mp4封装格式各box类型讲解及IBP帧计算

作者 —— 靑い空゛出处：http://www.cnblogs.com/ailumiyana/

音视频流媒体高级开发教程

MP4文件封装格式，对应的标准为ISO/IEC 14496-12，即信息技术视听对象编码的第12部分 ISO 基本媒体文件格式（Information technology Coding of audio-visual objects Part 12: ISO base media file format）

box

如果从整体上看，mp4所有的数据全部存放在一个叫box的结构中。
box，顾名思义，可以简单的理解为一个箱子里面可以放任何符合大小的东西，也可以继续放箱子，箱子里面再放东西，这种箱子里面仍然放箱子的箱子称为容器箱子(container box) 你可以想象你要搬家，把你的家具全部放在一个个的箱子里面，然后一个大箱子把小箱子一个个再装箱。MP4中的 moov box 就是一种容器箱子。
在这里插入图片描述

box的字节序为网络字节序，也就是大端字节序（Big-Endian）Box由header和body组成，其中header统一指明box的大小和类型，body根据类型有不同的意义和作用。

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box size 有三种可能：

1、通常的box开头的4个字节（32位）为box size，该大小包括box header和box body整个box的大小，这样我们就可以在文件中定位各个box。

2、如果 box size为1，则表示这个box的大小为large size(“mdat”类型)。

3、如果box size为0，表示该box为文件的最后一个box，文件结尾即为该box结尾。（同样只存在于“mdat”类型的box中。）

size后面紧跟的32位为box type，一般是4个字符，如“ftyp”、“moov”等，这些box type都是已经预定义好的，分别表示固定的意义。如果是“uuid”，表示该box为用户扩展类型，如果box type是未定义的，应该将其忽略。

14496-12标准中box的都有这些类型，这张表，也能从整体上了解完各类型box的说明：
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MP4文件分析工具。

两个在线的MP4 分析工具，下面内容全部以此工具来分析一份demo
online-mp4-parser
online-mp4-parser-2

可以看到这份标准的mp4视频根路径上有四个box – ftyp、moov、uuid、mdat
ftyp 指定了文件类型
moov 保存了音视频数据的时空间信息
mdat 存放音视频数据

下面依赖工具简单依次分析一份普通mp4文件

ftyp box

该box有且只有1个，并且只能被包含在文件层，而不能被其他box包含。该box应该被放在文件的最开始，指示该MP4文件应用的相关信息。

“ftyp” body依次包括1个32位的major brand（4个字符），1个32位的minor version（整数）和1个以32位（4个字符）为单位元素的数组compatible brands。这些都是用来指示文件应用级别的信息。
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moov box

moov box 是一个 container box 该box包含了文件媒体的元数据信息，具体内容信息由子box诠释。同File Type Box一样，该box有且只有一个，且只被包含在文件层。一般情况下，“moov”会紧随“ftyp”出现。

可以看到这个demo 中有 mvhd、trak、udta 三种 box 一般情况下 “moov”中会包含1个“mvhd”和若干个“trak”。其中“mvhd”为header box，一般作为“moov”的第一个子box出现。“trak”包含了一条音、视频轨/流/track的相关信息，也是一个container box。

该box是解析MP4文件里面最重要的一个box，它包含了音视频数据的编码格式、音视频数据样本，chunks的大小、存储位置也即偏移offset、时间戳单位、DTS，CTS(PTS)，解码时间、显示时间等等…

moov box中记录的每帧音视频数据位置信息，实际上都在mdat box中，通过解析moov box来获取到每帧音视频数据具体位置后，使得播放器能方便的拖拉进度条。

mvhd box (Movie Header Box)

mvhd 描述了与具体音频或视频流无关的文件整体信息，其中的duration/timescale的值即为单位为秒的媒体时长。
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trak box (Track Box)

trak也是一个container box，其子box包含了该track的媒体数据引用和描述。一个MP4文件中的媒体可以包含多个track，且至少有一个track，这些track之间彼此独立，有自己的时间和空间信息。“trak”必须包含一个“tkhd”和一个“mdia”，此外还有很多可选的box（略）。

tkhd(track header box)

tkhd 描述的该track的，如果是视频会有宽、高信息、还有文件创建时间、修改时间等。
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mdia (Track Media Structure)

mdia box 描述了这条音视频轨/流(trak)的媒体数据样本的主要信息，对播放器来说是一个很重要的box…

mdhd (Media Header Box)

当前音/视频轨/流(trak)的总体信息, 该box中有duration字段和timescale字段，duration/timescale的值即为当前流的时长。

hdlr box用来指定该流的类型
在这里插入图片描述 stsd box的子box用于保存该流的编码类型

在这里插入图片描述
avcC box指定了该流的编码类型为H264，储了解码所需的SPS、PPS信息。

stsc stsz stco三个box用于保存每帧视频或音频数据在文件中的保存位置。

stts stss ctts三个box用于保存媒体数据和时间戳的对应关系。

在同级的stbl的样本表box里面可以查到对应的样本描述信息(stsd),时序信息(stts),样本的大小信息(stsz),样本到chunk的映射信息(stsc),chunk的位置信息(stco)等等

下面计算下PTS，来了解stbl box…

PTS和DTS的计算

I P B 帧的概念

在音视频中，为了提高压缩效率，会将每帧画面压缩为不同类型的视频帧数据。
I帧表示关键帧，包含有一帧画面的完整信息，解码时只需要本帧数据就可以解码出完整的一帧画面。
P帧表示前向参考帧，它保存了本帧与上一帧的差异信息，它不能单独解码，需要根据上一帧的画面加上本帧保存的差值来获取本帧的完整画面。
B帧为双向参考帧，它解码时需要依赖它之前和之后的帧来获取最终的画面
因为B帧需要依赖它后面的帧来进行解码，所以它的解码顺序就必然和显示顺序不能保持一致，这时就需要解码时间戳（DTS）和显示时间戳（PTS）来共同决定一帧视频数据何时解码，然后何时显示了。

举个例子
一小段视频帧序列如下：
type : I — B — B — P — B — B — P
PTS : 0.33 0.67 1.00 1.33 1.67 2.00 2.33
DTS : 0.00 0.67 1.00 0.33 1.67 2.00 1.33

PTS >= DTS

根据mp4 stts和ctts 可以得到DTS和PTS

stts（Decoding Time to Sample Box)

在这里插入图片描述
stts 可以计算出每个sample的dts，其中sample_delta为该sample的dts相对于上一个smaple的差值，
那么此样本数据的dts为 :

0   1000 2000 3000 4000 ···

ctts（Composition Time to Sample Box）

Composition Time 构成时间目前我直接理解的PTS。。
在这里插入图片描述
ctts 有每个sample的构成时间(Composition Time)和解码时间(DTS)之间的差值(CTTS)即图中的composition_offset。
如果不存在ctts，则代表该流不存在B帧，那么PTS就直接等于DTS。

timescale

最后就是关于单位,你可以看到图中样本的单位都是以1000为单位浮动，实际上真实DTS和PTS时间是需要除以mdia/mdhd中的timescale。这里是30000。

有了这些，我们就可以在ctts里面计算出pts了 :

 else if (box_type_equa(uint32_to_str(bh.type, sbuffer), "ctts")) {
        uint32_t version = 0;
        read_net_bytes_to_host_uint32(&box[8], &version);
        if(version != 0) {
            LOG_E("ctts unsupport version :%d ", version)
            return;
        }

        uint32_t entry_cnt = 0;
        read_net_bytes_to_host_uint32(&box[12], &entry_cnt);
        char buf[128] = {0};
        tree_childs_insert_with_val(tree, "version", uint32_to_ascii(version, buf));
        tree_childs_insert_with_val(tree, "entry_cnt", uint32_to_ascii(entry_cnt, buf));
        
        uint32_t i = 0, j = 0, num = 0, pos = 16;
        for (i = 0; i < entry_cnt; i++) {
            uint32_t sample_cnt;
            read_net_bytes_to_host_uint32(&box[pos], &sample_cnt);
            pos += 4;
        
            uint32_t sample_offset;
            read_net_bytes_to_host_uint32(&box[pos], &sample_offset);
            pos += 4;

            for (j = 0; j < sample_cnt; j++) {
                PushBack_Array(pts_array, At_Array(dts_array, num++) + sample_offset);
                float dt, pt = 0.0;
                printf("dts : %9.3f ms | pts : %9.3f ms | \n", At_Array(dts_array, num - 1) / (mdhd_time_scale * 1.0), At_Array(pts_array, num - 1) / (mdhd_time_scale * 1.0));
            }

stss (Sync Sample Box)

stss 里面存放了关键帧的序号(I帧)，跳转时，需要从关键帧开始解码，否则会花屏。
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stsz (Sample Size Boxes)：

顾名思义，样本大小
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stsc (Sample To Chunk Box):

媒体数据的样本是被打包进chunks(块)的,chunks和样本(samples)的大小不固定，该box用于说明chunks关联样本的信息。

first_chunk 该入口第一个chunks的索引(index).
samples_per_chunk 样本数量/chunks.

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stco (Chunk Offset Box)

描述每个chunks相对文件的偏移量。
在这里插入图片描述
如图第一个chunks即前10个样本(此例), samples.1起始地址为 423257, samples.1的地址则为 423257 + 140798 = 564055, 依此类推…

有了这些即可计算出音视频的时间和空间信息了
在这里插入图片描述

mdat box

Meida Data Box 媒体数据box 位于顶层，定义是一个字节数组，用来存储媒体数据。该box数量可以为0个，也可以有多个（当媒体数据全部为外部文件引用时），数据直接跟在box type字段后面，具体数据结构的意义需要参考metadata（主要在sample table中描述）。
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参考 : ISO/IEC 14496-12:2015规范