H264--3--NAL层的处理

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H.264的NAL层处理

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H264
NALUNAL unit)为单位来支持编码数据在基于分组交换技术网络中传输。

NALU定义了可用于基于分组和基于比特流系统的基本格式,同时给出头信息,从而提供了视频编码和外部世界的接口。


H264编码过程中的三种不同的数据形式:

SODB
 数据比特串-->最原始的编码数据,即VCL数据;

RBSP
 原始字节序列载荷-->在SODB的后面填加了结尾比特(RBSP trailing bits 一个bit“1”)若干比特“0”,以便字节对齐;

EBSP
 扩展字节序列载荷-->RBSP基础上填加了仿校验字节(0X03)它的原因是: 在NALU加到Annexb上时,需要添加每组NALU之前的开始码StartCodePrefix,如果该NALU对应的slice为一帧的开始则用4位字节表示,ox00000001,否则用3位字节表示ox000001(是一帧的一部分)。另外,为了使NALU主体中不包括与开始码相冲突的,在编码时,每遇到两个字节连续为0,就插入一个字节的0x03。解码时将0x03去掉。也称为脱壳操作。

编码处理过程:

1
  VCL层输出的SODB封装成nal_unit NALU是一个通用封装格式,可以适用于有序字节流方式和IP包交换方式。

2
  针对不同的传送网络(电路交换|包交换),将nal_unit封装成针对不同网络的封装格式(比如把nalu封装成rtp包)。



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处理过程一,VCL数据封装成NALU

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VCL层输出的比特流SODBString Of Data Bits),到nal_unit之间,经过了以下三步处理:

1.SODB
字节对齐处理后封装成RBSPRaw Byte Sequence Payload)。

2.
为防止RBSP的字节流与有序字节流传送方式下的SCPstart_code_prefix_one_3bytes0x000001)出现字节竞争情形,循环检测RBSP前三个字节,在出现字节竞争时在第三字节前加入emulation_prevention_three_byte0x03),具体方法: 

nal_unit( NumBytesInNALunit ) {

forbidden_zero_bit

nal_ref_idc

nal_unit_type

NumBytesInRBSP = 0

for( i = 1; i < NumBytesInNALunit; i++ ) {

if( i + 2 < NumBytesInNALunit && next_bits( 24 ) = = 0x000003 ) {

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

i += 2

emulation_prevention_three_byte /* equal to 0x03 */

} else

rbsp_byte[ NumBytesInRBSP++ ]

}

}

3.
防字节竞争处理后的RBSP再加一个字节的header(forbidden_zero_bit+ nal_ref_idc+ nal_unit_type),封装成
nal_unit. 

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处理过程二,NALU的RTP打包

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一、NALU打包成RTP的方式有三种:

1. 单一 NAL 单元模式
     即一个 RTP 包仅由一个完整的 NALU 组成. 这种情况下 RTP NAL 头类型字段和原始的 H.264的
NALU 头类型字段是一样的.

2. 组合封包模式
    即可能是由多个 NAL 单元组成一个 RTP 包. 分别有4种组合方式: STAP-A, STAP-B, MTAP16, MTAP24.
那么这里的类型值分别是 24, 25, 26 以及 27.

3. 分片封包模式
    用于把一个 NALU 单元封装成多个 RTP 包. 存在两种类型 FU-A 和 FU-B. 类型值分别是 28 和 29.

 

还记得前面nal_unit_type的定义吧,0~23是给H264用的,24~31未使用,在rtp打包时,如果一个NALU放在一个RTP包里,可以使用NALU的nal_unit_type,但是当需要把多个NALU打包成一个RTP包,或者需要把一个NALU打包成多个RTP包时,就定义新的type来标识。

      Type   Packet      Type name                      
      ---------------------------------------------------------
      0      undefined                                    -
      1-23   NAL unit    Single NAL unit packet per H.264 
      24     STAP-A     Single-time aggregation packet   
      25     STAP-B     Single-time aggregation packet   
      26     MTAP16    Multi-time aggregation packet    
      27     MTAP24    Multi-time aggregation packet    
      28     FU-A      Fragmentation unit               
      29     FU-B      Fragmentation unit                
      30-31  undefined                   
                

 

三种打包方式的具体格式

1 .单一 NAL 单元模式

对于 NALU 的长度小于 MTU 大小的包, 一般采用单一 NAL 单元模式.
对于一个原始的 H.264 NALU 单元常由 [Start Code] [NALU Header] [NALU Payload] 三部分组成, 其中 Start Code 用于标示这是一个

NALU 单元的开始, 必须是 "00 00 00 01" 或 "00 00 01", NALU 头仅一个字节, 其后都是 NALU 单元内容.
打包时去除 "00 00 01" 或 "00 00 00 01" 的开始码, 把其他数据封包的 RTP 包即可.

       0                   1                   2                   3
       0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI| type   |                                               |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+                                               |
      |                                                               |
      |               Bytes 2..n of a Single NAL unit                 |
      |                                                               |
      |                               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                               :...OPTIONAL RTP padding        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


如有一个 H.264 的 NALU 是这样的:

[00 00 00 01 67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ... ]

这是一个序列参数集 NAL 单元. [00 00 00 01] 是四个字节的开始码, 67 是 NALU 头, 42 开始的数据是 NALU 内容.

封装成 RTP 包将如下:

[ RTP Header ] [ 67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ]

即只要去掉 4 个字节的开始码就可以了.


2 组合封包模式

其次, 当 NALU 的长度特别小时, 可以把几个 NALU 单元封在一个 RTP 包中.


       0                   1                   2                   3
       0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                          RTP Header                           |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |STAP-A NAL HDR |         NALU 1 Size           | NALU 1 HDR    |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                         NALU 1 Data                           |
      :                                                               :
      +               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |               | NALU 2 Size                   | NALU 2 HDR    |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                         NALU 2 Data                           |
      :                                                               :
      |                               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                               :...OPTIONAL RTP padding        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


3 Fragmentation Units (FUs).

而当 NALU 的长度超过 MTU 时, 就必须对 NALU 单元进行分片封包. 也称为 Fragmentation Units (FUs).

       0                   1                   2                   3
       0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      | FU indicator |   FU header   |                               |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                               |
      |                                                               |
      |                         FU payload                            |
      |                                                               |
      |                               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                               :...OPTIONAL RTP padding        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

      Figure 14. RTP payload format for FU-A

   FU indicator有以下格式:
      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI|  Type   |
      +---------------+
   FU指示字节的类型域 Type=28表示FU-A。。NRI域的值必须根据分片NAL单元的NRI域的值设置。
 
   FU header的格式如下:
      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |S|E|R|  Type   |
      +---------------+
   S: 1 bit
   当设置成1,开始位指示分片NAL单元的开始。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元荷载的开始,开始位设为0。
   E: 1 bit
   当设置成1, 结束位指示分片NAL单元的结束,即, 荷载的最后字节也是分片NAL单元的最后一个字节。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元的最后分片,结束位设置为0。
   R: 1 bit
   保留位必须设置为0,接收者必须忽略该位。
   Type: 5 bits

三、拆包和解包

拆包:当编码器在编码时需要将原有一个NAL按照FU-A进行分片,原有的NAL的单元头与分片后的FU-A的单元头有如下关系:
原始的NAL头的前三位为FU indicator的前三位,原始的NAL头的后五位为FU header的后五位,FU indicator与FU header的剩余位数根据实际情况决定。
 
解包:当接收端收到FU-A的分片数据,需要将所有的分片包组合还原成原始的NAl包时,FU-A的单元头与还原后的NAL的关系如下:
还原后的NAL头的八位是由FU indicator的前三位加FU header的后五位组成,即:
nal_unit_type = (fu_indicator & 0xe0) | (fu_header & 0x1f)

四、代码实现

从RTP包里面得到H264视频数据的方法:

 


// 功能:解码RTP H.264视频
// 参数:1.RTP包缓冲地址 2.RTP包数据大小 3.H264输出地址 4.输出数据大小
// 返回:true:表示一帧结束  false:FU-A分片未结束或帧未结束
#define  RTP_HEADLEN 12
bool  UnpackRTPH264( void   *  bufIn,  int  len,   void **  pBufOut,   int   *  pOutLen)
{
    
*pOutLen  =   0;
    
if (len  <  RTP_HEADLEN)
    
{
        
return  false ;
    }


    unsigned 
char*  src  =  (unsigned char* )bufIn  +  RTP_HEADLEN;
    unsigned 
char head1 =   * src;//获取第一个字节
    unsigned char  head2 =   *(src +1 ); //获取第二个字节
    unsigned char  nal  =  head1  & 0x1f ; // 获取FU indicator的类型域,
    unsigned char  flag =  head2  &  0xe0; // 获取FU header的前三位,判断当前是分包的开始、中间或结束
    unsigned char  nal_fua =  (head1  &   0xe0|  (head2  &   0x1f);// FU_A nal
    bool bFinishFrame =  false ;
    
if (nal == 0x1c )//判断NAL的类型为0x1c=28,说明是FU-A分片
     {//fu-a
        if (flag == 0x80 )//开始
         {
            
*pBufOut  =  src -3;
            
*(( int * )(*pBufOut)) =  0x01000000 ; // zyf:大模式会有问题
            * (( char* )(* pBufOut) + 4 = nal_fua;
            
* pOutLen =  len  -  RTP_HEADLEN +   3;
        }

        
else  if (flag ==0x40) // 结束
         {
            
*pBufOut  =  src +2;
            
* pOutLen =  len  -  RTP_HEADLEN -   2;
        }

        
else// 中间
         {
            
*pBufOut  =  src +2;
            
* pOutLen =  len  -  RTP_HEADLEN -   2;
        }

    }

    
else// 单包数据
     {
        
*pBufOut  =  src -4;
        
*(( int * )(*pBufOut)) =  0x01000000; // zyf:大模式会有问题
        * pOutLen  = len  - RTP_HEADLEN  +  4 ;
    }


    unsigned 
char*  bufTmp  =  (unsigned  char * )bufIn;
    
if (bufTmp[1 &  0x80)
    
{
        bFinishFrame 
=  true ; //rtp mark
    }

    
else
    
{
        bFinishFrame 
=  false ;
    }

    
return bFinishFrame;
}
  


从RTP包里面得到AAC音频数据的方法:


// 功能:解RTP AAC音频包,声道和采样频率必须知道。
// 参数:1.RTP包缓冲地址 2.RTP包数据大小 3.H264输出地址 4.输出数据大小
// 返回:true:表示一帧结束  false:帧未结束 一般AAC音频包比较小,没有分片。
bool  UnpackRTPAAC( void   *  bufIn,  int  recvLen,  void **  pBufOut,   int *  pOutLen)
{
    unsigned 
char*  bufRecv = (unsigned char*)bufIn;
    
//char strFileName[20];
    
    unsigned 
char ADTS[] = {0xFF0xF10x000x000x000x000xFC}
    
int audioSamprate = 32000;//音频采样率
    int audioChannel = 2;//音频声道 1或2
    int audioBit = 16;//16位 固定
    switch(audioSamprate)
    
{
    
case  16000:
        ADTS[
2= 0x60;
        
break;
    
case  32000:
        ADTS[
2= 0x54;
        
break;
    
case  44100:
        ADTS[
2= 0x50;
        
break;
    
case  48000:
        ADTS[
2= 0x4C;
        
break;
    
case  96000:
        ADTS[
2= 0x40;
        
break;
    
default:
        
break;
    }

    ADTS[
3= (audioChannel==2)?0x80:0x40;

    
int len = recvLen - 16 + 7;
    len 
<<= 5;//8bit * 2 - 11 = 5(headerSize 11bit)
    len |= 0x1F;//5 bit    1            
    ADTS[4= len>>8;
    ADTS[
5= len & 0xFF;
    
*pBufOut = (char*)bufIn+16-7;
    memcpy(
*pBufOut, ADTS, sizeof(ADTS));
    
*pOutLen = recvLen - 16 + 7;

    unsigned 
char* bufTmp = (unsigned char*)bufIn;
    
bool bFinishFrame = false;
    
if (bufTmp[1& 0x80)
    
{
        
//DebugTrace::D("Marker");
        bFinishFrame = true;
    }

    
else
    
{
        bFinishFrame 
= false;
    }

    
return true;
}


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