MPEG-TS 格式解析

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#一．背景介绍

MPEG-TS一种标准数据容器格式，传输与存储音视频、节目与系统信息协议数据，应用于数字广播系统，譬如DVB,ATSC与IPTV。传输流在MPEG-2第1部分系统中规定，正式称为ISO / IEC标准13818-1或ITU-T建议书[1]。

MPEG2/DVB是一种多媒体传输、复用技术，在数字电视广播中可提供数百个节目频道。复用的含义是，可以同时传输多层节目。

注意，DVB全称为Digital Video Broadcasting，包括不同的系统，如卫星数字电视广播系统，有线数字电视广播系统，地面开路数字电视广播系统，交互式数字电视广播系统以及数字电视加扰系统。DVB系统标准是一种全球数字电视技术的标准。如何定义广播中的比特流语法与句法，以实现在比特流中复用数字音频与视频，欧洲的DVB采用数字视频压缩MPEG-2标准，该标准是定义比特流的语法与句法的一个ISO/IEC标准，即13818-1标准。DVB系统的核心技术是采用MPEG-2技术进行视频、音频的编码，使用统一的MPEG-2传输流（TS流）。

MPEG-2标准中，有两种不同的码流输出到信道，一种是节目码流（PS: Program Stream），适用于没有传输误差的场景；一种是传送流（TS：Transport Stream)，适用于有信道噪声的传输场景。节目流设计用于合理可靠的媒体，如光盘（如DVD），而传输流设计用于不太可靠的传输，即地面或卫星广播。此外，传输流可以携带多个节目。

MPEG-2 system（编号13818-1）是MPEG-2标准的其中一部分，该部分描述了多个视频，音频和数据多种基本流（ES）合成传输流（TS）和节目流（PS）的方式。

#二．TS介绍

一路TS比特流通常由连续的固定字节的TS包组成，所包含的内容有：

一路或多路视频流（多个PES包组成，每个PES包的PID是一致的，一个PES包可能由若干个TS包组成）
一路或多路音频流（通常为杜比的音频格式）
一路或多路字幕
PSI表格信息（Program Specific Information，包括PAT与PMT表，即节目关联表与节目映射表）
PES: Packetized Elementary Stream，一路基本码流（如MEPG2视频流）会在编码器端被打包成PES流，由多个PES包组成，打包的过程中主要加入了PTS/DTS信息。

PAT描述有多少路节目，每路节目的PMT表的PID是多少，PMT则描述了本节目有多少流，每一路流的类型与PID是多少，举个例子，你找个一个TS包，它的PID是0，说明它的负载内容是PAT信息，解析PAT信息，你发现节目1的PMT表的PID是0x10，接着，你在比特流中寻找一个PID为0x10的TS包，它的负载内容是节目1的PMT表信息，解析该PMT信息，你可以发现第一路流是MPEG2音频流，PID号0x21，第二路流是MPEG2视频流，PID号是0x22，第三路流是DVB字幕流，PID号是0x23，解析完毕，凡是比特流中PID号为0x22的TS包，所负载的内容为MPEG2视频流，把这些包一个一个找出来，把其中的有效码流一部分一部分的拼接起来，然后送给解码器去解码。

注意，就一般的视频流而言，只要拼接成一个完整的PES包，就可以送出去给解码器，然后再继续拼接下一个PES包。

什么是ES流，PES流，TS流？

ES流：有三种，图像数据流，音频数据流，以及其他编码数据流。
PES流：PES流是ES流经过PES打包器处理后形成的数据流，在这个过程中完成了将ES流分组、打包、加入包头信息等操作（对ES流的第一次打包）。PES流的基本单位是PES包。
TS流：由定长的TS包组成（188字节），而TS包是对PES包的一个重新封装（到这里，ES经过了两层的封装）。应用于相对有错环境下的传输与存储（如DVB中），其基本单位是TS包，长度固定188字节。日本的DVB-S广播系统采用192个字节的TS包，美国采用204个字节的TS包，多加了16个字节的前向纠错校验码（FEC）。

Fig. 1. ES流打包成PES流（来自未知原始出处的网络资料TS码流结构分析[3])

Fig. 2. PES流打包成TS流（来自未知原始出处的网络资料TS码流结构分析[3])

什么是PSI表？

PSI，节目特定信息，该表格信息用来描述传送流的组成结构。PSI信息由四种类型的表组成，包括节目关联表（PAT），节目映射表（PMT），条件接收表（CAT），网络信息表（NIT）。PAT与PMT两张表帮助我们找到该传送流中的所有节目与流，PAT告诉我们，该TS流由哪些节目组成，每个节目的节目映射表PMT的PID是什么，而PMT告诉我们，该节目由哪些流组成，每一路流的类型与PID是什么。CAT与NIT暂时不考虑。

Fig. 3. PSI表[2]

#三．TS解封装的原理

TS流的形成过程：

将原始音视频数据压缩之后，压缩结果组成一个基本码流（ES）。
对ES（基本码流）进行打包形成PES。
在PES包中加入时间戳信息(PTS/DTS)。
将PES包内容分配到一系列固定长度的传输包（TS Packet）中。
在传输包中加入定时信息(PCR)。
在传输包中加入节目专用信息(PSI) 。
连续输出传输包形成具有恒定比特率的MPEG-TS流。

TS流的解析过程，可以说是生成的逆过程：

从复用的MPEG-TS流中解析出TS包；
从TS包中获取PAT及对应的PMT（PSI中的表格）；
从而获取特定节目的音视频PID；
通过PID筛选出特定音视频相关的TS包，并解析出PES；
从PES中读取到PTS/DTS，并从PES中解析出基本码流ES；
将ES交给解码器，获得压缩前的原始音视频数据

#四．TS格式详解

##1.TS包格式

TS包主要由两部分组成，一是4个字节的包头信息，二是有效载荷，另外中间有可能插入自适应调整字段。有效载荷包括节目专用信息，打包后的流数据，以及业务信息。

Fig. 4. TS包的组成结构[2]
TS的语法结构如下：

Fig. 5. TS的语法结构[2]
主要的字段解析如下：
Sync byte:同步字节，值为0x47；
Transport error indicator:传输错误指示位，置1时，表示传送包中至少有一个不可纠正的错误位。
Payload unit start indicator:负载单元起始指标位，表示TS包的有效净荷以PES/PSI包的第一个字节开始，举个例子，一个PES包可能由多个TS包构成，第一个TS包的负载单元起始指标位才会被置位。
Transport priority:传输优先级，表明该包比同个PID的但未置位的TS包有更高的优先级。
PID:该TS包的ID号，如果净荷是PAT包，则PID固定为0x00。
Transport scrambling control:传输加扰控制位
Adaption field control:自适应调整域控制位，置位则表明该TS包存在自适应调整字段。
Continuity counter:连续计数器，随着具有相同PID的TS包的增加而增加，达到最大时恢复为0，如果两个连续相同PID的TS包具有相同的计数，则表明这两个包是一样的，只取一个解析即可。
Payload:负载内容，可能为PAT/PMT/PES。data_byte为1B长度的数据，为负载字节。

Fig. 6. TS的语法结构代码示意

##2.PAT格式

PAT的语法结构如下：

Fig. 7. PAT的语法结构示意[2]
主要的字段解析如下：
table_id: 标识一个TS PSI 分段的内容是节目关联分段，条件访问分段还是节目映射分段。对于PAT，置为0x00。
section_syntax_indicator: 对于PAT，置为0x01。
section_length: 分段长度字段，其值为从section_length（不包括在内）到CRC_32字段的字节数，其值不超过1021。
transport_stream_id: 区别与其他复用流的标识。
version_number: PAT的版本号，如果PAT有变，则版本号加1。
current_next_indicator:置0时，表明该传送的表分段不能使用，下一个表分段才有效。
section_number: 表明该TS包属于该PAT的第几个分段，分段号从0开始。
last_section_number: 表明最后一个分段号，同时表明该PAT的最大分段数目。一般，一个PAT表由一个TS包传送。
program_number: 节目的编号。
network_PID: NIT表的PID值。
program_map_PID: PMT表的PID值。
CRC_32: CRC校验。

Fig. 8. PAT语法结构代码示意

##3.PMT格式

PMT的语法结构如下：

Fig. 9. PMT语法结构[2]
主要的字段解析如下：
table_id: 标识一个TS PSI 分段的内容是节目关联分段，条件访问分段还是节目映射分段。对于PMT，置为0x02。
section_syntax_indicator: 对于PMT，置为0x01。
section_length: 分段长度字段，其值为从section_length（包括在内）到CRC_32字段的字节数，其值不超过1021。
program_number: 表明一共有多少个节目。
version_number: PMT的版本号，如果字段中有关信息有变，则版本号以32为模加1。版本号是对一个节目的定义。
current_next_indicator:置0时，表明该传送的表分段不能使用，下一个表分段才有效。
section_number: 总为0x00。
last_section_number: 总为0x00。
PCR_PID: 指示含有该节目的PCR字段的TS包的PID。
program_info_length: 表明跟随其后的对节目信息描述的字节数，也就是第一个N loop descriptors的字节数。
stream_type: 表明PES流的类型。譬如，0x01表明是MPEG-1视频，0X03表明是MPEG-1音频。
elementary_PID: 表明该负载有该PES流的TS包的PID值。
ES_info_length: 表明跟随其后的描述相关节目元素的字节数，也就是第二个N loop descriptors的字节数。
CRC_32: 在CEDARX代码中仅对DVB的场景下作校验。

Fig. 10. PMT的语法结构代码示意

##4.PES格式
PES的语法如图10所示，它携带的主要信息包括流的ID，PES包的长度，PTS以及流的数据，也就是音视频与字幕数据。
主要的字段解析如下：
packet_start_code_prefix: 固定0x000001
stream_id: 指定基本流的类型与编号
PES_packet_length: 表明在该字段后面还有多少个字节。0表明PES包的长度未指示也未限定，对于当前的PES包而言。
PES_scrambling_control: PES包的有效载荷的加扰方式。
PES_priority: 多路复用器可以通过该位最优化基本流内的数据。
data_alignment_indicator:
copyright: PES包中的有效载荷确定具有版权的话，就置位。
orginal_or_copy: 置位时，表明PES包的有效载荷的内容是原始的，非复制的。
PTS_DTS_flags: 2比特字节，表明PTS/DTC的存在情况。
ES_rate_flag: 置位，表明后面存在ES_rate字段。
PES_header_data_length: 表明该PES包头中由任选字段与填充字节所占据的字节总数。任选字段譬如ES_rate。
marker_bit: 为1的比特位。
PTS: 对于音频而言，如果该PES包中存在PTS字段，则有效负载中肯定有新的音频存取单元（access unit），该PTS对应于该音频存取单元。新的音频存取单元指的是一帧新的音频帧。对于视频而言，一般情况下，跟音频一样。
DTS: 解码时间标志，当前CEDARX解码器未用到DTS。
ES_rate: 基本流速率，指定系统目标解码器接收PES包字节的速率。

Fig. 11. PES的语法结构代码

#五．参考资料

[1] ISO / IEC标准13818-1或ITU-T建议书 http://www.itu.int/rec/T-REC-H.222.0

[2] 《数字电视业务信息及其编码》，方涛，国防工业出版社

[3] https://wenku.baidu.com/view/87f5439c2f60ddccdb38a066.html?rec_flag=default

[4] TS码流结构分析PPT，网络资料

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