TS视频一

Posted 2020-09-19 朝阳

ts文件

    ts文件为传输流文件，视频编码主要格式h264/mpeg4，音频为acc/MP3。

   ts文件分为三层：ts层Transport Stream、pes层 Packet Elemental Stream、es层 Elementary Stream. es层就是音视频数据，pes层是在音视频数据上加了时间戳等对数据帧的说明信息，ts层就是在pes层加入数据流的识别和传输必须的信息

（1）ts层     ts包大小固定为188字节，ts层分为三个部分：ts header、adaptation field、payload。ts header固定4个字节；adaptation field可能存在也可能不存在，主要作用是给不足188字节的数据做填充；payload是pes数据。

ts header

sync_byte	8b	同步字节，固定为0x47
transport_error_indicator	1b	传输错误指示符，表明在ts头的adapt域后由一个无用字节，通常都为0，这个字节算在adapt域长度内
payload_unit_start_indicator	1b	负载单元起始标示符，一个完整的数据包开始时标记为1
transport_priority	1b	传输优先级，0为低优先级，1为高优先级，通常取0
pid	13b	pid值
transport_scrambling_control	2b	传输加扰控制，00表示未加密
adaptation_field_control	2b	是否包含自适应区，‘00’保留；‘01’为无自适应域，仅含有效负载；‘10’为仅含自适应域，无有效负载；‘11’为同时带有自适应域和有效负载。
continuity_counter	4b	递增计数器，从0-f，起始值不一定取0，但必须是连续的

     ts层的内容是通过PID值来标识的，主要内容包括：PAT表、PMT表、音频流、视频流。解析ts流要先找到PAT表，只要找到PAT就可以找到PMT，然后就可以找到音视频流了。PAT表的PID值固定为0。PAT表和PMT表需要定期插入ts流，因为用户随时可能加入ts流，这个间隔比较小，通常每隔几个视频帧就要加入PAT和PMT。PAT和PMT表是必须的，还可以加入其它表如SDT（业务描述表）等，不过hls流只要有PAT和PMT就可以播放了。

• PAT表：他主要的作用就是指明了PMT表的PID值。

• PMT表：他主要的作用就是指明了音视频流的PID值。

• 音频流/视频流：承载音视频内容。

adaption

adaptation_field_length	1B	自适应域长度，后面的字节数
flag	1B	取0x50表示包含PCR或0x40表示不包含PCR
PCR	5B	Program Clock Reference，节目时钟参考，用于恢复出与编码端一致的系统时序时钟STC（System Time Clock）。
stuffing_bytes	xB	填充字节，取值0xff

     自适应区的长度要包含传输错误指示符标识的一个字节。pcr是节目时钟参考，pcr、dts、pts都是对同一个系统时钟的采样值，pcr是递增的，因此可以将其设置为dts值，音频数据不需要pcr。如果没有字段，ipad是可以播放的，但vlc无法播放。打包ts流时PAT和PMT表是没有adaptation field的，不够的长度直接补0xff即可。视频流和音频流都需要加adaptation field，通常加在一个帧的第一个ts包和最后一个ts包里，中间的ts包不加。

 

PAT格式

table_id	8b	PAT表固定为0x00
section_syntax_indicator	1b	固定为1
zero	1b	固定为0
reserved	2b	固定为11
section_length	12b	后面数据的长度
transport_stream_id	16b	传输流ID，固定为0x0001
reserved	2b	固定为11
version_number	5b	版本号，固定为00000，如果PAT有变化则版本号加1
current_next_indicator	1b	固定为1，表示这个PAT表可以用，如果为0则要等待下一个PAT表
section_number	8b	固定为0x00
last_section_number	8b	固定为0x00
开始循环
program_number	16b	节目号为0x0000时表示这是NIT，节目号为0x0001时,表示这是PMT
reserved	3b	固定为111
PID	13b	节目号对应内容的PID值
结束循环
CRC32	32b	前面数据的CRC32校验码

PMT格式

table_id	8b	PMT表取值随意，0x02
section_syntax_indicator	1b	固定为1
zero	1b	固定为0
reserved	2b	固定为11
section_length	12b	后面数据的长度
program_number	16b	频道号码，表示当前的PMT关联到的频道，取值0x0001
reserved	2b	固定为11
version_number	5b	版本号，固定为00000，如果PAT有变化则版本号加1
current_next_indicator	1b	固定为1
section_number	8b	固定为0x00
last_section_number	8b	固定为0x00
reserved	3b	固定为111
PCR_PID	13b	PCR(节目参考时钟)所在TS分组的PID，指定为视频PID
reserved	4b	固定为1111
program_info_length	12b	节目描述信息，指定为0x000表示没有
开始循环
stream_type	8b	流类型，标志是Video还是Audio还是其他数据，h.264编码对应0x1b，aac编码对应0x0f，mp3编码对应0x03
reserved	3b	固定为111
elementary_PID	13b	与stream_type对应的PID
reserved	4b	固定为1111
ES_info_length	12b	描述信息，指定为0x000表示没有
结束循环
CRC32	32b	前面数据的CRC32校验码

（2）pes层

     pes层是在每一个视频/音频帧上加入了时间戳等信息，pes包内容很多，我们只留下最常用的。

 

pes start code	3B	开始码，固定为0x000001
stream id	1B	音频取值（0xc0-0xdf），通常为0xc0 视频取值（0xe0-0xef），通常为0xe0
pes packet length	2B	后面pes数据的长度，0表示长度不限制， 只有视频数据长度会超过0xffff
flag	1B	通常取值0x80，表示数据不加密、无优先级、备份的数据
flag	1B	取值0x80表示只含有pts，取值0xc0表示含有pts和dts
pes data length	1B	后面数据的长度，取值5或10
pts	5B	33bit值
dts	5B	33bit值

     pts是显示时间戳、dts是解码时间戳，视频数据两种时间戳都需要，音频数据的pts和dts相同，所以只需要pts。有pts和dts两种时间戳是B帧引起的，I帧和P帧的pts等于dts。如果一个视频没有B帧，则pts永远和dts相同。从文件中顺序读取视频帧，取出的帧顺序和dts顺序相同。dts算法比较简单，初始值 + 增量即可，pts计算比较复杂，需要在dts的基础上加偏移量。

     音频的pes中只有pts（同dts），视频的I、P帧两种时间戳都要有，视频B帧只要pts（同dts）。打包pts和dts就需要知道视频帧类型，但是通过容器格式我们是无法判断帧类型的，必须解析h.264内容才可以获取帧类型。

举例说明：

                         I          P          B          B          B          P

读取顺序：         1         2          3          4          5          6

dts顺序：           1         2          3          4          5          6

pts顺序：           1         5          3          2          4          6

 

点播视频dts算法：

dts = 初始值 + 90000 / video_frame_rate，初始值可以随便指定，但是最好不要取0，video_frame_rate就是帧率，比如23、30。

pts和dts是以timescale为单位的，1s = 90000 time scale , 一帧就应该是90000/video_frame_rate 个timescale。

用一帧的timescale除以采样频率就可以转换为一帧的播放时长

 

点播音频dts算法：

dts = 初始值 + (90000 * audio_samples_per_frame) / audio_sample_rate，audio_samples_per_frame这个值与编解码相关，aac取值1024，mp3取值1158，audio_sample_rate是采样率，比如24000、41000。AAC一帧解码出来是每声道1024个sample，也就是说一帧的时长为1024/sample_rate秒。所以每一帧时间戳依次0，1024/sample_rate，...，1024*n/sample_rate秒。

 

直播视频的dts和pts应该直接用直播数据流中的时间，不应该按公式计算。

（3）es层

     es层指的就是音视频数据，我们只介绍h.264视频和aac音频。

h.264视频：

     打包h.264数据我们必须给视频数据加上一个nalu（Network Abstraction Layer unit），nalu包括nalu header和nalu type，nalu header固定为0x00000001（帧开始）或0x000001（帧中）。h.264的数据是由slice组成的，slice的内容包括：视频、sps、pps等。nalu type决定了后面的h.264数据内容。

 

F	1b	forbidden_zero_bit，h.264规定必须取0
NRI	2b	nal_ref_idc，取值0~3，指示这个nalu的重要性，I帧、sps、pps通常取3，P帧通常取2，B帧通常取0
Type	5b	参考下表

 

nal_unit_type	说明
0	未使用
1	非IDR图像片，IDR指关键帧
2	片分区A
3	片分区B
4	片分区C
5	IDR图像片，即关键帧
6	补充增强信息单元(SEI)
7	SPS序列参数集
8	PPS图像参数集
9	分解符
10	序列结束
11	码流结束
12	填充
13~23	保留
24~31	未使用

     红色字体显示的内容是最常用的，打包es层数据时pes头和es数据之间要加入一个type=9的nalu，关键帧slice前必须要加入type=7和type=8的nalu，而且是紧邻。

 

 

 

aac音频：

     打包aac音频必须加上一个adts(Audio Data Transport Stream)头，共7Byte，adts包括fixed_header和variable_header两部分，各28bit。

fixed_header

syncword	12b	固定为0xfff
id	1b	0表示MPEG-4，1表示MPEG-2
layer	2b	固定为00
protection_absent	1b	固定为1
profile	2b	取值0~3,1表示aac
sampling_frequency_index	4b	表示采样率，0: 96000 Hz，1: 88200 Hz，2: 64000 Hz，3：48000 Hz，4: 44100 Hz，5: 32000 Hz，6: 24000 Hz，7: 22050 Hz，8: 16000 Hz，9: 12000 Hz，10: 11025 Hz，11: 8000 Hz，12: 7350 Hz
private_bit	1b	固定为0
channel_configuration	3b	取值0~7，1: 1 channel: front-center，2: 2 channels: front-left, front-right，3: 3 channels: front-center, front-left, front-right，4: 4 channels: front-center, front-left, front-right, back-center
original_copy	1b	固定为0
home	1b	固定为0

 

variable_header

copyright_identification_bit	1b	固定为0
copyright_identification_start	1b	固定为0
aac_frame_length	13b	包括adts头在内的音频数据总长度
adts_buffer_fullness	11b	固定为0x7ff
number_of_raw_data_blocks_in_frame	2b	固定为00

 

mp3音频：

mp3音频不需要加adts头。

 

6.h264帧类型判断

当nalu type=5或1时，表示后面跟着的数据是视频数据，下面我们只列出前2项。

first_mb_in_slice	Golomb编码	一般为0，一个slice为一帧图像
slice_type	Golomb编码	帧类型，2、4、7、9表示I帧，0、3、5、8表示P帧 ，1、6表示B帧。

 

7.mp4转ts

     我们假设mp4格式中的视频编码为h.264，音频编码为aac。我们从mp4中获取的视频信息包括：sps、pps、dts、pts、帧率、帧数据、ticks（每秒滴答数）。音频信息包括：pts、采样频率、声道数、帧数据。mp4文件的dts和ts文件的dts是需要进行换算的，都是初始值 + 增量，但是增量计算是不同的。

视频信息获取：

sps	stsd.avc1.avcC
pps	stsd.avc1.avcC
dts	stts
pts	stts + ctts
帧率	帧个数 / 总时长
timescale	trak.mdia.mdhd
帧数据	stsc + stco + stsz

音频信息获取：

pts	stts
采样频率	trak.mdia.mdhd
声道数	stsd.mp4a
帧数据	stsc + stco + stsz

 

8.mp4中关于h264和aac的说明

     mp4的stsd原子中包含很多关键的音视频编解码元信息。对于视频数据，不同的编解码格式stsd中包含的子原子类型是不同的。MP4的视频H.264封装有2种格式：h264和avc1，只要看到这两个FOURCC（四字节编码）。就可以肯定是h.264编码，区别在于slice是否有起始码。对于音频数据，stsd中包含的子原子只会是mp4a，mp4a又包含了一个子原子esds，判断音频编码格式的是esds中的第十一个字节，如果是0x40则说明是aac编码，如果是0x69则说明是mp3。

• AVC1 描述:H.264 bitstream without start codes.一般通过ffmpeg转码生成的视频，是不带起始码0×00000001的，但是带有4字节的长度。

• H264 描述:H.264 bitstream with start codes.一般对于一下HDVD等电影的压制格式，是带有起始码0×00000001的。

     除了avc1和h264还可能是下面的FOURCC，只是名字不同而已。

• MEDIASUBTYPE_AVC1 ‘AVC1‘ H.264 bitstream without start codes.

• MEDIASUBTYPE_H264 ‘H264‘ H.264 bitstream with start codes.

• MEDIASUBTYPE_h264 ‘h264‘ Equivalent to MEDIASUBTYPE_H264, with a different FOURCC.

• MEDIASUBTYPE_X264 ‘X264‘ Equivalent to MEDIASUBTYPE_H264, with a different FOURCC.

• MEDIASUBTYPE_x264 ‘x264‘ Equivalent to MEDIASUBTYPE_H264, with a different FOURCC.

 

 

 

H264数据结构

 

 

NAL  nal_unit_type中的

1（非IDR图像的编码条带）、

2（编码条带数据分割块A）、

3（编码条带数据分割块B）、

4（编码条带数据分割块C）、

 

5（IDR图像的编码条带）种类型

6（SEI）、

 

7（SPS）、

8（PPS）

 

 

Slice种的三种编码模式：I_slice、P_slice、B_slice

 

frame的3种类型：I frame、P frame、 B frame

 

一帧的数据可以分为多个slice（片）一个帧是可以分割成多个Slice来编码的，而一个Slice编码之后被打包进一个NAL单元，不过NAL单元除了容纳Slice编码的码流外，还可以容纳其他数据，比如序列参数集SPS：

 

 

       每个slice中的数据，在帧内预测只用到自己slice的数据， 与其他slice数据没有依赖关系。 

       NAL 是用来将编码的数据进行打包的。 比如，每一个slice 数据可以放在NAL 包中。

       I 帧是自己独立编码，不依赖于其他frame 数据。

       P frame 依赖 I frame 数据。 

       B frame 依赖 I frame, P frame 或其他 B frame 数据。

 

 

1、NAL、Slice与frame意思及相互关系 

NAL指网络提取层，里面放一些与网络相关的信息

Slice是片的意思，264中把图像分成一帧（frame）或两场（field），而帧又可以分成一个或几个片（Slilce）；片由宏块（MB）组成。宏块是编码处理的基本单元。

 

2、VCL视频编码层不做解释。

3、NAL nal_unit_type为序列参数集（SPS）、图像参数集（PPS）、增强信息（SEI）。表示后面的数据信息为序列参数集（SPS）、图像参数集（PPS）、增强信息（SEI）。

4、H.264的参数集又分为序列参数集（Sequence parameter set）和图像参数集（Pictureparameterset）。

        序列参数集：包括一个图像序列的所有信息，即两个IDR图像间的所有图像信息。

        图像参数集：包括一个图像的所有分片的所有相关信息，包括图像类型、序列号等，解码时某些序列号的丢 失可用来检验信息包的丢失与否。多个不同的序列和图像参数集存储在解码器中，编码器依据每个编码分片的头部的存储位置来选择适当的参数集，图像参数集本身也包括使用的序列参数集参考信息。  

 

总结：

 

NAL单元中首先会有一个H.264 NAL type，根据这个可以判断是啥信息。如果是

H264NT_SLICE_DPA,H264NT_SLICE_DPB,H264NT_SLICE_DPC,H264NT_SLICE_IDR视频数据相关的，里面还会有Slicehead头信息，根据这个头信息，可以判断属于I-Slice（P-Slice或B-Slice），之后对于每个宏块，都会有MB head信息，根据宏块头信息可以判断块模式。

 

 

1、H.264 码流总体结构：

h264的功能分为两层，视频编码层（VCL）和网络提取层（NAL）。H.264 的编码视频序列包括一系列的NAL 单元，每个NAL 单元包含一个RBSP。一个原始的H.264 NALU 单元常由 [StartCode] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分组成，其中 Start Code 用于标示这是一个NALU 单元的开始，必须是"00 00 00 01" 或"00 00 01"。

 

 

其中RBPS有分为几种类型：

 

 

NAL的解码单元的流程如下：

 

 

2、 H.264 NAL Header：

占一个字节，由三部分组成forbidden_bit(1bit)，nal_reference_bit(2bits)（优先级），nal_unit_type(5bits)（类型）。

forbidden_bit:禁止位。

nal_reference_bit：当前NAL的优先级，值越大，该NAL越重要。

nal_unit_type ：NAL类型。参见下表

 

几个例子：

 

 

 

 

AAC

 

1.ADTS是个啥

ADTS全称是(Audio Data Transport Stream)，是AAC的一种十分常见的传输格式。

记得第一次做demux的时候，把AAC音频的ES流从FLV封装格式中抽出来送给硬件解码器时，不能播;保存到本地用pc的播放器播时，我靠也不能播。当时崩溃了，后来通过查找资料才知道。一般的AAC解码器都需要把AAC的ES流打包成ADTS的格式，一般是在AAC ES流前添加7个字节的ADTS header。也就是说你可以吧ADTS这个头看作是AAC的frameheader。

ADTS AAC
ADTS_header	AAC ES	ADTS_header	AAC ES	...	ADTS_header	AAC ES

 

 

2.ADTS内容及结构

ADTS 头中相对有用的信息 采样率、声道数、帧长度。想想也是，我要是解码器的话，你给我一堆得AAC音频ES流我也解不出来。每一个带ADTS头信息的AAC流会清晰的告送解码器他需要的这些信息。

一般情况下ADTS的头信息都是7个字节，分为2部分：

adts_fixed_header();

adts_variable_header();

 

syncword ：同步头 总是0xFFF, all bits must be 1，代表着一个ADTS帧的开始

ID：MPEG Version: 0 for MPEG-4, 1 for MPEG-2

Layer：always: ‘00‘

profile：表示使用哪个级别的AAC，有些芯片只支持AAC LC 。在MPEG-2 AAC中定义了3种：

sampling_frequency_index：表示使用的采样率下标，通过这个下标在 Sampling Frequencies[ ]数组中查找得知采样率的值。

There are 13 supported frequencies:

• 0: 96000 Hz
• 1: 88200 Hz
• 2: 64000 Hz
• 3: 48000 Hz
• 4: 44100 Hz
• 5: 32000 Hz
• 6: 24000 Hz
• 7: 22050 Hz
• 8: 16000 Hz
• 9: 12000 Hz
• 10: 11025 Hz
• 11: 8000 Hz
• 12: 7350 Hz
• 13: Reserved
• 14: Reserved
• 15: frequency is written explictly

channel_configuration:  表示声道数 

• 0: Defined in AOT Specifc Config
• 1: 1 channel: front-center
• 2: 2 channels: front-left, front-right
• 3: 3 channels: front-center, front-left, front-right
• 4: 4 channels: front-center, front-left, front-right, back-center
• 5: 5 channels: front-center, front-left, front-right, back-left, back-right
• 6: 6 channels: front-center, front-left, front-right, back-left, back-right, LFE-channel
• 7: 8 channels: front-center, front-left, front-right, side-left, side-right, back-left, back-right, LFE-channel
• 8-15: Reserved

 

frame_length : 一个ADTS帧的长度包括ADTS头和AAC原始流.

adts_buffer_fullness：0x7FF 说明是码率可变的码流

3.将AAC打包成ADTS格式

如果是通过嵌入式高清解码芯片做产品的话，一般情况的解码工作都是由硬件来完成的。所以大部分的工作是把AAC原始流打包成ADTS的格式，然后丢给硬件就行了。

通过对ADTS格式的了解，很容易就能把AAC打包成ADTS。我们只需得到封装格式里面关于音频采样率、声道数、元数据长度、aac格式类型等信息。然后在每个AAC原始流前面加上个ADTS头就OK了。

贴上ffmpeg中添加ADTS头的代码，就可以很清晰的了解ADTS头的结构：

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1. int ff_adts_write_frame_header(ADTSContext *ctx,  
2.                                uint8_t *buf, int size, int pce_size)  
3. {  
4.     PutBitContext pb;  
5.   
6.     init_put_bits(&pb, buf, ADTS_HEADER_SIZE);  
7.   
8.     /* adts_fixed_header */  
9.     put_bits(&pb, 12, 0xfff);   /* syncword */  
10.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* ID */  
11.     put_bits(&pb, 2, 0);        /* layer */  
12.     put_bits(&pb, 1, 1);        /* protection_absent */  
13.     put_bits(&pb, 2, ctx->objecttype); /* profile_objecttype */  
14.     put_bits(&pb, 4, ctx->sample_rate_index);  
15.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* private_bit */  
16.     put_bits(&pb, 3, ctx->channel_conf); /* channel_configuration */  
17.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* original_copy */  
18.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* home */  
19.   
20.     /* adts_variable_header */  
21.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* copyright_identification_bit */  
22.     put_bits(&pb, 1, 0);        /* copyright_identification_start */  
23.     put_bits(&pb, 13, ADTS_HEADER_SIZE + size + pce_size); /* aac_frame_length */  
24.     put_bits(&pb, 11, 0x7ff);   /* adts_buffer_fullness */  
25.     put_bits(&pb, 2, 0);        /* number_of_raw_data_blocks_in_frame */  
26.   
27.     flush_put_bits(&pb);  
28.   
29.     return 0;  
30. }