【视频编解码·学习笔记】4. H.264的码流封装格式 & 提取NAL有效数据

时间:2021-03-22 07:27:25

一、码流封装格式简单介绍:

H.264的语法元素进行编码后,生成的输出数据都封装为NAL Unit进行传递,多个NAL Unit的数据组合在一起形成总的输出码流。对于不同的应用场景,NAL规定了一种通用的格式适应不同的传输封装类型。

通常NAL Unit的传输格式分两大类:字节流格式和RTP包格式

字节流格式:

  • 大部分编码器的默认输出格式
  • 每个NAL Unit以规定格式的起始码分割
  • 起始码:0x 00 00 00 01 或 0x 00 00 01

RTP数据包格式:

  • NAL Unit按照RTP数据包的格式封装
  • 使用RTP包格式不需要额外的分割识别码,在RTP包的封装信息中有相应的数据长度信息。
  • 可以在NAL Unit的起始位置用一个固定长度的长度码表示整个NAL Unit的长度

实际应用中字节流格式更为常用,下面的均以字节流格式来介绍。

通过查阅H.264官方说明文档,了解NAL字节流格式(在附录B)

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有用数据前面会加 0x 00 00 00 01 或 0x 00 00 01,作为起始码,两个起始码中间包含的即为有用数据流

如: 00 00 00 01 43 23 56 78 32 1A 59 2D 78 00 00 00 01 C3 E2 …… 中,红色的部分即为有效数据。

本次使用上一篇笔记中生成的test.264作为例子。

使用Ultra Edit打开此文件,可以看到该文件的数据流:

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接下来将写一个小程序,从二进制码流文件中截取实际的NAL数据。

二、C++程序 从码流中提取NAL有效数据:

新建一个VS工程,配置工程属性。将【常规-输出目录】和【调试-工作目录】改为$(SolutionDir)bin\$(Configuration)\,【调试-命令参数】改为test.264编译、运行程序。

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在 bin\debug 目录下可看到生成的exe执行文件

接下来编写程序的功能:

提取起始码之间的有效数据

程序思路:

从码流中寻找 00 00 00 01 或 00 00 01序列,后面就是有效数据流,将之后的数据保存起来,直到遇到下一个(00) 00 00 01 停止。

下面开始编写程序:

① 打开码流文件

使用下面的代码测试,比较简单,不再解释,最后记得要把文件流关掉。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
FILE *pFile_in = NULL;
// 打开刚才导入的二进制码流文件
_tfopen_s(&pFile_in, argv[1], _T("rb")); // 判断文件是否打开成功
if (!pFile_in)
{
printf("Error: Open File failed. \n");
}
fclose(pFile_in);
return 0;
}

② 寻找起始码

  • 使用数据类型unsigned char数据类型来存储单个字节码
  • 为了减少内存使用,使用数组 refix3,存储连续的三个字节码
  • 数组循环使用,新进来的数据放在弹出那位数据的位置上
  • 即:数组的存数顺序为 [0][1][2],下一个字符放在[0]的位置上,此时数据顺序为[1][2][0],再下一次[2][0][1]以此类推
  • 由于起始码有两种格式00 00 01 和 00 00 00 01,因此需要有两个判断分别对应

代码如下:

typedef unsigned char uint8;

static int find_nal_prefix(FILE **pFileIn)
{
FILE *pFile = *pFileIn;
// 00 00 00 01 x x x x x 00 00 00 01
// 以下方法为了减少内存,及向回移动文件指针的操作
uint8 prefix[3] = { 0 }; /*
依次比较 [0][1][2] = {0 0 0}; 若不是,将下一个字符放到[0]的位置 -> [1][2][0] = {0 0 0} ; 下次放到[1]的位置,以此类推
找到三个连0之后,还需判断下一个字符是否为1, getc() = 1 -> 00 00 00 01
以及判断 [0][1][2] = {0 0 1} -> [1][2][0] = {0 0 1} 等,若出现这种序列则表示找到文件头
*/ // 标记当前文件指针位置
int pos = 0;
// 标记查找的状态
int getPrefix = 0;
// 读取三个字节
for (int idx = 0; idx < 3; idx++)
{
prefix[idx] = getc(pFile);
} while (!feof(pFile))
{
if ((prefix[pos % 3] == 0) && (prefix[(pos + 1) % 3] == 0) && (prefix[(pos + 2) % 3] == 1))
{
// 0x 00 00 01 found
getPrefix = 1;
break;
}
else if((prefix[pos % 3] == 0) && (prefix[(pos + 1) % 3] == 0) && (prefix[(pos + 2) % 3] == 0))
{
if (1 == getc(pFile))
{
// 0x 00 00 00 01 found
getPrefix = 2;
break;
}
}
else
{
fileByte = getc(pFile);
prefix[(pos++) % 3] = fileByte;
}
} return getPrefix;
}

③ 提取有效数据

  • 使用容器vector 存储有效数据
  • 函数find_nal_prefix() 添加参数 vector &nalBytes
  • 每次读取的数据都直接push到nalBytes中,若遇到起始码再把起始码pop掉
  • 本函数需要重复执行,第一次文件指针移动到有效数据起始位置;第二次提取两段起始码间的有效数据;第三次在移动到下一个起始码后;第四次提取有效数据... 以此类推。

函数调整为:

static int find_nal_prefix(FILE **pFileIn, vector<uint8> &nalBytes)
{
FILE *pFile = *pFileIn;
// 00 00 00 01 x x x x x 00 00 00 01
// 以下方法为了减少内存,及向回移动文件指针的操作
uint8 prefix[3] = { 0 };
// 表示读进来字节的数值
uint8 fileByte;
/*
依次比较 [0][1][2] = {0 0 0}; 若不是,将下一个字符放到[0]的位置 -> [1][2][0] = {0 0 0} ; 下次放到[1]的位置,以此类推
找到三个连0之后,还需判断下一个字符是否为1, getc() = 1 -> 00 00 00 01
以及判断 [0][1][2] = {0 0 1} -> [1][2][0] = {0 0 1} 等,若出现这种序列则表示找到文件头
*/ nalBytes.clear(); // 标记当前文件指针位置
int pos = 0;
// 标记查找的状态
int getPrefix = 0;
// 读取三个字节
for (int idx = 0; idx < 3; idx++)
{
prefix[idx] = getc(pFile);
// 每次读进来的字节 都放入vector中
nalBytes.push_back(prefix[idx]);
} while (!feof(pFile))
{
if ((prefix[pos % 3] == 0) && (prefix[(pos + 1) % 3] == 0) && (prefix[(pos + 2) % 3] == 1))
{
// 0x 00 00 01 found
getPrefix = 1;
// 这三个字符没用,pop掉
nalBytes.pop_back();
nalBytes.pop_back();
nalBytes.pop_back();
break;
}
else if((prefix[pos % 3] == 0) && (prefix[(pos + 1) % 3] == 0) && (prefix[(pos + 2) % 3] == 0))
{
if (1 == getc(pFile))
{
// 0x 00 00 00 01 found
getPrefix = 2;
// 这三个字符没用,pop掉 (最后那个1没填到vector中,不用pop)
nalBytes.pop_back();
nalBytes.pop_back();
nalBytes.pop_back();
break;
}
}
else
{
fileByte = getc(pFile);
prefix[(pos++) % 3] = fileByte;
nalBytes.push_back(fileByte);
}
} return getPrefix;
}

主函数调整为:

#include "stdafx.h"
#include <stdio.h>
#include <vector>
typedef unsigned char uint8;
using namespace std; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
FILE *pFile_in = NULL;
// 打开刚才导入的二进制码流文件
_tfopen_s(&pFile_in, argv[1], _T("rb")); // 判断文件是否打开成功
if (!pFile_in)
{
printf("Error: Open File failed. \n");
} vector<uint8> nalBytes;
find_nal_prefix(&pFile_in, nalBytes);
find_nal_prefix(&pFile_in, nalBytes);
for (int idx = 0; idx < nalBytes.size(); idx++)
{
printf("%x ", nalBytes.at(idx));
}
printf("\n"); find_nal_prefix(&pFile_in, nalBytes);
for (int idx = 0; idx < nalBytes.size(); idx++)
{
printf("%x ", nalBytes.at(idx));
}
printf("\n"); fclose(pFile_in); return 0;
}

以第一节最后数据流为例,执行以上代码后,程序输出结果如下:

【视频编解码·学习笔记】4. H.264的码流封装格式 & 提取NAL有效数据