ffmpeg对mpeg2-TS详细解析

介绍:

MPEG的系统层编码为不同的应用场景设计了两种格式:

TS(Transport Stream) 和PS(Program Stream),

它们两者之间不具有层级关系，

在逻辑上，它们两者都是由PES(Packetized Elementary Stream)包组成的，

所以可以很方便地实现相互转换.

TS(Transport Stream):

是将具有一个或多个独立时间基的一个或多个节目(包括音频和视频)组成一个流,

组成同一个节目的基本流(如一个视频流，多个音频流)的PES包有一个共用的时间基。

TS的包长标准为188bytes.

从上面的定义可以分成三层来看TS/PS。

ES层 : 由单独的音频(如mp3)，视频流(如h.264)组成基本的ES(Elementary Stream)。

PES层 : 将基本的ES按一定的规则(如H.264以AU)进行封装，并打上时间戳，组成PES。

TS/PS层: 将PES包进行切分后再封装成188bytes大小的TS包，

同时还将一些节目信息也封装成TS包(称为section), 两者共同组成TS层。

从上面的总结，TS/PS总体上来说，是一种封装格式，用来承载数据。

所以FFmpeg

将TS/PS的解析文件定义在libavformat/mpegts.c文件中

将音频，视频的解码定义在libavcodec/mpeg12.c文件中

下面来看FFmpeg是如何进行TS的demuxer的。

1. MPEG2-TS的demuxer函数

AVInputFormat ff_mpegts_demuxer = {
"mpegts",
NULL_IF_CONFIG_SMALL("MPEG-2 transport stream format"),
sizeof(MpegTSContext),
mpegts_probe,
mpegts_read_header,
mpegts_read_packet,
mpegts_read_close,
read_seek,
mpegts_get_pcr,
.flags = AVFMT_SHOW_IDS|AVFMT_TS_DISCONT,
#ifdef USE_SYNCPOINT_SEARCH
.read_seek2 = read_seek2,
#endif
};

2. 解析流中的TS格式

/*
* 出现3种格式，主要原因是：
* TS标准是 188Bytes;
* 日本标准是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).
*/
#define TS_PACKET_SIZE 188
#define TS_DVHS_PACKET_SIZE 192
#define TS_FEC_PACKET_SIZE 204
#define TS_MAX_PACKET_SIZE 204
//< maximum score, half of that is used for file-extension-based detection
#define AVPROBE_SCORE_MAX 100

/*
* 函数功能:
* 分析流中是三种TS格式的哪一种
*/
static int mpegts_probe(AVProbeData *p)
{
#define CHECK_COUNT 10
const int size= p->buf_size;
int score, fec_score, dvhs_score;
int check_count= size / TS_FEC_PACKET_SIZE;
if (check_count < CHECK_COUNT)
return -1;
score = analyze(p->buf, TS_PACKET_SIZE *check_count, TS_PACKET_SIZE , NULL)
* CHECK_COUNT / check_count;
dvhs_score= analyze(p->buf, TS_DVHS_PACKET_SIZE*check_count, TS_DVHS_PACKET_SIZE, NULL)
* CHECK_COUNT / check_count;
fec_score = analyze(p->buf, TS_FEC_PACKET_SIZE *check_count, TS_FEC_PACKET_SIZE , NULL)
* CHECK_COUNT / check_count;
/*
* 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;
}

/*
* 函数功能:
* 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)
*/
static int analyze(const uint8_t *buf, int size, int packet_size, int *index){
int stat[TS_MAX_PACKET_SIZE];
int i;
int x=0;
int best_score=0;
memset(stat, 0, packet_size*sizeof(int));
for (x=i=0; i < size-3; i++)
{
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;
}

buf[i] == 0x47

其中的sync_byte固定为0x47,即上面的.

!(buf[i+1] & 0x80)

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.

buf[i+3] & 0x30

对于adaptation_field_control, 如果取值为0x00,则表示为未来保留，现在不用.

这就是MPEG TS的侦测过程.

3. MPEG2-TS头解析

#define NB_PID_MAX 8192
#define MAX_SECTION_SIZE 4096
/* pids */
#define PAT_PID 0x0000
#define SDT_PID 0x0011
/* table ids */
#define PAT_TID 0x00
#define PMT_TID 0x02
#define SDT_TID 0x42

/*
* 函数功能:
*
*/
int mpegts_read_header(AVFormatContext *s, AVFormatParameters *ap)
{
/*
* MpegTSContext , 是为了解码不同容器格式所使用的私有数据，
* 只有在相应的诸如mpegts.c文件才可以使用的.
* 这样，增加了这个库的模块化.
*/
MpegTSContext *ts = s->priv_data;
AVIOContext *pb = s->pb;
uint8_t buf[8*1024];
int len;
int64_t pos;
/* read the first 8*1024 bytes to get packet size */
pos = avio_tell(pb); // 获取buf的当前位置
len = avio_read(pb, buf, sizeof(buf)); // 从pb->opaque中读取sizeof(buf)个字节到buf
if (len != sizeof(buf))
goto fail;
/*
* 获得TS包的实际长度
*/
ts->raw_packet_size = get_packet_size(buf, sizeof(buf));
if (ts->raw_packet_size <= 0)
{
av_log(s, AV_LOG_WARNING, "Could not detect TS packet size, defaulting to non-FEC/DVHS\n");
ts->raw_packet_size = TS_PACKET_SIZE;
}
ts->stream = s;
ts->auto_guess = 0;
if (s->iformat == &ff_mpegts_demuxer)
{
/* normal demux */
/* first do a scaning to get all the services */
if (avio_seek(pb, pos, SEEK_SET) < 0)
{
av_log(s, AV_LOG_ERROR, "Unable to seek back to the start\n");
}
/*
* 挂载了两个Section类型的过滤器,
* 其实在TS的两种负载中，section是PES的元数据，
* 只有先解析了section,才能进一步解析PES数据，因此先挂上section的过滤器。
*/
mpegts_open_section_filter(ts, SDT_PID, sdt_cb, ts, 1);
mpegts_open_section_filter(ts, PAT_PID, pat_cb, ts, 1);
/*
*/
handle_packets(ts, s->probesize / ts->raw_packet_size);
/* if could not find service, enable auto_guess */
ts->auto_guess = 1;
av_dlog(ts->stream, "tuning done\n");
s->ctx_flags |= AVFMTCTX_NOHEADER;
}
else
{
...
}
avio_seek(pb, pos, SEEK_SET);
return 0;
fail:
return -1;
}

MpegTSFilter *mpegts_open_section_filter(MpegTSContext* ts,
unsigned int pid,
SectionCallback* section_cb,
void* opaque,
int check_crc)
{
MpegTSFilter *filter;
MpegTSSectionFilter *sec;
av_dlog(ts->stream, "Filter: pid=0x%x\n", pid);
if (pid >= NB_PID_MAX || ts->pids[pid])
return NULL;
filter = av_mallocz(sizeof(MpegTSFilter));
if (!filter)
return NULL;
ts->pids[pid] = filter;
filter->type = MPEGTS_SECTION;
filter->pid = pid;
filter->last_cc = -1;
sec = &filter->u.section_filter;
sec->section_cb = section_cb;
sec->opaque = opaque;
sec->section_buf= av_malloc(MAX_SECTION_SIZE);
sec->check_crc = check_crc;
if (!sec->section_buf)
{
av_free(filter);
return NULL;
}
return filter;
}

对于这部分代码，需要分析数据结构的定义：

依次为：

struct MpegTSContext;

struct MpegTSFilter;

+--------------+---------------+

| |

V V

MpegTSPESFilter MpegTSSectionFilter

就是struct MpegTSContext；中有NB_PID_MAX(8192)个TS的Filter，

而每个struct MpegTSFilter

可能是 PES 的Filter

或者是 Section的Filter。

为什么NB_PID_MAX 是 8192,

需要看TS的语法结构(ISO/IEC 138138-1 page 19):

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
}
}
}

而8192,是2^13=8192(PID)的最大数目，

为什么会有PES和Section的区分，更详细的可以参考ISO/IEC-13818-1.

挂载上了两种section过滤器，如下：

=========================================================================

PID |Section Name |Callback

=========================================================================

SDT_PID(0x0011) |ServiceDescriptionTable|sdt_cb

| |

PAT_PID(0x0000) |ProgramAssociationTable|pat_cb

=========================================================================

设计成回调函数，是为了在后面使用。

4. MPEG2-TS的包处理

int handle_packets(MpegTSContext *ts, int nb_packets)
{
AVFormatContext *s = ts->stream;
uint8_t packet[TS_PACKET_SIZE];
int packet_num, ret;
ts->stop_parse = 0;
packet_num = 0;
for ( ; ; )
{
packet_num++;
if (nb_packets != 0 && packet_num >= nb_packets ||
ts->stop_parse > 1)
{
ret = AVERROR(EAGAIN);
break;
}
if (ts->stop_parse > 0)
break;
ret = read_packet(s, packet, ts->raw_packet_size);
if (ret != 0)
return ret;
ret = handle_packet(ts, packet);
if (ret != 0)
return ret;
}
return 0;
}

它的代码结构很简单:

handle_packets()

+->read_packet()

+->handle_packet()

+->write_section_data()

read_packet(), 很简单, 就是去找sync_byte(0x47),

handle_packet(),是真正处理数据的地方.它的代码如下:

/*
* 功能: handle one TS packet
*/
int handle_packet(MpegTSContext *ts, const uint8_t *packet)
{
AVFormatContext *s = ts->stream;
MpegTSFilter *tss;
int len, pid, cc, expected_cc, cc_ok, afc, is_start;
const uint8_t *p, *p_end;
int64_t pos;
/* 获取该包的PID */
pid = AV_RB16(packet + 1) & 0x1fff;
if (pid && discard_pid(ts, pid))
return 0;
/*
* 是否是PES或者Section的开头
* 即syntax element: payload_unit_start_indicator
*/
is_start = packet[1] & 0x40;
tss = ts->pids[pid];
/*
* ts->auto_guess此时为0，因此不考虑下面的代码
*/
if (ts->auto_guess && tss == NULL && is_start)
{
add_pes_stream(ts, pid, -1);
tss = ts->pids[pid];
}
if (!tss)
return 0;
/*
* continuity check (currently not used)
* 虽然检查，但不利用检查的结果
*/
cc = (packet[3] & 0xf);
expected_cc = (packet[3] & 0x10) ? (tss->last_cc + 1) & 0x0f : tss->last_cc;
cc_ok = (tss->last_cc < 0) || (expected_cc == cc);
tss->last_cc = cc;
/*
* 解析 adaptation_field_control 语法元素
* =======================================================
* 00 | Reserved for future use by ISO/IEC
* 01 | No adaptation_field, payload only
* 10 | Adaptation_field only, no payload
* 11 | Adaptation_field follwed by payload
* =======================================================
*/
afc = (packet[3] >> 4) & 3;
p = packet + 4;
if (afc == 0) /* reserved value */
return 0;
if (afc == 2) /* adaptation field only */
return 0;
if (afc == 3)
{
/*
* 跳过 adapation field
* p[0]对应的语法元素为: adaptation_field_length
*/
p += p[0] + 1;
}
/*
* if past the end of packet, ignore
* p已近到达TS包中的有效负载的地方
*/
p_end = packet + TS_PACKET_SIZE;
if (p >= p_end)
return 0;
pos = avio_tell(ts->stream->pb);
ts->pos47= pos % ts->raw_packet_size;
if (tss->type == MPEGTS_SECTION)
{
/*
* 针对Section, 第一个字节对应的语法元素为:pointer_field(见2.4.4.1),
* 它表示在当前TS包中，从pointer_field开始到第一个section的第一个字节间的字节数。
* 当TS包中有至少一个section的起始时,
* payload_unit_start_indicator = 1 且 TS负载的第一个字节为pointer_field;
* pointer_field = 0x00时，表示section的起始就在这个字节之后;
* 当TS包中没有section的起始时,
* payload_unit_start_indicator = 0 且 TS负载中没有pointer_field;
*/
if (is_start)
{
/* pointer field present */
len = *p++;
if (p + len > p_end)
return 0;
if (len && cc_ok)
{
/*
* write remaining section bytes
* TS包的负载部分由Section A的End部分和Section B的Start组成，
* 先把Section A的End部分写入
*/
write_section_data(s, tss, p, len, 0);
/* check whether filter has been closed */
if (!ts->pids[pid])
return 0;
}
p += len;
if (p < p_end)
{
/*
* 再将Section B的Start部分写入
*/
write_section_data(s, tss, p, p_end - p, 1);
}
}
else
{
/* TS包负载仅是一个Section的中间部分部分，将其写入*/
if (cc_ok)
{
write_section_data(s, tss, p, p_end - p, 0);
}
}
}
else
{
int ret;
/*
* 如果是PES类型，直接调用其Callback，
* 但显然，只有Section部分解析完成后才可能解析PES
*/
// Note: The position here points actually behind the current packet.
if ((ret = tss->u.pes_filter.pes_cb(tss, p, p_end - p, is_start,
pos - ts->raw_packet_size)) < 0)
return ret;
}
return 0;
}

write_section_data()函数:

反复收集buffer中的数据，指导完成相关Section的重组过程,

然后调用之前注册的两个section_cb.

5. 节目指定信息的解析

/*
* PAT(Program Association Table) 节目相关表
* 提供了节目号与PID值的对应关系
* 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.3 Table 2-30
*/
void pat_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len);
/*
* PMT(Program Map Table) 节目映射表
* 提供了节目号与组成节目的元素之间的映射关系--或者称为"节目定义"
* 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.8 Table 2-33
*/
void pmt_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len);
/*
* SDT(Transport Stream Description Table) TS描述表
* 用于定义TS描述子的表
* 见ISO/IEC 13818-1 2.4.4.12 Table 2-36
*/
void sdt_cb(MpegTSFilter *filter, const uint8_t *section, int section_len)

6. 解析PES包

/*
* 见ISO/IEC 13818-1 2.4.3.6 Table 2-21
*/
int mpegts_push_data(MpegTSFilter* filter,
const uint8_t* buf,
int buf_size,
int is_start,
int64_t pos);

至此，整个TS层的解析基本完成。

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