H.264/H265码流解析

H.264/H265码流解析

一．H.264码流解析

一个原始的H.264 NALU 单元常由 [StartCode] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分组成

一个原始的H.264 NALU 单元常由 [StartCode] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分组成

 

 NALU组成.jpeg

• StartCode : 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 Header
  下表为 NAL Header Type

 

NAL Header Type.png

例如,下面幅图分别代表IDR与非IDR帧具体的码流信息:

 

 

 2.IDR

在一个NALU中，第一个字节（即NALU header）用以表示其包含数据的类型及其他信息。我们假定一个头信息字节为0x67作为例子：

十六进制	二进制
0x67	0 11 00111

如表所示，头字节可以被解析成3个部分，其中：

1>. forbidden_zero_bit = 0：占1个bit，禁止位，用以检查传输过程中是否发生错误，0表示正常，1表示违反语法；

2>. nal_ref_idc = 3：占2个bit，用来表示当前NAL单元的优先级。非0值表示参考字段/帧/图片数据，其他不那么重要的数据则为0。对于非0值，值越大表示NALU重要性越高

3>. nal_unit_type = 7：最后5位用以指定NALU类型，NALU类型定义如上表

从表中我们可以获知,NALU类型1-5为视频帧，其余则为非视频帧。在解码过程中，我们只需要取出NALU头字节的后5位，即将NALU头字节和0x1F进行与计算即可得知NALU类型，即：

NALU类型 = NALU头字节 & 0x1F

注意: 可以将start code理解为不同nalu的分隔符,header是某种类型的key,payload是该key的value.

码流格式

H.264标准中指定了视频如何编码成独立的包，但如何存储和传输这些包却未作规范，虽然标准中包含了一个Annex附件，里面描述了一种可能的格式Annex B，但这并不是一个必须要求的格式。
为了针对不同的存储传输需求，出现了两种打包方法。一种即Annex B格式，另一种称为AVCC格式。

• Annex B

从上文可知，一个NALU中的数据并未包含他的大小（长度）信息，因此我们并不能简单的将一个个NALU连接起来生成一个流，因为数据流的接收端并不知道一个NALU从哪里结束，另一个NALU从哪里开始。
Annex B格式用起始码（Start Code）来解决这个问题，它在每个NALU的开始处添加三字节或四字节的起始码0x000001或0x00000001。通过定位起始码，解码器就可以很容易的识别NALU的边界。
当然，用起始码定位NALU边界存在一个问题，即NALU中可能存在与起始码相同的数据。为了防止这个问题，在构建NALU时，需要将数据中的0x000000,0x000001,0x000002,0x000003中插入防竞争字节（Emulation Prevention Bytes)0x03，使其变为：

0x000000 = 0x0000 03 00
0x000001 = 0x0000 03 01
0x000002 = 0x0000 03 02
0x000003 = 0x0000 03 03
解码器在检测到0x000003时，将0x03抛弃，恢复原始数据。

由于Annex B格式每个NALU都包含起始码，所以解码器可以从视频流随机点开始进行解码，常用于实时的流格式。在这种格式中通常会周期性的重复SPS和PPS，并且经常时在每一个关键帧之前。

• AVCC

AVCC格式不使用起始码作为NALU的分界，这种格式在每个NALU前都加上一个指定NALU长度的大端格式表示的前缀。这个前缀可以是1、2或4个字节，所以在解析AVCC格式的时候需要将指定的前缀字节数的值保存在一个头部对象中，这个都通常称为extradata或者sequence header。同时，SPS和PPS数据也需要保存在extradata中。
H.264 extradata语法如下：

bits	line by byte	remark
8	version	always	0x01
8	avc profile	sps[0][1]
8	avc compatibility	sps[0][2]
8	avc level	sps[0][3]
6	reserved	all bits on
2	NALULengthSizeMinusOne
3	reserved	all bits on
5	number of SPS NALUs usually	1
16	SPS size
N	variable SPS NALU data
8	number of PPS NALUs usually	1
16	PPS size
N	variable PPS NALU data

其中第5字节的后2位表示的就是NAL size的字节数。需要注意的是，这个NALULengthSizeMinusOne是NALU前缀长度减一，即，假设前缀长度为4，那么这个值应该为3。
这里还需要注意的一点是，虽然AVCC格式不使用起始码，但防竞争字节还是有的。

AVCC格式的一个优点在于解码器配置参数在一开始就配置好了，系统可以很容易的识别NALU的边界，不需要额外的起始码，减少了资源的浪费，同时可以在播放时调到视频的中间位置。这种格式通常被用于可以被随机访问的多媒体数据，如存储在硬盘的文件。

二. H.265码流解析

HEVC全称High Efficiency Video Coding(高效率视频编码，又称H.265)，是比H.264更优秀的一种视频压缩标准。HEVC在低码率视频压缩上，提升视频质量、减少容量即节省带宽方面都有突出表现。
H.265标准围绕H.264编码标准,保留原有的某些技术，同时对一些技术进行改进，编码结构大致上和H.264的架构类似。这里着重讲一下两者编码格式的区别。
同H.264一样，H.265也是以NALU的形式组织起来。而在NALU header上，H.264的HALU header是一个字节，而H.265则是两个字节。我们同样假定一个头信息为0x4001作为例子：

十六进制	二进制
0x4001	0 100000 000000 001

如表所示，头信息可以被解析成4个部分，其中：

• forbidden_zero_bit = 0：占1个bit，与H.264相同，禁止位，用以检查传输过程中是否发生错误，0表示正常，1表示违反语法；
• nal_unit_type = 32：占6个bit，用来用以指定NALU类型
• nuh_reserved_zero_6bits = 0：占6位，预留位，要求为0，用于未来扩展或3D视频编码
• nuh_temporal_id_plus1 = 1：占3个bit，表示NAL所在的时间层ID

对比H.264的头信息，H.265移除了nal_ref_idc，此信息被合并到了nal_unit_type中，H.265NALU类型规定如下:

nal_unit_type	NALU类型	备注
0	NAL_UNIT_CODE_SLICE_TRAIL_N	非关键帧
1	NAL_UNIT_CODED_SLICE_TRAIL_R
2	NAL_UNIT_CODED_SLICE_TSA_N
3	NAL_UINT_CODED_SLICE_TSA_R
4	NAL_UINT_CODED_SLICE_STSA_N
5	NAL_UINT_CODED_SLICE_STSA_R
6	NAL_UNIT_CODED_SLICE_RADL_N
7	NAL_UNIT_CODED_SLICE_RADL_R
8	NAL_UNIT_CODED_SLICE_RASL_N
9	NAL_UNIT_CODE_SLICE_RASL_R
10 ~ 15	NAL_UNIT_RESERVED_X	保留
16	NAL_UNIT_CODED_SLICE_BLA_W_LP	关键帧
17	NAL_UNIT_CODE_SLICE_BLA_W_RADL
18	NAL_UNIT_CODE_SLICE_BLA_N_LP
19	NAL_UNIT_CODE_SLICE_IDR_W_RADL
20	NAL_UNIT_CODE_SLICE_IDR_N_LP
21	NAL_UNIT_CODE_SLICE_CRA
22 ~ 31	NAL_UNIT_RESERVED_X	保留
32	NAL_UNIT_VPS	VPS(Video Paramater Set)
33	NAL_UNIT_SPS	SPS
34	NAL_UNIT_PPS	PPS
35	NAL_UNIT_ACCESS_UNIT_DELIMITER
36	NAL_UNIT_EOS
37	NAL_UNIT_EOB
38	NAL_UNIT_FILLER_DATA
39	NAL_UNIT_SEI	Prefix SEI
40	NAL_UNIT_SEI_SUFFIX	Suffix SEI
41 ~ 47	NAL_UNIT_RESERVED_X	保留
48 ~ 63	NAL_UNIT_UNSPECIFIED_X	未规定
64	NAL_UNIT_INVALID

具体type含义可以参考这篇文档type类型
H.265的NALU类型是在信息头的第一个字节的第2到7位，所以判断H.265NALU类型的方法是将NALU第一个字节与0x7E进行与操作并右移一位，即：

NALU类型 = (NALU头第一字节 & 0x7E) >> 1

与H.264类似，H.265码流也有两种封装格式，一种是用起始码作为分界的Annex B格式，另一种则是在NALU头添加NALU长度前缀的格式，称为HVCC。在HVCC中，同样需要一个extradata来保存视频流的编解码参数，其格式定义如下：

bits	line by byte	remark
8	configurationVersion	always 0x01
2	general_profile_space
1	general_tier_flag
5	general_profile_idc
32	general_profile_compatibility_flags
48	general_constraint_indicator_flags
8	general_level_idc
4	reserved	‘1111’b
12	min_spatial_segmentation_idc
6	reserved	‘111111’b
2	parallelismType
6	reserved	‘111111’b
2	chromaFormat
5	reserved	‘11111’b
3	bitDepthLumaMinus8
5	reserved	‘11111’b
3	bitDepthChromaMinus8
16	avgFrameRate
2	constantFrameRate
3	numTemporalLayers
1	tmporalIdNested
2	lengthSizeMinusOne
8	numOfArrays

Repeated of Array(VPS/SPS/PPS)
1| array_completeness
1| reserved| ‘0’b
6| NAL_unit_type
16| numNalus
16| nalUnitLength
N| NALU data

从上表可以看到，在H.265的extradata后半段是一段格式重复的数组数据，里面需要包含的除了与H.264相同的SPS、PPS外，还需多添加一个VPS。

VPS（Video Parament Set,视频参数集),在H.265中类型为32。VPS用于解释编码过的视频的整体结构，包括时域子层依赖关系等，主要目的在于兼容H.265标准在系统的多子层方面的扩展。