HEVC网络适配层介绍

h265 的分层结构

分层结构的目的

○ 网络类型多种多样，不同的网络环境具有不同的特性，压缩视频在其中进行传输必然会受到影响；比如不同网络的 MTU 有所不同；
○ 不同的应用场景对视频有不同的需求，视频业务会喜用不同的传输协议；

分层的重要性

○ 经过熵编码，码流中的二进制符号不再简单地对应实际数值，严重时当个符号的丢失或错误会导致后续数据无法正确解码；
○ 在网络上优化传输这种高度复杂的压缩视频流时，必须对码流进行深入分析或解码才能清楚不同数据的重要程度；但对码流进行深入分析甚至解码的计算复杂度太高，无法得到通用网络设备的支持。

VCL 与 NAL

○ H.265/HEVC也采用了视频编码层(Video Coding Layer, VCL)和网络适配层(Network Abstract Layer, NAL)的双层架构，以适应不同的网络环境和视频应用 。网络适配层的主要任务是对视频压缩后的数据进行划分和封装，并进行必要的标识，使其可以很好地适应复杂多变的网络环境。

NAL的作用机制

○ 一系列图像组成的原视频视频经过压缩编码 （VCL），接着根据压缩视频比特流的内容特性将其划分成多个数据段，对每个数据段进行封装并标识，就生成了 NALU，内容特性信息存放在 NALU 头信息中。

NAL 与 MTU

○ NAL的大小不一定与网络的MTU（MaximumTransmission Unit，最大传输单元）大小一致，因此网络分组与NALU 就产生几种组合形 式: 一个网络分组包含一个NALU ； 一个网络分组包含多个NALU，即多个NALU合并到一个网络分组；多个网络分组包含一个NALU，即一个NALU被分割到多个网 络分组。
○ 网络传输过程中，网络设备可以直接通过 NALU 的头信息获取 NALU 承载视频数据的内容特性，在此基础 上优化视频流的传输。

h265 图像类型

1. 所有的压缩视频数据都被封装到不同的 NALU 的载荷部分，NALU 除了承载 VPS、SPS、PPS 等信息，主要承载视频片 Slice 的压缩数据；
2. 承载视频片压缩数据的 NALU 称为 VCLU（VCL NALU），承载其他信息的 NALU 被称为 non-VCLU（non-VCL NALU）；
3. 随机介入点 IRAP
   ○ 从 IRAP （Intra Random Access Point）开始，后续视频流可独立正确解码，无须参考 IRAP 前面的视频信息，IRAP 后的第一幅解码图像被称为 IRAP 图像；
   ○ 根据播放和解码顺序，有可以将其他图像分为前置（Leading）图像、后置（Trailing）图像；其中前置图像又可以分为 RADL 图像和 RASL图像；
   ○ h265 规定了3 种 IRAP 图像：IDR 图像、CRA 图像、BLA 图像；
   ○ IRAP 图像把视频流分成多个相对对立 的区域，每个区域被称为 CVS（Coded Video Sequence），CVS 定义为两个相邻 IRAP 图像（且 NoRas1OutputFlag=1）之间的这段视频流；
4. TSA/STSA
   ○ h265 的新增图像类型，用来标识时域子层切换点；
   

网络适配层单元 NALU

1. 每个 NALU 包含两部分：NALU 头（Header）和 NALU 载荷（Payload）；
2. SODB
   ○ 视频编码过程中输出包含不同内容的压缩数据比特流片段，这些比特流片段称为 SODB（String Of Data Bits）；SODB 为最高为有效的存储形式，即字节内的比特按照从左到右、从高到低的顺序排列；
3. RBSP
   ○ 在SODB（String Of Data Bits）后添加RBSP尾(rbsp trailing_bits)就生成了原始字节序列载荷（Raw Byte Sequence Payload，RBSP）；RBSP尾由称为RBSP停止比特的 1 个比特和其后的0个或多个比特0组成。RBSP即为整数字节化的SODB ， RBSP的数据类型即为SODB 的数据类型。
4. EBSP
   ○ 在H265中，为了避免字节流片段和NALU的启起码及结束码发生冲突，需要对RBSP的字节流进行冲突处理 0x3，即EBSP为扩展字节序列载荷（Encapsulated Byte Sequence Payload），经过处理后的RBSP才可以直接作为NALU的负载信息，才可以进行磁盘保存和网络传输。
   ○ 因此实际最后的 NALU = Header + EBSP；
   
5. NALU 语法
   

NALU Header

1. 与h264相比，h265固定两字节的header，表征NALU的内容特征；
2. 由定长的四部分组成：forbidden_zero_bit、nal_unit_type、nuh_layer_id、nuh_temporal_id_plus1；
   ○ forbidden_zero_bit占 1 比特，值应设置成 0，防止与 MPEG-2 系统的起始位冲突；
   ○ nal_unit_type占 6 比特，标识当前 NALU 载荷信息的内容特性，称为 NALU 类型；
   ○ nuh_layer_id占 6 比特，当前版本取值 0，未来可能勇于可分级视频或3D视频
   ○ nuh_temporal_id_plus1占 3 比特，时域标识，该值减 1表示 NALU 所在时域层的标识号 TemporalId不能为 0 ；
   

帧类型解析

1. 与h264的 & 01f不同，h265判断方式为：
   ○ int type = (code & 0x7E ) >> 1；// 0x7E的二进制的后8位是 0111 1110

2. VPS：00 00 00 01 40 01 的nuh_unit_type的值为 32
   ○ 40 & 0x7E = （二进制）01000000 & 01111110 = 01000000
   ○ 01000000 >> 1 = 00100000
   ○ (转十进制)00100000 = 2^5 = 32

3. SPS：00 00 00 01 42 01 的nuh_unit_type的值为 33
   ○ 42 & 0x7E = （二进制）01000010 & 01111110 = 01000010
   ○ 01000010 >> 1 = 00100001
   ○ (转十进制) 00100001 = 2^0 + 2^5 = 33

4. PPS：00 00 00 01 44 01 的nuh_unit_type的值为 34
   ○ 44 & 0x7E = （二进制）01000100 & 01111110 = 01000100
   ○ 01000100 >> 1 = 00100010
   ○ （转十进制）00100010 = 2^1 + 2^5 = 34

5. SEI：00 00 00 01 4E 01 的nuh_unit_type的值为 39
   ○ 4E & 0x7E = （二进制）01001110 & 0111110 = 01001110
   ○ 01001110 >> 1 = 00100111
   ○ (转十进制) 00100111 = 2⁰⁺²1+2²⁺²5 = 1+2+4+32 = 39

6. IDR：00 00 00 01 26 01 的nuh_unit_type的值为 19

7. 被参考图像（P帧或者B帧）：00 00 00 01 02 01 的nuh_unit_type的值为 1

接入单元

○ h264 引入了接入单元（Access Unit, AU）的概念，定义为多个按解码顺序排列的 NALU，这些 NALU 解码正好生成一个图像；
○ AU 可以看成是压缩视频比特流的基本单位，压缩视频流由多个按顺序排列的 AU 组成。

参考

1. 新一代高效视频编码H.265HEVC原理、标准与实现 [万帅，杨付正 编著] 2014年版.
2. T-REC-H.265-202108-I.