音视频开发——H265码流解析

概述

H.265技术的应用

编码技术主要运用于视频播放设备、软件应用以及拍摄、录制视频的设备。人们最熟悉的莫过于PPS网络视频播放器。在PC屏客户端产品上面，PPS已经于2013年初推出了基于H.265标准的高清视频，并命名“臻高清”为自己的高清品牌。同时 PPS不断加大了在H.265技术应用方面的研究，把H.265推向手机客户端，且在性能上不断优化提升。

名词

CTU: 编码树单元
CU: 编码单元
PU: 以CU为根，对CU进行划分,一个预测单元PU包含一个亮度预测块PB和两个色度预测块PB.
TU: 以CU为根，变换单元TU是在CU的基础上划分的，跟PU没有关系，采用四叉树划分方式，具体划分有率失真代价决定，下图给出了某个CU划分成TU的结构。

H265-NALU-Type介绍

NAL_TRAIL_N = 0, NAL_TRAIL_R = 1, NAL_TSA_N = 2, NAL_TSA_R = 3, NAL_STSA_N = 4, NAL_STSA_R = 5, NAL_RADL_N = 6, NAL_RADL_R = 7, NAL_RASL_N = 8, NAL_RASL_R = 9, NAL_BLA_W_LP = 16, NAL_BLA_W_RADL = 17, NAL_BLA_N_LP = 18, NAL_IDR_W_RADL = 19, NAL_IDR_N_LP = 20, NAL_CRA_NUT = 21, NAL_VPS = 32, NAL_SPS = 33, NAL_PPS = 34, NAL_AUD = 35, NAL_EOS_NUT = 36, NAL_EOB_NUT = 37, NAL_FD_NUT = 38, NAL_SEI_PREFIX = 39, NAL_SEI_SUFFIX = 40,

H265码流格式

VPS：视频参数集，用于传输视频分级信息，有利于兼容标准在可分级视频编码或多视点视频的扩展。

NALU header定义：

NALU header(){	Descriptor
forbidden_zero_bit	f(1)
nalu unit type	u(6)
nuh_layer_id	u(6)
nuh_temporal_id_plus1	u(3)

H264的NALU type是首字节&0x1f，H265的NALU type是（首字节&0x7E）>>1；

NALU type定义：

/*** Table 7-3: NAL unit type codes*/
enum HEVCNALUnitType {HEVC_NAL_TRAIL_N    = 0,HEVC_NAL_TRAIL_R    = 1,HEVC_NAL_TSA_N      = 2,HEVC_NAL_TSA_R      = 3,HEVC_NAL_STSA_N     = 4,HEVC_NAL_STSA_R     = 5,HEVC_NAL_RADL_N     = 6,HEVC_NAL_RADL_R     = 7,HEVC_NAL_RASL_N     = 8,HEVC_NAL_RASL_R     = 9,HEVC_NAL_VCL_N10    = 10,HEVC_NAL_VCL_R11    = 11,HEVC_NAL_VCL_N12    = 12,HEVC_NAL_VCL_R13    = 13,HEVC_NAL_VCL_N14    = 14,HEVC_NAL_VCL_R15    = 15,HEVC_NAL_BLA_W_LP   = 16,HEVC_NAL_BLA_W_RADL = 17,HEVC_NAL_BLA_N_LP   = 18,HEVC_NAL_IDR_W_RADL = 19,HEVC_NAL_IDR_N_LP   = 20,HEVC_NAL_CRA_NUT    = 21,HEVC_NAL_IRAP_VCL22 = 22,HEVC_NAL_IRAP_VCL23 = 23,HEVC_NAL_RSV_VCL24  = 24,HEVC_NAL_RSV_VCL25  = 25,HEVC_NAL_RSV_VCL26  = 26,HEVC_NAL_RSV_VCL27  = 27,HEVC_NAL_RSV_VCL28  = 28,HEVC_NAL_RSV_VCL29  = 29,HEVC_NAL_RSV_VCL30  = 30,HEVC_NAL_RSV_VCL31  = 31,HEVC_NAL_VPS        = 32,HEVC_NAL_SPS        = 33,HEVC_NAL_PPS        = 34,HEVC_NAL_AUD        = 35,HEVC_NAL_EOS_NUT    = 36,HEVC_NAL_EOB_NUT    = 37,HEVC_NAL_FD_NUT     = 38,HEVC_NAL_SEI_PREFIX = 39,HEVC_NAL_SEI_SUFFIX = 40,
};

丢帧

在性能不足，或者音画不同步时，需要进行丢帧，H264丢帧根据nal_ref_idc来判断，H265根据来NALU type判断。以下type是可以丢帧，且不花屏的：

HEVC_NAL_TRAIL_N、HEVC_NAL_TSA_N、HEVC_NAL_STSA_N、HEVC_NAL_RADL_N、HEVC_NAL_RASL_N。

H265码流分析

H265相比较于H264，除了包含SPS、PPS外，还多包含一个VPS；在NALU header上，H.264的HALU header是一个字节，而H.265则是两个字节。

以OX4001为例，头信息可以被解析成4个部分，其中：

forbidden_zero_bit = 0：占1个bit，与H.264相同，禁止位，用以检查传输过程中是否发生错误，0表示正常，1表示违反语法； nal_unit_type = 32：占6个bit，用来用以指定NALU类型 nuh_reserved_zero_6bits = 0：占6位，预留位，要求为0，用于未来扩展或3D视频编码
nuh_temporal_id_plus1 = 1：占3个bit，表示NAL所在的时间层ID 对比H.264的头信息，H.265移除了nal_ref_idc，此信息被合并到了nal_unit_type中，H.265NALU类型规定如下:

nal_unit_type NALU类型 备注
0 NAL_UNIT_CODE_SLICE_TRAIL_N 非关键帧
1 NAL_UNIT_CODED_SLICE_TRAIL_R
2 NAL_UNIT_CODED_SLICE_TSA_N
3 NAL_UINT_CODED_SLICE_TSA_R
4 NAL_UINT_CODED_SLICE_STSA_N
5 NAL_UINT_CODED_SLICE_STSA_R
6 NAL_UNIT_CODED_SLICE_RADL_N
7 NAL_UNIT_CODED_SLICE_RADL_R
8 NAL_UNIT_CODED_SLICE_RASL_N
9 NAL_UNIT_CODE_SLICE_RASL_R
10 ~ 15 NAL_UNIT_RESERVED_X 保留
16 NAL_UNIT_CODED_SLICE_BLA_W_LP 关键帧
17 NAL_UNIT_CODE_SLICE_BLA_W_RADL
18 NAL_UNIT_CODE_SLICE_BLA_N_LP
19 NAL_UNIT_CODE_SLICE_IDR_W_RADL
20 NAL_UNIT_CODE_SLICE_IDR_N_LP
21 NAL_UNIT_CODE_SLICE_CRA
22 ~ 31 NAL_UNIT_RESERVED_X 保留
32 NAL_UNIT_VPS VPS(Video Paramater Set)
33 NAL_UNIT_SPS SPS
34 NAL_UNIT_PPS PPS
35 NAL_UNIT_ACCESS_UNIT_DELIMITER
36 NAL_UNIT_EOS
37 NAL_UNIT_EOB
38 NAL_UNIT_FILLER_DATA
39 NAL_UNIT_SEI Prefix SEI
40 NAL_UNIT_SEI_SUFFIX Suffix SEI
41 ~ 47 NAL_UNIT_RESERVED_X 保留
48 ~ 63 NAL_UNIT_UNSPECIFIED_X 未规定
64 NAL_UNIT_INVALID

H.265的NALU类型是在信息头的第一个字节的第2到7位，所以判断H.265NALU类型的方法是将NALU第一个字节与0x7E进行与操作并右移一位，即：

NALU类型 = (NALU头第一字节 & 0x7E) >> 1 与H.264类似，H.265码流也有两种封装格式，一种是用起始码作为分界的Annex B格式，另一种则是在NALU头添加NALU长度前缀的格式，称为HVCC。

H265码流分析帧类型

nal单元分割

寻找0x000001或者0x00000001, 规则如下：

每个NALU前面都有起始码0x000001, 3bits
如果NALU类型为vps, sps, pps, 或者解码顺序为第一个AU的第一个NALU，起始码前面再加一个0x00
视频流的首个NALU的起始码前加入0x00 实际分析中，不必要整的这么复杂，只要找到0x000001或者0x00000001即可

上图中的码流nal拆分为：第一帧: 0000 0001 4001 0c01 ffff 0160 0000 0300 0003 0000 0300 0003 00ba 9702 40 第二帧： 00 0000 0142 0101 0160 0000 0300 0003 0000 0300 0003 00ba a00f 0804 47f9 65e4 91b6 1c5e 4924 fe79 fcf2 ffff ffcf e7f3 f3f9 d9 第三帧: 00 0000 0144 01c1 9095 8112 第四帧: 0000 0126 01af 1380 790b dc5c 557c 74…
NAL类型分析类型枚举定义

enum NALUnitType {NAL_TRAIL_N    = 0,NAL_TRAIL_R    = 1,NAL_TSA_N      = 2,NAL_TSA_R      = 3,NAL_STSA_N     = 4,NAL_STSA_R     = 5,NAL_RADL_N     = 6,NAL_RADL_R     = 7,NAL_RASL_N     = 8,NAL_RASL_R     = 9,NAL_BLA_W_LP   = 16,NAL_BLA_W_RADL = 17,NAL_BLA_N_LP   = 18,NAL_IDR_W_RADL = 19,NAL_IDR_N_LP   = 20,NAL_CRA_NUT    = 21,NAL_VPS        = 32,NAL_SPS        = 33,NAL_PPS        = 34,NAL_AUD        = 35,NAL_EOS_NUT    = 36,NAL_EOB_NUT    = 37,NAL_FD_NUT     = 38,NAL_SEI_PREFIX = 39,NAL_SEI_SUFFIX = 40,
};

类型判断方式为分隔符之后的第一个字节右移一位的值第一帧：0x40 >> 1 , 得到0x20，十进制32，为NAL_VPS 第二帧：0x42 >> 1 , 得到0x21, 十进制33，为NAL_SPS 第三帧：0x44 >> 1 , 得到0x22, 十进制34，为NAL_PPS 第四帧：0x26 >> 1 , 得到0x13, 十进制19，为NAL_IDR_W_RADL

代码如下

static int hevc_probe(char* pbuf, int buf_size)
{unsigned int code = -1;int vps = 0, sps = 0, pps = 0, irap = 0;int i;for (i = 0; i < buf_size - 1; i++) {code = (code << 8) + pbuf[i];if ((code & 0xffffff00) == 0x100) {char nal2 = pbuf[i + 1];int type = (code & 0x7E) >> 1;if (code & 0x81) // forbidden and reserved zero bitsreturn 0;if (nal2 & 0xf8) // reserved zeroreturn 0;switch (type) {case NAL_VPS:        vps++;  break;case NAL_SPS:        sps++;  break;case NAL_PPS:        pps++;  break;case NAL_BLA_N_LP:case NAL_BLA_W_LP:case NAL_BLA_W_RADL:case NAL_CRA_NUT:case NAL_IDR_N_LP:case NAL_IDR_W_RADL: irap++; break;}}}return 0;
}

以上主要解析了音视频开发中的，H265码流的码流格式、NALU-Type、码流分析、帧类型分析等等。有关H265更多的学习可以前往《音视频基础精通版》里面不仅是对H265的解析很全面，还有从音视频基础学习到精通的全面解析。

文末

H265码流结构

H265的视频流中也是存在多个GOP，每一个GOP里面包含多个视频编码帧。H265支持的视频编码帧类型有IDR帧、I帧、P帧、B帧，这些帧类型的含义和H264码流的帧类型的含义是一样，作用也是一样，比如IDR帧和I帧都是帧内压缩编码，IDR帧是即时解码刷新帧，也是关键帧；P帧是前向参考帧，B帧是双向参考帧。