ts流中的pcr与pts计算与逆运算

　　mpeg2ts文件格式中有pcr和pts的概念，其代码含义如下：

　　PCR(Program Clock Reference)——指示系统时钟本身的瞬时值的时间标签称为节目参考时钟标签(PCR)。

　　PTS(Presentation Time Stamp)——指示音视频显示时间的时间戳称为显示时间戳(PTS)。

　　二者的更具体含义可以网上查找资料，本博文的重点不再于此。本博文主题为：利用编码帧bitstream所携带的时间戳，如何换算出ts文件中的pcr和pts值。

1. 一段典型的音视频ts数据包：

　　AAC: 47 41 E1 3F 07 10 00 F9 F2 B6 FE B3 00 00 01 C0 01 6A 84 80 05 21 07 CF CA DB 。。。(bitstream)。。。

　　AVC: 47 41 E2 3D 07 10 00 F9 F2 B6 FE B3 00 00 01 E0 98 65 84 80 05 21 07 CF CA DB 。。。(bitstream)。。。

　　红色的六个字节为pcr值（188Bytes的TS数据包的第7个字节），粉红色的五个字节为pts值（头的尾部，后面直接跟编码数据）。

2. pcr及pts算法介绍（pcr_val(42b)和pts[32..30..0](33b)）

　　两段典型的示例如下：

　　时间戳为00:06:04.013（timsUs=364013000）的一帧数据，其pcr的值：00 F9 F2 A9 7E 0D ，其pts[32...0]值为：21 07 CF CA A5
　　时间戳为00:06:04.034（timsUs=364034000）的一帧数据，其pcr的值：00 F9 F6 59 FE CF ，其pts[32...0]值为：21 07 CF D9 69

　　其中，编码模块送给封装模块（Android中为MPEG2TSWriter）的编码帧所携带的时间戳并不是“00:06:04.013”形式，而是一个long long型的整数，单位为微秒，例如364013000（代表364.013秒），换算成人容易识别的格式（hh:mm:ss）为：00:06:04.013。

　　注意，ts在封装时，标准规定了pcr值和pts各个位如何排布（参考下面的pcr_val和pts_val数组，即符合spec规定）。

3. timeUs和pcr之间转换

　　正向运算：timeUs -> pcr （用于封装）

　　　　float tmp = timeUs / 1000000 + (timeUs % 1000000) / 1000 * 0.001; //timeUs以us为单位，tmp以s为单位，即换算成xy.z格式（小数点放在倒数第六个字节前），xy为秒值，z为毫秒值
　　　　long long pcr = (long long)(tmp * 27000000.0);
　　　　long long pcr_low = pcr % 300LL;　　//有效位数为9位，即1+8

　　　　long long pcr_high = pcr / 300LL;　　//有效位数为33位，即8+8+8+8+1

　　　　unsigned char pcr_val[6]; 　　// 待写到ts文件中pcr位置的6个字节值

　　　　pcr_val[0] = pcr_high>>25;
　　　　pcr_val[1] = pcr_high>>17;
　　　　pcr_val[2] = pcr_high>>9;
　　　　pcr_val[3] = pcr_high>>1;
　　　　pcr_val[4] = pcr_high<<7 | pcr_low>>8 | 0x7e;
　　　　pcr_val[5] = pcr_low;

　　逆向运算：pcr -> timeUs （用于解封装时获取时间戳，由已知ts文件算出音视频帧的时间戳）（下式可能发生溢出，demo中有详细的避免溢出处理）

　　　　long long PCR_LOW = pcr_val[5] + ((pcr_val[4]&0x1)<<8);
　　　　long long PCR_HIGH = (pcr_val[4]>>7) + (pcr_val[3]<<1) + (pcr_val[2]<<9) + (pcr_val[1]<<17) + (pcr_val[0]<<25);
　　　　long long PCR = PCR_HIGH * 300 + PCR_LOW;
　　　　float TMS = PCR / 27000000.0;

4. timeUs和pts之间的转换

　　正向运算：timeUs -> pts

　　　　long long pts = timeUs * 9LL / 100LL;
　　　　unsigned char pts_val[5];
　　　　pts_val[0] = 0x20 | (((pts >> 30) & 7) << 1) | 1;  　  // 3bits
　　　　pts_val[1] = (pts >> 22) & 0xff;　　　　　　　　　// 8bits
　　　　pts_val[2] = (((pts >> 15) & 0x7f) << 1) | 1;　　　   // 7bits
　　　　pts_val[3] = (pts >> 7) & 0xff;　　　　　　　　　  // 8bits
　　　　pts_val[4] = ((pts & 0x7f) << 1) | 1;　　　　　　　 // 7bits

　　逆向运算：pts -> timeUs

　　　　long long PTS = (pts_val[4]>>1) | (pts_val[3]<<7) | (pts_val[2]>>1)<<15 | pts_val[1]<<22 | (pts_val[0]>>1)<<30;
　　　　long long TIMEUS = PTS * 100LL / 9LL;

5. 完整demo演示

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    long long timeUs = 364034000;

    float tm = timeUs / 1000000 + (timeUs % 1000000) / 1000 * 0.001;
    long long pcr = (long long)(tm * 27000000.0);
    long long pcr_low = pcr % 300LL;
    long long pcr_high = pcr / 300LL;

    unsigned char pcr_val[6];
    pcr_val[0] = pcr_high>>25;
    pcr_val[1] = pcr_high>>17;
    pcr_val[2] = pcr_high>>9;
    pcr_val[3] = pcr_high>>1;
    pcr_val[4] = pcr_high<<7 | pcr_low>>8 | 0x7e;
    pcr_val[5] = pcr_low;
    printf("calculate pcr by timeUs!
");
    printf("    timeUs=%lld us, tm=%f s
", timeUs, tm);
    printf("    pcr=%llx, pcr_low=%#llx, pcr_high=%#llx
", pcr, pcr_low, pcr_high);
    printf("    pcr_val[0-5]: %#x, %#x, %#x, %#x, %#x, %#x
", pcr_val[0], pcr_val[1], pcr_val[2], pcr_val[3], pcr_val[4], pcr_val[5]);

    /* test max pcr_val */
    //pcr_val[0] = 0xff;
    //pcr_val[1] = 0xff;
    //pcr_val[2] = 0xff;
    //pcr_val[3] = 0xff;
    //pcr_val[4] = 0xff;
    //pcr_val[5] = 0x2b;
    long long PCR_LOW = (unsigned)pcr_val[5] + (((unsigned)pcr_val[4]&0x1)<<8);
    long long PCR_HIGH = ((unsigned)pcr_val[4]>>7) + ((unsigned)pcr_val[3]<<1) + ((unsigned)pcr_val[2]<<9) + ((unsigned)pcr_val[1]<<17) + ((unsigned long long)pcr_val[0]<<25);
    long long PCR = PCR_HIGH * 300LL + PCR_LOW;
    float TMS = PCR / 27000000.0;
    printf("revert test by pcr_val[0-5](%#x,%#x,%#x,%#x,%#x,%#x)!
", pcr_val[0], pcr_val[1], pcr_val[2], pcr_val[3], pcr_val[4], pcr_val[5]);
    printf("    PCR_LOW=%#llx, PCR_HIGH=%#llx, PCR=%#llx, TMS=%f s
", PCR_LOW, PCR_HIGH, PCR, TMS);

    printf("---------------------------------------------------------------------------
");
    printf("calculate pts by timeUs!
");
    long long pts = timeUs * 9LL / 100LL;
    unsigned char pts_val[5];
    pts_val[0] = 0x20 | (((pts >> 30) & 7) << 1) | 1;
    pts_val[1] = (pts >> 22) & 0xff;
    pts_val[2] = (((pts >> 15) & 0x7f) << 1) | 1;
    pts_val[3] = (pts >> 7) & 0xff;
    pts_val[4] = ((pts & 0x7f) << 1) | 1;
    printf("    pts_val[0-4]: %#x, %#x, %#x, %#x, %#x
", pts_val[0], pts_val[1], pts_val[2], pts_val[3], pts_val[4]);

    /* test max pts_val */
    //pts_val[0] = 0x2f;
    //pts_val[1] = 0xff;
    //pts_val[2] = 0xff;
    //pts_val[3] = 0xff;
    //pts_val[4] = 0xff;
    printf("revert test by pts_val[0-4](%#x,%#x,%#x,%#x,%#x)!
", pts_val[0], pts_val[1], pts_val[2], pts_val[3], pts_val[4]);
    long long PTS = ((unsigned)pts_val[4]>>1) | ((unsigned)pts_val[3]<<7) | ((unsigned)pts_val[2]>>1)<<15 | (unsigned)pts_val[1]<<22 | ((unsigned long long)(pts_val[0]&0x0E)>>1)<<30;
    long long TIMEUS = PTS * 100LL / 9LL;
    printf("    PTS=%lld, TIMEUS=%lld us
", PTS, TIMEUS);

    long long PTS_VAL = (1LL * pts_val[0]<<32) + (1LL * pts_val[1]<<24) + (1LL * pts_val[2]<<16) + (1LL * pts_val[3]<<8) + (1LL * pts_val[4]);
    long long PTS1 = ((PTS_VAL>>1)&0x7f) | ((PTS_VAL>>8)&0xff)<<7 | ((PTS_VAL>>(16+1))&0x7f)<<15 | ((PTS_VAL>>24)&0xff)<<22 | ((PTS_VAL>>(32+1))&7)<<30;
    long long TIMEUS1 = PTS1 * 100LL / 9LL;
    printf("    PTS1=%lld, TIMEUS1=%lld us
", PTS1, TIMEUS1);

    return 0;
}

　　

 6. 延伸

　　6.1 ts文件中音视频帧的最大时间戳是多少？

　　当最大时，即意味着文件中pcr_val[0-5]或pts_val[0-4]处的二进制位值都为1。

　　方案1.从pcr_val[0-5]侧来计算

　　　　由于pcr_low是被300求余的，则其最大值为299=0x12B，那么pcr_va[0-5]数组的值分别为：0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 2B

　　　　由此，可以算得TMS最大值为95443.718750 s = 26.5h

　　　　利用上面demo，逆向计算结果如下：

　　　　

　　方案2.从pts_val[0-4]来计算

　　　　由于pts为33bits宽（3+8+7+8+7），则其最大值为：0x1 FF FF FF FF（对应文件中pcr_val[]为：0x2F FF FF FF FF），算得timeUs=pts_max * 100L / 9LL =  95443717666 us = 95443 s = 26.5h

　　　　利用上面demo，逆向计算结果如下：

　　　　 

　　结论：两个层面，计算结果都一致，即最大的timeUs=95443000000。这意味着，timeUs从0开始，到1天再过2.5h后，就会发生时间戳溢出。