H264实时编码及NALU，RTP传输

比眉伴天荒 2022-06-07 09:54 258阅读 0赞

0. 比特流信息  
①NALU(Network Abstract Layer Unit)：两标准中的比特流都是以NAL为单位，每个NAL单元包含一个RBSP，NALU的头信息定义了RBSP所属类型。类型一般包括序列参数集（SPS）、图像参数集（PPS）、增强信息（SEI）、条带（Slice）等，其中，SPS和PPS属于参数集，两标准采用参数集机制是为了将一些主要的序列、图像参数（解码图像尺寸、片组数、参考帧数、量化和滤波参数标记等）与其他参数分离，通过解码器先解码出来。此外，为了增强图像的清晰度，AVS-M添加了图像头（Picture head）信息。读取NALU流程中，每个NALU前有一个起始码0x000001，为防止内部0x000001序列竞争，H.264编码器在最后一字节前插入一个新的字节——0x03，所以解码器检测到该序列时，需将0x03删掉，而AVS-M只需识别出起始码0x000001。  
②读取宏块类型（mb type）和宏块编码模板（cbp）：编解码图像以宏块划分，一个宏块由一个16\*16亮度块和相应的一个8\*8cb和一个8\*8cr色度块组成。  
(a) 两标准的帧内、帧间预测时宏块的划分是有区别的。H.264中，I\_slice亮度块有Intra\_4\*4和Intra\_16\*16两种模式，色度块只有8\*8模式；P\_slice宏块分为16\*16、16\*8、8\*16、8\*8、8\*4、4\*8、4\*4共7种模式。而AVS-M中，I\_slice亮度块有I\_4\*4和I\_Direct两模式，P\_slice时宏块的划分和H.264中的划分一致。  
(b) 两标准的宏块cbp值计算也不相同。H.264中，Intra\_16\*16宏块的亮度（色度）cbp直接通过读mb type得到；非Intra\_16\*16宏块的亮度cbp=coded\_block\_pattern%16，色度cbp=coded\_block\_pattern/16 。其中，亮度cbp最低4位有效，每位决定对应宏块的残差系数能不能为0；色度cbp为0时，对应残差系数为0，cbp为1时，DC残差系数不为0，AC系数为0，cbp为2时，DC、AC残差系数都不为0。AVS-M中，当宏块类型不是P\_skip时，直接从码流中得到cbp的索引值，并以此索引值查表得到codenum值，再以codenum查表分别得到帧内／帧间cbp。此cbp为6位，每位代表宏块按8\*8划分时能不能包含非零系数，当变换系数不为0时，需进一步读cbp\_4\*4中每位值来判断一个8\*8块中4个4\*4块的系数能不能为0。  
  
  
总的来说H264的码流的打包方式有两种,一种为annex-b byte stream format的格式，这个是绝大部分编码器的默认输出格式，就是每个帧的开头的3~4个字节是H264的start\_code,0x00000001或者0x000001。  
另一种是原始的NAL打包格式，就是开始的若干字节（1，2，4字节）是NAL的长度，而不是start\_code,此时必须借助某个全局的数据来获得编码器的profile,level,PPS,SPS等信息才可以解码。  
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AVC vs. H.264  
AVC and H.264 are synonymous. The standard is known by the full names "ISO/IEC 14496-10" and "ITU-T Recommendation H.264". In addition, a number of alternate names are used (or have been) in reference to this standard. These include:   
MPEG-4 part 10   
MPEG-4 AVC   
AVC   
MPEG-4 (in the broadcasting world MPEG4 part 2 is ignored)   
H.264   
JVT (Joint Video Team, nowadays rarely used referring to actual spec)   
H.26L (early drafts went by this name)   
All of the above (and those I've missed) include the Annex B byte-stream format. Unlike earlier MPEG1/2/4 and H.26x codecs, the H.264 specification proper does not define a full bit-stream syntax. It describes a number of NAL (Network Abstraction Layer) units, a sequence of which can be decoded into video frames. These NAL units have no boundary markers, and rely on some unspecified format to provide framing.   
Annex B of of the document specifies one such format, which wraps NAL units in a format resembling a traditional MPEG video elementary stream, thus making it suitable for use with containers like MPEG PS/TS unable to provide the required framing. Other formats, such as ISO base media based formats, are able to properly separate the NAL units and do not need the Annex B wrapping.   
The H.264 spec suffers from a deficiency. It defines several header-type NAL units (SPS and PPS) without specifying how to pack them into the single codec data field available in most containers. Fortunately, most containers seem to have adopted the packing used by the ISO format known as MP4.   
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1. H.264起始码  
   在网络传输h264数据时，一个UDP包就是一个NALU,解码器可以很方便的检测出NAL分界和解码。但是如果编码数据存储为一个文件，原来的解码器将无法从数据流中分别出每个NAL的起始位置和终止位置，为此h.264用起始码来解决这一问题。  
   H.264编码时，在每个NAL前添加起始码 0x000001，解码器在码流中检测到起始码，当前NAL结束。为了防止NAL内部出现0x000001的数据，h.264又提出'防止竞争 emulation prevention"机制，在编码完一个NAL时，如果检测出有连续两个0x00字节，就在后面插入一个0x03。当解码器在NAL内部检测到0x000003的数据，就把0x03抛弃，恢复原始数据。

0x000000   >>>>>>   0x00000300
    0x000001   >>>>>>   0x00000301
    0x000002   >>>>>>   0x00000302
    0x000003   >>>>>>   0x00000303

附上h.264解码nalu中检测起始码的算法流程

for(;;) 
    {
    if next 24 bits are 0x000001 
    { 
           startCodeFound = true 
           break; 
    } 
    else 
    { 
           flush 8 bits  
    } 
    }// for(;;) 
    if(true == startCodeFound) 
    { 
        //startcode found 
        // Flush the start code found 
        flush 24 bits  
        //Now navigate up to next start code and put the in between stuff 
        // in the nal structure. 
        for(;;)
        { 
          get next 24 bits & check if it equals to 0x000001 
          if(false == (next 24 bits == 000001)) 
          { 
             // search for pattern 0x000000 
             check if next 24 bits are 0x000000 
             if(false == result) 
             { 
                    // copy the byte into the buffer 
                    copy one byte to the Nal unit             
             } 
             else 
             { 
                    break; 
             } 
          } 
          else 
          { 
                 break; 
          } 
       }//for(;;)
    }

2. MPEG4起始码  
    MPEG4的特色是VOP，没有NALU的概念，仍使用startcode对每帧进行分界。MPEG4的起始码是0x000001. 另外MPEG4中很多起始码也很有用，比如video\_object\_sequence\_start\_code 0x000001B0表示一个视频对象序列的开始,VO\_start\_code 0x000001B6 表示一个VOP的开始. 0x000001B6之后的两位，是00表示 I frame， 01 表示 P frame， 10 表示 B frame.  
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1. 引言  
H.264的主要目标：  
1．高的视频压缩比  
2．良好的网络亲和性  
解决方案：  
VCL   video coding layer    视频编码层  
NAL   network abstraction layer   网络提取层  
VCL：核心算法引擎，块，宏块及片的语法级别的定义  
NAL：片级以上的语法级别（如序列参数集和图像参数集），同时支持以下功能：独立片解码，起始码唯一保证，SEI以及流格式编码数据传送  
VCL设计目标：尽可能地独立于网络的情况下进行高效的编解码  
NAL设计目标：根据不同的网络把数据打包成相应的格式，将VCL产生的比特字符串适配到各种各样的网络和多元环境中。  
NALU头结构：NALU类型(5bit)、重要性指示位(2bit)、禁止位(1bit)。   
NALU类型：1～12由H.264使用，24～31由H.264以外的应用使用。   
重要性指示：标志该NAL单元用于重建时的重要性，值越大，越重要。

禁止位：网络发现NAL单元有比特错误时可设置该比特为1，以便接收方丢掉该单元。

2．NAL语法语义

NAL层句法：  
在编码器输出的码流中，数据的基本单元是句法元素。  
句法表征句法元素的组织结构。  
语义阐述句法元素的具体含义。  
分组都有头部，解码器可以很方便的检测出NAL的分界，依次取出NAL进行解码。  
但为了节省码流，H.264没有另外在NAL的头部设立表示起始位置的句法元素。  
如果编码数据是存储在介质上的，由于NAL是依次紧密相连的，解码器就无法在数据流中分辨出每个NAL的起始位置和终止位置。  
解决方案：在每个NAL前添加起始码：0X000001  
在某些类型的介质上，为了寻址的方便，要求数据流在长度上对齐，或某个常数的整数倍。所以在起始码前添加若干字节的0来填充。  
检测NAL的开始：  
0X000001和0X000000  
我们必须考虑当NAL内部出现了0X000001和0X000000  
解决方案：  
H.264提出了“防止竞争”机制：

0X000000——0X00000300
    0X000001——0X00000301
    0X000002——0X00000302
    0X000003——0X00000303

为此，我们可以知道：  
在NAL单元中，下面的三字节序列不应在任何字节对齐的位置出现

0X000000
    0X000001
    0X000002
    Forbidden_zero_bit =0;

Nal\_ref\_idc：表示NAL的优先级。0～3，取值越大，表示当前NAL越重要，需要优先受到保护。如果当前NAL是属于参考帧的片，或是序列参数集，或是图像参数集这些重要的单位时，本句法元素必需大于0。  
Nal\_unit\_type：当前NAL 单元的类型  
3．H.264的NAL层处理  
结构示意图：  
NAL以NALU（NAL unit）为单元来支持编码数据在基于分组交换技术网络中传输。  
它定义了符合传输层或存储介质要求的数据格式，同时给出头信息，从而提供了视频编码和外部世界的接口。  
NALU：定义了可用于基于分组和基于比特流系统的基本格式  
RTP封装：只针对基于NAL单元的本地NAL接口。  
三种不同的数据形式：  
SODB　数据比特串－－＞最原始的编码数据  
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-->在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.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  
处理过程：  
  **1．将VCL层输出的SODB封装成nal\_unit， Nal\_unit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。**  
第一步的具体过程：  
VCL层输出的比特流SODB（String 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RBSP（Raw Byte Sequence Payload）。  
2.为防止RBSP的字节流与有序字节流传送方式下的SCP（start\_code\_prefix\_one\_3bytes，0x000001）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\_byte （0x03），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. **  
第二步的具体过程：  
case1：有序字节流的封装

byte_stream_nal_unit( NumBytesInNALunit ) { 
    while( next_bits( 24 ) != 0x000001 ) 
    zero_byte /* equal to 0x00 */ 
    if( more_data_in_byte_stream( ) ) { 
    start_code_prefix_one_3bytes /* equal to 0x000001 */ nal_unit( NumBytesInNALunit ) 
    } 
    }

类似H.320和MPEG-2/H.222.0等传输系统，传输NAL作为有序连续字节或比特流，同时要依靠数据本身识别NAL单元边界。在这样的应用系统中，H.264/AVC规范定义了字节流格式，每个NAL单元前面增加3个字节的前缀，即同步字节。在比特流应用中，每个图像需要增加一个附加字节作为边界定位。还有一种可选特性，在字节流中增加附加数据，用做扩充发送数据量，能实现快速边界定位，恢复同步  
Case2：IP网络的RTP打包封装  
分组打包的规则   
(1)额外开销要少，使MTU尺寸在100～64k字节范围都可以；   
(2)不用对分组内的数据解码就可以判别该分组的重要性；   
(3)载荷规范应当保证不用解码就可识别由于其他的比特丢失而造成的分组不可解码；   
(4)支持将NALU分割成多个RTP分组；   
   　(5)支持将多个NALU汇集在一个RTP分组中。   
RTP的头标可以是NALU的头标，并可以实现以上的打包规则。   
一个RTP分组里放入一个NALU，将NALU(包括同时作为载荷头标的NALU头)放入RTP的载荷中，设置RTP头标值。为了避免IP层对大分组的再一次分割，片分组的大小一般都要小于MTU尺寸。由于包传送的路径不同，解码端要重新对片分组排序，RTP包含的次序信息可以用来解决这一问题。   
NALU分割   
对于预先已经编码的内容，NALU可能大于MTU尺寸的限制。虽然IP层的分割可以使数据块小于64千字节，但无法在应用层实现保护，从而降低了非等重保护方案的效果。由于UDP数据包小于64千字节，而且一个片的长度对某些应用场合来说太小，所以应用层打包是RTP打包方案的一部分。   
新的讨论方案(IETF)应当符合以下特征：   
(1)NALU的分块以按RTP次序号升序传输；   
(2)能够标记第一个和最后一个NALU分块；   
(3)可以检测丢失的分块。   
NALU合并   
一些NALU如SEI、参数集等非常小，将它们合并在一起有利于减少头标开销。已有两种集合分组：   
(1)单一时间集合分组(STAP)，按时间戳进行组合；   
(2)多时间集合分组(MTAP)，不同时间戳也可以组合。  
NAL规范视频数据的格式，主要是提供头部信息，以适合各种媒体的传输和存储。NAL支持各种网络，包括：  
  1．任何使用RTP/IP协议的实时有线和无线Internet 服务  
  2．作为MP4文件存储和多媒体信息文件服务  
  3．MPEG-2系统  
  4．其它网   
NAL规定一种通用的格式，既适合面向包传输，也适合流传送。实际上，包传输和流传输的方式是相同的，不同之处是传输前面增加了一个起始码前缀  
在类似Internet/RTP面向包传送协议系统中，包结构中包含包边界识别字节，在这种情况下，不需要同步字节。  
NAL单元分为VCL和非VCL两种  
VCL NAL单元包含视频图像采样信息，  
非VCL包含各种有关的附加信息，例如参数集（头部信息，应用到大量的VCL NAL单元）、提高性能的附加信息、定时信息等  
参数集：  
参数集是很少变化的信息，用于大量VCL NAL单元的解码，分为两种类型：  
  1．序列参数集，作用于一串连续的视频图像，即视频序列。  
两个IDR图像之间为序列参数集。IDR和I帧的区别见下面。  
  2．图像参数集，作用于视频序列中的一个或多个个别的图像  
序列和图像参数集机制，减少了重复参数的传送，每个VCL NAL单元包含一个标识，指  
向有关的图像参数集，每个图像参数集包含一个标识，指向有关的序列参数集的内容  
因此，只用少数的指针信息，引用大量的参数，大大减少每个VCL NAL单元重复传送的信息。

序列和图像参数集可以在发送VCL NAL单元以前发送，并且重复传送，大大提高纠错能力。序列和图像参数集可以在“带内”，也可以用更为可靠的其他“带外”通道传送。

参考：

[H264实时编码及NALU，RTP传输][H264_NALU_RTP]

[H264_NALU_RTP]: http://blog.163.com/seven_7_one/blog/static/1626064122011101062658921/