8K HDR!｜为 Chromium 实现 HEVC 硬解 - 原理实测指南

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本文作者：朱思达 飞书技术团队

HEVC 的现状

背景简介

什么是 HEVC ？简单说就是一种比 H264 压缩效率更高的现代视频编码格式，它支持 8K，支持 HDR，支持广色域，支持最高 16bit 的色彩深度，最高 YUV444 的色彩抽样，总之一句话，是一种用来取代现有 H264 的更高效、现代的视频编码格式，且目前已经被各类硬件广泛支持。

然而因为版权和技术派别等原因，这种格式一直没有被浏览器很好支持，尤其是目前市占率最高的 Chrome，一月初看到了一条 B 站用户吐槽 HEVC 解码性能/发热问题的新闻（感谢 B 站在 HEVC WASM 解码方案上的探索），考虑到这也是困扰业界很久的问题，大量依赖 HEVC 的 Web 项目均被迫产出了各种各样 Workaround 方案，但效果一直都不是最理想的，心想不如帮 Chromium 实现一下 HEVC 硬解吧。

本文简述了 Web 解码方案现状，介绍了作者为 Chromium 浏览器实现 & 完善硬解过程中遇到的问题和实现原理，并在文末附加了测试结果，预编译版本供参考，希望可以解决 FrontEnd 苦 HEVC 久矣的问题。

也可以提前下载 Chrome Canary（https://www.google/chrome/canary/） ，体验 HEVC 硬解功能（ChromeOS、Android、Mac、Windows 需要添加启动参数 --enable-features=PlatformHEVCDecoderSupport，Linux 版本暂未支持）。

主流设备早已支持且广泛使用

在 2015 年，苹果的 iPhone6s 就已经在其 A9 芯片内首次实现了 HEVC 硬解能力，同年，Intel 在第六代 Skylake 的 HD500 系列核显上，NVIDIA 在 GTX900 系列独显上，也先后支持了 HEVC 硬解。

在 2017 年发布的 iOS11, macOS 10.13 上，苹果继续完成了其 VideoToolbox 编解码框架对 HEVC 编解码能力的支持，微软也发布了 HEVC Video Extension 作为 Windows PC 环境 HEVC 解码的能力对标。

从此 HEVC 成为苹果，安卓默认视频格式，成为绝大多数单反 / 无人机 / 摄像设备的主推格式。

直到今年，也就是 2022 年，iPhone 已经出到了 13，芯片技术已经提升到了 5 纳米，然而我们所使用的大部分浏览器依然无法播放 HEVC 视频。

硬解的必要性

更低的发热

所谓硬解，即指使用 GPU 内专用于解码的芯片来处理解码工作，由于 GPU 多核心低频且专一的优势，在解码视频时发热和功耗显著低于 CPU。

更好的性能

通过将 CPU 从繁重的解码工作中解放，可极大程度降低系统卡顿。

且 GPU 天生适合进行图形解码工作，解码性能秒杀 CPU，视频分辨率越高，显卡解码越可以做到不掉帧输出，因此“永远不要指望单纯靠 CPU 软解可以流畅播放 8K 60 帧的 HEVC 视频”。

总结

HEVC 是目前桌面端或手机端播放器最主流的编码格式，考虑到其编码复杂度高，解码更耗费资源，因此为其实现硬解非常必要。

HEVC 解码的方案

浏览器解码现状

首先先来看看 Web 侧解码的现状：

Windows

macOS

​目前业内常用的 Web HEVC 解码方案大致可以分为两种：“换浏览器” 或 “WASM 软解”，他们各自有各自的优势和使用场景。

浏览器-Edge (硬解，仅 Windows）

Chromium 内核的 Edge 在 Windows 系统下，额外支持了硬解 HEVC 视频，但必须满足如下条件：

1. 操作系统版本必须为 Windows 10 1709（16299.0）及以后版本。

2. 安装付费的 HEVC 视频扩展或免费的来自设备制造商的 HEVC 视频扩展且版本号必须大于等于 1.0.50361.0（由于一个存在了一年半以上的 Bug，老版本存在抖动的 Bug，Issue：https://techcommunity.microsoft/t5/discussions/hevc-video-decoding-broken-with-b-frames/td-p/2077247/page/4）。

​3. 版本号必须大于等于 Edge 99 。

​在安装插件后，进入 edge://gpu 页面，可以查看 Edge 对于 HEVC 硬解支持的 Profile：

​出现上图所示的字样，则证明硬解开启成功。

指标：

1. 分辨率最高支持 8192px * 8192px。

2. 支持 HEVC Main / Main10 / Main Still Picture Profile。

优势：

1. 在显卡支持的情况，性能是最好的。

2. HTMLVideoElement、MSE 等原生 API 的直接支持。

劣势：

1. 不支持 Windows 8 和老版本 Windows 10。

2. 需要手动装插件。

3. HDR 支持不够好。

浏览器-Safari (硬解，仅 macOS）

由于 Apple 是 HEVC 标准的主要推动者，因此早在 17 年的 Safari 11 即完成了 HEVC 视频硬解的支持，无需安装任何插件开箱即用。

指标：

1. 分辨率最高支持 8192px * 8192px。

2. 支持 HEVC Main / Main10 Profile，M1+ 机型支持部分 HEVC Rext Profile。

优势：

1. 在显卡支持的情况，性能是最好的。

2. HTMLVideoElement、MSE 等原生 API 的直接支持。

3. 开箱即用，无需装插件。

4. HDR 支持最好（比如：杜比视界 Profile5，杜比全景声）。

劣势：

1. 生态不足，缺乏大量 Chromium 内核下“可用、好用的”插件。

2. Safari 俗称“下一个 IE”，其浏览器 API 兼容性与实现，相比 Chromium 仍有差距。

3. 部分 HEVC 视频莫名其妙无法播放，哪怕视频本身没问题。

前端解码-WASM（软解，任何平台）

此类方案绝大部分基于 WASM + FFMPEG 编译实现，支持所有支持 WASM 的浏览器。

指标：

1. 支持 FFMPEG 支持的所有分辨率和 Profile。

优势：

1. 不挑浏览器，是纯前端的技术实现。

劣势：

1. 需要依赖所在版本浏览器 WASM 的稳定性。

2. 不支持硬解，因为软解+性能损耗的缘故，性能有其天花板，4K 以上视频即使使用 5950X 这样的顶级 CPU 也会卡顿掉帧。

3. 非 HTML Video Element、MSE、EME 原生 API，需要手动用 js 初始化视频播放，使用有成本。

浏览器-本文方案（硬 / 软解，Windows / macOS / Linux）

本文尝试直接为 Chromium 实现硬解，因为尽管 Safari 和 Edge 均已经实现了 HEVC 硬解，但它们均为闭源软件，无法被各种开源框架集成，而因为 Chromium 是开源的，这可以确保所有人可自行编译支持 Windows / macOS / Linux 硬解的 Chromium / Electron / CEF，考虑到实现原理部分较长，因此如果你感兴趣，可直接下载预编译版本（https://github/StaZhu/enable-chromium-hevc-hardware-decoding/releases）进行测试（未来会被包含在 Chrome 正式版本内，预编译版本可供大家尝鲜提前试用，也可下载 Chrome Canary），或跳到测评部分查看与 Edge / Safari 的对比。

HEVC 硬解的实现原理

正是因为如上瓶颈，“让专业的人做专业的事”这句话同样适用视频解码，GPU 硬解是很有必要的。GPU 解码的存在正是为了让解码工作可以充分利用显卡内部专用芯片，分担 CPU 解码时的压力，因此支持更多格式的硬解能力，已然成为众多显卡厂商的一大卖点。

首先我们需要做一些调研，研究下目前硬解框架是如何存在，并支持哪些“系统” or “GPU”。

下表来自 FFMPEG 项目对不同解码框架硬解支持情况的总结（来源：https://trac.ffmpeg/wiki/HWAccelIntro）

​硬解框架的支持情况，表格内容来自 FFmpeg 官网

可以看到硬解框架五花八门，不同的显卡厂商和设备有各自的专用解码框架，操作系统也有定义好的通用解码框架，由于显卡厂商众多，因此大部分播放器一般均基于通用框架实现硬解，少部分播放器在人力充裕的情况可能会为了更好的性能（显卡厂商自己的框架一般比通用框架性能更好，但也不绝对）额外对专用框架二次实现。

其中 Windows 平台通用的解码框架有 Media Foundation, Direct3D 11, DXVA2, 以及 OpenCL。macOS 平台通用的解码框架只有一个，也就是苹果自己的 VideoToolbox。Linux 平台的通用解码框架有 VAAPI 和 OpenCL。

显然，对于 Chrome 而言，为了更好的兼容性和稳定性，基于通用硬解框架实现硬解，更符合最小成本最大收益的目标，并提升了可维护性。

理解 Chromium 解码流程

根据 Chromium Media 模块简介可知，浏览器将音视频播放一共抽象成三种类型，我们比较常见的有：Video Element 标签，MSE API。此外还有支持加密视频播放的 EME API，这三种在底层又存在多种复用关系。

​Chromium 的解码流程，图片来自 Chromium 代码仓库

那么到了最底层的解码模块，整体逻辑大概可以简述为：

1. 浏览器会从列表中依次按照顺序查找 Decoder，通常来说优先级最高的是硬解 Decoder, 然后会尝试软解 Decoder。

2. 如有命中其中的某个 Decoder 则执行后续解码逻辑。

3. 如没有命中的 Decoder，则解码失败，中止。

因此，为了实现 HEVC 硬解，我们首先需要找到各个平台的通用硬解 Decoder：

• 对于 Windows，根据操作系统以及显卡驱动版本，分为两种：D3D11VideoDecoder 和 VDAVideoDecoder，前者在大于 Windows8 且支持 D3D11 的系统默认被使用，后者则在前者不被使用时（比如 Windows 7）作为 Backup 方案被使用。

• 对于 macOS，为 VDAVideoDecoder。

• 对于 Linux，为 VAAPIVideoDecoder。

macOS 的硬解

在了解了大致背景后，便可以开始探索实现 HEVC 硬解实现了，考虑到 Apple 其最新 Apple Silicon 芯片专门实现了支持 H.264、HEVC 和 ProRes 的专用编解码媒体处理引擎，看在 Apple 这么努力的份上，我首先挑选了 macOS 平台来进行尝试

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