音视频流媒体开发【九】H264NALU分析

作者: AlanGe | 来源:发表于2023-02-24 21:16 被阅读0次

NALU(Network Abstract Layer Unit)

⾳视频编码在流媒体和⽹络领域占有重要地位；流媒体编解码流程⼤致如下图所示：

H264简介

H.264从1999年开始，到2003年形成草案，最后在2007年定稿有待核实。在ITU的标准⾥称为H.264，在MPEG的标准⾥是MPEG-4的⼀个组成部分–MPEG-4 Part 10，⼜叫Advanced Video Codec，因此常常称为MPEG-4 AVC或直接叫AVC。

H264 编解码解析

参考链接： H264 编解码协议详解;深⼊浅出理解视频编码H264结构;详细⽂档;H264编解码框图;

H264编码原理

在⾳视频传输过程中，视频⽂件的传输是⼀个极⼤的问题；⼀段分辨率为1920 * 1080，每个像素点为RGB占⽤3个字节，帧率是25的视频，对于传输带宽的要求是：
1920 * 1080 * 3 * 25/1024/1024=148.315MB/s，换成bps则意味着视频每秒带宽为1186.523Mbps，这样的速率对于⽹络存储是不可接受的。因此视频压缩和编码技术应运⽽⽣。

对于视频⽂件来说，视频由单张图⽚帧所组成，⽐如每秒25帧，但是图⽚帧的像素块之间存在相似性，因此视频帧图像可以进⾏图像压缩；H264采⽤了16*16的分块⼤⼩对，视频帧图像进⾏相似⽐较和压缩编码。如下图所示：

H264中的I帧、P帧和B帧

H26使⽤帧内压缩和帧间压缩的⽅式提⾼编码压缩率；H264采⽤了独特的I帧、P帧和B帧策略来实现，连续帧之间的压缩；

如上图所示；

压缩率 B > P > I

H264编码结构解析

H264除了实现了对视频的压缩处理之外，为了⽅便⽹络传输，提供了对应的视频编码和分⽚策略；类似于⽹络数据封装成IP帧，在H264中将其称为组(GOP, group of pictures)、⽚（slice）、宏块（Macroblock）这些⼀起组成了H264的码流分层结构；H264将其组织成为序列(GOP)、图⽚(pictrue)、⽚(Slice)、宏块(Macroblock)、⼦块(subblock)五个层次。

GOP （图像组）主要⽤作形容⼀个IDR帧到下⼀个IDR帧之间的间隔了多少个帧。

H264将视频分为连续的帧进⾏传输，在连续的帧之间使⽤I帧、P帧和B帧。同时对于帧内⽽⾔，将图像分块为⽚、宏块和字块进⾏分⽚传输；通过这个过程实现对视频⽂件的压缩包装。

IDR（Instantaneous Decoding Refresh，即时解码刷新）

⼀个序列的第⼀个图像叫做 IDR 图像（⽴即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。

I和IDR帧都使⽤帧内预测。I帧不⽤参考任何帧，但是之后的P帧和B帧是有可能参考这个I帧之前的帧的。IDR就不允许这样。⽐如（解码的顺序）：

IDR1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 I10 B8 B9 P13 B11 B12 P16 B14 B15 这⾥的B8可以跨过I10去参考P7

原始图像： IDR1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 I10

IDR1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 IDR8 P11 B9 B10 P14 B11 B12 这⾥的B9就只能参照IDR8和P11，不可以参考IDR8前⾯的帧

其核⼼作⽤是，是为了解码的重同步，当解码器解码到 IDR 图像时，⽴即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始⼀个新的序列。这样，如果前⼀个序列出现重⼤错误，在这⾥可以获得重新同步的机会。IDR图像之后的图像永远不会使⽤IDR之前的图像的数据来解码。

下⾯是⼀个H264码流的举例（从码流的帧分析可以看出来B帧不能被当做参考帧）

I0 B40 B80 B120 P160
I0 B160

NALU

image.png

SPS：序列参数集，SPS中保存了⼀组编码视频序列(Coded video sequence)的全局参数。
PPS：图像参数集，对应的是⼀个序列中某⼀幅图像或者某⼏幅图像的参数。
I帧：帧内编码帧，可独⽴解码⽣成完整的图⽚。
P帧: 前向预测编码帧，需要参考其前⾯的⼀个I 或者B 来⽣成⼀张完整的图⽚。
B帧: 双向预测内插编码帧，则要参考其前⼀个I或者P帧及其后⾯的⼀个P帧来⽣成⼀张完整的图⽚。

发I帧之前，⾄少要发⼀次SPS和PPS。

NALU结构

H.264原始码流(裸流)是由⼀个接⼀个NALU组成，它的功能分为两层，VCL(视频编码层)和NAL(⽹络提取层)：

VCL：包括核⼼压缩引擎和块，宏块和⽚的语法级别定义，设计⽬标是尽可能地独⽴于⽹络进⾏⾼效的编码；
NAL：负责将VCL产⽣的⽐特字符串适配到各种各样的⽹络和多元环境中，覆盖了所有⽚级以上的语法级别

在VCL进⾏数据传输或存储之前，这些编码的VCL数据，被映射或封装进NAL单元。（NALU）

⼀个NALU = ⼀组对应于视频编码的NALU头部信息 + ⼀个原始字节序列负荷(RBSP,Raw Byte Sequence Payload).

NALU结构单元的主体结构如下所示；⼀个原始的H.264 NALU单元通常由[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"，除此之外基本相当于⼀个NAL header + RBSP;

（对于FFmpeg解复⽤后，MP4⽂件读取出来的packet是不带startcode，但TS⽂件读取出来的packet带了startcode）

解析NALU

每个NAL单元是⼀个⼀定语法元素的可变⻓字节字符串，包括包含⼀个字节的头信息（⽤来表示数据类型），以及若⼲整数字节的负荷数据。

NALU头信息（⼀个字节）：

其中：

T为负荷数据类型，占5bit
nal_unit_type：这个NALU单元的类型,1～12由H.264使⽤，24～31由H.264以外的应⽤使⽤
R为重要性指示位，占2个bit
nal_ref_idc.：取00~11,似乎指示这个NALU的重要性,如00的NALU解码器可以丢弃它⽽不影响图像的回放,0～3，取值越⼤，表示当前NAL越重要，需要优先受到保护。如果当前NAL是属于参考帧的⽚，或是序列参数集，或是图像参数集这些重要的单位时，本句法元素必需⼤于0。
最后的F为禁⽌位，占1bit
forbidden_zero_bit：在 H.264 规范中规定了这⼀位必须为 0.

H.264标准指出，当数据流是储存在介质上时，在每个NALU 前添加起始码：0x000001 或 0x00000001，⽤来指示⼀个NALU 的起始和终⽌位置：

在这样的机制下，在码流中检测起始码，作为⼀个NALU得起始标识，当检测到下⼀个起始码时，当前NALU结束。
3字节的0x000001只有⼀种场合下使⽤，就是⼀个完整的帧被编为多个slice（⽚）的时候，包含这些slice的NALU 使⽤3字节起始码。其余场合都是4字节0x00000001的。

例⼦：
0x00 00 00 01 67 …
0x00 00 00 01 68 …
0x00 00 00 01 65 …
67：
⼆进制：0110 0111
00111 = 7（⼗进制）

对于NALU分析这节课主要关注5/6/7/8 四种类型。

H264 annexb模式

H264有两种封装

⼀种是annexb模式，传统模式，有startcode，SPS和PPS是在ES中
⼀种是mp4模式，⼀般mp4 mkv都是mp4模式，没有startcode，SPS和PPS以及其它信息

被封装在container中，每⼀个frame前⾯4个字节是这个frame的⻓度很多解码器只⽀持annexb这种模式，因此需要将mp4做转换：在ffmpeg中⽤

h264_mp4toannexb_filter可以做转换实现：

const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
// 2 初始化过滤器上下⽂
av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
// 3 添加解码器属性
avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->codecpar);
av_bsf_init(bsf_ctx);

补充讲解

GOP group of pictures

GOP 指的就是两个I帧之间的间隔. ⽐较说GOP为120,如果是720 p60 的话,那就是2s⼀次I帧.

在视频编码序列中，主要有三种编码帧：I帧、P帧、B帧，如下所示：

I帧即Intra-coded picture（帧内编码图像帧），不参考其他图像帧，只利⽤本帧的信息进⾏编码。
P帧即Predictive-codedPicture（预测编码图像帧），利⽤之前的I帧或P帧，采⽤运动预测的⽅式进⾏帧间预测编码。
B帧即Bidirectionallypredicted picture（双向预测编码图像帧)，提供最⾼的压缩⽐，它既需要之前的图像帧(I帧或P帧)，也需要后来的图像帧(P帧)，采⽤运动预测的⽅式进⾏帧间双向预测编码。

在视频编码序列中，GOP即Group of picture（图像组），指两个I帧之间的距离，Reference（参考周期）指两个P帧之间的距离。⼀个I帧所占⽤的字节数⼤于⼀个P帧，⼀个P帧所占⽤的字节数⼤于⼀个B帧。

所以在码率不变的前提下，GOP值越⼤，P、B帧的数量会越多，平均每个I、P、B帧所占⽤的字节数就越多，也就更容易获取较好的图像质量；Reference越⼤，B帧的数量越多，同理也更容易获得较好的图像质量。

需要说明的是，通过提⾼GOP值来提⾼图像质量是有限度的，在遇到场景切换的情况时，H.264编码器会⾃动强制插⼊⼀个I帧，此时实际的GOP值被缩短了。另⼀⽅⾯，在⼀个GOP中，P、B帧是由I帧预测得到的，当I帧的图像质量⽐较差时，会影响到⼀个GOP中后续P、B帧的图像质量，直到下⼀个GOP开始才有可能得以恢复，所以GOP值也不宜设置过⼤。

同时，由于P、B帧的复杂度⼤于I帧，所以过多的P、B帧会影响编码效率，使编码效率降低。

另外，过⻓的GOP还会影响Seek操作的响应速度，由于P、B帧是由前⾯的I或P帧预测得到的，所以Seek操作需要直接定位，解码某⼀个P或B帧时，需要先解码得到本GOP内的I帧及之前的N个预测帧才可以，GOP值越⻓，需要解码的预测帧就越多，seek响应的时间也越⻓。

H.264中的I帧，B帧和P帧

在H264中的图像以序列为单位进⾏组织，⼀个序列是⼀段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下⼀个I帧结束。

IDR图像：⼀个序列的第⼀个图像叫做IDR图像（⽴即刷新图像），IDR 图像都是I帧图像。

H.264引⼊IDR图像是为了解码的重同步，当解码器解码到IDR图像时，⽴即将参考帧队列清空，将已解码的数据全部输出或抛弃，重新查找参数集，开始⼀个新的序列。这样，如果前⼀个序列出现重⼤错误，在这⾥获得重新同步的机会。IDR图像之后的图像永远不会使⽤IDR之前的图像数据来解码。

⼀个序列就是⼀段内容差别不是很⼤的图像编码后⽣成的⼀串数据流。当运动变化⽐较少的时候，⼀个序列可以很⻓，因为运动变化的少就代表图像画⾯的内容变动很⼩，所以就可以编⼀个I帧，然后⼀直P帧、B帧了。当运动变化多时，可能⼀个序列就⽐较短了，⽐如就包含⼀个I帧和3、4个P帧。

I P B三种帧的说明

1、I帧

I帧:帧内编码帧，I帧表示关键帧，你可以理解为这⼀帧画⾯的完整保留；解码时只需要本帧数据就可以完成（因为包含完整画⾯）

I帧特点:

它是⼀个全帧压缩编码帧。它将全帧图像信息进⾏JPEG压缩编码及传输;
解码时仅⽤I帧的数据就可重构完整图像;
I帧描述了图像背景和运动主体的详情;
I帧不需要参考其他画⾯⽽⽣成;
I帧是P帧和B帧的参考帧(其质量直接影响到同组中以后各帧的质量);
I帧是帧组GOP的基础帧(如果为IDR则为第⼀帧),在⼀组中只有⼀个IDR帧，⼀个或多个I帧(包括IDR帧);
I帧不需要考虑运动⽮量;
I帧所占数据的信息量⽐较⼤。

2、P帧
P帧:前向预测编码帧。P帧表示的是这⼀帧跟之前的⼀个关键帧（或P帧）的差别，解码时需要⽤之前缓存的画⾯叠加上本帧定义的差别，⽣成最终画⾯。（也就是差别帧，P帧没有完整画⾯数据，只有与前⼀帧的画⾯差别的数据）
P帧的预测与重构:P帧是以I帧为参考帧,在I帧中找出P帧“某点”的预测值和运动⽮量,取预测差值和运动⽮量⼀起传送。在接收端根据运动⽮量从I帧中找出P帧“某点”的预测值并与差值相加以得到P帧“某点”样值,从⽽可得到完整的P帧。

P帧特点:

P帧是I帧后⾯相隔1~2帧的编码帧;
P帧采⽤运动补偿的⽅法传送它与前⾯的I或P帧的差值及运动⽮量(预测误差);
解码时必须将I帧中的预测值与预测误差求和后才能重构完整的P帧图像;
P帧属于前向预测的帧间编码。它只参考前⾯最靠近它的I帧或P帧;
P帧可以是其后⾯P帧的参考帧,也可以是其前后的B帧的参考帧;
由于P帧是参考帧,它可能造成解码错误的扩散;
由于是差值传送,P帧的压缩⽐较⾼。

3、B帧

B帧:双向预测内插编码帧。B帧是双向差别帧，也就是B帧记录的是本帧与前后帧的差别（具体⽐较复杂，有4种情况，但我这样说简单些），换⾔之，要解码B帧，不仅要取得之前的缓存画⾯，还要解码之后的画⾯，通过前后画⾯的与本帧数据的叠加取得最终的画⾯。B帧压缩率⾼，但是解码时CPU会⽐较累。

B帧的预测与重构
B帧以前⾯的I或P帧和后⾯的P帧为参考帧,“找出”B帧“某点”的预测值和两个运动⽮量,并取预测差值和运动⽮量传送。接收端根据运动⽮量在两个参考帧中“找出(算出)”预测值并与差值求和,得到B帧“某点”样值,从⽽可得到完整的B帧。

B帧特点
1）B帧是由前⾯的I或P帧和后⾯的P帧来进⾏预测的;
2）B帧传送的是它与前⾯的I或P帧和后⾯的P帧之间的预测误差及运动⽮量;
3）B帧是双向预测编码帧;
4）B帧压缩⽐最⾼,因为它只反映两参考帧间运动主体的变化情况,预测⽐较准确;
5）B帧不是参考帧,不会造成解码错误的扩散。

注:I、B、P各帧是根据压缩算法的需要，是⼈为定义的,它们都是实实在在的物理帧。⼀般来说，I帧的压缩率是7（跟JPG差不多），P帧是20，B帧可以达到50。可⻅使⽤B帧能节省⼤量空间，节省出来的空间可以⽤来保存多⼀些I帧，这样在相同码率下，可以提供更好的画质。

案例：extract-h264

.pro


TEMPLATE = app
CONFIG += console
CONFIG -= app_bundle
CONFIG -= qt

SOURCES += main.c


win32 {
INCLUDEPATH += $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/include
LIBS += $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/avformat.lib   \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/avcodec.lib    \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/avdevice.lib   \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/avfilter.lib   \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/avutil.lib     \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/postproc.lib   \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/swresample.lib \
        $$PWD/ffmpeg-4.2.1-win32-dev/lib/swscale.lib
}

main.c

#include <stdio.h>
#include <libavutil/log.h>
#include <libavformat/avio.h>
#include <libavformat/avformat.h>



static char err_buf[128] = {0};
static char* av_get_err(int errnum)
{
    av_strerror(errnum, err_buf, 128);
    return err_buf;
}

/*
AvCodecContext->extradata[]中为nalu长度
*   codec_extradata:
*   1, 64, 0, 1f, ff, e1, [0, 18], 67, 64, 0, 1f, ac, c8, 60, 78, 1b, 7e,
*   78, 40, 0, 0, fa, 40, 0, 3a, 98, 3, c6, c, 66, 80,
*   1, [0, 5],68, e9, 78, bc, b0, 0,
*/

//ffmpeg -i 2018.mp4 -codec copy -bsf:h264_mp4toannexb -f h264 tmp.h264
//ffmpeg 从mp4上提取H264的nalu h
int main(int argc, char **argv)
{
    AVFormatContext *ifmt_ctx = NULL;
    int             videoindex = -1;
    AVPacket        *pkt = NULL;
    int             ret = -1;
    int             file_end = 0; // 文件是否读取结束

    if(argc < 3)
    {
        printf("usage inputfile outfile\n");
        return -1;
    }
    FILE *outfp=fopen(argv[2],"wb");
    printf("in:%s out:%s\n", argv[1], argv[2]);

    // 分配解复用器的内存，使用avformat_close_input释放
    ifmt_ctx = avformat_alloc_context();
    if (!ifmt_ctx)
    {
        printf("[error] Could not allocate context.\n");
        return -1;
    }

    // 根据url打开码流，并选择匹配的解复用器
    ret = avformat_open_input(&ifmt_ctx,argv[1], NULL, NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("[error]avformat_open_input: %s\n", av_get_err(ret));
        return -1;
    }

    // 读取媒体文件的部分数据包以获取码流信息
    ret = avformat_find_stream_info(ifmt_ctx, NULL);
    if(ret < 0)
    {
        printf("[error]avformat_find_stream_info: %s\n", av_get_err(ret));
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
        return -1;
    }

    // 查找出哪个码流是video/audio/subtitles
    videoindex = -1;
    // 推荐的方式
    videoindex = av_find_best_stream(ifmt_ctx, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, NULL, 0);
    if(videoindex == -1)
    {
        printf("Didn't find a video stream.\n");
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
        return -1;
    }

    // 分配数据包
    pkt = av_packet_alloc();
    av_init_packet(pkt);

    // 1 获取相应的比特流过滤器
    //FLV/MP4/MKV等结构中，h264需要h264_mp4toannexb处理。添加SPS/PPS等信息。
    // FLV封装时，可以把多个NALU放在一个VIDEO TAG中,结构为4B NALU长度+NALU1+4B NALU长度+NALU2+...,
    // 需要做的处理把4B长度换成00000001或者000001
    const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
    AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
    // 2 初始化过滤器上下文
    av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
    // 3 添加解码器属性
    avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->codecpar);
    av_bsf_init(bsf_ctx);

    file_end = 0;
    while (0 == file_end)
    {
        if((ret = av_read_frame(ifmt_ctx, pkt)) < 0)
        {
            // 没有更多包可读
            file_end = 1;
            printf("read file end: ret:%d\n", ret);
        }
        if(ret == 0 && pkt->stream_index == videoindex)
        {
#if 0
            int input_size = pkt->size;
            int out_pkt_count = 0;
            if (av_bsf_send_packet(bsf_ctx, pkt) != 0) // bitstreamfilter内部去维护内存空间
            {
                av_packet_unref(pkt);   // 你不用了就把资源释放掉
                continue;       // 继续送
            }
            av_packet_unref(pkt);   // 释放资源
            while(av_bsf_receive_packet(bsf_ctx, pkt) == 0)
            {
                out_pkt_count++;
                // printf("fwrite size:%d\n", pkt->size);
                size_t size = fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfp);
                if(size != pkt->size)
                {
                    printf("fwrite failed-> write:%u, pkt_size:%u\n", size, pkt->size);
                }
                av_packet_unref(pkt);
            }
            if(out_pkt_count >= 2)
            {
                printf("cur pkt(size:%d) only get 1 out pkt, it get %d pkts\n",
                       input_size, out_pkt_count);
            }
#else       // TS流可以直接写入
            size_t size = fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfp);
            if(size != pkt->size)
            {
                printf("fwrite failed-> write:%u, pkt_size:%u\n", size, pkt->size);
            }
            av_packet_unref(pkt);
#endif
        }
        else
        {
            if(ret == 0)
                av_packet_unref(pkt);        // 释放内存
        }
    }
    if(outfp)
        fclose(outfp);
    if(bsf_ctx)
        av_bsf_free(&bsf_ctx);
    if(pkt)
        av_packet_free(&pkt);
    if(ifmt_ctx)
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
    printf("finish\n");

    return 0;
}

believe.mp4 out_mp4.h264

运行

音视频流媒体开发【九】H264NALU分析

NALU(Network Abstract Layer Unit)

H264简介

H264 编解码解析

H264编码原理

H264中的I帧、P帧和B帧

H264编码结构解析

GOP （图像组）主要⽤作形容⼀个IDR帧到下⼀个IDR帧之间的间隔了多少个帧。

NALU

NALU结构

解析NALU

H264 annexb模式

补充讲解

GOP group of pictures

H.264中的I帧，B帧和P帧

I P B三种帧的说明

案例：extract-h264

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