H.264码流与帧结构

Posted 朴太仁

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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码流与帧结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考连接：http://blog.csdn.net/dxpqxb/article/details/7631304

H264以NALU（NAL unit）为单位来支持编码数据在基于分组交换技术网络中传输。

NALU定义了可用于基于分组和基于比特流系统的基本格式，同时给出头信息，从而提供了视频编码和外部世界的接口。


H264编码过程中的三种不同的数据形式：

SODB　数据比特串－－＞最原始的编码数据，即VCL数据；

RBSP　原始字节序列载荷－－＞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；

EBSP　扩展字节序列载荷-->在RBSP基础上填加了仿校验字节（0X03）它的原因是：　在NALU加到Annexb上时，需要添加每组NALU之前的开始码StartCodePrefix,如果该NALU对应的slice为一帧的开始则用4位字节表示，ox00000001,否则用3位字节表示ox000001（是一帧的一部分）。另外，为了使NALU主体中不包括与开始码相冲突的，在编码时，每遇到两个字节连续为0，就插入一个字节的0x03。解码时将0x03去掉。也称为脱壳操作。

编码处理过程：

1． 将VCL层输出的SODB封装成nal_unit，NALU是一个通用封装格式，可以适用于有序字节流方式和IP包交换方式。

2． 针对不同的传送网络（电路交换|包交换），将nal_unit封装成针对不同网络的封装格式（比如把nalu封装成rtp包）。



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处理过程一，VCL数据封装成NALU

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VCL层输出的比特流SODB（String Of Data Bits），到nal_unit之间，经过了以下三步处理：

1.SODB字节对齐处理后封装成RBSP（Raw Byte Sequence Payload）。

2.为防止RBSP的字节流与有序字节流传送方式下的SCP（start_code_prefix_one_3bytes，0x000001）出现字节竞争情形，循环检测RBSP前三个字节，在出现字节竞争时在第三字节前加入emulation_prevention_three_byte（0x03），具体方法： 

nal_unit( NumBytesInNALunit ) {

forbidden_zero_bit

nal_ref_idc

nal_unit_type

NumBytesInRBSP = 0

for( i = 1; i < NumBytesInNALunit; i++ ) {

if( i + 2 < NumBytesInNALunit && next_bits( 24 ) = = 0x000003 ) {

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

i += 2

emulation_prevention_three_byte

} else

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

}

}

3. 防字节竞争处理后的RBSP再加一个字节的header(forbidden_zero_bit+ nal_ref_idc+ nal_unit_type)，封装成nal_unit.

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处理过程二,NALU的RTP打包

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一、NALU打包成RTP的方式有三种：

1. 单一 NAL 单元模式
即一个 RTP 包仅由一个完整的 NALU 组成. 这种情况下 RTP NAL 头类型字段和原始的 H.264的
NALU 头类型字段是一样的.

2. 组合封包模式
即可能是由多个 NAL 单元组成一个 RTP 包. 分别有4种组合方式: STAP-A, STAP-B, MTAP16, MTAP24.
那么这里的类型值分别是 24, 25, 26 以及 27.

3. 分片封包模式
用于把一个 NALU 单元封装成多个 RTP 包. 存在两种类型 FU-A 和 FU-B. 类型值分别是 28 和 29.

还记得前面nal_unit_type的定义吧，0~23是给H264用的，24~31未使用，在rtp打包时，如果一个NALU放在一个RTP包里，可以使用NALU的nal_unit_type，但是当需要把多个NALU打包成一个RTP包，或者需要把一个NALU打包成多个RTP包时，就定义新的type来标识。

Type Packet Type name
---------------------------------------------------------
0 undefined -
1-23 NAL unit Single NAL unit packet per H.264
24 STAP-A Single-time aggregation packet
25 STAP-B Single-time aggregation packet
26 MTAP16 Multi-time aggregation packet
27 MTAP24 Multi-time aggregation packet
28 FU-A Fragmentation unit
29 FU-B Fragmentation unit
30-31 undefined

 

二、三种打包方式的具体格式

1 .单一 NAL 单元模式

对于 NALU 的长度小于 MTU 大小的包, 一般采用单一 NAL 单元模式.
对于一个原始的 H.264 NALU 单元常由 [Start Code] [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", NALU 头仅一个字节, 其后都是 NALU 单元内容.
打包时去除 "00 00 01" 或 "00 00 00 01" 的开始码, 把其他数据封包的 RTP 包即可.

0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|F|NRI| type | |
+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
| |
| Bytes 2..n of a Single NAL unit |
| |
| +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| :...OPTIONAL RTP padding |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


如有一个 H.264 的 NALU 是这样的:

[00 00 00 01 67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ... ]

这是一个序列参数集 NAL 单元. [00 00 00 01] 是四个字节的开始码, 67 是 NALU 头, 42 开始的数据是 NALU 内容.

封装成 RTP 包将如下:

[ RTP Header ] [ 67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ]

即只要去掉 4 个字节的开始码就可以了.


2 组合封包模式

其次, 当 NALU 的长度特别小时, 可以把几个 NALU 单元封在一个 RTP 包中.


0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| RTP Header |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|STAP-A NAL HDR | NALU 1 Size | NALU 1 HDR |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| NALU 1 Data |
: :
+ +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| | NALU 2 Size | NALU 2 HDR |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| NALU 2 Data |
: :
| +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| :...OPTIONAL RTP padding |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


3 Fragmentation Units (FUs).

而当 NALU 的长度超过 MTU 时, 就必须对 NALU 单元进行分片封包. 也称为 Fragmentation Units (FUs).

0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FU indicator | FU header | |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
| |
| FU payload |
| |
| +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| :...OPTIONAL RTP padding |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Figure 14. RTP payload format for FU-A

FU indicator有以下格式：
+---------------+
|0|1|2|3|4|5|6|7|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|F|NRI| Type |
+---------------+
FU指示字节的类型域 Type=28表示FU-A。。NRI域的值必须根据分片NAL单元的NRI域的值设置。

FU header的格式如下：
+---------------+
|0|1|2|3|4|5|6|7|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|S|E|R| Type |
+---------------+
S: 1 bit
当设置成1,开始位指示分片NAL单元的开始。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元荷载的开始，开始位设为0。
E: 1 bit
当设置成1, 结束位指示分片NAL单元的结束，即, 荷载的最后字节也是分片NAL单元的最后一个字节。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元的最后分片,结束位设置为0。
R: 1 bit
保留位必须设置为0，接收者必须忽略该位。
Type: 5 bits

三、拆包和解包

拆包：当编码器在编码时需要将原有一个NAL按照FU-A进行分片，原有的NAL的单元头与分片后的FU-A的单元头有如下关系：
原始的NAL头的前三位为FU indicator的前三位，原始的NAL头的后五位为FU header的后五位，FU indicator与FU header的剩余位数根据实际情况决定。

解包：当接收端收到FU-A的分片数据，需要将所有的分片包组合还原成原始的NAl包时，FU-A的单元头与还原后的NAL的关系如下：
还原后的NAL头的八位是由FU indicator的前三位加FU header的后五位组成，即：
nal_unit_type = (fu_indicator & 0xe0) | (fu_header & 0x1f)