H264 幀結構分析、幀判斷


http://blog.csdn.net/dxpqxb/article/details/7631304

H264以NALU(NAL unit)為單位來支持編碼數據在基於分組交換技術網絡中傳輸。

NALU定義了可用於基於分組和基於比特流系統的基本格式,同時給出頭信息,從而提供了視頻編碼和外部世界的接口。



H264編碼過程中的三種不同的數據形式:

SODB 數據比特串-->最原始的編碼數據,即VCL數據;

RBSP 原始字節序列載荷-->在SODB的后面填加了結尾比特(RBSP trailing bits 一個bit“1”)若干比特“0”,以便字節對齊;

EBSP 擴展字節序列載荷-->在RBSP基礎上填加了仿校驗字節(0X03)它的原因是: 在NALU加到Annexb上時,需要添加每組NALU之前的開始碼StartCodePrefix,如果該NALU對應的slice為一幀的開始則用4位字節表示,ox00000001,否則用3位字節表示ox000001(是一幀的一部分)。另外,為了使NALU主體中不包括與開始碼相沖突的,在編碼時,每遇到兩個字節連續為0,就插入一個字節的0x03。解碼時將0x03去掉。也稱為脫殼操作。

編碼處理過程:

1. 將VCL層輸出的SODB封裝成nal_unit,NALU是一個通用封裝格式,可以適用於有序字節流方式和IP包交換方式。

2. 針對不同的傳送網絡(電路交換|包交換),將nal_unit封裝成針對不同網絡的封裝格式(比如把nalu封裝成rtp包)。



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處理過程一,VCL數據封裝成NALU

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VCL層輸出的比特流SODB(String Of Data Bits),到nal_unit之間,經過了以下三步處理:

1.SODB字節對齊處理后封裝成RBSP(Raw Byte Sequence Payload)。

2.為防止RBSP的字節流與有序字節流傳送方式下的SCP(start_code_prefix_one_3bytes,0x000001)出現字節競爭情形,循環檢測RBSP前三個字節,在出現字節競爭時在第三字節前加入emulation_prevention_three_byte(0x03),具體方法: 

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. 防字節競爭處理后的RBSP再加一個字節的header(forbidden_zero_bit+ nal_ref_idc+ nal_unit_type),封裝成nal_unit.

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處理過程二,NALU的RTP打包

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一、NALU打包成RTP的方式有三種:

1. 單一 NAL 單元模式
即一個 RTP 包僅由一個完整的 NALU 組成. 這種情況下 RTP NAL 頭類型字段和原始的 H.264的
NALU 頭類型字段是一樣的.

2. 組合封包模式
即可能是由多個 NAL 單元組成一個 RTP 包. 分別有4種組合方式: STAP-A, STAP-B, MTAP16, MTAP24.
那么這里的類型值分別是 24, 25, 26 以及 27.

3. 分片封包模式
用於把一個 NALU 單元封裝成多個 RTP 包. 存在兩種類型 FU-A 和 FU-B. 類型值分別是 28 和 29.

還記得前面nal_unit_type的定義吧,0~23是給H264用的,24~31未使用,在rtp打包時,如果一個NALU放在一個RTP包里,可以使用NALU的nal_unit_type,但是當需要把多個NALU打包成一個RTP包,或者需要把一個NALU打包成多個RTP包時,就定義新的type來標識。

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、三種打包方式的具體格式

1 .單一 NAL 單元模式

對於 NALU 的長度小於 MTU 大小的包, 一般采用單一 NAL 單元模式.
對於一個原始的 H.264 NALU 單元常由 [Start Code] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分組成, 其中 Start Code 用於標示這是一個

NALU 單元的開始, 必須是 "00 00 00 01" 或 "00 00 01", NALU 頭僅一個字節, 其后都是 NALU 單元內容.
打包時去除 "00 00 01" 或 "00 00 00 01" 的開始碼, 把其他數據封包的 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 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


如有一個 H.264 的 NALU 是這樣的:

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

這是一個序列參數集 NAL 單元. [00 00 00 01] 是四個字節的開始碼, 67 是 NALU 頭, 42 開始的數據是 NALU 內容.

封裝成 RTP 包將如下:

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

即只要去掉 4 個字節的開始碼就可以了.


2 組合封包模式

其次, 當 NALU 的長度特別小時, 可以把幾個 NALU 單元封在一個 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).

而當 NALU 的長度超過 MTU 時, 就必須對 NALU 單元進行分片封包. 也稱為 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指示字節的類型域 Type=28表示FU-A。。NRI域的值必須根據分片NAL單元的NRI域的值設置。

FU header的格式如下:
+---------------+
|0|1|2|3|4|5|6|7|
+-+-+-+-+-+-+-+-+
|S|E|R| Type |
+---------------+
S: 1 bit
當設置成1,開始位指示分片NAL單元的開始。當跟隨的FU荷載不是分片NAL單元荷載的開始,開始位設為0。
E: 1 bit
當設置成1, 結束位指示分片NAL單元的結束,即, 荷載的最后字節也是分片NAL單元的最后一個字節。當跟隨的FU荷載不是分片NAL單元的最后分片,結束位設置為0。
R: 1 bit
保留位必須設置為0,接收者必須忽略該位。
Type: 5 bits

三、拆包和解包

拆包:當編碼器在編碼時需要將原有一個NAL按照FU-A進行分片,原有的NAL的單元頭與分片后的FU-A的單元頭有如下關系:
原始的NAL頭的前三位為FU indicator的前三位,原始的NAL頭的后五位為FU header的后五位,FU indicator與FU header的剩余位數根據實際情況決定。

解包:當接收端收到FU-A的分片數據,需要將所有的分片包組合還原成原始的NAl包時,FU-A的單元頭與還原后的NAL的關系如下:
還原后的NAL頭的八位是由FU indicator的前三位加FU header的后五位組成,即:
nal_unit_type = (fu_indicator & 0xe0) | (fu_header & 0x1f)


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