媒体文件格式分析FMP4

媒体文件格式分析之FMP4

MP4 中最基本的单元就是Box，它内部是通过一个一个独立的Box拼接而成的。所以，这里，我们先从 Box 的讲解开始,每个 Box 是由 Header 和 Data 组成的，FullBox 是 Box 的扩展，Box 结构的基础上在 Header 中增加 8bits version 和 24bits flags

1. 名词解释

2. 最小单元Box

3. Mp4文件整体结构

这里，我们按照 MP4 box 的划分来进行相关的阐述。先看一张 MP4 给出的结构图:

3.1 File Type Box (ftyp)

通常放在MP4文件的开头，告诉解码器基本的解码版本和兼容格式。

• 基本格式如下:

aligned(8) class FileTypeBox
   extends Box(‘ftyp’) {
   unsigned int(32)  major_brand;
   unsigned int(32)  minor_version;
   unsigned int(32) compatible_brands[];
}

• 字段说明:

字段	长度	说明	默认值
major_brand	4	推荐兼容性的版本	iso6
minor_version	4	最低兼容性的版本	1
compatible_brands	列表值	所有的兼容性的版本	‘iso6’ ‘isom’ ‘dash’

• Nginx模块实现

ngx_int_t
ngx_rtmp_mp4_write_ftyp(ngx_buf_t *b)
{
    u_char  *pos;

    pos = ngx_rtmp_mp4_start_box(b, "ftyp");

    /* major brand */
    ngx_rtmp_mp4_box(b, "iso6");

    /* minor version */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 1);

    /* compatible brands */
    ngx_rtmp_mp4_box(b, "isom");
    ngx_rtmp_mp4_box(b, "iso6");
    ngx_rtmp_mp4_box(b, "dash");

    ngx_rtmp_mp4_update_box_size(b, pos);

    return NGX_OK;
}

3.2 Movie Box (moov)

作为容器盒子，存放相关的trak及meta信息.

• 基本格式如下:

aligned(8) class MovieExtendsBox extends Box(‘mvex’){ }

3.2.1 Movie Header Box (mvhd)

mvhd 是 moov 下的第一个 box，用来描述 media 的相关信息:

• 基本格式如下:

aligned(8) class MovieHeaderBox extends FullBox(‘mvhd’, version, 0) { 
	 if (version==1) {
	   unsigned int(64)  creation_time;
	   unsigned int(64)  modification_time;
	   unsigned int(32)  timescale;
	   unsigned int(64)  duration;
	} else { // version==0
	   unsigned int(32)  creation_time;
	   unsigned int(32)  modification_time;
	   unsigned int(32)  timescale;
	   unsigned int(32)  duration;
	}
	
	template int(32)  rate = 0x00010000; // typically 1.0
	template int(16)  volume = 0x0100;   // typically, full volume
	const bit(16)  reserved = 0;
	const unsigned int(32)[2]  reserved = 0;
	template int(32)[9]  matrix =
	{ 0x00010000,0,0,0,0x00010000,0,0,0,0x40000000 };
	      // Unity matrix
	   bit(32)[6]  pre_defined = 0;
	   unsigned int(32)  next_track_ID;
}

• 字段说明:

字段	长度	说明	默认值
version	4	版本	0 or 1s
creation_time	4	创建的UTC时间。从1904年开始算起, 用秒来表示	无
modification_time	4	最后一次修改时间	无
timescale	4	文件媒体在1秒时间内的刻度值，可以理解为1秒长度的时间单元数	无
duration	4	该track的时间长度，用duration和time scale值可以计算track时长s	实际时间为：duration/timescale = xx 秒
rate	4	推荐播放速率	0x00010000
volume	2	音量大小	0x0100 为最大值
reserved	10	保留字段	0
matrixs	4 * 9	视频变换矩阵	{0x00010000,0,0,0,0x0001s0000,0,0,0,0x40000000}
next_track_ID	4	下一个track使用的id号

• Nginx模块实现

static ngx_int_t
ngx_rtmp_mp4_write_mvhd(ngx_buf_t *b)
{
    u_char  *pos;

    pos = ngx_rtmp_mp4_start_box(b, "mvhd");

    /* version */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    /* creation time */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    /* modification time */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    /* timescale */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 1000);

    /* duration */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    /* reserved */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0x00010000);
    ngx_rtmp_mp4_field_16(b, 0x0100);
    ngx_rtmp_mp4_field_16(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    ngx_rtmp_mp4_write_matrix(b, 1, 0, 0, 1, 0, 0);

    /* reserved */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 0);

    /* next track id */
    ngx_rtmp_mp4_field_32(b, 1);

    ngx_rtmp_mp4_update_box_size(b, pos);

    return NGX_OK;
}

3.2.2 Movie Extends Box (mvex)

mvex 是 fMP4 的标准盒子。它的作用是告诉解码器这是一个 fMP4 的文件，具体的 samples 信息内容不再放到 trak 里面，而是在每一个 moof 中。基本格式为：

aligned(8) class MovieExtendsHeaderBox extends FullBox(‘mehd’, version, 0) { if (version==1) {
      unsigned int(64)  fragment_duration;
   } else { // version==0
      unsigned int(32)  fragment_duration;
   }
}

3.2.2.1 Track Extends Box (trex)

trex 是 mvex 的子一级 box 用来给 fMP4 的 sample 设置默认值。基本内容为

aligned(8) class TrackExtendsBox extends FullBox(‘trex’, 0, 0){ 
    unsigned int(32) track_ID;
    unsigned int(32) default_sample_description_index;
    unsigned int(32) default_sample_duration;
    unsigned int(32) default_sample_size;
    unsigned int(32) default_sample_flags 
}

3.2.3 Track Box (trak)

trak box 就是主要存放相关 media stream 的内容。

3.2.3.1 Track Header Box (tkhd)

tkhd 是 trak box 的子一级 box 的内容。主要是用来描述该特定 trak 的相关内容信息。其主要内容为：

• 基本格式如下:

aligned(8) class TrackHeaderBox
   extends FullBox(‘tkhd’, version, flags){
   if (version==1) {
      unsigned int(64)  creation_time;
      unsigned int(64)  modification_time;
      unsigned int(32)  track_ID;
      const unsigned int(32)  reserved = 0;
      unsigned int(64)  duration;
   } else { // version==0
      unsigned int(32)  creation_time;
      unsigned int(32)  modification_time;
      unsigned int(32)  track_ID;
      const unsigned int(32)  reserved = 0;
      unsigned int(32)  duration;
}


const unsigned int(32)[2] reserved = 0;
template int(16) layer = 0;
template int(16) alternate_group = 0;
template int(16) volume = {if track_is_audio 0x0100 else 0}; const unsigned int(16) reserved = 0;
template int(32)[9] matrix=
{ 0x00010000,0,0,0,0x00010000,0,0,0,0x40000000 };
   // unity matrix
   unsigned int(32) width;
   unsigned int(32) height;
}

• 字段说明:

字段	长度	说明	默认值
version	4	版本
creation_time	4	创建时间，非必须	0
modification_time	4	修改时间，非必须	0
track_ID	4	指明当前描述的 track ID	1
reserved	4	保留	0
duration	4	当前 track 内容持续的时间。通常结合 timescale 进行相关计算	0
reserved	12	保留字段	0
reserved	2	保留字段	0
alternate_group	2	保留字段	0
volume	2	保留字段	if track_is_audio 0x0100 else 0
reserved	2	保留字段	0
matrix	9 * 4	matrix	b, 1, 0, 0, 1, 0, 0 , width , height

3.2.3.2 Media Box (media)

mdia 主要用来包裹相关的 media 信息。

(1) Media Header Box (mdhd)

• 基本格式如下:

aligned(8) class MediaHeaderBox extends FullBox(‘mdhd’, version, 0) { if (version==1) {
      unsigned int(64)  creation_time;
      unsigned int(64)  modification_time;
      unsigned int(32)  timescale;
      unsigned int(64)  duration;
   } else { // version==0
      unsigned int(32)  creation_time;
      unsigned int(32)  modification_time;
      unsigned int(32)  timescale;
      unsigned int(32)  duration;
}

bit(1) pad = 0;
	unsigned int(5)[3] language; // ISO-639-2/T language code unsigned int(16) pre_defined = 0;
}

• 字段说明:

字段	长度	说明	默认值
version	4	版本
creation_time	4	创建时间，非必须	0
modification_time	4	修改时间，非必须	0
timescale	4	文件媒体在1秒时间内的刻度值，可以理解为1秒长度的时间单元数	无
duration	4	当前 track 内容持续的时间。通常结合 timescale 进行相关计算	0
lanuage	4s	表明当前 trak 的语言。因为该字段总长为 15bit，通常是和 pad 组合成为 2B 的长度。	-

(2) Handler Reference Box(hdlr)

• 基本格式如下:

aligned(8) class HandlerBox extends FullBox(‘hdlr’, version = 0, 0) { 
	unsigned int(32) pre_defined = 0;
	unsigned int(32) handler_type;
	const unsigned int(32)[3] reserved = 0;
	string   name;
}

• 字段说明:

字段	长度	说明	默认值
version	4	版本
pre_defined	4	版本	0
handler_type	4	是代指具体 trak 的处理类型	0
reserved	4 * 3	reserved	0
data	string	reserved	“VideoHandler” or “SoundHandler”

• handler_type 类型如下：

	vide : Video track
	soun : Audio track
	hint : Hint track
	meta : Timed Metadata track
	auxv : Auxiliary Video track

3.2.3.3 Media Information Box (minf)

minf 是子属内容中，重要的容器 box，用来存放当前 track 的基本描述信息。

######（1） Video Media Header Box（vmhd）

• 基本格式如下:

aligned(8) class VideoMediaHeaderBox
	extends FullBox(‘vmhd’, version = 0, 1) {
	template unsigned int(16) graphicsmode = 0; // copy, see below 
	template unsigned int(16)[3] opcolor = {0, 0, 0};
}

######（2） Sound Media Header Box（smhd）

• 基本格式如下:

aligned(8) class SoundMediaHeaderBox
   extends FullBox(‘smhd’, version = 0, 0) {
   template int(16) balance = 0;
   const unsigned int(16)  reserved = 0;
}

######（3） Data Information Box（dinf）

dinf 是用来说明在 trak 中，media 描述信息的位置。其实本身就是一个容器，没啥内容：

• 基本格式如下:

aligned(8) class SoundMediaHeaderBox
   extends FullBox(‘smhd’, version = 0, 0) {
   template int(16) balance = 0;
   const unsigned int(16)  reserved = 0;
}

######（4） Data Reference Box（dref）

dref 是用来设置当前Box描述信息的 data_entry。

• 基本格式如下:

aligned(8) class DataReferenceBox
   extends FullBox(‘dref’, version = 0, 0) {
   unsigned int(32)  entry_count;
   
   for (i=1; i <= entry_count; i++) {
    	DataEntryBox(entry_version, entry_flags) data_entry; }
 }

3.3 Moof Box

3.4 Sidxs Box

参考文章：
1. 学好 MP4，让直播更给力

2. mp4规范