----|----|----|
    | MARK_LTR | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0  | 0  | 1  | 0  | 0  | 0  | 1  |
    | USE_LTR  | \ | \ | 0 | \ | 0 | \ | 4 | \ | 0 | \ | 8  | \  | 8  | \  | 12 | 0  | 8  |

### 开发指导

基础编码流程请参考[视频编码开发指导](video-encoding.md)，下面仅针与基础视频编码过程中存在的区别做具体说明。

1. 在初始阶段创建编码实例时，校验当前视频编码器是否支持LTR特性。

    ```c++
    constexpr int32_t NEEDED_LTR_COUNT = 5;
    bool isSupported = false;
    int32_t supportedLTRCount = 0;
    // 1.1 获取对应编码器能力句柄，此处以H.264为例
    OH_AVCapability *cap = OH_AVCodec_GetCapability(OH_AVCODEC_MIMETYPE_VIDEO_AVC, true);
    // 1.2 通过特性能力查询接口校验是否支持LTR特性
    isSupported = OH_AVCapability_IsFeatureSupported(cap, VIDEO_ENCODER_LONG_TERM_REFERENCE);
    // 1.3 确定支持的LTR数目
    if (isSupported) {
        OH_AVFormat *properties = OH_AVCapability_GetFeatureProperties(cap, VIDEO_ENCODER_LONG_TERM_REFERENCE);
        OH_AVFormat_GetIntValue(properties, OH_FEATURE_PROPERTY_KEY_VIDEO_ENCODER_MAX_LTR_FRAME_COUNT, &supportedLTRCount);
        OH_AVFormat_Destroy(properties);
        // 1.4 判断LTR是否满足结构需求
        isSupported = supportedLTRCount >= NEEDED_LTR_COUNT;
    }
    ```

    若支持，且支持的LTR数目满足自身码流结构需求，则可以使能LTR特性。

2. 在配置之前注册回调时，注册随帧通路回调。

    Buffer输入模式示例：

    ```c++
    // 2.1 编码输入回调OH_AVCodecOnNeedInputBuffer实现
    static void OnNeedInputBuffer(OH_AVCodec *codec, uint32_t index, OH_AVBuffer *buffer, void *userData)
    {
        // 输入帧buffer对应的index，送入InIndexQueue队列
        // 输入帧的数据buffer送入InBufferQueue队列
        // 数据处理，请参考:
        // - 写入编码码流
        // - 通知编码器码流结束
        // - 随帧参数写入
        OH_AVFormat *format = OH_AVBuffer_GetParameter(buffer);
        OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_MARK_LTR, 1);
        OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_USE_LTR, 4);
        OH_AVBuffer_SetParameter(buffer, format);
        OH_AVFormat_Destroy(format);
        // 通知编码器buffer输入完成
        OH_VideoEncoder_PushInputBuffer(codec, index);
    }

    // 2.2 编码输出回调OH_AVCodecOnNewOutputBuffer实现
    static void OnNewOutputBuffer(OH_AVCodec *codec, uint32_t index, OH_AVBuffer *buffer, void *userData)
    {
        // 完成帧buffer对应的index，送入outIndexQueue队列
        // 完成帧的数据buffer送入outBufferQueue队列
        // 数据处理，请参考:
        // - 释放编码帧
        // - 记录POC和LTR生效情况
    }

    // 2.3 注册数据回调
    OH_AVCodecCallback cb;
    cb.onNeedInputBuffer = OnNeedInputBuffer;
    cb.onNewOutputBuffer = OnNewOutputBuffer;
    OH_VideoEncoder_RegisterCallback(codec, cb, nullptr);
    ```

    Surface输入模式示例：

    ```c++
    // 2.1 编码输入参数回调OH_VideoEncoder_OnNeedInputParameter实现
    static void OnNeedInputParameter(OH_AVCodec *codec, uint32_t index, OH_AVFormat *parameter, void *userData)
    {
        // 输入帧buffer对应的index，送入InIndexQueue队列
        // 输入帧的数据avformat送入InFormatQueue队列
        // 数据处理，请参考:
        // - 写入编码码流
        // - 通知编码器码流结束
        // - 随帧参数写入
        OH_AVFormat_SetIntValue(parameter, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_MARK_LTR, 1);
        OH_AVFormat_SetIntValue(parameter, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_PER_FRAME_USE_LTR, 4);
        // 通知编码器随帧参数配置输入完成
        OH_VideoEncoder_PushInputParameter(codec, index);
    }

    // 2.2 编码输出回调OH_AVCodecOnNewOutputBuffer实现
    static void OnNewOutputBuffer(OH_AVCodec *codec, uint32_t index, OH_AVBuffer *buffer, void *userData)
    {
        // 完成帧buffer对应的index，送入outIndexQueue队列
        // 完成帧的数据buffer送入outBufferQueue队列
        // 数据处理，请参考:
        // - 释放编码帧
        // - 记录POC和LTR生效情况
    }

    // 2.3 注册数据回调
    OH_AVCodecCallback cb;
    cb.onNewOutputBuffer = OnNewOutputBuffer;
    OH_VideoEncoder_RegisterCallback(codec, cb, nullptr);
    // 2.4 注册随帧参数回调
    OH_VideoEncoder_OnNeedInputParameter inParaCb = OnNeedInputParameter;
    OH_VideoEncoder_RegisterParameterCallback(codec, inParaCb, nullptr);
    ```

3. 在配置阶段，配置同时存在LTR最大数目。

    ```c++
    constexpr int32_t TGOP_SIZE = 3;
    // 3.1 创建配置用临时AVFormat
    OH_AVFormat *format = OH_AVFormat_Create();
    // 3.2 填充使能LTR个数键值对
    OH_AVFormat_SetIntValue(format, OH_MD_KEY_VIDEO_ENCODER_LTR_FRAME_COUNT, NEEDED_LTR_COUNT);
    // 3.3 参数配置
    int32_t ret = OH_VideoEncoder_Configure(videoEnc, format);
    if (ret != AV_ERR_OK) {
        // 异常处理
    }
    // 3.4 配置完成后销毁临时AVFormat
    OH_AVFormat_Destroy(format);
    ```

4. （可选）在运行阶段输出轮转中，获取码流对应时域层级信息。

    同全局时域分层特性。

    因在输入轮转有配置LTR参数，也可在输入轮转中中记录，输出轮转中找到对应的输入参数。

5. （可选）在运行阶段输出轮转中，使用步骤4获取的时域层级信息，自适应传输或自适应解码。

    同全局时域分层特性。