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c實現mp4解封裝-創新互聯

文章目錄
    • 前序
    • MP4簡介
      • MP4的定義
      • MP4的封裝格式
    • Box類型詳解
      • Box格式
      • ftyp box
      • mvhd box
      • tkhd box
      • hdlr box
      • mdat box
      • stbl box
      • stsd box
      • stco box
      • stsc box
      • stsz box
      • stts box
      • stss box
    • demuxer demo的實現(視頻數據部分)
    • 總結：
    • 工具介紹
    • 源碼
    • 參考

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最近為了更加深入了解音視頻demux這塊的功能，準備著手寫個demuxer，提取視頻流。

MP4簡介 MP4的定義

MP4是一種常用的視音頻流封裝格式，按照指定的協議來存放媒體數據；因為mp4是基于蘋果QuickTime文件格式，所以與mov有很多相同之處，在蘋果開發者平臺可以看到詳細的有關封裝文檔(https://developer.apple.com/library/archive/documentation/QuickTime/QTFF/QTFFChap2/qtff2.html#//apple_ref/doc/uid/TP40000939-CH204-25615)

MP4的封裝格式

  • MP4格式預覽—mp4是由多個box嵌套組成的
    在這里插入圖片描述

  • MP4主要的頂部box

    ftyp box：描述MP4鎖遵循的規范和版本

    mdat box ：存放媒體數據

    moov box：存放媒體參數(pps、sps等)相關信息和用于索引媒體數據存儲位置的信息

  • MP4常用box
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Box類型詳解 Box格式

在這里插入圖片描述

  1. size字段為整個box的大小，包括box header和box body
  2. type為box的類型，通常為四字節的字符串，例如ftyp
  3. 當size == 0時，box的大小為large size
  4. 當box為full box時，存在version和flags字段，具體含義因box不同而不同
  5. 若box沒有嵌套其他box，例如ftyp box，則box body部分根據具體規范解析相應字段；若box為container box，則box body部分嵌套其它box，還需一步步解套獲取最終的數據
ftyp box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

  • major_brand：比如常見的 isom、mp41、mp42、avc1、qt等。它表示“最好”基于哪種格式來解析當前的文件。舉例，major_brand 是 A，compatible_brands 是 A1，當解碼器同時支持 A、A1 規范時，最好使用A規范來解碼當前媒體文件，如果不支持A規范，但支持A1規范，那么，可以使用A1規范來解碼；

  • minor_version：提供 major_brand 的說明信息，比如版本號，不得用來判斷媒體文件是否符合某個標準/規范；

  • compatible_brands：文件兼容的brand列表。比如 mp41 的兼容 brand 為 isom。通過兼容列表里的 brand 規范，可以將文件 部分（或全部）解碼出來；

mvhd box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • version ：一字節用于指定mvhd的版本

    • flags：3字節，預留

    • Create time：媒體創建時間，與UTC時間不同的是，此時間是從1904年1月1日0:0:0開始計算的，而utc是從1970年1月1日0:0:0開始計算，故Create time須要減去時間差換算成utc時間

      // 注：66年時間差不是66*365*24*3600來計算
creation_time_utc = creation_time - (66年時間差) = creation_time - 2082844800

    • Modification time：媒體最后被修改的時間，計算方式同Create time

    • Timescale：一秒包含的時間單位（整數）。舉個例子，如果timescale等于1000，那么，一秒包含1000個時間單位（后面track等的時間，都要用這個來換算，比如track的duration為10,000，那么，track的實際時長為10,000/1000=10s）；

    • Duration：影片時長（整數），根據文件中的track的信息推導出來，等于時間最長的track的duration；

    • Preferred rate：推薦的播放速率，32位整數，高16位、低16位分別代表整數部分、小數部分（[16.16]），舉例 0x0001 0000 代表1.0，正常播放速度；

    • Preferred volume：播放音量，16位整數，高8位、低8位分別代表整數部分、小數部分（[8.8]），舉例 0x01 00 表示 1.0，即大音量；

    • Matrix struct：視頻的轉換矩陣，詳情看

      Basic Data Types

    • Next_track_ID：32位整數，非0，一般可以忽略不計。當要添加一個新的track到這個影片時，可以使用的track id，必須比當前已經使用的track id要大。也就是說，添加新的track時，需要遍歷所有track，確認可用的track id；

tkhd box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • version：tkhd box的版本；
    • flags：按位或操作獲得，默認值是7（0x000001 | 0x000002 | 0x000004），表示這個track是啟用的、用于播放的 且 用于預覽的。
      • Track_enabled：值為0x000001，表示這個track是啟用的，當值為0x000000，表示這個track沒有啟用；
      • Track_in_movie：值為0x000002，表示當前track在播放時會用到；
      • Track_in_preview：值為0x000004，表示當前track用于預覽模式；
    • Creation time：當前track的創建時間；
    • Modification time：當前track的最近修改時間；
    • Track ID：當前track的唯一標識，不能為0，不能重復；
    • Duration：當前track的完整時長（需要除以timescale得到具體秒數）；
    • Layer：視頻軌道的疊加順序，數字越小越靠近觀看者，比如1比2靠上，0比1靠上；
    • Alternate_group：當前track的分組ID，alternate_group值相同的track在同一個分組里面。同個分組里的track，同一時間只能有一個track處于播放狀態。當alternate_group為0時，表示當前track沒有跟其他track處于同個分組。一個分組里面，也可以只有一個track；
    • Volume：audio track的音量，介于0.0~1.0之間；
    • Matrix structure：視頻的變換矩陣；
    • Track width：視頻的寬
    • Track height：視頻的高
hdlr box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • Version：hdlr box的版本
    • Flags：置0
    • Component type：四字節子串定義handler的類型；此字段只有兩種值合法：'mhlr’(media handlers)和’dhlr’(data handlers)
    • Component subtype：針對Component type進行細分類型，例如’vide’定義為視頻數據，'soun’定義為音頻數據
    • Component manufacturer：保留，置0
    • Component flags：保留，置0
    • Component flags mask：保留，置0
    • Component name：子串指定Component 的名字，可能為空
mdat box

  • 數據結構分布圖
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    注意：取到的frame前四個字節為frame數據的長度字節，須要偏移去掉

stbl box

主要存放了媒體參數(pps、sps、vps等)相關信息和用于解析mdat中視音頻數據的關鍵信息

  • stsd：給出視音頻的相關參數信息，有高寬、音量、位深度和每個sample多少個frame
  • stco：chunk在文件中的偏移
  • stsc：每個chunk中包含幾個sample
  • stsz：每個sample的size（單位是字節）
  • stts：每個sample的時長
  • stss：哪些sample是關鍵幀
stsd box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • Version：stsd box的版本
    • Flags：置0
    • Number of entries：Sample description table的個數
    • Sample description table：以視頻為例，此時Sample description table字段中為若干個視頻編碼相關的box，例如avc1 box

      • avc1 box

        • 字段分布圖
          在這里插入圖片描述

        • 字段解析

          這個在https://developer.apple.com/library/archive/documentation/QuickTime/QTFF/QTFFChap2/qtff2.html的“Sample Description Atoms”一節可以研究下

      • avcC box(包含了視頻關鍵參數，在ISO/IEC 14496-15中定義)

        • 字段分布圖
          在這里插入圖片描述

        • 字段解析

          • num_of_sps：sps的個數
          • sps_length：sps的長度
          • sps_nal_unit：長度為sps_length的sps
          • num_of_pps：pps的個數
          • pps_length：pps的長度
          • pps_nal_unit：長度為pps_length的pps

          其他字段可以自行在ISO/IEC 14496-15中查到

stco box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • Version：stco box的版本
    • Flags：置0
    • Number of entries：chunk的個數
    • Chunk offset table：每個chunk在整個視頻文件的偏移值，每個值的長度為4字節
stsc box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • Version：stsc box的版本
    • Flags：置0
    • Number of entries：”Sample-to-chunk table”的條數
    • Sample-to-chunk table：
      • First chunk：chunk的索引
      • Samples per chunk：從’First chunk’開始，每個chunk中sample的個數
      • Sample description ID：stsd box中‘Sample description table’的下標

  • Sample-to-chunk table示意圖
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    • chunk1-chunk2：每個chunk中有3個sample，并且Sample description ID為23
    • chunk3-chunk4：每個chunk中有1個sample，并且Sample description ID為23
    • chunk5：每個chunk中有3個sample，并且Sample description ID為24
stsz box

  • 字段分布圖
    在這里插入圖片描述

  • 字段解析

    • Version：stsz box的版本
    • Flags：置0
    • Sample size：為0則表示所有sample的大小不一定一樣，不為0則表示所有sample的大小一樣
    • Number of entries：”Sample size table”的條數
    • Sample size table：每個sample的size，每個sample size的長度為4字節
stts box

  • 字段分布圖
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  • 字段解析

    • Version：stts box的版本
    • Flags：置0
    • Number of entries：“Time-to-sample table”的條數
    • Time-to-sample table：
      • Sample count：具有相同“Sample duration”的個數
      • Sample duration：sample的時長（以timescale為計量)

  • Time-to-sample table：示意圖
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    sample1 - sample4的sample duration是4

stss box

  • 字段分布圖
    在這里插入圖片描述

  • 字段解析

    • Version：stts box的版本
    • Flags：置0
    • Number of entries：“Sync sample table”的條數
    • Sync sample table：關鍵幀對應的sample index
demuxer demo的實現(視頻數據部分)

  1. 獲取sps pps參數

    1. 解析stsd box，其中contain avc1 box和avcC box(此步驟詳解見上文)

    2. 解析avcC box可以獲取到sps和pps

      以下為ISO/IEC 14496-15中解析avcC的偽代碼

    aligned(8) class AVCDecoderConfigurationRecord { unsigned int(8) configurationVersion = 1; 
	 unsigned int(8) AVCProfileIndication; 
	 unsigned int(8) profile_compatibility; 
	 unsigned int(8) AVCLevelIndication; 
	 bit(6) reserved = ‘111111’b; 
	 unsigned int(2) lengthSizeMinusOne; 
	 bit(3) reserved = ‘111’b; 
	 unsigned int(5) numOfSequenceParameterSets; 
	 for (i=0; i< numOfSequenceParameterSets; i++) { unsigned int(16) sequenceParameterSetLength ; 
		 bit(8*sequenceParameterSetLength) sequenceParameterSetNALUnit; 
	 } 
	 unsigned int(8) numOfPictureParameterSets; 
	 for (i=0; i< numOfPictureParameterSets; i++) { unsigned int(16) pictureParameterSetLength; 
		 bit(8*pictureParameterSetLength) pictureParameterSetNALUnit; 
 }

 if( profile_idc == 100 || profile_idc == 110 || 
	 profile_idc == 122 || profile_idc == 144 ) 
	 { bit(6) reserved = ‘111111’b; 
		 unsigned int(2) chroma_format; 
		 bit(5) reserved = ‘11111’b; 
		 unsigned int(3) bit_depth_luma_minus8; 
		 bit(5) reserved = ‘11111’b; 
		 unsigned int(3) bit_depth_chroma_minus8; 
		 unsigned int(8) numOfSequenceParameterSetExt; 
		 for (i=0; i< numOfSequenceParameterSetExt; i++) {	 unsigned int(16) sequenceParameterSetExtLength; 
			 bit(8*sequenceParameterSetExtLength) sequenceParameterSetExtNALUnit; 
		 } 
	 } 
}

  2. 獲取關鍵幀位置

    解析stss box可以知道哪一個sample中包含關鍵幀

  3. 獲取chunk位置

    解析stco box可以獲取到每個chunk在視頻文件中的索引

  4. 獲取每個chunk中sample個數

    解析stsc box可以獲取到每個chunk包含多少個sample

  5. 獲取sample大小

    解析stsz box可以獲取到每個sample的大小

  6. 獲取frame位置(demo視頻文件一個sample只包含一個frame，所以sample的位置和大小就是frame的位置和大小)

    1. 根據stsd解析到每個sample中有多少個frame
    2. 然后再根據trunk的位置和sample的大小來定位frame起始地址
    3. mdat中frame的數據格式為： | 4字節數據長度 | frame數據|，所以根據字節長度讀取相應個數frame

  7. 獲取到一幀數據后

    1. 判斷當前frame為I幀，則添加寫入(start_code+sps) + (start_code+pps) + (start_code + frame數據)到輸出文件
    2. 判斷當前frame不為I幀，則寫入(start_code + frame數據)到輸出文件

  8. 保存成h264文件，可使用ffplay和potplay播放

注意：有些非字串的字段為大端字節序，須要轉換

總結：
  1. 解析非字符串的數據時，需要注意大小端的問題
  2. 解析對應的box獲取到sps、vps、pps
  3. 解析對應的box拿到視頻幀數據
  4. 將視頻幀寫入本地文件的時候要注意
    1. 視頻幀前四個字節為視頻幀數據長度
    2. 若為I幀則需要加上sps、vps、pps
    3. 視頻幀注意加上start_code
工具介紹

  1. mp4info—可以看到相關box的字節信息，但發現對avcC的解析漏掉了幾個字節
    在這里插入圖片描述

  2. mp4 exploer—可以更加直觀的看到視音頻數據信息
    在這里插入圖片描述

源碼

https://github.com/TaoChou/demuxer-c

參考
  1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/333765990
  2. https://developer.apple.com/library/archive/documentation/QuickTime/QTFF/QTFFChap2/qtff2.html#//apple_ref/doc/uid/TP40000939-CH204-25691
  3. ISO/IEC 14496-15

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文章標題：c實現mp4解封裝-創新互聯
瀏覽地址：http://vcdvsql.cn/article26/didscg.html

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