MPEG-PS封装格式

时间：09-27来源：作者：点击数：21

据传输媒体的质量不同，MPEG-2中定义了两种复合信息流：传送流（TS：TransportStream）和节目流（PS：ProgramStream）

PS文件分为3层：ps层（Program Stream）、pes层（Packet Elemental Stream）、es层（Elementary Stream）。es层就是音视频数据，pes层是在音视频数据上加了时间戳等对数据帧的说明信息，ps层是在pes层上加入了数据流识别和传输的必要信息。

1.Ps和Ts的区别

TS流与PS流的区别在于TS流的包结构是固定长度的，而PS流的包结构是可变长度的。

PS包与TS包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码具有不同的抵抗能力，因而应用的环境也有所不同。TS码流由于采用了固定长度的包结构，当传输误码破坏了某一TS包的同步信息时，接收机可在固定的位置检测它后面包中的同步信息，从而恢复同步，避免了信息丢失。而PS包由于长度是变化的，一旦某一PS包的同步信息丢失，接收机无法确定下一包的同步位置，就会造成失步，导致严重的信息丢失。因此，在信道环境较为恶劣，传输误码较高时，一般采用TS码流；而在信道环境较好，传输误码较低时，一般采用PS码流。由于TS码流具有较强的抵抗传输误码的能力，因此目前在传输媒体中进行传输的MPEG-2码流基本上都采用了TS码流的包格式。

MPEG2-PS主要应用于存储的具有固定时长的节目，如DVD电影，而MPEG-TS则主要应用于实时传送的节目，比如实时广播的电视节目。这两种格式的主要区别是什么呢？你将DVD上的VOB文件的前面一截剪掉（或者干脆就是数据损坏），那么就会导致整个文件无法解码，而电视节目是你任何时候打开电视机都能解码（收看）的，所以，MPEG2-TS格式的特点就是要求从视频流的任一片段开始都是可以独立解码的。PS主要用于播放或编辑系统， TS主要用于数据传输。

2.Ps文件结构

一个完整的MPEG-2文件就是一个PS流文件。使用Elecard StreamAnalyzer打开一个MPEG-2文件，得到下面信息。

可以看出来，正如我们上面所说的，整个文件分为3层。首先整个文件被分为了一个个的ProgramPack，然后ProgramPack里面包含了ProgramPack header和Pes包，Pes包里又包含了Pes header和音频编码数据（MPEG-2 Audio）或视频编码数据（MPEG-2 Video）。

下面就分别来分析PS文件的 Ps和Pes包。

2.1.Ps层

Ps层主要由pack header和数据组成，pack header中各个bit的意义如下

我们可以通过分析一个示例文件来了解它

其中system_clock_reference的意义如下

SCR and SCR_ext together are the System Clock Reference, a counter driven at 27MHz, used as a reference to synchronize streams. The clock is divided by 300 (to match the 90KHz clocks such as PTS/DTS), the quotient is SCR (33 bits), the remainder is SCR_ext (9 bits)

参考自：http://dvd.sourceforge.net/dvdinfo/packhdr.html

system_clock_reference_base的计算方法为：

scr += packet_size * 90000LL / (mux_rate * 50LL);

参考自：ffmpeg-3.3.1 Mpegenc.c

基本信息了解完了，下面就开始定义这个结构了，一开始是采用了位域来定义的

struct pack_header 
{
    unsigned char pack_start_code[4]; 
    unsigned char system_clock_reference_base21 : 2;
    unsigned char marker_bit : 1;
    unsigned char system_clock_reference_base1 : 3;
    unsigned char fix_bit : 2;   
    unsigned char system_clock_reference_base22;
    unsigned char system_clock_reference_base31 : 2;
    unsigned char marker_bit1 : 1;
    unsigned char system_clock_reference_base23 : 5;
    unsigned char system_clock_reference_base32;
    unsigned char system_clock_reference_extension1 : 2;
    unsigned char marker_bit2 : 1;
    unsigned char system_clock_reference_base33 : 5;
    unsigned char marker_bit3 : 1;
    unsigned char system_clock_reference_extension2 : 7;
    unsigned char program_mux_rate1;
    unsigned char program_mux_rate2;
    unsigned char marker_bit5 : 1;
    unsigned char marker_bit4 : 1;
    unsigned char program_mux_rate3 : 6;
    unsigned char pack_stuffing_length : 3;
    unsigned char reserved : 5;

    pack_header()
    {
        pack_start_code[0] = 0x00;
        pack_start_code[1] = 0x00;
        pack_start_code[2] = 0x01;
        pack_start_code[3] = 0xBA;
        fix_bit = 0x01;
        marker_bit = 0x01;
        marker_bit1 = 0x01;
        marker_bit2 = 0x01;
        marker_bit3 = 0x01;
        marker_bit4 = 0x01;
        marker_bit5 = 0x01;
        reserved = 0x1F;
        pack_stuffing_length = 0x00;
        system_clock_reference_extension1 = 0;
        system_clock_reference_extension2 = 0;
    }

    void getSystem_clock_reference_base(UINT64 &_ui64SCR)
    {
        _ui64SCR = (system_clock_reference_base1 << 30) | (system_clock_reference_base21 << 28)
            | (system_clock_reference_base22 << 20) | (system_clock_reference_base23 << 15)
            | (system_clock_reference_base31 << 13) | (system_clock_reference_base32 << 5)
            | (system_clock_reference_base33);
    }

    void setSystem_clock_reference_base(UINT64 _ui64SCR)
    {
        system_clock_reference_base1 = (_ui64SCR >> 30) & 0x07;
        system_clock_reference_base21 = (_ui64SCR >> 28) & 0x03;
        system_clock_reference_base22 = (_ui64SCR >> 20) & 0xFF;
        system_clock_reference_base23 = (_ui64SCR >> 15) & 0x1F;
        system_clock_reference_base31 = (_ui64SCR >> 13) & 0x03;
        system_clock_reference_base32 = (_ui64SCR >> 5) & 0xFF;
        system_clock_reference_base33 = _ui64SCR & 0x1F;
    }

    void getProgram_mux_rate(unsigned int &_uiMux_rate)
    {
        _uiMux_rate = (program_mux_rate1 << 14) | (program_mux_rate2 << 6) | program_mux_rate3;
    }

    void setProgram_mux_rate(unsigned int _uiMux_rate)
    {
        program_mux_rate1 = (_uiMux_rate >> 14) & 0xFF;
        program_mux_rate2 = (_uiMux_rate >> 6) & 0xFF;
        program_mux_rate3 = _uiMux_rate & 0x3F;
    }
};

这样的好处是可以直接通过

pack_header header;
header.setProgram_mux_rate(25200);
header.setSystem_clock_reference_base(0);
os.write((char *)&header, sizeof(header));

来写入文件，但是不方便抽象成类，所以就参考ffmpeg使用了put_bits的方式

class PackHeader : public HeaderBase
{
public:
    UINT64 SCRBase;
    UINT8 SCRExt;
    UINT32 programMuxRate;
    UINT8 stuffingLength;

    PackHeader();
    virtual ~PackHeader();
    int Serialize();
};

然后在类中加一个序列化函数，来将整个类序列化

int PackHeader::Serialize()
{
    int calcBinaryBitLen = 32 //pack_start_code
        + 2 // '01'
        + 3 //system_clock_reference_base [32..30]
        + 1 //marker_bit
        + 15 //system_clock_reference_base [29..15]
        + 1 //marker_bit
        + 15 //system_clock_reference_base [14..0]
        + 1 //marker_bit
        + 9 //system_clock_reference_extension
        + 1 //marker_bit
        + 22 // program_mux_rate
        + 1 //marker_bit
        + 1 //marker_bit
        + 5 //reserved
        + 3; //pack_stuffing_length

    if (stuffingLength > 0)
    {
        for (int i = 0; i < stuffingLength; i++)
        {
            calcBinaryBitLen += 8;
        }
    }

    if ((calcBinaryBitLen / 8) > binaryLen)
    {
        if (binary)
            delete[] binary;

        binary = new BYTE[calcBinaryBitLen / 8];
    }

    binaryLen = calcBinaryBitLen / 8;

    BYTE* p = binary;
    bits_buffer_t bw;

    bits_initwrite(&bw, binaryLen, p);
    bits_write(&bw, 32, PACK_HEADER_START_CODE); //pack_start_code
    bits_write(&bw, 2, 0x1); // '01'
    bits_write(&bw, 3, (SCRBase >> 30) & 0x07); //system_clock_reference_base [32..30]
    bits_write(&bw, 1, 1); //marker_bit
    bits_write(&bw, 15, (SCRBase >> 15) & 0x7FFF);  //system_clock_reference_base [29..15]
    bits_write(&bw, 1, 1);  //marker_bit
    bits_write(&bw, 15, SCRBase & 0x7FFF); //system_clock_reference_base [14..0]
    bits_write(&bw, 1, 1); //marker_bit
    bits_write(&bw, 9, SCRExt); //system_clock_reference_extension
    bits_write(&bw, 1, 1); //marker_bit
    bits_write(&bw, 22, programMuxRate & 0x3FFFFF);  // program_mux_rate
    bits_write(&bw, 1, 1); //marker_bit
    bits_write(&bw, 1, 1); //marker_bit
    bits_write(&bw, 5, 0x1F); //reserved
    bits_write(&bw, 3, stuffingLength & 0x07);  //pack_stuffing_length

    if (stuffingLength > 0)
    {
        for (int i = 0; i < stuffingLength; i++)
        {
            bits_write(&bw, 8, 0xFF); //stuffing
        }
    }
    return 1;
}

对于DVD而言，一般开始的pack里面还有一个System header

我们也可以通过分析一个示例文件来了解它

2.2.Pes层

Pes层由编码的音频或视频数据（es）加上Pes头组成的，Pes头主要是通过PTS和DTS来提供音视频同步的信息，Pes头的各个bit的意义如下所示

Pes头之后紧跟着的就是编码的音频或视频数据（es）了，对于DVD而言，一个program pack的大小问0x800，所以一帧MPEG-2视频被分在多个Pes包里，不够一个包的就写在下一帧的第一个pack里，或在Pes Header后面填充FF（PES_header_data_length要加上填充的字节数）。

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