多媒体文件格式（一）：MP4 格式

在互联网常见的格式中，跨平台最好的应该就属MP4文件了。因为MP4文件既可以在PC平台的Flashplayer中播放，又可以在移动平台的Android、iOS等平台中进行播放，而且使用系统默认的播放器即可以播放。

MP4格式是最常见的多媒体文件格式。

一、MP4 格式标准介绍

MP4格式标准为ISO-14496 Part 12、ISO-14496 Part 14，标准内容不是很多，下面我们来介绍一下格式标准中一些重要的信息。

MP4是一种描述较为全面的容器格式，被认为可以在其中嵌入任何形式的数据，各种编码的视频、音频等都不在话下，常见的大部分的MP4文件存放的AVC(H.264)或MPEG-4(Part 2)编码的视频和AAC编码的音频。MP4格式的官方文件后缀名是“.mp4”，还有其他的以mp4为基础进行的扩展或者是阉割版的格式，如：M4V, 3GP, F4V等。

MP4是由一个个“Box”组成的，大Box中存放小Box，一级嵌套一级来存放媒体信息。下面我们来楚关于Box的几个概念：

• MP4文件由许多个Box与FullBox组成。
• 每个Box由Header和Data两部分组成。
• FullBox是Box的扩展，其在Box结构的基础上，在Header中增加8位version标志和24的flags标志。
• Header包含了整个Box的长度的大小（size）和类型（type），当size等于0时，代表这个Box是文件的最后一个Box。当size等于1时，说明Box长度需要更多的位来描述，在后面会自定义一个64位的largesize用来描述Box的长度。当type等于uuid时，说明这个Box中的数据是用户自定义扩展类型。
• Data为Box的实际数据，可以是纯数据，也可以是更多的子Box。
• 当一个Box中Data是一系列的子Box时，这个Box又可以称为Container（容器）Box。

MP4常用参考标准Box排列方式：https://github.com/renhui/Thinking-in-AV/tree/master/多媒体格式/MP4。

介绍了MP4的格式标准后，下面我们来介绍是三个MP4分析工具，为后续理解MP4文件一些关键信息做辅助工具。

二、MP4分析工具

可以用来分析MP4封装格式的工具比较多，除了FFmpeg、FFprobe之外，还有一些常用的工具，如Elecard StreamEye、mp4box、mp4info等；下面简单介绍一下这几款常用的工具：

1. Elecard StreamEye

Elecard StreamEye是一款非常强大的视频信息查看工具，能够查看帧的排列信息，将I帧、P帧、B帧以不同颜色的柱状展现出来，而且柱的长短将根据帧的大小展示。还能够通过Elecard StreamEye分析MP4的封装的内容信息，包括流信息、宏块的信息、文件头顶额信息、图像的信息以及文件的信息等。还能根据每一帧的顺序逐帧查看，可以看到每一帧的详细信息与状态。

示例如图：

2. mp4box

mp4box 是GPAC项目中的一个组件，可以通过mp4box针对媒体文件进行合成、拆解等操作。

官网地址：https://gpac.wp.imt.fr/mp4box/。

其使用时的常用命令如下：

    1) mp4box -h
       查看mp4box中的所有帮助信息

    2) mp4box -h general
       查看mp4box中的通用帮助信息

    3) mp4box -info test.mp4 
       查看test.mp4文件是否有问题

    4) mp4box   -add    test.mp4   test-new.mp4
       修复test.mp4文件格式不标准的问题，并把新文件保存在test-new.mp4中

    5) mp4box  -inter  10000 test-new.mp4 
       解决开始播放test-new.mp4卡一下的问题，为HTTP下载快速播放有效，10000ms

    6) mp4box -add file.avi new_file.mp4
       把avi文件转换为mp4文件

    7) mp4box -hint file.mp4 
       为RTP准备，此指令将为文件创建RTP提示跟踪信息。这使得经典的流媒体服务器像darwinstreamingserver或QuickTime的流媒体服务器通过RTSP／RTP传输文件

    8) mp4box -cat test1.mp4 -cat test2.mp4 -new test.mp4 
       把test1.mp4和test2.mp4合并到一个新的文件test.mp4中，要求编码参数一致

    9) mp4box -force-cat test1.mp4 -force-cat test2.mp4 -new test.mp4 
       把test1.mp4和test2.mp4强制合并到一个新的文件test.mp4中，有可能不能播放

    10) mp4box -add video1.264 -cat video2.264 -cat video3.264 -add audio1.aac -cat audio2.aac -cat audio3.aac -new muxed.mp4 -fps 24 
        合并多段音视频并保持同步 

    11) mp4box -split *time_sec* test.mp4
        切取test.mp4中的前面time_sec秒的视频文件

    12) mp4box -split-size *size *test.mp4 
        切取前面大小为size KB的视频文件

    13) mp4box -split-chunk *S:E* test.mp4 
        切取起始为S少，结束为E秒的视频文件

    14) mp4box -add 1.mp4#video -add 2.mp4#audio -new test.mp4
        test.mp4由1.mp4中的视频与2.mp4中的音频合并生成

而通过mp4box也可以查看mp4的信息，其输出内容格式非常类似ffprobe查看的信息，不过想对ffprobe更完善。

3. mp4info

 mp4info是一个不错的MP4分析工具，而且是可视化的工具，可以将MP4中的各个Box解析出来，并将其中的数据展现出来。分析MP4文件内容时使用mp4info将会更方便。

结合着此工具，理解MP4的Box会更方便，更直观。

三、MP4格式重要Box

1. ftyp（File Type 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。

2. moov（Movie Box）

该box包含了文件媒体的metadata信息，“moov”是一个container box，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。

moov定义了一个MP4文件中的数据信息，类型是moov，是一个容器Atom，其至少必须包含一下三种Atom中的一种：mvhd标签、cmov标签、rmra标签。

• mvhd标签：Movie Header Atom，存放未压缩过的影片信息的头容器。
• cmov标签：Compressed Movie Atom，压缩鬼哦的电影信息容器，此容器不常用。
• rmra标签：Reference Movie Atom，参考电影信息容器，此容器不常用。

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（对于其他Container Box来说，Header Box都应作为首个子box出现）。“trak”包含了一个track的相关信息，是一个Container Box。

3. trak（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（hint track除外）。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）。其中“tkhd”为track header box，“mdia”为media box，该box是一个包含一些track媒体数据信息box的container box。

4. mdat（Meida Data Box）

该box包含于文件层，可以有多个，也可以没有（当媒体数据全部为外部文件引用时），用来存储媒体数据。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）。 

5. free或skip（Free Space Box）

“free”中的内容是无关紧要的，可以被忽略。该box被删除后，不会对播放产生任何影响。

6. stbl（Sample Table Box）

“stbl”几乎是普通的MP4文件中最复杂的一个box了，首先需要回忆一下sample的概念。sample是媒体数据存储的单位，存储在media的chunk中，chunk和sample的长度均可互不相同，如下图所示。

普通MP4文件的结构重要的部分就讲完了，理解起来可能比较乱，下面这张图是常见的box的树结构图，可以用来大致了解MP4文件的构造。

在MP4文件中，Box的结构与上图中所描述的一般没太大的差别。

四、MP4格式 与 FFmpeg实战

1. 在FFmpeg中的输出MP4的Demuxer信息

使用命令行 ffmpeg -h demuxder=mp4 查看MP4文件的Demuxer信息：

Demuxer mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2 [QuickTime / MOV]:
Common extensions: mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2.

2. 通过FFmepg faststart参数的使用，来理解mdat和moov的顺序的意义

正常情况下，ffmpeg生成的moov是在mdat写完成后再写入的。

下面是一个例子：

ffmpeg -i 好汉歌.flv -c copy -f mp4 好汉歌.mp4

使用mp4info查看容器出现的顺序，如图：

可以看出moov box是在mdat的下面。这时，我们可以使用faststart将上图的moov移动到mdat前面。

使用如下命令行：

ffmpeg -i 好汉歌.flv -c copy -f mp4 -movflags faststart 好汉歌.mp4

然后使用mp4info查看MP4的容器顺序，就可以看到moov被移动到mdat前面了。如下图所示：

因为MP4的标准中描述的moov与mdat的存放位置前后并没有强制要求，所有有些时候moov这个Box在mdat的后面，有时候在mdat的前面。

在互联网的视频点播中，如果希望MP4文件被快速打开，则需要moov存放在mdat的前面；如果放在后面，则需要将MP4文件下载完成后才可以进行播放。