音视频开发14 FFmpeg 视频 相关格式分析 -- H264 NALU格式分析

H264将视频分为连续的帧进⾏传输，在连续的帧之间使⽤I帧、P帧和B帧。

同时对于帧内⽽⾔，将图像分块为⽚、宏块和字块进⾏分⽚传输；通过这个过程实现对视频⽂件的压缩包装。

IDR（Instantaneous Decoding Refresh，即时解码刷新）

⼀个序列的第⼀个图像叫做 IDR 图像（⽴即刷新图像），IDR 图像都是 I 帧图像。

I和IDR帧都使⽤帧内预测。I帧不⽤参考任何帧，但是之后的P帧和B帧是有可能参考这个I帧之

前的帧的。

但是在解码的时候，I 和 IDR 有区别。举例如下：在第一个解码的时候，解码到B8的时候，可以参考I10前面的P7.

在第二个解码的时候，B9 就只能参考 IDR8和 P11,不能参考IDR8之前的帧。

下⾯是⼀个H264码流的举例（从码流的帧分析可以看出来B帧不能被当做参考帧）

在假设条件下分析上图，假设GOP1 的是每秒25帧，也就是一帧画面需要1000/25 = 40ms.

I帧解码的时候时间点在0，那么读取下一帧B要依赖于 P，接着找下一帧是不是P，还不是，在找，直到找到P，也就是说：在 找P的时候已经过去了160ms了，大致如下：

I0 B40 B80 B120 P160

I0 B160

这意味着什么呢？在做实时性要求高的场景时，最好不要使用B帧

发I帧之前，⾄少要发⼀次SPS和PPS。当分辨率变化的时候，要重新发送一次SPS和PPS（类似在视频网站上，我们将分辨率从720p变成1080p的时候）

这个很重要，如果遇到我们显示不了图片或者视频的时候，应该第一个检查的就是 SPS 和PPS是否有正确的发送。

SPS：序列参数集，SPS中保存了⼀组编码视频序列(Coded video sequence)的全局参数。

PPS：图像参数集，对应的是⼀个序列中某⼀幅图像或者某⼏幅图像的参数。

I帧：帧内编码帧，可独⽴解码⽣成完整的图⽚。

P帧: 前向预测编码帧，需要参考其前⾯的⼀个I 或者B 来⽣成⼀张完整的图⽚。

B帧: 双向预测内插编码帧，则要参考其前⼀个I或者P帧及其后⾯的⼀个P帧来⽣成⼀张完整的图⽚。

每个NALU = StartCode + 由一个1字节的NALU头部 + 一个包含控制信息或编码视频数据的字节流组成。

  一个完整的数据包包含多个NALU，不同的NALU该如何组织规范中并没有规定，因此实际实现比较广泛的有两种格式AnnexB和AVCC。

AnnexB

实际上我们前面学习就是以AnnexB 这种模式学习的。AnnexB是一种比较常见的H264码流格式，FFmpeg解封装的H264码流就是这种格式。

AnnexB的格式比较简单：每个NALU单元之前通过分隔符0x00 00 00 01或者0x00 00 01区分不同的NALU单元。

对于非VCL和VCL的单元是不区分的都是存储在NALU的Body中。
由于NALU的Body中的数据是压缩数据可能出现start code，因此规定RBSP中的0x000000、0x000001、0x000002和0x000003是非法的。如果数据中包含类似的二进制序列需要插入一个“模拟预防”字节0x03来实现，使得0x000001变成0x00000301，解码时去除即可。

AVCC

另一种常见的存储H.264流的方法是AVCC格式。

AnnexB和 AVCC的转换

这里开始的部分还是通过 av_read_frame方法 读取数据 到 AVPacket 的时候：

av_read_frame(avformatcontext, avpacket);

然后使用 ffmpeg提供的 av_bsf_send_packet方法，将 avpacket 数据塞入，注意的是：当我们将avpacket 数据塞入的时候，av_bsf_send_packet会自己管理内存，不管av_bsf_send_packet方法成功或者不成功，我们都要调用 av_packet_unref(pkt);将自己的refcount -1 。

int av_bsf_send_packet(AVBSFContext *ctx, AVPacket *pkt);

然后通过 ffmpeg 提供的 av_bsf_receive_packet方法， 将avpacket数据改动，当我们拿出的时候，也要记得调用 av_packet_unref(pkt);将自己的avpacket 的refcount -1。

int av_bsf_receive_packet(AVBSFContext *ctx, AVPacket *pkt);

这时候 avpacket 中的数据，就从 AVCC转换成 AnnexB的了。就可以直接写入到 自己像存储的.h264文件。

那么 AVBSFContext 是怎么来的呢？

参考如下的几步：

// 1 找到 h264_mp4toannexb 的过滤器
const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
// 2 初始化过滤器上下⽂
av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
该av_bsf_alloc方法的说明如下：
 
 * Allocate a context for a given bitstream filter. The caller must fill in the
 * context parameters as described in the documentation and then call
 * av_bsf_init() before sending any data to the filter.
// 3 添加解码器属性
avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->codecpar);
 
av_bsf_init(bsf_ctx);

注意的是：如果文件是TS流，可以不使用该方法，如果使用，也不会有问题。

但是如果文件是mp4文件，或者flv文件，则要使用该方法，如果不使用，会有问题

整体code如下：

#include <stdio.h>
#include <libavutil/log.h>
#include <libavformat/avio.h>
#include <libavformat/avformat.h>
#include<libavcodec/bsf.h>
 
 
 
static char err_buf[128] = {0};
static char* av_get_err(int errnum)
{
    av_strerror(errnum, err_buf, 128);
    return err_buf;
}
 
/*
AvCodecContext->extradata[]中为nalu长度
*   codec_extradata:
*   1, 64, 0, 1f, ff, e1, [0, 18], 67, 64, 0, 1f, ac, c8, 60, 78, 1b, 7e,
*   78, 40, 0, 0, fa, 40, 0, 3a, 98, 3, c6, c, 66, 80,
*   1, [0, 5],68, e9, 78, bc, b0, 0,
*/
 
//ffmpeg -i 2018.mp4 -codec copy -bsf:h264_mp4toannexb -f h264 tmp.h264
//ffmpeg 从mp4上提取H264的nalu h
int main(int argc, char **argv)
{
    AVFormatContext *ifmt_ctx = NULL;
    int             videoindex = -1;
    AVPacket        *pkt = NULL;
    int             ret = -1;
    int             file_end = 0; // 文件是否读取结束
 
    if(argc < 3)
    {
        printf("usage inputfile outfile\n");
        return -1;
    }
    FILE *outfp=fopen(argv[2],"wb");
    printf("in:%s out:%s\n", argv[1], argv[2]);
 
    // 分配解复用器的内存，使用avformat_close_input释放
    ifmt_ctx = avformat_alloc_context();
    if (!ifmt_ctx)
    {
        printf("[error] Could not allocate context.\n");
        return -1;
    }
 
    // 根据url打开码流，并选择匹配的解复用器
    ret = avformat_open_input(&ifmt_ctx,argv[1], NULL, NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("[error]avformat_open_input: %s\n", av_get_err(ret));
        return -1;
    }
 
    // 读取媒体文件的部分数据包以获取码流信息
    ret = avformat_find_stream_info(ifmt_ctx, NULL);
    if(ret < 0)
    {
        printf("[error]avformat_find_stream_info: %s\n", av_get_err(ret));
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
        return -1;
    }
 
    // 查找出哪个码流是video/audio/subtitles
    videoindex = -1;
    // 推荐的方式
    videoindex = av_find_best_stream(ifmt_ctx, AVMEDIA_TYPE_VIDEO, -1, -1, NULL, 0);
    if(videoindex == -1)
    {
        printf("Didn't find a video stream.\n");
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
        return -1;
    }
 
    // 分配数据包
    pkt = av_packet_alloc();
    av_init_packet(pkt);
 
    // 1 获取相应的比特流过滤器
    //FLV/MP4/MKV等结构中，h264需要h264_mp4toannexb处理。添加SPS/PPS等信息。
    // FLV封装时，可以把多个NALU放在一个VIDEO TAG中,结构为4B NALU长度+NALU1+4B NALU长度+NALU2+...,
    // 需要做的处理把4B长度换成00000001或者000001
    const AVBitStreamFilter *bsfilter = av_bsf_get_by_name("h264_mp4toannexb");
    AVBSFContext *bsf_ctx = NULL;
    // 2 初始化过滤器上下文
    av_bsf_alloc(bsfilter, &bsf_ctx); //AVBSFContext;
    // 3 添加解码器属性
    avcodec_parameters_copy(bsf_ctx->par_in, ifmt_ctx->streams[videoindex]->codecpar);
    av_bsf_init(bsf_ctx);
 
    file_end = 0;
    while (0 == file_end)
    {
        if((ret = av_read_frame(ifmt_ctx, pkt)) < 0)
        {
            // 没有更多包可读
            file_end = 1;
            printf("read file end: ret:%d\n", ret);
        }
        if(ret == 0 && pkt->stream_index == videoindex)
        {
#if 0
            int input_size = pkt->size;
            int out_pkt_count = 0;
            if (av_bsf_send_packet(bsf_ctx, pkt) != 0) // bitstreamfilter内部去维护内存空间
            {
                av_packet_unref(pkt);   // 你不用了就把资源释放掉
                continue;       // 继续送
            }
            av_packet_unref(pkt);   // 释放资源
            while(av_bsf_receive_packet(bsf_ctx, pkt) == 0)
            {
                out_pkt_count++;
                // printf("fwrite size:%d\n", pkt->size);
                size_t size = fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfp);
                if(size != pkt->size)
                {
                    printf("fwrite failed-> write:%u, pkt_size:%u\n", size, pkt->size);
                }
                av_packet_unref(pkt);
            }
            if(out_pkt_count >= 2)
            {
                printf("cur pkt(size:%d) only get 1 out pkt, it get %d pkts\n",
                       input_size, out_pkt_count);
            }
#else       // TS流可以直接写入
            size_t size = fwrite(pkt->data, 1, pkt->size, outfp);
            if(size != pkt->size)
            {
                printf("fwrite failed-> write:%u, pkt_size:%u\n", size, pkt->size);
            }
            av_packet_unref(pkt);
#endif
        }
        else
        {
            if(ret == 0)
                av_packet_unref(pkt);        // 释放内存
        }
    }
    if(outfp)
        fclose(outfp);
    if(bsf_ctx)
        av_bsf_free(&bsf_ctx);
    if(pkt)
        av_packet_free(&pkt);
    if(ifmt_ctx)
        avformat_close_input(&ifmt_ctx);
    printf("finish\n");
 
    return 0;
}