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FU-A分包方式,以及从RTP包里面得到H.264数据和AAC数据的方法

2016-09-28 00:00:00 广州睿丰德信息科技有限公司 阅读
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FU-A分包方式,以及从RTP包里面得到H.264数据和AAC数据的方法


RFC3984是H.264的baseline码流在RTP方式下传输的规范,这里只讨论FU-A分包方式,以及从RTP包里面得到H.264数据和AAC数据的方法。

 

H.264的NAL层处理 

H264以NALU(NALunit)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事件的接口。


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-->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(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.  将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)。

---------------------------------------------------

处理过程一,VCL数据封装成NALU

---------------------------------------------------


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. 
------------------------------------------------

处理过程二,NALU的RTP打包

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      Typename                      
     ---------------------------------------------------------
     0     undefined                                   -
     1-23   NAL unit    Single NAL unit packet perH.264  
     24     STAP-A     Single-timeaggregation packet    
     25     STAP-B     Single-timeaggregation packet    
     26     MTAP16    Multi-time aggregationpacket     
     27     MTAP24    Multi-time aggregationpacket     
     28     FU-A      Fragmentationunit               
     29     FU-B      Fragmentationunit                
     30-31 undefined                   
                

 

二、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 01 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI| type  |                                              |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+                                              |
     |                                                              |
     |              Bytes 2..n of a Single NALunit                |
     |                                                              |
     |                              +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                              :...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 01 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                         RTP Header                          |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      |STAP-A NAL HDR|         NALU 1Size           | NALU 1HDR    |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                        NALU 1 Data                          |
     :                                                              :
     +              +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |              | NALU 2Size                  | NALU 2 HDR    |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                        NALU 2 Data                          |
      :                                                              :
     |                              +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                              :...OPTIONAL RTP padding        |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+


3 FragmentationUnits (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 01 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
      | FU indicator |   FUheader  |                              |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+                              |
     |                                                              |
     |                        FU payload                           |
     |                                                              |
     |                              +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     |                              :...OPTIONAL RTP padding        |
     +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

      Figure 14. RTPpayload 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

 

1、单个NAL包单元

12字节的RTP头后面的就是音视频数据,比较简单。一个封装单个NAL单元包到RTP的NAL单元流的RTP序号必须符合NAL单元的解码顺序。

2、FU-A的分片格式
数据比较大的H264视频包,被RTP分片发送。12字节的RTP头后面跟随的就是FU-A分片:
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
   NAL单元荷载类型定义见下表


表1.  单元类型以及荷载结构总结
      Type  Packet      Typename                      
     ---------------------------------------------------------
      0     undefined                                   -
      1-23   NALunit    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      Fragmentationunit                
      30-31 undefined                                   -

3、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,FUindicator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)

4、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[] = {0xFF, 0xF1, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFC}; 
    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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