FFMpeg对MPEG2 TS流解码的流程分析

FFMpeg对MPEG2 TS流解码的流程分析

1.引子
gnxzzz广告都打出去了，不能没有反应.现在写东西很少了，一是年纪大了，好奇心少了
许多，；二则是这几天又犯了扁桃体炎，每天只要是快睡觉或刚起床，头晕脑涨，不过功
课还是的做的，是吧:)

2.从简单说起
说道具体的音频或者视频格式，一上来就是理论，那是国内混资历的所谓教授的做为，对
于我们，不合适，还是用自己的方式理解这些晦涩不已的理论吧。

其实MPEG2是一族协议，至少已经成为ISO标准的就有以下几部分:
ISO/IEC－13818－1：系统部分；
ISO/IEC－13818－2：视频编码格式；
ISO/IEC－13818－3：音频编码格式；
ISO/IEC－13818－4：一致性测试；
ISO/IEC－13818－5：软件部分；
ISO/IEC－13818－6：数字存储媒体命令与控制；
ISO/IEC－13818－7：高级音频编码；
ISO/IEC－13818－8：系统解码实时接口；

我不是很想说实际的音视频编码格式，毕竟协议已经很清楚了，我主要想说说这些部分怎
么组合起来在实际应用中工作的。

第一部分(系统部分)很重要，是构成以MPEG2为基础的应用的基础. 很绕口，是吧，我简
单解释一下:比如DVD实际上是以系统部分定义的PS流为基础，加上版权管理等其他技术构
成的。而我们的故事主角，则是另外一种流格式，TS流，它在现阶段最大的应用是在数字
电视节目的传输与存储上，因此，你可以理解TS实际上是一种传输协议，与实际传输的负
载关系不大，只是在TS中传输了音频，视频或者其他数据。

先说一下为什么会有这两种格式的出现，PS适用于没有损耗的环境下面存储，而TS则适用
于可能出现损耗或者错误的各种物理网络环境，比如你在公交上看到的电视，很有可能就
是基于TS的DVB-T的应用:)

我们再来看MPEG2协议中的一些概念，为理解代码做好功课:

ES(Elementary Stream):
wiki上说“An elementary stream (ES) is defined by MPEG communication protocol
is usually the output of an audio or video encoder”
恩，很简单吧，就是编码器编出的一组数据，可能是音频的，视频的，或者其他数据

说到着，其实可以对编码器的流程思考一下，无非是执行：采样，量化，编码这3个步骤
中的编码而已(有些设备可能会包含前面的采样和量化)。关于视频编码的基本理论，还是
请参考其它的资料。

PES(Packetized Elementary Stream):
wiki上说“allows an Elementary stream to be divided into packets”
其实可以理解成，把一个源源不断的数据(音频，视频或者其他)流，打断成一段一段，以
便处理.

TS(Transport Stream):
PS(Program Stream):
这两个上面已经有所提及，后面会详细分析TS,我对PS格式兴趣不大.

3.步入正题
才进入正题，恩，看来闲话太多了:(,直接看Code.

前面说过，TS是一种传输协议，因此，对应到FFmpeg,可以认为他是一种封装格式。因此
，对应的代码应该先去libavformat里面找，很容易找到，就是mpegts.c:)

还是逐步看过来:
[libavformat/utils.c]
int av_open_input_file(AVFormatContext **ic_ptr, const char *filename,
                       AVInputFormat *fmt,
                       int buf_size,
                       AVFormatParameters *ap)
{
    int err, probe_size;
    AVProbeData probe_data, *pd = &probe_data;
    ByteIOContext *pb = NULL;

    pd->filename = "";
    if (filename)
        pd->filename = filename;
    pd->buf = NULL;
    pd->buf_size = 0;
    
    #####################################################################
    【1】这段代码其实是为了针对不需要Open文件的容器Format的探测，其实就是使用
    AVFMT_NOFILE标记的容器格式单独处理，现在只有使用了该标记的Demuxer很少，
    只有image2_demuxer，rtsp_demuxer，因此我们分析TS时候可以不考虑这部分
    #####################################################################
    if (!fmt) {
        /* guess format if no file can be opened */
        fmt = av_probe_input_format(pd, 0);
    }

    /* Do not open file if the format does not need it. XXX: specific
       hack needed to handle RTSP/TCP */
    if (!fmt || !(fmt->flags & AVFMT_NOFILE)) {
        /* if no file needed do not try to open one */
        ###################################################################
        【2】这个函数似乎很好理解，无非是带缓冲的IO的封装，不过我们既然到此了
        ，不妨跟踪下去，看看别人对带缓冲的IO操作封装的实现:)
        ###################################################################
        if ((err=url_fopen(&pb, filename, URL_RDONLY)) < 0) {
            goto fail;
        }
        if (buf_size > 0) {
            url_setbufsize(pb, buf_size);
        }

        for(probe_size= PROBE_BUF_MIN; probe_size<=PROBE_BUF_MAX && !fmt; probe_size<<=1){
            int score= probe_size < PROBE_BUF_MAX ? AVPROBE_SCORE_MAX/4 : 0;
            /* read probe data */
            pd->buf= av_realloc(pd->buf, probe_size + AVPROBE_PADDING_SIZE);
            ##################################################################
            【3】真正将文件读入到pd的buffer的地方，实际上最终调用FILE protocol
            的file_read(),将内容读入到pd的buf，具体代码如果有兴趣可以自己跟踪
            ##################################################################
            pd->buf_size = get_buffer(pb, pd->buf, probe_size);
            memset(pd->buf+pd->buf_size, 0, AVPROBE_PADDING_SIZE);
            if (url_fseek(pb, 0, SEEK_SET) < 0) {
                url_fclose(pb);
                if (url_fopen(&pb, filename, URL_RDONLY) < 0) {
                    pb = NULL;
                    err = AVERROR(EIO);
                    goto fail;
                }
            }
            ##################################################################
            【4】此时的pd已经有了需要分析的原始文件，只需要查找相应容器format
            的Tag比较，以判断读入的究竟为什么容器格式，这里
            ##################################################################
            /* guess file format */
            fmt = av_probe_input_format2(pd, 1, &score);
        }
        av_freep(&pd->buf);
    }

    /* if still no format found, error */
    if (!fmt) {
        err = AVERROR_NOFMT;
        goto fail;
    }

    /* check filename in case an image number is expected */
    if (fmt->flags & AVFMT_NEEDNUMBER) {
        if (!av_filename_number_test(filename)) {
            err = AVERROR_NUMEXPECTED;
            goto fail;
        }
    }
    err = av_open_input_stream(ic_ptr, pb, filename, fmt, ap);
    if (err)
        goto fail;
    return 0;
 fail:
    av_freep(&pd->buf);
    if (pb)
        url_fclose(pb);
    *ic_ptr = NULL;
    return err;

}

【2】带缓冲IO的封装的实现
[liavformat/aviobuf.c]
int url_fopen(ByteIOContext **s, const char *filename, int flags)
{
    URLContext *h;
    int err;

    err = url_open(&h, filename, flags);
    if (err < 0)
        return err;
    err = url_fdopen(s, h);
    if (err < 0) {
        url_close(h);
        return err;
    }
    return 0;
}

可以看到，下面的这个函数，先查找是否是FFmpeg支持的protocol的格式，如果文件名不
符合，则默认是FILE protocol格式，很显然，这里protocol判断是以URL的方式判读的，
因此基本上所有的IO接口函数都是url_xxx的形式。
在这也可以看到，FFmpeg支持的protocol有：
    /* protocols */
    REGISTER_PROTOCOL (FILE, file);
    REGISTER_PROTOCOL (HTTP, http);
    REGISTER_PROTOCOL (PIPE, pipe);
    REGISTER_PROTOCOL (RTP, rtp);
    REGISTER_PROTOCOL (TCP, tcp);
    REGISTER_PROTOCOL (UDP, udp);
而大部分情况下，如果你不指明类似file://xxx,格式，它都以FILE protocol
来处理。

[liavformat/avio.c]
int url_open(URLContext **puc, const char *filename, int flags)
{
    URLProtocol *up;
    const char *p;
    char proto_str[128], *q;

    p = filename;
    q = proto_str;
    while (*p != '\0' && *p != ':') {
        /* protocols can only contain alphabetic chars */
        if (!isalpha(*p))
            goto file_proto;
        if ((q - proto_str) < sizeof(proto_str) - 1)
            *q++ = *p;
        p++;
    }
    /* if the protocol has length 1, we consider it is a dos drive */
    if (*p == '\0' || (q - proto_str) <= 1) {
    file_proto:
        strcpy(proto_str, "file");
    } else {
        *q = '\0';
    }

    up = first_protocol;
    while (up != NULL) {
        if (!strcmp(proto_str, up->name))
            #################################################################
            很显然，此时已经知道up，filename，flags
            #################################################################
            return url_open_protocol (puc, up, filename, flags);
        up = up->next;
    }
    *puc = NULL;
    return AVERROR(ENOENT);
}

[libavformat/avio.c]
int url_open_protocol (URLContext **puc, struct URLProtocol *up,
                       const char *filename, int flags)
{
    URLContext *uc;
    int err;
   
    ########################################################################
    【a】? 为什么这样分配空间
  ########################################################################
    uc = av_malloc(sizeof(URLContext) + strlen(filename) + 1);
    if (!uc) {
        err = AVERROR(ENOMEM);
        goto fail;
    }
#if LIBAVFORMAT_VERSION_MAJOR >= 53
    uc->av_class = &urlcontext_class;
#endif
    ########################################################################
    【b】? 这样的用意又是为什么
  ########################################################################
    uc->filename = (char *) &uc[1];
    strcpy(uc->filename, filename);
    uc->prot = up;
    uc->flags = flags;
    uc->is_streamed = 0; /* default = not streamed */
    uc->max_packet_size = 0; /* default: stream file */
    err = up->url_open(uc, filename, flags);
    if (err < 0) {
        av_free(uc);
        *puc = NULL;
        return err;
    }

    //We must be carefull here as url_seek() could be slow, for example for
    //http
    if(   (flags & (URL_WRONLY | URL_RDWR))
       || !strcmp(up->name, "file"))
        if(!uc->is_streamed && url_seek(uc, 0, SEEK_SET) < 0)
            uc->is_streamed= 1;
    *puc = uc;
    return 0;
 fail:
    *puc = NULL;
    return err;
}

上面这个函数不难理解，但有些地方颇值得玩味，比如，上面给出问号的地方，你明白为
什么这样Coding么:)

很显然，此时up->url_open()实际上调用的是file_open()[libavformat/file.c]，看完
这个函数，对上面的内存分配，是否恍然大悟:)

上面只是分析了url_open()，还没有分析url_fdopen(s, h);这部分代码，也留给有好奇
心的你了:)

恩，为了追踪这个流程，走得有些远，但不是全然无用:)

终于来到了【4】，我们来看MPEG TS格式的侦测过程，这其实才是我们今天的主角

4. MPEG TS格式的探测过程
[liavformat/mpegts.c]
static int mpegts_probe(AVProbeData *p)
{
#if 1
    const int size= p->buf_size;
    int score, fec_score, dvhs_score;
#define CHECK_COUNT 10

    if (size < (TS_FEC_PACKET_SIZE * CHECK_COUNT))
        return -1;

    score    = analyze(p->buf, TS_PACKET_SIZE    *CHECK_COUNT, TS_PACKET_SIZE, NULL);
    dvhs_score  = analyze(p->buf, TS_DVHS_PACKET_SIZE    *CHECK_COUNT, TS_DVHS_PACKET_SIZE, NULL);
    fec_score= analyze(p->buf, TS_FEC_PACKET_SIZE*CHECK_COUNT, TS_FEC_PACKET_SIZE, NULL);
//    av_log(NULL, AV_LOG_DEBUG, "score: %d, dvhs_score: %d, fec_score: %d \n", score, dvhs_score, fec_score);

// 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;
#else
    /* only use the extension for safer guess */
    if (match_ext(p->filename, "ts"))
        return AVPROBE_SCORE_MAX;
    else
        return 0;
#endif
}
之所以会出现3种格式，主要原因是：
TS标准是188Bytes,而小日本自己又弄了一个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).

static int analyze(const uint8_t *buf, int size, int packet_size, int *index)
{
    int stat[packet_size];
    int i;
    int x=0;
    int best_score=0;

    memset(stat, 0, packet_size*sizeof(int));
   
    #######################################################################
    由于查找的特定格式至少3个Bytes，因此，至少最后3个Bytes不用查找
    #######################################################################
    for(x=i=0; i
              ######################################################################
        参看后面的协议说明
######################################################################
        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;
}

这个函数简单说来，是在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)

其中的这个特定格式，其实就是协议的规定格式：

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
data_byte	8	bslbf
}
}
}

其中的sync_byte固定为0x47,即上面的:    buf[i] == 0x47
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，因此:    !(buf[i+1] & 0x80)
对于adaptation_field_control，如果为取值为0x00,则表示为未来保留，现在不用，因
此：                    buf[i+3] & 0x30

这就是MPEG TS的侦测过程，很简单吧:)

后面我们分析如何从mpegts文件中获取stream的过程，待续......

参考：
1.

2.ISO/IEC－13818－1