H.264再学习 -- 详解 H.264 NALU语法结构

Posted 2022-10-05 贺二公子

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了H.264再学习 -- 详解 H.264 NALU语法结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_29350001/article/details/78226286

文章目录

一、H.264 NALU语法结构
二、NAL 进阶
- 1、live 555 源码分析
- 2、从 RTSP 协议 SDP 数据中获得二进制的 SPS、PPS
三、相关的工程
四、H.264 学习资源

讲到H.264除了前两篇文章提到的，I、P、B帧。参看： I帧、P帧、B帧、IDR 关键帧介绍

还有其他相关术语：

NALU：H264编码数据存储或传输的基本单元，一般H264码流最开始的两个NALU是SPS和PPS，第三个NALU是IDR。SPS、PPS、SEI这三种NALU不属于帧的范畴。
SPS(Sequence Parameter Sets)：序列参数集，作用于一系列连续的编码图像。
PPS(Picture Parameter Set)：图像参数集，作用于编码视频序列中一个或多个独立的图像。
SEI(Supplemental enhancement information)：附加增强信息，包含了视频画面定时等信息，一般放在主编码图像数据之前，在某些应用中，它可以被省略掉。
IDR(Instantaneous Decoding Refresh)：即时解码刷新。
HRD(Hypothetical Reference Decoder)：假想码流调度器。

上面这些知识我还是了解的。但还是思考了半晌，不知道从哪讲起？它们之间的关系又该怎么讲？

想了解更多内容，参看：新一代视频压缩编码标准-H.264_AVC(第二版).pdf

一、H.264 NALU语法结构

在H.264/AVC视频编码标准中，整个系统框架被分为了两个层面：视频编码层面（VCL）和网络抽象层面（NAL）。其中，前者负责有效表示视频数据的内容，而后者则负责格式化数据并提供头信息，以保证数据适合各种信道和存储介质上的传输。因此我们平时的每帧数据就是一个NAL单元（SPS与PPS除外）。在实际的H264数据帧中，往往帧前面带有00 00 00 01 或 00 00 01分隔符，一般来说编码器编出的首帧数据为PPS与SPS，接着为I帧……

然后我们参看：FFmpeg再学习 – 视音频基础知识

使用 UltraEdit 查看一个 h.264 文件信息

其中 SPS、PPS 文章开始也讲了。

SPS(Sequence Parameter Sets)：序列参数集，作用于一系列连续的编码图像。
PPS(Picture Parameter Set)：图像参数集，作用于编码视频序列中一个或多个独立的图像。

如上图，在H264码流中，都是以"0x00 0x00 0x01"或者"0x00 0x00 0x00 0x01"为开始码的，找到开始码之后，使用开始码之后的第一个字节的低 5 位判断是否为 7(sps)或者 8(pps), 即 data[4] & 0x1f == 7 || data[4] & 0x1f == 8。然后对获取的 nal 去掉开始码之后进行 base64 编码，得到的信息就可以用于 sdp。 sps和pps需要用逗号分隔开来。

上图中，00 00 00 01是一个nalu的起始标志。后面的第一个字节，0x67，是nalu的类型，type & 0x1f == 0x7表示这个nalu是sps，type & 0x1f == 0x8表示是pps。

接下来我们来讲解一下NALU语法结构：

H264基本码流由一些列的NALU组成。原始的NALU单元组成：

[start code] + [NALU header] + [NALU payload]；

H264基本码流结构分两层：视频编码层VCL和网络适配层NAL，这样使信号处理和网路传输分离

H.264码流在网络中传输时实际是以NALU的形式进行传输的.

每个NALU由一个字节的Header和RBSP组成.

NAL Header 的组成为：

forbidden_zero_bit(1bit) + nal_ref_idc(2bit) + nal_unit_type(5bit)

1、forbidden_zero_bit：

禁止位，初始为0，当网络发现NAL单元有比特错误时可设置该比特为1，以便接收方纠错或丢掉该单元。
2、nal_ref_idc：

nal重要性指示，标志该NAL单元的重要性，值越大，越重要，解码器在解码处理不过来的时候，可以丢掉重要性为0的NALU。

3、nal_unit_type：NALU类型取值如下表所示：

句法表中的 C 字段表示该句法元素的分类，这是为片区服务。

不过上面这张图，我实在没有找到出处啊。但是我在 x264 里看到了这个。

其中需要关注的是 SEI、SPS、PPS。我在 LIVE555 里又看到这个。

这不就是上面我们讲到的，nalu的类型 type &0x1f == 0x7表示这个nalu是sps，type & 0x1f == 0x8表示是pps。

接下来我们来举个例子，来讲解下：

该视频下载：H.264 示例视频和工具

00 00 00 01 为起始符，67 即 nal_unit_type。

0x67的二进制是 0110 0111

则 forbidden_zero_bit(1bit) = 0；
nal_ref_idc(2bit) = 3；
nal_unit_type(5bit) = 7；即 SPS 类型。

然后看另一部分 RBSP

这里提一下 SODB 和 RBSP 关系

SODB(String Of Data Bits)：最原始的编码数据RBSP, 长度不一定是8的倍数，此时需要对齐.　
RBSP：在SODB的后面填加了结尾比特（RBSP trailing bits 一个bit“1”）若干比特“0”,以便字节对齐。

我们知道码流是由一个个的NAL Unit组成的，NALU是由NALU头和RBSP数据组成，而RBSP可能是SPS，PPS，Slice或SEI，目前我们这里SEI不会出现，而且SPS位于第一个NALU，PPS位于第二个NALU，其他就是Slice(严谨点区分的话可以把IDR等等再分出来)了。

而上面这个h.264文件，相当于包含两个 NALU吧，第一个是SPS，第二个是PPS。

我们先看第一个NALU（SPS）的 RBSP (10个字节)

67 4D 40 33 92 54 0C 04 B4 20

转换成二进制：

0110 0111
0100 1101
0100 0000
0011 0011
1001 0010
0101 0100
0000 1100
0000 0100
1011 0100
0010 0000

先看NALU头，解析结果如下：

forbidden_zero_bit = 0 // 0 u(1)
nal_ref_idc = 3 // 11 u(2)
nal_unit_type = 7 // 00111 u(5)
这就对了，看看 NAL_SPS = 7;

接下来进入 RBSP，先讲SPS的

还记得视频编码数据工具 Elecard Stream Eye

参看：FFmpeg再学习 – 视音频基础知识

点击 show\\hide info 可查看 File 和 Headers （重点）

这里在推荐一款软件下载：视频分析工具H264Visa

我们就是根据上图里的内容来进行分析。

profile_idc = 77 // 0100 1101 u(8) Main 参看：H264 各profiles用途和特点

constraint_set0_flag = 0 //0 u(1)
constraint_set1_flag = 1 //1 u(1)
constraint_set1_flag = 0 //0 u(1)
reserved_zero_5bits = 1 //1 u(5)
level_idc = 51 //0011 0011 u(8)

对于 seq_parameter_set_id，我们看到它是ue(v)，这是一种指数哥伦布编码

扩展：

参看：指数哥伦布码

指数哥伦布编码是一种在编码技术中经常用到的编码，其是无损编码，在HEVC中以及之前的编码技术H.264/AVC中，由于其可以由编码直接解得码字的变长码，所以广受欢迎。HM源码中的SPS/PPS和每个片的头部分都是用哥伦布编码进行编码。
对于一个需要编码的数 x，按照以下的几步进行编码：

按照二进制形式写下 x+1，
根据写下的数字，计算出当前数值的位数，然后在该数的前面加上当前数值位数减一后得到的数值个数的零。

例如：编码“3”

该数加一后（即4）的二进制为100，
当前数值的位数是三位，3减去1后得到2，所以在“100”的前方加上两个零，得“00100”即为3的哥伦布码。

下面列出1-8的哥伦布码：
0=> 1=> 1
1=> 10=> 010
2=> 11=> 011
3=> 100=> 00100
4=> 101=> 00101
5=> 110=> 00110
6=> 111=> 00111
7=> 1000=> 0001000
8=> 1001=> 0001001

哥伦布码扩展到负数范围
每一个负数进行编码的时候，将其映射到其绝对值的两倍。即-4映射为8进行编码；正数的映射为其两倍减一进行编码，即4映射为7进行编码。
例如：
0 => 0 => 1 => 1
1 => 1 => 10 => 010
-1 => 2 => 11 => 011
2 => 3 => 100 => 00100
-2 => 4 => 101 => 00101
3 => 5 => 110 => 00110
-3 => 6 => 111 => 00111
4 => 7 => 1000 => 0001000
-4 => 8 => 1001 => 0001001

K阶指数哥伦布码
为了用更少的比特表示更大的数值，可以使用多阶指数哥伦布编码（代价是相比起之前的0阶哥伦布码来书，小的数值可能需要更多的比特去表示）
进行K阶哥伦布编码的步骤是

确定进行编码的阶数K
将原数映射到” X + (2^k) -1” （即如果在3阶条件下编码4，则其将被映射到4+2^3-1=11）
将上一步骤得到的数值进行0阶编码得到0阶哥伦布码（11->0001100）
去掉码的前部分k个前导零（0001100->1100）

在进行解码的时候，从bit stream中寻找第一个非零比特值，然后把之前遇到的零的个数存在leadingzerobit参数中，即可根据该参数去被编码值了。

上面讲到的只是 ue(v)，但是还有其他的像是 se(v)，又是什么?

参看：H264的句法和语义(二)

H264定义了如下几种描述子：


ae(v)	基于上下文自适应的二进制算术熵编码；
b(8)	读进连续的8个比特；
ce(v)	基于上下文自适应的可变长熵编码；
f(n)	读进连续的n个比特；
i(n)/i(v)	读进连续的若干比特，并把他们解释为有符号整数；
me(v)	映射指数Golomb熵编码；
se(v)	有符号指数Golomb熵编码；
te(v)	截断指数Golomb熵编码；
u(n)/u(v)	读进连续的若干比特，并将它们解释为无符号整数；
ue(v)	无符号指数Golomb熵编码。

我们看到，描述子都在括号中带有一个参数，这个参数表示需要提取的比特数。

当参数是n时，表明调用这个描述子的时候回指明n的值，也即该句法元素是定长编码。

当参数是v时，对应的句法元素是变成编码，这时有两种情况：

i(v)和u(v)两个描述子的v由以前的句法元素指定，也就是说在前面会有句法元素指定当前句法元素的比特长度；陈列这两个描述子外，其他描述子都是熵编码，他们的解码算术本身能够确定当前句法元素的比特长度。

seq_parameter_set_id = 0 // 1 ue(v)
log2_max_frame_num_minus4 = 3 //00100 ue(v)
pic_order_cnt_type = 0 //1 ue(v)
log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4 = 4 //00101 ue(v)
num_ref_frames = 1//010 ue(v)
gaps_in_frame_num_value_allowed_flag = 0 //0
pic_width_in_mbs_minus1 = 23 // 000011000 ue(v) (23+1)*16 = 384
pic_height_in_map_units_minus1 = 17 //000010010 ue(v) (17+1)*16 = 288
frame_mbs_only_flag = 1 //1
direct_8x8_inference_flag = 1 //1
frame_cropping_flag = 0 //0
vui_parameters_present_flag = 1 //1

以上分析部分和视频分析工具 header info SPS 比较发现结果是一致的。

SPS部分讲完了，然后再看 PPS

00 00 00 01 68 EE 3C 80

首先起始符 00 00 00 01

然后 68 即 nal_unit_type。

0x68的二进制是 0110 1000

则 forbidden_zero_bit(1bit) = 0；
nal_ref_idc(2bit) = 3；
nal_unit_type(5bit) = 8；即 PPS 类型。

然后再看 RBSP 部分

用视频分析工具得出的结果如下图：

将 EE 3C 80

转换成二进制：

1110 1110
0011 1100
1000 0000

pic_parameter_set_id = 0 //1 ue(v)
seq_parameter_set_id = 0 //1 ue(v)
entropy_coding_mode_flag = 1 //1
pic_order_present_flag = 0 //0
num_slice_groups_minus1 = 0 //1 ue(v)
num_ref_idx_l0_default_active_minus1 = 0 //1 ue(v)
num_ref_idx_l1_default_active_minus1 = 0 //1 ue(v)
weighted_pred_flag = 0 //0
weighted_bipred_idc = 0 //00
pic_init_qp_minus26 = 0 //1 ue(v)
pic_init_qs_minus26 = 0 //1 ue(v)
chroma_qp_index_offset = 0 //1 ue(v)
deblocking_filter_control_present_flag = 1 //1
constrained_intra_pred_flag = 0 // 0
redundant_pic_cnt_present_flag = 0 // 0

以上分析部分和视频分析工具 header info PPS 比较发现结果是一致的。

上面部分参看：一步一步解析H.264码流的NALU(SPS,PSS,IDR) 同理可能还有 slice 部分的分析，这里不做介绍了

想深入了解的

参看：H.264学习笔记之一（层次结构，NAL，SPS）

参看：H.264学习笔记之二（片及片头语法）

参看：H.264句法和语法总结系列

记得一定要看哦，讲的是真好。还是贴出两张 NAL 句法，不然上面的讲的内容没一点解释，以后再看会有点懵。

到此，NALU语法结构大致讲完了。

二、NAL 进阶

我们上面有提到对获取的 nal 去掉开始码之后进行 base64 编码，这里有个 base64 编码，它是怎么回事？

1、live 555 源码分析

查看 live555 源码 live/liveMedia/H264VideoRTPSink.cpp +109

char const* H264VideoRTPSink::auxSDPLine() 
  // Generate a new "a=fmtp:" line each time, using our SPS and PPS (if we have them),
  // otherwise parameters from our framer source (in case they've changed since the last time that
  // we were called):
  H264or5VideoStreamFramer* framerSource = NULL;
  u_int8_t* vpsDummy = NULL; unsigned vpsDummySize = 0;
  u_int8_t* sps = fSPS; unsigned spsSize = fSPSSize;
  u_int8_t* pps = fPPS; unsigned ppsSize = fPPSSize;
  if (sps == NULL || pps == NULL) 
    // We need to get SPS and PPS from our framer source:
    if (fOurFragmenter == NULL) return NULL; // we don't yet have a fragmenter (and therefore not a source)
    framerSource = (H264or5VideoStreamFramer*)(fOurFragmenter->inputSource());
    if (framerSource == NULL) return NULL; // we don't yet have a source
 
    framerSource->getVPSandSPSandPPS(vpsDummy, vpsDummySize, sps, spsSize, pps, ppsSize);
    if (sps == NULL || pps == NULL) return NULL; // our source isn't ready
  
 
  // Set up the "a=fmtp:" SDP line for this stream:
  u_int8_t* spsWEB = new u_int8_t[spsSize]; // "WEB" means "Without Emulation Bytes"
  unsigned spsWEBSize = removeH264or5EmulationBytes(spsWEB, spsSize, sps, spsSize);
  if (spsWEBSize < 4)  // Bad SPS size => assume our source isn't ready
    delete[] spsWEB;
    return NULL;
  
  u_int32_t profileLevelId = (spsWEB[1]<<16) | (spsWEB[2]<<8) | spsWEB[3];
  delete[] spsWEB;
 
  char* sps_base64 = base64Encode((char*)sps, spsSize);
  char* pps_base64 = base64Encode((char*)pps, ppsSize);
 
  char const* fmtpFmt =
    "a=fmtp:%d packetization-mode=1"
    ";profile-level-id=%06X"
    ";sprop-parameter-sets=%s,%s\\r\\n";
  unsigned fmtpFmtSize = strlen(fmtpFmt)
    + 3 /* max char len */
    + 6 /* 3 bytes in hex */
    + strlen(sps_base64) + strlen(pps_base64);
  char* fmtp = new char[fmtpFmtSize];
  sprintf(fmtp, fmtpFmt,
          rtpPayloadType(),
	  profileLevelId,
          sps_base64, pps_base64);
 
  delete[] sps_base64;
  delete[] pps_base64;
 
  delete[] fFmtpSDPLine; fFmtpSDPLine = fmtp;
  return fFmtpSDPLine;

跳转查看 base64Encode

char* base64Encode(char const* origSigned, unsigned origLength) 
  unsigned char const* orig = (unsigned char const*)origSigned; // in case any input bytes have the MSB set
  if (orig == NULL) return NULL;
 
  unsigned const numOrig24BitValues = origLength/3;
  Boolean havePadding = origLength > numOrig24BitValues*3;
  Boolean havePadding2 = origLength == numOrig24BitValues*3 + 2;
  unsigned const numResultBytes = 4*(numOrig24BitValues + havePadding);
  char* result = new char[numResultBytes+1]; // allow for trailing '\\0'
 
  // Map each full group of 3 input bytes into 4 output base-64 characters:
  unsigned i;
  for (i = 0; i < numOrig24BitValues; ++i) 
    result[4*i+0] = base64Char[(orig[3*i]>>2)&0x3F];
    result[4*i+1] = base64Char[(((orig[3*i]&0x3)<<4) | (orig[3*i+1]>>4))&0x3F];
    result[4*i+2] = base64Char[((orig[3*i+1]<<2) | (orig[3*i+2]>>6))&0x3F];
    result[4*i+3] = base64Char[orig[3*i+2]&0x3F];
  
 
  // Now, take padding into account.  (Note: i == numOrig24BitValues)
  if (havePadding) 
    result[4*i+0] = base64Char[(orig[3*i]>>2)&0x3F];
    if (havePadding2) 
      result[4*i+1] = base64Char[(((orig[3*i]&0x3)<<4) | (orig[3*i+1]>>4))&0x3F];
      result[4*i+2] = base64Char[(orig[3*i+1]<<2)&0x3F];
     else 
      result[4*i+1] = base64Char[((orig[3*i]&0x3)<<4)&0x3F];
      result[4*i+2] = '=';
    
    result[4*i+3] = '=';
  
 
  result[numResultBytes] = '\\0';
  return result;

2、从 RTSP 协议 SDP 数据中获得二进制的 SPS、PPS

我不会告诉你，上面base64 编码什么的我没看懂…

但是不妨碍，有一个工具： Base64编码/解码器在线解码可以base64编解码。

我们试一下：

你用也可以用通过程序来实现 base64编解码。

参看：从RTSP协议SDP数据中获得二进制的SPS、PPS

我们已经知道，在RTSP协议中DESCRIBE请求回复内容的SDP部分中，如果服务端的直播流的视频是H264的编码格式的话，那么在SDP中会将H264的sps、pps信息通过Base64编码成字符串发送给客户端(也就是解码器端)，sps称为序列参数集，pps称为图形参数集。这两个参数中包含了初始化H.264解码器所需要的信息参数，包括编码所用的profile，level，图像的宽和高，deblock滤波器等。这样解码器就可以在DESCRIBE阶段，利用这些参数初始化解码器的设置了。那么如何将SDP中的字符串还原成sps、pps的二进制数据呢。下面的部分代码是从live555项目中取出来的，可以作为小功能独立使用，如果大家有用的着，可以直接拿去使用在项目中：

//main.cpp的内容
 
#include <stdio.h>
#include "Base64.h"
 
int main()

    /*
        RTSP 响应的SDP的内容中sprop-parameter-sets键值：
        sprop-parameter-sets=Z2QAKq2wpDBSAgFxQWKQPQRWFIYKQEAuKCxSB6CKwpDBSAgFxQWKQPQRTDoUKQNC4oJHMGIemHQoUgaFxQSOYMQ9MOhQpA0LigkcwYh6xEQmIVilsQRWUURJsogxOU4QITKUIEVlCCTYQVhBMJQhMIjGggWQJFaIGBJZBAaEnaMIDwsSWQQKCwsrRBQYOWQweO0YEBZASNAogszlAUAW7/wcFBwMQAABdwAAr8g4AAADAL68IAAAdzWU//+MAAADAF9eEAAAO5rKf//CgA==,aP48sA==;
        其中逗号前面的内容是sps的二进制数据被base64之后的结果
        而逗号后面的内容(不要分号,分号是sdp中键值对的分隔符),是pps的内容
        使用live555中的base64Decode函数分别对这两部分进行反base64解码得到的二进制数据就是h264中的sps pps 的二进制内容
        分别是以67 和 68 开头
    */
    char * sps_sdp = "Z2QAKq2wpDBSAgFxQWKQPQRWFIYKQEAuKCxSB6CKwpDBSAgFxQWKQPQRTDoUKQNC4oJHMGIemHQoUgaFxQSOYMQ9MOhQpA0LigkcwYh6xEQmIVilsQRWUURJsogxOU4QITKUIEVlCCTYQVhBMJQhMIjGggWQJFaIGBJZBAaEnaMIDwsSWQQKCwsrRBQYOWQweO0YEBZASNAogszlAUAW7/wcFBwMQAABdwAAr8g4AAADAL68IAAAdzWU//+MAAADAF9eEAAAO5rKf//CgA==";
    char * pps_sdp = "aP48sA==";
    unsigned int result_size=0;
    unsigned char * p = base64Decode(sps_sdp,result_size);
    for(int i =0;i<result_size;i++)
    
        printf("%02X ",p[i]);
        if((i+1)%16==0)
        
            printf("\\n");
               
    
    printf("\\n\\n\\n");   
    p = base64Decode(pps_sdp,result_size);
    for(int i =0;i<result_size;i++)
    
        printf("%02X ",p[i]);
        if((i+1)%16==0)
        
            printf("\\n");
               
    
    printf("\\n");   
    return 0 ;
<br>
/*
程序的解码输出如下,得到的分别是3500的sps和pps内容：
 
67 64 00 2A AD B0 A4 30 52 02 01 71 41 62 90 3D 
04 56 14 86 0A 40 40 2E 28 2C 52 07 A0 8A C2 90 
C1 48 08 05 C5 05 8A 40 F4 11 4C 3A 14 29 03 42 
E2 82 47 30 62 1E 98 74 28 52 06 85 C5 04 8E 60 
C4 3D 30 E8 50 A4 0D 0B 8A 09 1C C1 88 7A C4 44 
26 21 58 A5 B1 04 56 51 44 49 B2 88 31 39 4E 10 
21 32 94 20 45 65 08 24 D8 41 58 41 30 94 21 30 
88 C6 82 05 90 24 56 88 18 12 59 04 06 84 9D A3 
08 0F 0B 12 59 04 0A 0B 0B 2B 44 14 18 39 64 30 
78 ED 18 10 16 40 48 D0 28 82 CC E5 01 40 16 EF 
FC 1C 14 1C 0C 40 00 01 77 00 00 AF C8 38 00 00 
03 00 BE BC 20 00 00 77 35 94 FF FF 8C 00 00 03 
00 5F 5E 10 00 00 3B 9A CA 7F FF C2 80 
 
68 FE 3C B0
*/

其中用到的一个主要函数 base64Decode 的实现如下：

#include "Base64.h"
#include "strDup.h"
#include <string.h>
 
static char base64DecodeTable[256];
 
static void initBase64DecodeTable() 
  int i;
  for (i = 0; i < 256; ++i) base64DecodeTable[i] = (char)0x80;
      // default value: invalid
 
  for (i = 'A'; i <= 'Z'; ++i) base64DecodeTable[i] = 0 + (i - 'A');
  for (i = 'a'; i <= 'z'; ++i) base64DecodeTable[i] = 26 + (i - 'a');
  for (i = '0'; i <= '9'; ++i) base64DecodeTable[i] = 52 + (i - '0');
  base64DecodeTable[(unsigned char)'+'] = 62;
  base64DecodeTable[(unsigned char)'/'] = 63;
  base64DecodeTable[(unsigned char)'='] = 0;

 
unsigned char* base64Decode(char const* in, unsigned& resultSize,
                Boolean trimTrailingZeros) 
  static Boolean haveInitedBase64DecodeTable = False;
  if (!haveInitedBase64DecodeTable) 
    initBase64DecodeTable();
    haveInitedBase64DecodeTable = True;
  
 
  unsigned char* out = (unsigned char*)strDupSize(in); // ensures we have enough space
  int k = 0;
  int const jMax = strlen(in) - 3;
     // in case "in" is not a multiple of 4 bytes (although it should be)
  for (int j = 0; j < jMax; j += 4) 
    char inTmp[4], outTmp[4];
    for (int i = 0; i < 4; ++i) 
      inTmp[i] = in[i+j];
      outTmp[i] = base64DecodeTable[(unsigned char)inTmp[i]];
      if ((outTmp[i以上是关于H.264再学习 -- 详解 H.264 NALU语法结构的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
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