H.264 基础及 RTP 封包详解

一. h264基础概念

1、NAL、Slice与frame意思及相互关系 

1 frame的数据可以分为多个slice.
每个slice中的数据，在帧内预测只用到自己slice的数据， 与其他slice 数据没有依赖关系。 
NAL 是用来将编码的数据进行大包的。 比如，每一个slice 数据可以放在NAL 包中。
I frame 是自己独立编码，不依赖于其他frame 数据。
P frame 依赖 I frame 数据。 
B frame 依赖 I frame, P frame 或其他 B frame 数据。  

一个frame是可以分割成多个Slice来编码的，而一个Slice编码之后被打包进一个NAL单元，不过NAL单元除了容纳Slice编码的码流外，还可以容纳其他数据，比如序列参数集SPS。
NAL指网络提取层，里面放一些与网络相关的信息
Slice是片的意思，264中把图像分成一帧（frame）或两场（field），而帧又可以分成一个或几个片（Slilce）；片由宏块（MB）组成。宏块是编码处理的基本单元。

2、NAL nal_unit_type中的1（非IDR图像的编码条带）、2（编码条带数据分割块A）、3（编码条带数据分割块B）、4（编码条带数据分割块C）、5（IDR图像的编码条带）种类型 
与 Slice种的三种编码模式：I_slice、P_slice、B_slice 
NAL nal_unit_type 里的五种类型，代表接下来数据是表示啥信息的和具体如何分块。
I_slice、P_slice、B_slice 表示I类型的片、P类型的片，B类型的片.其中I_slice为帧内预测模式编码；P_slice为单向预测编码或帧内模式；B_slice 中为双向预测或帧内模式。

3、还有frame的3种类型：I frame、P frame、 B frame之间有什么映射关系么？ 
I frame、P frame、 B frame关系同 I_slice、P_slice、B_slice，slice和frame区别在问题1中已经讲明白。

4、最后，NAL nal_unit_type中的6（SEI）、7（SPS）、8（PPS）属于什么帧呢？ 
NAL nal_unit_type 为序列参数集（SPS）、图像参数集（PPS）、增强信息（SEI）不属于啥帧的概念。表示后面的数据信息为序列参数集（SPS）、图像参数集（PPS）、增强信息（SEI）。 

二， h264 rtp 封包详解 

H.264 视频 RTP 负载格式

1. 网络抽象层单元类型 (NALU)

NALU 头由一个字节组成, 它的语法如下:

      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI|  Type   |
      +---------------+

F: 1 个比特.
  forbidden_zero_bit. 在 H.264 规范中规定了这一位必须为 0.

NRI: 2 个比特.
  nal_ref_idc. 取 00 ~ 11, 似乎指示这个 NALU 的重要性, 如 00 的 NALU 解码器可以丢弃它而不影响图像的回放. 不过一般情况下不太关心

这个属性.

Type: 5 个比特.
  nal_unit_type. 这个 NALU 单元的类型. 简述如下:

  0     没有定义
  1-23  NAL单元  单个 NAL 单元包.
  24    STAP-A   单一时间的组合包
  25    STAP-B   单一时间的组合包
  26    MTAP16   多个时间的组合包
  27    MTAP24   多个时间的组合包
  28    FU-A     分片的单元
  29    FU-B     分片的单元
  30-31 没有定义

2. 打包模式

  下面是 RFC 3550 中规定的 RTP 头的结构.

       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
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |V=2|P|X|  CC   |M|     PT      |       sequence number         |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |                           timestamp                           |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |           synchronization source (SSRC) identifier            |
      +=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
      |            contributing source (CSRC) identifiers             |
      |                             ....                              |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

  负载类型 Payload type (PT): 7 bits
  序列号 Sequence number (SN): 16 bits
  时间戳 Timestamp: 32 bits
  
  H.264 Payload 格式定义了三种不同的基本的负载(Payload)结构. 接收端可能通过 RTP Payload 
  的第一个字节来识别它们. 这一个字节类似 NALU 头的格式, 而这个头结构的 NAL 单元类型字段
  则指出了代表的是哪一种结构,

  这个字节的结构如下, 可以看出它和 H.264 的 NALU 头结构是一样的.
      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI|  Type   |
      +---------------+
  字段 Type: 这个 RTP payload 中 NAL 单元的类型. 这个字段和 H.264 中类型字段的区别是, 当 type
  的值为 24 ~ 31 表示这是一个特别格式的 NAL 单元, 而 H.264 中, 只取 1~23 是有效的值.
   
  24    STAP-A   单一时间的组合包
  25    STAP-B   单一时间的组合包
  26    MTAP16   多个时间的组合包
  27    MTAP24   多个时间的组合包
  28    FU-A     分片的单元
  29    FU-B     分片的单元
  30-31 没有定义

  可能的结构类型分别有:

  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.

2.1 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.

2.2 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        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.3 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

   The FU indicator octet has the following format:

      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI|  Type   |
      +---------------+

   The FU header has the following format:

      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |S|E|R|  Type   |
      +---------------+

3. SDP 参数

  下面描述了如何在 SDP 中表示一个 H.264 流:

  . "m=" 行中的媒体名必须是 "video"
  . "a=rtpmap" 行中的编码名称必须是 "H264".
  . "a=rtpmap" 行中的时钟频率必须是 90000.
  . 其他参数都包括在 "a=fmtp" 行中.

  如:

  m=video 49170 RTP/AVP 98
  a=rtpmap:98 H264/90000
  a=fmtp:98 profile-level-id=42A01E; sprop-parameter-sets=Z0IACpZTBYmI,aMljiA==

  下面介绍一些常用的参数.

3.1 packetization-mode:

  表示支持的封包模式. 
  当 packetization-mode 的值为 0 时或不存在时, 必须使用单一 NALU 单元模式.
  当 packetization-mode 的值为 1 时必须使用非交错(non-interleaved)封包模式.
  当 packetization-mode 的值为 2 时必须使用交错(interleaved)封包模式.
  这个参数不可以取其他的值.

3.2 sprop-parameter-sets:

  这个参数可以用于传输 H.264 的序列参数集和图像参数 NAL 单元. 这个参数的值采用 Base64 进行编码. 不同的参数集间用","号隔开.

3.3 profile-level-id:

  这个参数用于指示 H.264 流的 profile 类型和级别. 由 Base16(十六进制) 表示的 3 个字节. 第一个字节表示 H.264 的 Profile 类型, 第

三个字节表示 H.264 的 Profile 级别:

3.4 max-mbps:

  这个参数的值是一个整型, 指出了每一秒最大的宏块处理速度.

国外 一个 x264 库的开发者日记：

http://x264dev.multimedia.cx/archives/249

http://x264dev.multimedia.cx/archives/249