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  • H264 帧结构分析、帧判断

    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)。



    ---------------------------------------------------

    处理过程一,VCL数据封装成NALU

    ---------------------------------------------------


    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.

    ------------------------------------------------

    处理过程二,NALU的RTP打包

    ------------------------------------------------

    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)

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