FFMpeg对MPEG2 TS流解码的流程分析

FFMpeg对MPEG2 TS流解码的流程分析

1.引子

gnxzzz广告都打出去了，不能没有反应.现在写东西很少了，一是年纪大了，好奇心少了

许多，；二则是这几天又犯了扁桃体炎，每天只要是快睡觉或刚起床，头晕脑涨，不过功

课还是的做的，是吧:)

2.从简单说起

说道具体的音频或者视频格式，一上来就是理论，那是国内混资历的所谓教授的做为，对

于我们，不合适，还是用自己的方式理解这些晦涩不已的理论吧。

其实MPEG2是一族协议，至少已经成为ISO标准的就有以下几部分:

ISO/IEC－13818－1：系统部分；

ISO/IEC－13818－2：视频编码格式；

ISO/IEC－13818－3：音频编码格式；

ISO/IEC－13818－4：一致性测试；

ISO/IEC－13818－5：软件部分；

ISO/IEC－13818－6：数字存储媒体命令与控制；

ISO/IEC－13818－7：高级音频编码；

ISO/IEC－13818－8：系统解码实时接口；

我不是很想说实际的音视频编码格式，毕竟协议已经很清楚了，我主要想说说这些部分怎

么组合起来在实际应用中工作的。

第一部分(系统部分)很重要，是构成以MPEG2为基础的应用的基础. 很绕口，是吧，我简

单解释一下:比如DVD实际上是以系统部分定义的PS流为基础，加上版权管理等其他技术构

成的。而我们的故事主角，则是另外一种流格式，TS流，它在现阶段最大的应用是在数字

电视节目的传输与存储上，因此，你可以理解TS实际上是一种传输协议，与实际传输的负

载关系不大，只是在TS中传输了音频，视频或者其他数据。

先说一下为什么会有这两种格式的出现，PS适用于没有损耗的环境下面存储，而TS则适用

于可能出现损耗或者错误的各种物理网络环境，比如你在公交上看到的电视，很有可能就

是基于TS的DVB-T的应用:)

我们再来看MPEG2协议中的一些概念，为理解代码做好功课:

ES(Elementary Stream):

wiki上说“An elementary stream (ES) is defined by MPEG communication protocol

is usually the output of an audio or video encoder”

恩，很简单吧，就是编码器编出的一组数据，可能是音频的，视频的，或者其他数据

说到着，其实可以对编码器的流程思考一下，无非是执行：采样，量化，编码这3个步骤

中的编码而已(有些设备可能会包含前面的采样和量化)。关于视频编码的基本理论，还是

请参考其它的资料。

PES(Packetized Elementary Stream):

wiki上说“allows an Elementary stream to be divided into packets”

其实可以理解成，把一个源源不断的数据(音频，视频或者其他)流，打断成一段一段，以

便处理.

TS(Transport Stream):

PS(Program Stream):

这两个上面已经有所提及，后面会详细分析TS,我对PS格式兴趣不大.

3.步入正题

才进入正题，恩，看来闲话太多了:(,直接看Code.

前面说过，TS是一种传输协议，因此，对应到FFmpeg,可以认为他是一种封装格式。因此

，对应的代码应该先去libavformat里面找，很容易找到，就是mpegts.c:)

还是逐步看过来:

[libavformat/utils.c]

int av_open_input_file(AVFormatContext **ic_ptr, const char *filename,

AVInputFormat *fmt,

int buf_size,

AVFormatParameters *ap)

{

int err, probe_size;

AVProbeData probe_data, *pd = &probe_data;

ByteIOContext *pb = NULL;

pd->filename = "";

if (filename)

pd->filename = filename;

pd->buf = NULL;

pd->buf_size = 0;

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【1】这段代码其实是为了针对不需要Open文件的容器Format的探测，其实就是使用

AVFMT_NOFILE标记的容器格式单独处理，现在只有使用了该标记的Demuxer很少，

只有image2_demuxer，rtsp_demuxer，因此我们分析TS时候可以不考虑这部分

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if (!fmt) {

/* guess format if no file can be opened */

fmt = av_probe_input_format(pd, 0);

}

/* Do not open file if the format does not need it. XXX: specific

hack needed to handle RTSP/TCP */

if (!fmt || !(fmt->flags & AVFMT_NOFILE)) {

/* if no file needed do not try to open one */

###################################################################

【2】这个函数似乎很好理解，无非是带缓冲的IO的封装，不过我们既然到此了

，不妨跟踪下去，看看别人对带缓冲的IO操作封装的实现:)

###################################################################

if ((err=url_fopen(&pb, filename, URL_RDONLY)) < 0) {

goto fail;

}

if (buf_size > 0) {

url_setbufsize(pb, buf_size);

}

for(probe_size= PROBE_BUF_MIN; probe_size<=PROBE_BUF_MAX && !fmt; probe_size<<=1){

int score= probe_size < PROBE_BUF_MAX ? AVPROBE_SCORE_MAX/4 : 0;

/* read probe data */

pd->buf= av_realloc(pd->buf, probe_size + AVPROBE_PADDING_SIZE);

##################################################################

【3】真正将文件读入到pd的buffer的地方，实际上最终调用FILE protocol

的file_read(),将内容读入到pd的buf，具体代码如果有兴趣可以自己跟踪

##################################################################

pd->buf_size = get_buffer(pb, pd->buf, probe_size);

memset(pd->buf+pd->buf_size, 0, AVPROBE_PADDING_SIZE);

if (url_fseek(pb, 0, SEEK_SET) < 0) {

url_fclose(pb);

if (url_fopen(&pb, filename, URL_RDONLY) < 0) {

pb = NULL;

err = AVERROR(EIO);

goto fail;

}

}

##################################################################

【4】此时的pd已经有了需要分析的原始文件，只需要查找相应容器format

的Tag比较，以判断读入的究竟为什么容器格式，这里

##################################################################

/* guess file format */

fmt = av_probe_input_format2(pd, 1, &score);

}

av_freep(&pd->buf);

}

/* if still no format found, error */

if (!fmt) {

err = AVERROR_NOFMT;

goto fail;

}

/* check filename in case an image number is expected */

if (fmt->flags & AVFMT_NEEDNUMBER) {

if (!av_filename_number_test(filename)) {

err = AVERROR_NUMEXPECTED;

goto fail;

}

}

err = av_open_input_stream(ic_ptr, pb, filename, fmt, ap);

if (err)

goto fail;

return 0;

fail:

av_freep(&pd->buf);

if (pb)

url_fclose(pb);

*ic_ptr = NULL;

return err;

}

【2】带缓冲IO的封装的实现

[liavformat/aviobuf.c]

int url_fopen(ByteIOContext **s, const char *filename, int flags)

{

URLContext *h;

int err;

err = url_open(&h, filename, flags);

if (err < 0)

return err;

err = url_fdopen(s, h);

if (err < 0) {

url_close(h);

return err;

}

return 0;

}

可以看到，下面的这个函数，先查找是否是FFmpeg支持的protocol的格式，如果文件名不

符合，则默认是FILE protocol格式，很显然，这里protocol判断是以URL的方式判读的，

因此基本上所有的IO接口函数都是url_xxx的形式。

在这也可以看到，FFmpeg支持的protocol有：

/* protocols */

REGISTER_PROTOCOL (FILE, file);

REGISTER_PROTOCOL (HTTP, http);

REGISTER_PROTOCOL (PIPE, pipe);

REGISTER_PROTOCOL (RTP, rtp);

REGISTER_PROTOCOL (TCP, tcp);

REGISTER_PROTOCOL (UDP, udp);

而大部分情况下，如果你不指明类似file://xxx,http://xxx格式，它都以FILE protocol

来处理。

[liavformat/avio.c]

int url_open(URLContext **puc, const char *filename, int flags)

{

URLProtocol *up;

const char *p;

char proto_str[128], *q;

p = filename;

q = proto_str;

while (*p != '\0' && *p != ':') {

/* protocols can only contain alphabetic chars */

if (!isalpha(*p))

goto file_proto;

if ((q - proto_str) < sizeof(proto_str) - 1)

*q++ = *p;

p++;

}

/* if the protocol has length 1, we consider it is a dos drive */

if (*p == '\0' || (q - proto_str) <= 1) {

file_proto:

strcpy(proto_str, "file");

} else {

*q = '\0';

}

up = first_protocol;

while (up != NULL) {

if (!strcmp(proto_str, up->name))

#################################################################

很显然，此时已经知道up，filename，flags

#################################################################

return url_open_protocol (puc, up, filename, flags);

up = up->next;

}

*puc = NULL;

return AVERROR(ENOENT);

}

[libavformat/avio.c]

int url_open_protocol (URLContext **puc, struct URLProtocol *up,

const char *filename, int flags)

{

URLContext *uc;

int err;

########################################################################

【a】? 为什么这样分配空间

########################################################################

uc = av_malloc(sizeof(URLContext) + strlen(filename) + 1);

if (!uc) {

err = AVERROR(ENOMEM);

goto fail;

}

#if LIBAVFORMAT_VERSION_MAJOR >= 53

uc->av_class = &urlcontext_class;

#endif

########################################################################

【b】? 这样的用意又是为什么

########################################################################

uc->filename = (char *) &uc[1];

strcpy(uc->filename, filename);

uc->prot = up;

uc->flags = flags;

uc->is_streamed = 0; /* default = not streamed */

uc->max_packet_size = 0; /* default: stream file */

err = up->url_open(uc, filename, flags);

if (err < 0) {

av_free(uc);

*puc = NULL;

return err;

}

//We must be carefull here as url_seek() could be slow, for example for

//http

if( (flags & (URL_WRONLY | URL_RDWR))

|| !strcmp(up->name, "file"))

if(!uc->is_streamed && url_seek(uc, 0, SEEK_SET) < 0)

uc->is_streamed= 1;

*puc = uc;

return 0;

fail:

*puc = NULL;

return err;

}

上面这个函数不难理解，但有些地方颇值得玩味，比如，上面给出问号的地方，你明白为

什么这样Coding么:)

很显然，此时up->url_open()实际上调用的是file_open()[libavformat/file.c]，看完

这个函数，对上面的内存分配，是否恍然大悟:)

上面只是分析了url_open()，还没有分析url_fdopen(s, h);这部分代码，也留给有好奇

心的你了:)

恩，为了追踪这个流程，走得有些远，但不是全然无用:)

终于来到了【4】，我们来看MPEG TS格式的侦测过程，这其实才是我们今天的主角

4. MPEG TS格式的探测过程

[liavformat/mpegts.c]

static int mpegts_probe(AVProbeData *p)

{

#if 1

const int size= p->buf_size;

int score, fec_score, dvhs_score;

#define CHECK_COUNT 10

if (size < (TS_FEC_PACKET_SIZE * CHECK_COUNT))

return -1;

score = analyze(p->buf, TS_PACKET_SIZE *CHECK_COUNT, TS_PACKET_SIZE, NULL);

dvhs_score = analyze(p->buf, TS_DVHS_PACKET_SIZE *CHECK_COUNT, TS_DVHS_PACKET_SIZE, NULL);

fec_score= analyze(p->buf, TS_FEC_PACKET_SIZE*CHECK_COUNT, TS_FEC_PACKET_SIZE, NULL);

// av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "score: %d, dvhs_score: %d, fec_score: %d \n", score, dvhs_score, fec_score);

// we need a clear definition for the returned score otherwise things will become messy sooner or later

if (score > fec_score && score > dvhs_score && score > 6) return AVPROBE_SCORE_MAX + score - CHECK_COUNT;

else if(dvhs_score > score && dvhs_score > fec_score && dvhs_score > 6) return AVPROBE_SCORE_MAX + dvhs_score - CHECK_COUNT;

else if( fec_score > 6) return AVPROBE_SCORE_MAX + fec_score - CHECK_COUNT;

else return -1;

#else

/* only use the extension for safer guess */

if (match_ext(p->filename, "ts"))

return AVPROBE_SCORE_MAX;

else

return 0;

#endif

}

之所以会出现3种格式，主要原因是：

TS标准是188Bytes,而小日本自己又弄了一个192Bytes的DVH-S格式，第三种的204Bytes则

是在188Bytes的基础上，加上16Bytes的FEC(前向纠错).

static int analyze(const uint8_t *buf, int size, int packet_size, int *index)

{

int stat[packet_size];

int i;

int x=0;

int best_score=0;

memset(stat, 0, packet_size*sizeof(int));

#######################################################################

由于查找的特定格式至少3个Bytes，因此，至少最后3个Bytes不用查找

#######################################################################

for(x=i=0; i<size-3; i++){

######################################################################

参看后面的协议说明

######################################################################

if(buf[i] == 0x47 && !(buf[i+1] & 0x80) && (buf[i+3] & 0x30)){

stat[x]++;

if(stat[x] > best_score){

best_score= stat[x];

if(index) *index= x;

}

}

x++;

if(x == packet_size) x= 0;

}

return best_score;

}

这个函数简单说来，是在size大小的buf中，寻找满足特定格式，长度为packet_size的

packet的个数，显然，返回的值越大越可能是相应的格式(188/192/204)

其中的这个特定格式，其实就是协议的规定格式：

Syntax	No. of bits	Mnemonic
transport_packet(){
sync_byte	8	bslbf
transport_error_indicator	1	bslbf
payload_unit_start_indicator	1	bslbf
transport_priority	1	bslbf
PID	13	uimsbf
transport_scrambling_control	2	bslbf
adaptation_field_control	2	bslbf
continuity_counter	4	uimsbf
if(adaptation_field_control=='10' || adaptation_field_control=='11'){
adaptation_field()
}
if(adaptation_field_control=='01' || adaptation_field_control=='11') {
for (i=0;i<N;i++){
data_byte	8	bslbf
}
}
}

其中的sync_byte固定为0x47,即上面的: buf[i] == 0x47

由于transport_error_indicator为1的TS Packet实际有错误，表示携带的数据无意义，

这样的Packet显然没什么意义，因此: !(buf[i+1] & 0x80)

对于adaptation_field_control，如果为取值为0x00,则表示为未来保留，现在不用，因

此： buf[i+3] & 0x30

这就是MPEG TS的侦测过程，很简单吧:)

后面我们分析如何从mpegts文件中获取stream的过程，待续......

参考：

1.http://en.wikipedia.org/wiki/MPEG_transport_stream

2.ISO/IEC－13818－1