音视频压缩：H264码流层次结构和NALU详解

问题背景：

前面在讲封装格式过程中，都有一个章节讲解如何将H.264的NALU单元如何打包到TS、FLV、RTP中，解装刚好相反，怎么从这些封装格式里面解析出一个个NALU单元。NALU即是编码器的输出数据又是解码器的输入数据，所以在封装和传输时，我们一般处理对象就是NALU，至于NALU内部到底是什么则很少关心。甚至我们在编解码时，我们只需要初始化好x264编码库，然后输入YUV数据，它就会给你经过一系列压缩算法后输出NALU，或者将NALU输入到x264解码库就会输出YUV数据。

这篇文章就初步带你看下NALU能传输那些数据，NALU的类型和结构以及H264码流的层次，最后通过分析工具分析下裸码流记性验证，你可以选择感兴趣章节阅读。

NALU结构：

H.264的基本流（elementary stream）就是一系列NALU的集合，如下图所示：

NALU结构分为两层，包含了视频编码层（VCL）和网络适配层（NAL）:

视频编码层（VCL即Video Coding Layer）:负责高效的视频内容表示,这是核心算法引擎，其中对宏块、片的处理都包含在这个层级上，它输出的数据是SODB;

网络适配层（NAL即Network Abstraction Layer）:以网络所要求的恰当方式对数据进行打包和发送，比较简单，先报VCL吐出来的数据SODB进行字节对齐，形成RBSP，最后再RBSP数据前面加上NAL头则组成一个NALU单元。

分层目的：

这样做的目的：VCL只负责视频的信号处理，包含压缩，量化等处理，NAL解决编码后数据的网络传输，这样可以将VCL和NAL的处理放到不同平台来处理，可以减少因为网络环境不同对VCL的比特流进行重构和重编码；

NLAU结构：

其实NALU的承载数据真实并不是RBSP而是EBSP即（Extent Byte Sequence Payload），EBSP和RBSP的区别就是在 RBSP里面加入防伪起始码字节(0x03)，因为H.264规范规定，编码器吐出来的数据需要在每个NALU添加起始码：0x00 00 01或者0x00 00 00 01,用来指示一个NALU的起始和终止位置，那么RBSP数据内部是有可能含有这种字节序列的，为了防止解析错误，所以在RBSP数据流里面碰到0x 00 00 00 01的0x01前面就会加上0x03，解码时将NALU的EBSP中的0x03去掉成为RBSP，称为脱壳操作。

原始数据字节流RBSP即Raw Byte Sequence Playload，因为VCL输出的原始数据比特流SODB即String Of Data Bits，其长度不一定是8bit的整数倍，为了凑成整数个字节，往往需要对SODB最后一个字节进行填充形成RBSP，所以从SODB到RBSP的示意图如下：

具体填充方式就是对VCL的输出数据进行8bit进行切分，最后一个不满8bit的字节第一bit位置1，然后后面缺省的bit置0即可，示意图已经非常明确。

其中H.264规范规定，编码器吐出来的数据需要在每个NALU添加起始码：0x00 00 01或者0x00 00 00 01,用来指示一个NALU的起始和终止位置。

所以H.264编码器输出的码流中每个帧开头3-4字节的start code起始码为0x00 00 01或者0x00 00 00 01。

上面我们分析了NALU的结构以及每层输出数据的处理方法，但是对于NALU的RBSP数据二进制表示的什么含义并不清楚，下面分析下NALU的类型。

NALU类型：

NALU的类型即RBSP可以承载的数据类型如下所示：

举例说明：

这其中NALU的RBSP除了能承载真实的视频压缩数据，还能传输编码器的配置信息，其中能传输视频压缩数据的为slice。

那么如果NLAU传输视频压缩数据时，编码器没有开启DP（数据分割）机制，则一个片就是一个NALU，一个 NALU 也就是一个片。否则，一个片由三个 NALU 组成，即DPA、DPB和DPC，对应的nal_unit_type 类型为 2、3和4。

通常情况我们看到的NLAU类型就是SPS、PPS、SEI、IDR的slice、非IDR这几种。

上面站在NALU的角度看了NALU的类型、结构、数据来源、分层处理的原因等，其中NLAU最主要的目的就是传输视频数据压缩结果。那么站在对数据本身的理解上，我们看下H.264码流的层次结构。

H.264层次结构:

其实为了理解H.264是如何看待视频数据，先要了解下视频的形成过程。其实你把多副连续的有关联图像连续播就可以形成视频，这主要利用了人视觉系统的暂留效应，当把连续的图片以每秒25张的速度播放，人眼基本就感觉是连续的视频了。为了说明这个概念，我下面准备了一个视频大家点开看下，加深对视频的理解。

从上面的视频播放过程中，我们大概能看出视频有下面几个特点：

一张图像里面相邻的区域或者一段时间内连续图像的相同位置，像素、亮度、色温差别比较小，所以视频压缩本质就是利于这种空间冗余和时间上冗余进行编码，我们可以选取一段时间第一幅图像的YUV值，后面的只需要记录和这个的完整图像的差别即可，同时即使记录一副图像的YUV值，当有镜头完全切换时，我们又选取切换后的第一张作为基本图像，后面有一篇文章回讲述下目前视频压缩的基本原理。

所以从这里面就可以引申以下几个概念：

GOP：一段时间内图像变化不大的图像集我们就可以称之为一个序列，这里的图像又在H264里面称为帧，所以就是一组视频帧，其中第一个我们称为是IDR帧。

帧：一副图像编码后的视频数据也叫做一帧，其中有I帧、B帧、P帧，前文多次提到，不再赘述；

片：一帧图像又可以划分为很多片，由一个片或者多个片组成；

宏块：视频编码的最小处理单元，承载了视频的具体YUV信息，一片由一个或者多个宏块组成；

所以视频流分析的对象可以用下面的图片描述：

如果站在数据的角度分析NALU的层次关系，如下图：

这里视频帧被划分为一个片或者多个片，其中slice数据主要就是通过NLAU进行传输，其中slice数据又是由：

一个Slice = Silce + Slice Data

Slice片类型：

设置片的目的是限制误码的扩散和传输，也就是一帧图像中它们的编码片是互相独立的，这样假设其中一张图像的某一个片有问题导致解码花屏，但是这个影响范围就控制在这个片中，这就是我们平时看视频发现只有局部花屏和绿屏的原因。

Slice Data里面传输的是一个个宏块，宏块中的数据承载各个像素点YUV的压缩数据。一个图像通常被我们划分成宏块来研究，通常有16*16、16*8等格式。我们解码的过程也就是恢复这些像素阵列的过程，如果知道了每个像素点的亮度和色度，就能渲染出一张完整的图像，图像的快速播放即是视频。

其中宏块MB的类型：

宏块的结构：

H.264码流示例分析：

这里我们分析一下H.264的NLAU数据,其中包括了非VCL的NALU数据和VCL的NALU。

H.264码流的NLAU单元：

1. 我们发现视频流数据就是由一系列SPS、PPS、I、P、B帧序列组成，这些数据都是通过NALU进行承载的；

2. 我们看到了NALU不仅仅可以承载SPS、PPS、SEI等非VCL数据，也可以传输I、B、P帧的切片VCL数据。

3. 我们同时看到了NALU的Data部分，如果是VCL数据，则就是slice header+silce data这种结构，其中对VCL的SODB做了bit填充的字节对齐处理；

4. 这里由于没有数据分割机制，所以一个NALU承载一个片，同时一个片就是一个视频帧；

4.至于NALU的非VCL数据SPS、PPS、SEI各个字段的含义具体解析放到下篇文章，这个信息对于解码器进行播放视频很重要，很多播放问题都是这个数据有问题导致的；

上面看了视频的GOP序列，视频帧信息和片的组成，下面分析片中的宏块信息；

H.264的层次结构：

1. 我们能看到整个视频的视频序列，显示看了该视频有I、B、P帧信息，这和上面的分析结果是一致的；

2. 中间图片部分用不同颜色的点显示了宏块和子宏块信息，右上角是对宏块内容的具体说明；

3. 其中不同的帧类型上面的宏块类型也是不一样的；

总结：

本文主要讲述了平时研究和分析视频流对象的层次，然后这些视频数据通过NALU传输时，NALU的类型和层次关系，以及NALU数据在不同层次的输出。最后用视频分析工具分析了H.264裸码流验证了上述层次关系。

所以对H.264数据分析时，一定要了解你现在分析的层次和框架，因为每个层次我们关心的数据处理对象是不一样的，这个非常重要。

一般H.264的分析工具都是收费的，也有一些免费和裁剪版本供大家学习和使用。推荐几个：Elecard StreamEye、CodecVisa、VideoEye、H264Analyzer、H264Visa等，有时需要交叉使用才能完成对你关心信息的分析，这些都放到我的Git上了，大家获取使用即可。

今天就说这么多，祝您国庆快乐，工作顺利！

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