ffmpeg对mpeg2-TS解析的最详细分析

介绍: 

MPEG的系统层编码为不同的应用场景设计了两种格式: 

TS(Transport Stream) 和 PS(Program Stream),

它们两者之间不具有层级关系，

在逻辑上，它们两者都是由PES(Packetized Elementary Stream)包组成的，

所以可以很方便地实现相互转换.

TS(Transport Stream): 

  是将具有一个或多个独立时间基的一个或多个节目(包括音频和视频)组成一个流,

  组成同一个节目的基本流(如一个视频流，多个音频流)的PES包有一个共用的时间基。

  TS的包长标准为 188bytes.

 

从上面的定义可以分成 三层来看TS/PS。

ES层   : 由单独的音频(如mp3)，视频流(如h.264)组成基本的ES(Elementary Stream)。

PES层  : 将基本的ES按一定的规则(如H.264以AU)进行封装，并打上时间戳，组成PES。

TS/PS层: 将PES包进行切分后再封装成188bytes大小的TS包，

         同时还将一些节目信息也封装成TS包(称为section), 两者共同组成TS层。

从上面的总结，TS/PS总体上来说，是一种封装格式，用来承载数据。

所以FFmpeg

将TS/PS的解析文件定义在 libavformat/mpegts.c文件中

将音频，视频的解码定义在 libavcodec/mpeg12.c文件中

下面来看FFmpeg是如何进行TS的demuxer的。

1. MPEG2-TS的demuxer函数

AVInputFormat ff_mpegts_demuxer = {
    "mpegts",
    NULL_IF_CONFIG_SMALL("MPEG-2 transport stream format"),
    sizeof(MpegTSContext),
    mpegts_probe,
    mpegts_read_header,
    mpegts_read_packet,
    mpegts_read_close,
    read_seek,
    mpegts_get_pcr,
    .flags = AVFMT_SHOW_IDS|AVFMT_TS_DISCONT,
#ifdef USE_SYNCPOINT_SEARCH
    .read_seek2 = read_seek2,
#endif
};

2. 解析流中的TS格式

/*
 * 出现3种格式，主要原因是：
 * TS标准是 188Bytes;
 * 日本标准是192Bytes的DVH-S格式;
 * 第三种的 204Bytes则是在188Bytes的基础上，加上16Bytes的FEC(前向纠错).
 */
#define TS_PACKET_SIZE 188
#define TS_DVHS_PACKET_SIZE 192
#define TS_FEC_PACKET_SIZE 204

#define TS_MAX_PACKET_SIZE 204

//< maximum score, half of that is used for file-extension-based detection
#define AVPROBE_SCORE_MAX 100

/*
 * 函数功能:
 * 分析流中是三种TS格式的哪一种
 */
static int mpegts_probe(AVProbeData *p)
{
#define CHECK_COUNT 10

  const int size= p->buf_size;
  int score, fec_score, dvhs_score;
  int check_count= size / TS_FEC_PACKET_SIZE;

  if (check_count < CHECK_COUNT)
      return -1;

  score     = analyze(p->buf, TS_PACKET_SIZE *check_count, TS_PACKET_SIZE , NULL)
              * CHECK_COUNT / check_count;
  dvhs_score= analyze(p->buf, TS_DVHS_PACKET_SIZE*check_count, TS_DVHS_PACKET_SIZE, NULL)
              * CHECK_COUNT / check_count;
  fec_score = analyze(p->buf, TS_FEC_PACKET_SIZE *check_count, TS_FEC_PACKET_SIZE , NULL)
              * CHECK_COUNT / check_count;

  /*
   * we need a clear definition for the returned score ,
   * otherwise things will become messy sooner or later
   */
  if (score > fec_score && score > dvhs_score && score > 6)
    return AVPROBE_SCORE_MAX + score - CHECK_COUNT;
  else if(dvhs_score > score && dvhs_score > fec_score && dvhs_score > 6)
    return AVPROBE_SCORE_MAX + dvhs_score - CHECK_COUNT;
  else if(fec_score > 6)
    return AVPROBE_SCORE_MAX + fec_score - CHECK_COUNT;
  else
    return -1;
}

/*
 * 函数功能:
 * 在size大小的buf中，寻找满足特定格式，长度为packet_size的
 * packet的个数;
 * 显然，返回的值越大越可能是相应的格式(188/192/204)
 */
static int analyze(const uint8_t *buf, int size, int packet_size, int *index){
  int stat[TS_MAX_PACKET_SIZE];
  int i;
  int x=0;
  int best_score=0;

  memset(stat, 0, packet_size*sizeof(int));

  for (x=i=0; i < size-3; i++)
  {
    if ((buf[i] == 0x47) && !(buf[i+1] & 0x80) && (buf[i+3] & 0x30))
    {
      stat[x]++;

      if (stat[x] > best_score)
      {
        best_score= stat[x];
        if (index)
          *index= x;
      }
    }

    x++;
    if (x == packet_size)
      x= 0;
  }

  return best_score;
}

buf[i] == 0x47  

   其中的sync_byte固定为0x47,即上面的. 

!(buf[i+1] & 0x80)   

   由于transport_error_indicator为1的TS Packet实际有错误,

   表示携带的数据无意义, 这样的Packet显然没什么意义.

buf[i+3] & 0x30 

   对于adaptation_field_control, 如果取值为0x00,则表示为未来保留，现在不用.

这就是MPEG TS的侦测过程.

3. MPEG2-TS头解析

#define NB_PID_MAX 8192
#define MAX_SECTION_SIZE 4096

/* pids */
#define PAT_PID 0x0000
#define SDT_PID 0x0011

/* table ids */
#define PAT_TID 0x00
#define PMT_TID 0x02
#define SDT_TID 0x42

/*
 * 函数功能:
 *
 */
int mpegts_read_header(AVFormatContext *s, AVFormatParameters *ap)
{
  /*
   * MpegTSContext , 是为了解码不同容器格式所使用的私有数据，
   * 只有在相应的诸如mpegts.c文件才可以使用的.
   * 这样，增加了这个库的模块化.
   */
  MpegTSContext *ts = s->priv_data;
  AVIOContext *pb = s->pb;
  uint8_t buf[8*1024];
  int len;
  int64_t pos;

  /* read the first 8*1024 bytes to get packet size */
  pos = avio_tell(pb);                   // 获取buf的当前位置
  len = avio_read(pb, buf, sizeof(buf)); // 从pb->opaque中读取sizeof(buf)个字节到buf
  if (len != sizeof(buf))
    goto fail;

  /*
   * 获得TS包的实际长度
   */
  ts->raw_packet_size = get_packet_size(buf, sizeof(buf));
  if (ts->raw_packet_size <= 0)
  {
    av_log(s, AV_LOG_WARNING, "Could not detect TS packet size, defaulting to non-FEC/DVHS\n");
    ts->raw_packet_size = TS_PACKET_SIZE;
  }

  ts->stream = s;
  ts->auto_guess = 0;

  if (s->iformat == &ff_mpegts_demuxer)
  {
    /* normal demux */
    /* first do a scaning to get all the services */
    if (avio_seek(pb, pos, SEEK_SET) < 0)
    {
      av_log(s, AV_LOG_ERROR, "Unable to seek back to the start\n");
    }

    /*
     * 挂载了两个Section类型的过滤器,
     * 其实在TS的两种负载中，section是PES的元数据，
     * 只有先解析了section,才能进一步解析PES数据，因此先挂上section的过滤器。
     */
    mpegts_open_section_filter(ts, SDT_PID, sdt_cb, ts, 1);
    mpegts_open_section_filter(ts, PAT_PID, pat_cb, ts, 1);

    /*
     */
    handle_packets(ts, s->probesize / ts->raw_packet_size);

    /* if could not find service, enable auto_guess */
    ts->auto_guess = 1;
    av_dlog(ts->stream, "tuning done\n");
    s->ctx_flags |= AVFMTCTX_NOHEADER;
  }
  else
  {
    ...
  }

  avio_seek(pb, pos, SEEK_SET);
  return 0;

fail:
  return -1;
}

MpegTSFilter *mpegts_open_section_filter(MpegTSContext* ts,
                                         unsigned int pid,
                                         SectionCallback* section_cb,
                                         void* opaque,
                                         int check_crc)
{
  MpegTSFilter *filter;
  MpegTSSectionFilter *sec;

  av_dlog(ts->stream, "Filter: pid=0x%x\n", pid);

  if (pid >= NB_PID_MAX || ts->pids[pid])
    return NULL;

  filter = av_mallocz(sizeof(MpegTSFilter));
  if (!filter)
    return NULL;

  ts->pids[pid] = filter;
  filter->type = MPEGTS_SECTION;
  filter->pid = pid;
  filter->last_cc = -1;
  sec = &filter->u.section_filter;
  sec->section_cb = section_cb;
  sec->opaque = opaque;
  sec->section_buf= av_malloc(MAX_SECTION_SIZE);
  sec->check_crc = check_crc;

  if (!sec->section_buf)
  {
    av_free(filter);
    return NULL;
  }

  return filter;
}

对于这部分代码，需要分析数据结构的定义：

依次为：

    struct MpegTSContext;

               |

               V

    struct MpegTSFilter;

               |

               V

+--------------+---------------+

|                              |

V                              V

MpegTSPESFilter        MpegTSSectionFilter

就是struct MpegTSContext；中有NB_PID_MAX(8192)个TS的Filter，

而每个struct MpegTSFilter

  可能是 PES    的Filter

  或者是 Section的Filter。

为什么NB_PID_MAX 是 8192,

需要看TS的语法结构(ISO/IEC 138138-1 page 19):

Syntax                          No. of bits         Mnemonic
transport_packet(){
  sync_byte                        8                 bslbf
  transport_error_indicator        1                 bslbf
  payload_unit_start_indicator     1                 bslbf
  transport_priority               1                 bslbf
  PID                              13                uimsbf
  transport_scrambling_control     2                 bslbf
  adaptation_field_control         2                 bslbf
  continuity_counter               4                 uimsbf
  if (adaptation_field_control=='10' ||
      adaptation_field_control=='11' )
  {
        adaptation_field()
  }

  if (adaptation_field_control=='01' ||
      adaptation_field_control=='11' )
  {
    for (i=0;i<N;i++)
    {
      data_byte                     8                bslbf
    }
  }
}

而8192,是2^13=8192(PID)的最大数目，

为什么会有PES和Section的区分，更详细的可以参考ISO/IEC-13818-1.

挂载上了两种section过滤器，如下：

=========================================================================

PID                |Section Name           |Callback

=========================================================================

SDT_PID(0x0011)    |ServiceDescriptionTable|sdt_cb

                   |                       |

PAT_PID(0x0000)    |ProgramAssociationTable|pat_cb

=========================================================================

设计成回调函数，是为了在后面使用。

4. MPEG2-TS的包处理

int handle_packets(MpegTSContext *ts, int nb_packets)
{
  AVFormatContext *s = ts->stream;
  uint8_t packet[TS_PACKET_SIZE];
  int packet_num, ret;

  ts->stop_parse = 0;
  packet_num = 0;

  for ( ; ; )
  {
    packet_num++;

    if (nb_packets != 0 && packet_num >= nb_packets ||
        ts->stop_parse > 1)
    {
      ret = AVERROR(EAGAIN);
      break;
    }

    if (ts->stop_parse > 0)
      break;

    ret = read_packet(s, packet, ts->raw_packet_size);
    if (ret != 0)
      return ret;

    ret = handle_packet(ts, packet);
    if (ret != 0)
      return ret;
  }

  return 0;
}

它的代码结构很简单:

handle_packets()

    |

    +->read_packet()

    |

    +->handle_packet()

        |

        +->write_section_data()

    

read_packet(),  很简单, 就是去找sync_byte(0x47),

handle_packet(),是真正处理数据的地方.它的代码如下:

/*
 * 功能: handle one TS packet
 */
int handle_packet(MpegTSContext *ts, const uint8_t *packet)
{
  AVFormatContext *s = ts->stream;
  MpegTSFilter *tss;
  int len, pid, cc, expected_cc, cc_ok, afc, is_start;
  const uint8_t *p, *p_end;
  int64_t pos;

  /* 获取该包的PID */
  pid = AV_RB16(packet + 1) & 0x1fff;
  if (pid && discard_pid(ts, pid))
     return 0;

  /*
   * 是否是PES或者Section的开头
   * 即syntax element: payload_unit_start_indicator
   */
  is_start = packet[1] & 0x40;
  tss = ts->pids[pid];

  /*
   * ts->auto_guess此时为0，因此不考虑下面的代码
   */
  if (ts->auto_guess && tss == NULL && is_start)
  {
    add_pes_stream(ts, pid, -1);
    tss = ts->pids[pid];
  }
  if (!tss)
    return 0;

  /*
   * continuity check (currently not used)
   * 虽然检查，但不利用检查的结果
   */
  cc = (packet[3] & 0xf);
  expected_cc = (packet[3] & 0x10) ? (tss->last_cc + 1) & 0x0f : tss->last_cc;
  cc_ok = (tss->last_cc < 0) || (expected_cc == cc);
  tss->last_cc = cc;

  /*
   * 解析 adaptation_field_control 语法元素
   * =======================================================
   * 00 | Reserved for future use by ISO/IEC
   * 01 | No adaptation_field, payload only
   * 10 | Adaptation_field only, no payload
   * 11 | Adaptation_field follwed by payload
   * =======================================================
   */
  afc = (packet[3] >> 4) & 3;
  p = packet + 4;
  if (afc == 0) /* reserved value */
    return 0;
  if (afc == 2) /* adaptation field only */
    return 0;
  if (afc == 3)
  {
    /*
     * 跳过 adapation field
     * p[0]对应的语法元素为: adaptation_field_length
     */
    p += p[0] + 1;
  }

  /*
   * if past the end of packet, ignore
   * p已近到达TS包中的有效负载的地方
   */
  p_end = packet + TS_PACKET_SIZE;
  if (p >= p_end)
    return 0;

  pos = avio_tell(ts->stream->pb);
  ts->pos47= pos % ts->raw_packet_size;

  if (tss->type == MPEGTS_SECTION)
  {
    /*
     * 针对Section, 第一个字节对应的语法元素为:pointer_field(见2.4.4.1),
     * 它表示在当前TS包中，从pointer_field开始到第一个section的第一个字节间的字节数。
     * 当TS包中有至少一个section的起始时,
     *    payload_unit_start_indicator = 1 且 TS负载的第一个字节为pointer_field;
     *    pointer_field = 0x00时，表示section的起始就在这个字节之后;
     * 当TS包中没有section的起始时,
     *    payload_unit_start_indicator = 0 且 TS负载中没有pointer_field;
     */
    if (is_start)
    {
      /* pointer field present */
      len = *p++;
      if (p + len > p_end)
        return 0;

      if (len && cc_ok)
      {
        /*
         * write remaining section bytes
         * TS包的负载部分由Section A的End部分和Section B的Start组成，
         * 先把Section A的End部分写入
         */
        write_section_data(s, tss, p, len, 0);

        /* check whether filter has been closed */
        if (!ts->pids[pid])
          return 0;
      }
      p += len;

      if (p < p_end)
      {
        /*
         * 再将Section B的Start部分写入
         */
        write_section_data(s, tss, p, p_end - p, 1);
      }
    }
    else
    {
      /* TS包负载仅是一个Section的中间部分部分，将其写入*/
      if (cc_ok)
      {
        write_section_data(s, tss, p, p_end - p, 0);
      }
    }
  }
  else
  {
    int ret;

    /*
     * 如果是PES类型，直接调用其Callback，
     * 但显然，只有Section部分解析完成后才可能解析PES
     */
    // Note: The position here points actually behind the current packet.
    if ((ret = tss->u.pes_filter.pes_cb(tss, p, p_end - p, is_start,
        pos - ts->raw_packet_size)) < 0)
      return ret;
  }

  return 0;
}

write_section_data()函数:

  反复收集buffer中的数据，指导完成相关Section的重组过程,

  然后调用之前注册的两个section_cb.

5. 节目指定信息的解析

/*
 * PAT(Program Association Table) 节目相关表
 * 提供了节目号与PID值的对应关系
 * 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.3 Table 2-30
 */
void pat_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len);

/*
 * PMT(Program Map Table) 节目映射表
 * 提供了节目号与组成节目的元素之间的映射关系--或者称为"节目定义"
 * 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.8 Table 2-33
 */
void pmt_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len);


/*
 * SDT(Transport Stream Description Table) TS描述表
 * 用于定义TS描述子的表
 * 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.12 Table 2-36
 */
void sdt_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len)

6. 解析PES包

/*
 * 见ISO/IEC 13818-1 2.4.3.6 Table 2-21
 */
int mpegts_push_data(MpegTSFilter* filter,
                     const uint8_t* buf,
                     int buf_size,
                     int is_start,
                     int64_t pos);

至此，整个TS层的解析基本完成。