ffmpeg中的时间戳与时间基

前言

在开发多媒体播放器或直播系统时，音视频的同步是非常关键且复杂的点。要想把音视频同步搞明白，我们必须要了解一些基本的知识。只有了解了这些基本知识，才能为你打下理解音视频同步的基础。
本文将从下面几个主题介绍这些知识点：

• I/B/P帧
• PTS/DTS
• 时间基
• ffmpeg的内部时间基
• 不同时间基的换算

I/B/P帧

对于 I帧，B帧，P帧，我想很多人对它们已经了解的很多了。

• I帧是关键帧，它采用帧内压缩技术；
• B帧是前后参考帧，它属由帧间压缩技术。也就是说在压缩成 B帧前，它会参考它前面的非压缩视频帧，和后面的非压缩的视频帧，记录下前后两帧都不存放的“残差值”，这样可以达到更好的压缩率；
• P帧是向前参考帧，也就是它参考的是前一个关键帧的数据。P帧也属于帧间压缩技术，相对于 B帧来说，P帧的压缩率要比B帧低。

但在实时互动直播系统中，很少使用B帧。主要的原因是压缩和解码B帧时，由于要双向参考，所以它需要缓冲更多的数据，且使用的CPU也会更高。由于实时性的要求，所以一般不使用它。不过对于播放器来说，遇到带有B帧的H264数据是常有的事儿。

对于 H264 编码原理相关的知识请看我的免费视频课《移动端音视频入门》

PTS/DTS

有了上面 I/B/P帧的概念，我们再来理解 PTS/DTS 就非常容易了。PTS（Presentation TimeStamp）是渲染用的时间戳，也就是说，我们的视频帧是按照 PTS 的时间戳来展示的。DTS（Decoding TimeStamp）解码时间戳，是用于视频解码的。

那为什么有了 PTS 还要有 DTS呢？这就与我们上面所讲的 I/B/P帧有关了。如果我们的视频中没有B帧，那显示的帧的顺序与存放的帧的顺序是一样的，此时PTS与DTS 的值就是一样的，也就没有存在两个时间戳的必要了。

但有了B帧之后，就不是这个样子了。我们举个简单的例子：

第一行，实际应展示的顺序：I    B    B    P
第二行，实际在存放的顺序：I    P    B    B
第三行，按实际顺序号展示：1    4    2    3
第四行，按实际顺序号展示：1    2    3    4

对于上面这个例子我们作下说明：

1. 我们实际应该展示的帧的顺序是 I, B, B, P 帧解码后的视频帧。
2. 但实际上，这些帧到达之后，在缓冲区里就按照第二行的样子存放的。为什么会这样呢？这是由于我上面所讲的，P帧参考的是 I帧，B帧是双向参考帧。也就是说，如果 I帧和P帧没有解码的话，B帧是无法进行解码的。基于此，为了解决这个问题就出现了 PTS和DTS两个时间戳。
3. 第三行是视频帧真正的解码顺序，先解 I帧，然后是P帧，然后是第一个B帧，最后是第二个B帧。
4. 最终的展示顺序是 I帧解码后的视频帧，第一个B帧解码后的视频帧，第二个B帧解码后的视频帧，最后是P帧解码后的视频帖。

时间基

有了时间戳之后，最终进行展示时还要需要将 PTS时间戳转成以秒为单位的时间。那这里需要向大家介绍一下 ffmpeg的时间基。

我们在执行 ffmpeg/ffplay命令时，可以通过控制台看到几个参数，分别是 tbr, tbn, tbc。这几个值是什么含义呢？其实就是不同的时间基。

• tbr: 是我们通常所说的帧率。time base of rate
• tbn: 视频流的时间基。 time base of stream
• tbc: 视频解码的时间基。time base of codec

在ffmpeg中，不同的时间戳对应不同的时间基。对于视频的渲染我们使用的是视频流的时间基，也就是 tbn。那我们如何理解时间基呢？其实非常简单，就是时间刻度。我们以帧率为例，如果每秒钟的帧率是 25帧，那么它的时间基（时间刻度）就是 1/25。也就是说每隔1/25 秒后，显示一帧。

所以如我们当前的时间是 100， 时间基是 1/25，那么转成秒的时间是多少呢？ 100*时音基（1/25），也就是100 * 1/25 = 4秒。是不是非常的简单？

ffmpeg内部时间基

除了我上面所讲的几个时间基之外，ffmpeg内部还有一个时间基。即我们通过所见到的 AV_TIME_BASE。它在ffmpeg内部定义如下：

#define         AV_TIME_BASE   1000000

它还有一种分数所表式法：

#define         AV_TIME_BASE_Q   (AVRational){1, AV_TIME_BASE}

在 ffmpeg中进行换算，将不同时间基的值转成按秒为单位的值计算如下：

timestamp(秒) = pts * av_q2d(time_base)

这里引入了 av_q2d 这个函数，它的定义非常简单：

typedef struct AVRational{
int num; //numerator
int den; //denominator
} AVRational;

static inline double av_q2d(AVRational a)｛
/**
* Convert rational to double.
* @param a rational to convert
**/
    return a.num / (double) a.den;
}

从这里我们可以看到，它与我上面所讲的公式是一样的。

不同时间基的换算

在上面我向大家介绍了 ffmpeg有好几种不同的时间基，有时候我们需要在不同的时间基之间做换算。ffmpeg为我们提供了非常方便的函数。即

av_rescale_q()

av_rescale_q(a,b,c)的作用是，把时间戳从一个时基调整到另外一个时基时候用的函数。其中，a 表式要换算的值；b 表式原来的时间基；c表式要转换的时间基。其计算公式为 a * b / c。

既然公式这么简单，我们自己写就OK了，为什么ffmpeg还要单独提供一个函数呢？其实这个看似简单的方法，还要考虑数值溢出的问题。所以把这块的逻辑加上之后，就没我们看到的这么简单了。不过没关系，我们只要清楚 av_rescale_q 是做什么的，怎么用就可以了。

下面我再给出两个算计公式：

• 时间戳转秒

  time_in_seconds = av_q2d(AV_TIME_BASE_Q) * timestamp
  

• 秒转时间戳

  timestamp = AV_TIME_BASE * time_in_seconds
  

小结

以上我通过几个主题向大家介绍了ffmpeg中的时间戳与时间基，以及音视频同步的基本知识。通过本文大家会了解到，其实ffmpeg中的时间戳与时间基并不复杂。但就是这些不复杂的知识点的交互最终完成了音视频的同步。

参考

如果大家想进一步了解音视频同步相关的知识可以去看我的视频课《FFmpeg音视频核心技术精讲与实战》。在这门课里我对音视频的同频做了非常详尽的介绍。