视频基础学习六——视频编码基础三(h264框架配合图文+具体抓包分析 万字)

系列文章目录

视频基础学习一——色立体、三原色以及像素
视频基础学习二——图像深度与格式(RGB与YUV)
视频基础学习三——视频帧率、码率与分辨率
视频基础学习四——视频编码基础一(冗余信息)
视频基础学习五——视频编码基础二(编码参数帧、GOP、码率等)
视频基础学习六——视频编码基础三(h264框架配合图文+具体抓包分析 万字)

文章目录

  • 系列文章目录
  • 前言
  • 一、h264架构
    • 1.h264裸流
    • 2.h264架构
      • VCL
      • NALU
  • 二、NALU深入了解
    • 1.NAL Unit header
    • 2.NAL Unit Body
      • 1)SPS、PPS
        • SPS
          • 长宽
          • 压缩级别
          • 序列参数集
        • PPS
          • pic_parameter_set_id
          • seq_parameter_set_id
          • weighted_pred_flag
          • weighted_bipred_idc
        • 扩展(图像与序列参数集)
      • 2)SEI
      • 3)IDR和非IDR
  • 三、FU-A分片
    • 1.分片
    • FU Header
      • 起始帧
      • 结束 帧
    • 2.SODB和RBSP
  • 总结


前言

上一篇文章中有提到视频编码有两个目的:1.压缩视频体积 2.提高对于网络传输的亲和性。而h264作为当下最流行的编码器,也是本人一直在学习的。

本章内容就是结合笔者自己抓包和阅读文章,根据实际包结合深入刨析h264数据流的格式是怎样的,这篇文章会很长。

|版本声明:山河君,未经博主允许,禁止转载


一、h264架构

1.h264裸流

首先,需要知道的是h264裸流是由一个个NALU(Network Abstract Layer Unit)单元组成,就像是这样:
在这里插入图片描述
那么为什么需要NALU?
NALU又是什么东西?
NALU长什么样子?
这个就需要我们对h264的架构有一定的了解,相信接下来的内容能够回答这三个问题。

2.h264架构

我们不止一次提到过,h264编码目的地是为了高效压缩视频和亲和网络。为了完成这两个目标,h264将系统框架分为了两个层面:【视频编码层面(VCL)】、【网络抽象层面(NAL)】,如下图:
在这里插入图片描述

  • 视频编码层(VCL):是对视频编码核心算法过程、子宏块、宏块、片等概念的定义。这层主要是为了尽可能的独立于网络来高效的对视频内容进行编码。编码完成后,输出的数据是 SODB(String Of Data Bits)

  • 网络适配层(NAL),是对图像序列、图像等片级别以上的概念的定义。这层负责将 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。该层将 VCL 层输出的 SODB 数据打包成 RBSP(Raw Byte Sequence Payload)

总的来说,VLC负责表示视频数据内容,NAL负责格式化数据并提供头信息,保证数据适合各种存储和信道上的传输

VCL

其实在上一篇文章有说过,现在重新复习一下:

一帧是由若干个片(Slice)组成,一个片是由若干个宏块组成,而每一个宏块的大小是16x16的数据,一个宏块又可以分为1616,168,816,88,84,48,4*4,等大小不等的子块,具体关系如同下图:
在这里插入图片描述

扩展:

H264宏块是16x16的,H265宏块会根据宏块的变化幅度来进行宏块划分。而H265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64。

H265压缩率相对于H264压缩率理论上要少百分之50。

NALU

一个视频帧可以被分成诺干个Slice,也就会产生对应的NALU。而一个NALU的组成如同下图:
在这里插入图片描述

  • StartCode:通常为0x000001或者0x00000001(一个完整帧产生多个Slice时使用三字节起始码,否则是四字节),表示这是一个NALU单元的开始,直到遇到下一个StartCode结束。
  • NAL Unit header:占用一字节,用来表示NALU类型
  • NAL Unit Body:可能是包含SPS、PPS、SEI、RBSP(Raw Byte Sequence Payload)等等其中一种信息,可以根据header获知。

二、NALU深入了解

上文说过NAL负责格式化数据并提供头信息,现在就来看看NAL层是如何提供头信息和格式化数据的。

1.NAL Unit header

NAL Unit header:NALU头信息,占用一字节,而这一字节的组成为

  • forbidden_bit(1bit) :禁止位,初始为0,占用NAL头的第一个位,当禁止位值为1时表示接收方需要纠错。
  • nal_reference_bit(2bits):表示优先级,取值越⼤,表示当前NAL越重要,需要优先受到保护。
  • nal_unit_type(5bits):表示当前NALU的类型有多少种

在这里引用网上做好的表格来介绍NAL的类型:
在这里插入图片描述
然后我们结合实际的抓包来进行分析其中几种类型

2.NAL Unit Body

上文说过,NAL单元的body会有多种,具体需要header进行判断,可能是SPS、PPS、SEI或者RBSP等,那么我们就以比较重要的几种先来看看

1)SPS、PPS

h264编码需要SPS和PPS中的信息才能进行解码,一般会在最开始进行发送一次,也有的会在每次I帧编出的时候发送,但是如果当编码器发生改变时候例如:视频分辨率改变,一定需要发送SPS和PPS信息。

SPS

那么SPS和PPS中到底有什么信息是解码必须要的呢?下面我们先看看SPS抓包后的信息
在这里插入图片描述
先分析第一个NAL unit ,对照NAL Unit header

6764001facd9405005bb011000000300100000030320f1831960取第一个字节
0x67:01100111
forbidden_bitL: 0 值为0
nal_reference_bit:11 值为3,表示受到最高保护
nal_unit_type:00111 值为7,对照表格可知为SPS(序列参数集)

下面是对整个SPS的解析

NAL unit: 6764001facd9405005bb011000000300100000030320f1831960
    0... .... = Forbidden_zero_bit: 0
    .11. .... = Nal_ref_idc: 3 #受到最高保护
    ...0 0111 = Nal_unit_type: Sequence parameter set (7) #对照nal_unit_type为sps
    Profile_idc: High profile (100)
    0... .... = Constraint_set0_flag: 0
    .0.. .... = Constraint_set1_flag: 0
    ..0. .... = Constraint_set2_flag: 0
    ...0 .... = Constraint_set3_flag: 0
    .... 0... = Constraint_set4_flag: 0
    .... .0.. = Constraint_set5_flag: 0
    .... ..00 = Reserved_zero_2bits: 0
    Level_id: 31 [Level 3.1 14 Mb/s] #码率等级
    1... .... = seq_parameter_set_id: 0 #序列参数集标志
    .010 .... = chroma_format_id: 1
    .... 1... = bit_depth_luma_minus8: 0
    .... .1.. = bit_depth_chroma_minus8: 0
    .... ..0. = qpprime_y_zero_transform_bypass_flag: 0
    .... ...0 = seq_scaling_matrix_present_flag: 0
    1... .... = log2_max_frame_num_minus4: 0
    .1.. .... = pic_order_cnt_type: 0
    ..01 1... = log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4: 2
    .... .001  01.. .... = num_ref_frames: 4
    ..0. .... = gaps_in_frame_num_value_allowed_flag: 0
    ...0 0000  0101 0000 = pic_width_in_mbs_minus1: 79 #宽
    0000 0101  101. .... = pic_height_in_map_units_minus1: 44 #长
    ...1 .... = frame_mbs_only_flag: 1
    .... 1... = direct_8x8_inference_flag: 1
    .... .0.. = frame_cropping_flag: 0
    .... ..1. = vui_parameters_present_flag: 1
    .... ...1 = aspect_ratio_info_present_flag: 1
    0000 0001 = aspect_ratio_idc: 1
    0... .... = overscan_info_present_flag: 0
    .0.. .... = video_signal_type_present_flag: 0
    ..0. .... = chroma_loc_info_present_flag: 0
    ...1 .... = timing_info_present_flag: 1
    .... 0000  0000 0000  0000 0000  0000 0011  0000 .... = num_units_in_tick: 48
    .... 0000  0001 0000  0000 0000  0000 0000  0000 .... = time_scale: 16777216
    .... 0... = fixed_frame_rate_flag: 0
    .... .0.. = nal_hrd_parameters_present_flag: 0
    .... ..1. = vcl_hrd_parameters_present_flag: 1
    .... ...1 = cpb_cnt_minus1: 0
    0000 .... = bit_rate_scale: 0
    .... 0011 = cpb_size_scale: 3
    0010 0... = bit_rate_value_minus1: 3
    .... .000  1111 .... = cpb_size_value_minus1: 14
    .... 0... = cbr_flag: 0
    .... .001  10.. .... = initial_cpb_removal_delay_length_minus1: 6
    ..00 001. = cpb_removal_delay_length_minus1: 1
    .... ...1  0001 .... = dpb_output_delay_length_minus11: 17
    .... 1001  0... .... = time_offset_length: 18
    .1.. .... = low_delay_hrd_flag: 1
    ..1. .... = pic_struct_present_flag: 1
    ...0 .... = bitstream_restriction_flag: 0
    .... 0... = rbsp_stop_bit: 0
    .... .000 = rbsp_trailing_bits: 0
长宽

从上面我们看到,有两个重要的参数—— pic_width_in_mbs_minus1: 79 和pic_height_in_map_units_minus1: 44
通过这两个参数我们就可以算出视频的长宽
width = 16 * (pic_width_in_mbs_minus1 + 1) = 1280
height = 16 * (pic_height_in_map_units_minus1 + 1) = 720
是16的原因是在h264中一个宏块的长宽就是16

压缩级别

Profile_idc: High profile (100)
标识当前H.264码流的profile。H.264中定义了三种常用的档次profile:

  • 基准档次:baseline profile;
  • 主要档次:main profile;
  • 扩展档次:extended profile;
    新版中,还包括igh、High 10、High 4:2:2、High 4:4:4、High 10 Intra、High 4:2:2 Intra、High 4:4:4 Intra、CAVLC 4:4:4 Intra等
序列参数集

seq_parameter_set_id:表示当前的序列参数集的id。通过该id值,图像参数集pps可以引用其代表的sps中的参数。

PPS

接着来看看PPS中的信息

现在看第二个NAL unit ,对照NAL Unit header

68ebe3cb22c0取第一个字节
0x68:01101000
forbidden_bitL: 0 值为0
nal_reference_bit:11 值为3,表示受到最高保护
nal_unit_type:00111 值为8,对照表格可知为PPS(图像参数集)

再来看一下具体内容

NAL unit: 68ebe3cb22c0
    0... .... = Forbidden_zero_bit: 0
    .11. .... = Nal_ref_idc: 3 #受到保护最高
    ...0 1000 = Nal_unit_type: Picture parameter set (8) #对照nal_unit_type为pps
    1... .... = pic_parameter_set_id: 0
    .1.. .... = seq_parameter_set_id: 0
    ..1. .... = entropy_coding_mode_flag: 1
    ...0 .... = pic_order_present_flag: 0
    .... 1... = num_slice_groups_minus1: 0
    .... .011 = num_ref_idx_l0_active_minus1: 2
    1... .... = num_ref_idx_l1_active_minus1: 0
    .1.. .... = weighted_pred_flag: 1 #是否加权预测
    ..10 .... = weighted_bipred_idc: 2 #隐式预测
    .... 0011  1... .... = pic_init_qp_minus26(se(v)): -3
    .1.. .... = pic_init_qs_minus26: 0
    ..00 101. = chroma_qp_index_offset(se(v)): -2
    .... ...1 = deblocking_filter_control_present_flag: 1
    0... .... = constrained_intra_pred_flag: 0
    .0.. .... = redundant_pic_cnt_present_flag: 0
    ..1. .... = transform_8x8_mode_flag: 1
    ...0 .... = pic_scaling_matrix_present_flag: 0
    .... 0010  1... .... = second_chroma_qp_index_offset(se(v)): -2
    .1.. .... = rbsp_stop_bit: 1
    ..00 0000 = rbsp_trailing_bits: 0

pic_parameter_set_id

表示当前PPS的id。某个PPS在码流中会被相应的slice引用,slice引用PPS的方式就是在Slice header中保存PPS的id值。该值的取值范围为[0,255]

seq_parameter_set_id

表示当前PPS所引用的激活的SPS的id。通过这种方式,PPS中也可以取到对应SPS中的参数。该值的取值范围为[0,31]。

weighted_pred_flag

标识位,表示在P/SP slice中是否开启加权预测。

weighted_bipred_idc

表示在B Slice中加权预测的方法,取值范围为[0,2]。0表示默认加权预测,1表示显式加权预测,2表示隐式加权预测。

扩展(图像与序列参数集)

SPS称为序列参数集,PPS称为图像参数集,那么到底什么是参数集?参数集又有什么作用?

前面说过,帧就是对于Slice的编码,在一段视频中,有些编码参数像上述的加权、长宽等等都是不变的,这些就形成了序列参数集,而图像参数集就是对于序列参数集中的参数做了引用,看起来关系如下:
在这里插入图片描述

2)SEI

我们先看一下抓包的情况
在这里插入图片描述
SEI实际上是对于编码参数的一种扩展,从抓包中数据分析

0x06:00000110
forbidden_bitL: 0 值为0
nal_reference_bit:00 值为3,表示不受保护
nal_unit_type:00110 值为6,对照表格可知为SEI

从nal_reference_bit中不难看出,这种类型的包基本不受保护,也就是说,实际上该包丢弃之后,依旧可以正常解码,所以这里不过多赘述。

3)IDR和非IDR

从nal_unit_type表格中可以看出,type为1, 2, 3, 4, 5及12的NAL单元保存的是VCL数据,也被称为VCL的NAL单元。

但是通常来说,一张图片经过编码压缩后依旧占据一定体积,所以就需要分为多个NAL进行发送,也被称为切片(FU-A),而切片后的数据nal_unit_type为28也就是自定义数据。
例如:
在这里插入图片描述
从上图可以看到实际一帧被分为了多个FU-A,并不是一个NAL单元就拥有一张图片
分析一下7C

0x7C:01111100
forbidden_bitL: 0 值为0
nal_reference_bit:11 值为3,表示受到最高保护
nal_unit_type:11100 值为28,对照表格可知为自定义数据

三、FU-A分片

1.分片

当视频帧大小超过一定范围(MTU),则h264中视频帧将会进行分片处理,其实分片处理特别简单,如下图:
在这里插入图片描述

  • StartCode:——FU-A包中还是叫做StartCode
  • NAL Unit header——改名叫做FU indicator,只不过nal_unit_type一定是28
  • NAL Unit Body——被分为FU header和playload两部分

FU Header

总体大小为1字节,其中:

  • 第一位:Start标记位,为1表示分片起始位置
  • 第二位:end标记为,为1表示分片结束位置
  • 第三位:保留
  • 第四~八位:type,和 nal_unit_type表格一样解析

下面我们看一下I帧起始和结束实际包样子

起始帧

在这里插入图片描述

H.264
    FU identifier
        0... .... = F bit: No bit errors or other syntax violations
        .11. .... = Nal_ref_idc (NRI): 3 #受到保护权重最高
        ...1 1100 = Type: Fragmentation unit A (FU-A) (28) #nal_unit_type为28
    FU Header
        1... .... = Start bit: the first packet of FU-A picture #首帧开始
        .0.. .... = End bit: Not the last packet of FU-A picture #结束位为0
        ..0. .... = Forbidden bit: 0
        ...0 0101 = Nal_unit_type: Coded slice of an IDR picture (5) #对照nal_unit_type是IDR帧
    H264 NAL Unit Payload
        1... .... = first_mb_in_slice: 0
        .000 1000 = slice_type: I (I slice) (7)
        1... .... = pic_parameter_set_id: 0
        [Not decoded yet]

结束 帧

在这里插入图片描述

H.264
    FU identifier
        0... .... = F bit: No bit errors or other syntax violations
        .11. .... = Nal_ref_idc (NRI): 3 #受到最高保护
        ...1 1100 = Type: Fragmentation unit A (FU-A) (28)#nal_unit_type 为自定义
    FU Header
        0... .... = Start bit: Not the first packet of FU-A picture #起始标志为0
        .1.. .... = End bit: the last packet of FU-A picture #结束标志
        ..0. .... = Forbidden bit: 0
        ...0 0101 = Nal_unit_type: Coded slice of an IDR picture (5) #nal_unit_type为IDR

2.SODB和RBSP

上面说过,VCL层对于数据进行编码,编码输出的数据是SODB(String Of Data Bits),然后经过映射到NAL为RBSP(Raw Byte Sequence Payload)。

想要了解映射过程可以看一下,不过也可以不用关注:

如果SODB的内容是空的,那么RBSP的内容也是空的。否则,RBSP的第一个字节取自SODB的第1到第8个比特,RBSP字节内部按照从左到右从高到低的顺序排列。以此类推,RBSP中的每个字节都直接取自SODP的相应比特。RBSP的最后一个字节包含SODB的最后几个比特,以及trailing bits。其中,trailing bits的第一个比特为1,其余的比特为0,保证字节对齐。所以RBSP就等于,SODB在它的最后一个字节的最后一个比特后,紧跟值为1的1个比特,然后增加若干比特的0,以补齐这个字节。

从网上找的图片以供参考
在这里插入图片描述


总结

这是一篇很长的文章,也是对于视频流媒体入门的最后一篇文章,我希望能够对于一些刚进去音视频领域的朋友能够进行更好的梳理,能够提供一些帮助。

那么还是那句话

如果对您有所帮助,请帮忙点个赞吧!

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