Mpeg1數(shù)據(jù)流具體格式

總覺(jué)得晚上好像沒(méi)有有關(guān)Mpegl數(shù)據(jù)流具體格式的東西，所以索性我做些貢獻(xiàn)吧。這篇文檔里面詳細(xì)的敘述了Mpegl規(guī)范的比特流結(jié)構(gòu)目錄目錄MPEG-1流比特層次結(jié)構(gòu)分析總結(jié)1.簡(jiǎn)要介紹MpegMpeg-1數(shù)據(jù)流分析2.1視頻序列層(VideoStream)2.2畫(huà)面組層(GOP)畫(huà)面層(Pictures)片層(Slice)宏塊層(Macroblock)塊層(Block)加密位置的思考附錄MPEG-1流比特層次結(jié)構(gòu)分析總結(jié)1.簡(jiǎn)要介紹MpegMpeg是MotionPictureExpertGroup的縮寫(xiě)。活動(dòng)圖像專(zhuān)家組是在1988年由ISO和IEC聯(lián)合成立的專(zhuān)家組，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)電視圖像數(shù)據(jù)和聲音數(shù)據(jù)的編碼，解碼和它們的同步等標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)和正在開(kāi)發(fā)的MPEG標(biāo)準(zhǔn)有很多，主要包括Mpeg-1,Mpeg-2,Mpeg-4,和Mpeg-7.其中的Mpeg-1處理的是標(biāo)準(zhǔn)圖像交換格式(standardinterchangeformat,SIF)或者稱(chēng)為源輸入格式(SourceInputFormat,SIF)的電視，將模擬的圖像信息，通過(guò)編碼成為數(shù)字圖像信息，原始輸入可以是NTSC制式352pixels*240lines*30frames/second,PAL制352pixels*288lines*25frames/second，壓縮后的數(shù)字圖像信息的速率為1.5Mb/s.這個(gè)標(biāo)注是1992年正是的發(fā)布的，是針對(duì)當(dāng)時(shí)具有這種數(shù)據(jù)傳輸速率的CD-ROM和網(wǎng)絡(luò)而開(kāi)發(fā)的，用于在CD-ROM上存儲(chǔ)數(shù)字影視和在網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字影視。MPEG-1的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ISO/IEC11172,標(biāo)準(zhǔn)名：“信息技術(shù)——用于數(shù)據(jù)速率大約高達(dá)1.5Mb/s的數(shù)字存儲(chǔ)替的電視圖像和伴音編碼”本文主要是對(duì)Mpeg-1Video數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并將怎樣得到Mpeg-1流中的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行的闡述。ISO/IEC11172-22.Mpeg-1數(shù)據(jù)流分析編碼后的視頻序列是一個(gè)如同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI模型下的數(shù)據(jù)序列一樣，數(shù)據(jù)被分成很多層的概念。視頻序列層一畫(huà)面組層一畫(huà)面層一片層一宏塊層一塊層層次的關(guān)系很明顯，越往后越是底層，越接近實(shí)際的數(shù)據(jù)。2.1視頻序列層(VideoStream)

視頻序列是以一個(gè)序列標(biāo)題開(kāi)始，之后可以跟著一個(gè)或者多個(gè)畫(huà)面組。最后以Sequence_end_code結(jié)束。緊挨著每一個(gè)畫(huà)面組之前可以有一個(gè)序列標(biāo)題。也就是說(shuō)每個(gè)畫(huà)面組，都可以有一個(gè)自己的序列標(biāo)題。序列標(biāo)題是一個(gè)以sequence_header_code開(kāi)始，后跟著一系列數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)。是視頻流中用來(lái)解碼的重要的參數(shù)之一。其中定義了量化矩陣(load_intra_quantizer_matrix和load_non_intra_quantizer_matrix以及可選的intra_quantizer_matrix和non_intra_quantizer_matrix)以及其它的一些重要的數(shù)據(jù)元素，其中量化矩陣是可以在視頻流中重復(fù)的量化矩陣中變化的，并且在每次變化后，量化矩陣重新定義。其它的元素必須與第一個(gè)序列標(biāo)題中的值相同。整個(gè)視頻序列的結(jié)構(gòu)可以用下面的代碼表示：Video_Stream(unsignedinth_size;s.*/unsignedintv_size;s.*/unsignedintmb_height;TOC\o"1-5"\h\zks. */unsignedintmb_width;cks. */unsignedcharaspect_ratio;io. */unsignedcharpicture_rate;te. */unsignedinte.unsignedinte.*/BOOLEANconst_param_flag;rflag.*/bit_rate;*/

vbv_buffer_size;bit_rate;*/

vbv_buffer_size;xforintracodedframes. */unsignedcharnon_intra_quant_matrix[8][8];xfornonintracodedframes.*/char*ext_data;TOC\o"1-5"\h\za. */char*user_data;a. */GoPgroup;ct.*/Pictpicture;e. *//*Horiz.sizeinpixel/*Vert.sizeinpixel/*Vert.sizeinmbloc/*Horiz.sizeinmblo/*Horiz.sizeinpixel/*Vert.sizeinpixel/*Vert.sizeinmbloc/*Horiz.sizeinmblo/*Codeforaspectrat/*Codeforpicturera/*Bitrat/*Minimumbuffersiz/*Contrainedparamete/*Quantizationmatri/*Quanitizationmatri/*Extensiondat/*Userdat/*Currentgroupofpi/*CurrentpicturSliceslice;TOC\o"1-5"\h\ze. */Macroblockmblock;k. */Blockblock;k. */intstate;g. */intbit_offset;m.*/unsignedint*buffer;einbuffer. */intbuf_length;gbuffer.*/unsignedint*buf_start;tart.*/intmax_buf_length;TOC\o"1-5"\h\zr. */PictImage*past;me. */PictImage*future;rame. */PictImage*current;e. */PictImage*ring[RING_BUF_SIZE];es.*/}Video_Stream;/*Currentmacrobloc/*Currentbloc/*Stateofdecodin/*Currentmacrobloc/*Currentbloc/*Stateofdecodin/*Bitoffsetinstrea/*Pointertonextbyt/*Lengthofremainin/*Pointertobuffers/*Maxlenghtofbuffe/*Pastpredictivefra/*Futurepredictivef/*Currentfram/*RingbufferofframSEQ_START_CODE0x000001b3;/*常量，作用使用來(lái)定位視頻序列的序列頭*/unsignedinth_size;s.*/unsignedintv_size;s.*/unsignedintmb_height;TOC\o"1-5"\h\zks. */unsignedintmb_width;cks. */unsignedcharaspect_ratio;io. */unsignedcharpicture_rate;/*Horiz.sizeinpixel/*Vert.sizeinpixel/*Vert.sizeinmbloc/*Horiz.sizeinpixel/*Vert.sizeinpixel/*Vert.sizeinmbloc/*Horiz.sizeinmblo/*Codeforaspectrat/*Codeforpictureraunsignedintbit_rate; /*Bitrate. */unsignedintvbv_buffer_size; /*Minimumbuffersize.*/BOOLEANconst_param_flag; /*Contrainedparameterflag.*/unsignedcharload_intra_quantizer_matrix;unsignedcharintra_quant_matrix[8][8];/*Quantizationmatrixforintracodedframes. 這個(gè)結(jié)構(gòu)是可選的，要看load_intra_quantizer_matrix的值，為真則有這個(gè)部分，否則沒(méi)有，因?yàn)閕ntra_quant_matrix是量化表的值，而Sequence_header結(jié)構(gòu)在視頻序列中是可重復(fù)的，即在每個(gè)畫(huà)面組之前都有可能再次給出一個(gè)sequence_header,并且可以在新的sequence_header中重新定義量化表*/unsignedcharload_non_intra_quantizer_matrix;TOC\o"1-5"\h\zunsignedcharnon_intra_quant_matrix[8][8];/*Quanitizationmatrixfornonintracodedframes.也是可選。愿意于intra_quant_matrix可選的原因相同。當(dāng)load_non_intra_quant_matrix的值為真的時(shí)候需要定義。 */char*ext_data; /*Extensiondata. */char*user_data; /*Userdata. */}由上面的分析，可以看出來(lái)的是：video_sequence()(next_start_code()do(sequence_header();do(group_of_pictures();畫(huà)面組}while(nextbits()==GROUP_START_CODE)}while(nextbits()==SEQUENCE_HEADER_CODE)SEQUENCE_END_CODE};正是由于視頻序列中存在很多開(kāi)始碼，或者稱(chēng)之為定位碼、同步碼。用來(lái)告訴解碼器目前數(shù)據(jù)的區(qū)域信息，所以解碼器才可以正確的處理各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)，下面就是視頻序列中的開(kāi)始碼的羅列：#defineSEQ_END_CODE0x000001b7#defineSEQ_START_CODE0x000001b3#defineGOP_START_CODE0x000001b8#definePICTURE_START_CODE0x00000100

#defineSLICE_MIN_START_CODE0x00000101#defineSLICE_MAX_START_CODE0x000001af#defineEXT_START_CODE0x000001b5#defineUSERSTARTCODE0x000001b2這些開(kāi)始碼都是一些特殊的32bits的比特序列，在視頻碼流中不會(huì)出現(xiàn)的。他們的起著標(biāo)志的作用，具體可以從名稱(chēng)上面看出來(lái)。其中EXT_START_CODE和USER_START_CODE在每個(gè)層里面都會(huì)出現(xiàn)，用來(lái)標(biāo)志擴(kuò)展數(shù)據(jù)區(qū)和用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，用來(lái)添加任意的數(shù)據(jù)，直到下一個(gè)開(kāi)始碼結(jié)束。2.2畫(huà)面組層2.2畫(huà)面組層(GOP)在軟件xmplay1.1中的定義typedefstructGoP(BOOLEANdrop_flag;rame.*/unsignedinttc_hours;de.*/unsignedinttc_minutes;ecode.*/unsignedinttc_seconds;ecode.*/unsignedinttc_pictures;ode.*/BOOLEANclosed_gop;/*Flagindicatingdroppedf/*Hourcomponentoftimeco/*Minutecomponentoftim/*Secondcomponentoftim/*Picturecounteroftimec/*Indicatesnopred.vectorstopreviousgroupofpictures.*/BOOLEANbroken_link; /*Bframeunabletobedecoded.*/char*ext_data; /*Extensiondata. */char*user_data; /*Userdata. */}GoP;當(dāng)然每個(gè)畫(huà)面組層都是開(kāi)始與標(biāo)志碼：GOP_START_CODE該層次語(yǔ)法上的定義是group_of_pictures(GOP_START_CODETime_code;tc_hours,tc_minutes,tc_seconds,tc_picturesClosed_gop;Broken_link;Next_start_code;If(nextbits==extension_start_code)(Extension_start_code;While(nextbits()==”000000000000000000000001”){Group_extension_data;}next_start_code()}if(nextbits==user_data_start_code){user_data_start_codewhile(nextbits()!=’000000000000000000000001’){user_data;}next_start_code()}do(picture()}while(nextbits==picture_start_code)}Mpeg流最終顯示出來(lái)是一系列的畫(huà)面，而畫(huà)面組是mpeg流中可以獨(dú)立編碼的最小的單位，每個(gè)畫(huà)面組由一個(gè)標(biāo)題和一系列畫(huà)面組成。GOP標(biāo)題包含了時(shí)間和編輯的信息。Mpeg畫(huà)面組中必須至少有一個(gè)I幀畫(huà)面，可以有數(shù)目可變的B幀和P幀畫(huà)面，也可以沒(méi)有P和B幀。畫(huà)面組的第一幅編碼畫(huà)面是I畫(huà)面，該畫(huà)面之后跟隨著任意數(shù)目的【或P畫(huà)面，每對(duì)I、P畫(huà)面之間可以插入任意數(shù)目的B畫(huà)面。畫(huà)面組是畫(huà)面的集合，每幅畫(huà)面按照顯示的順序相鄰。畫(huà)面組中的畫(huà)面有兩種排列順序：按比特流順序必須以I幀開(kāi)頭，后面可按任何的次序，跟上任意數(shù)目的I，P或B畫(huà)面。按顯示順序必須以I或B畫(huà)面打頭，且以I或P畫(huà)面結(jié)束，最小的畫(huà)面組由一個(gè)I畫(huà)面組成。從編碼角度，可以精確的陳述的是，畫(huà)面組以一個(gè)畫(huà)面組標(biāo)題開(kāi)始，以最先出現(xiàn)的下一個(gè)畫(huà)面組標(biāo)題或者下一個(gè)序列標(biāo)題或者序列結(jié)束碼結(jié)束。Mepg流中的標(biāo)志碼也就是開(kāi)始碼，對(duì)正確的分割和識(shí)別碼流的成分起到了至關(guān)重要的作用。畫(huà)面層(Pictures)畫(huà)面組層中的一幅幅畫(huà)面就是畫(huà)面層的數(shù)據(jù)了。包含了一幅畫(huà)面的所有編碼信息。一幅畫(huà)面同樣始于畫(huà)面的標(biāo)題。標(biāo)題以畫(huà)面開(kāi)始碼(PICTURE_START_CODE0x00000100)打頭。解析畫(huà)面單元的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)：picture()(picture_start_codetemprol_reference /*時(shí)序編號(hào)，通常一組畫(huà)面的編號(hào)都在1024以?xún)?nèi)，如果超過(guò)那么在1025幅畫(huà)面出復(fù)位為0，重新計(jì)數(shù)。*/picture_coding_typevbv_delay/*對(duì)于固定比特率的視頻流，vbv_delay用與解碼過(guò)程開(kāi)始和隨機(jī)存取之后，以保證在第一幅畫(huà)面被顯示之前，解碼器已經(jīng)讀到正確數(shù)目的比特?cái)?shù)。*/if((picture_coding_type==2)||picture_coding_type==3){full_pel_foward_vector/*全象素前向矢量，給定前向矢量的精度，在P和B畫(huà)面的標(biāo)題中出現(xiàn)*/forward_f_code}if(picture_coding_type==3){full_pel_backward_vectorback_f_code}while(nextbits()==’1’){extra_bit_pictureextra_information_picture}extra_bit_picturenext_start_codeif(nextbits()==extension_start_code)(extension_start_codewhile(nextbits()!=’000000000000000000000001’){picture_extension_data}next_start_code()}if(nextbits()==user_data_start_code)(user_data_start_codewhile(nextbits()!=’000000000000000000000001’){user_data}next_start_code()}do(slice()}while(nextbits()==slice_start_code)}整個(gè)畫(huà)面單元結(jié)構(gòu)是這樣的：typedefstructpict(unsignedinttemp_ref; /*Temporalreference. */

unsignedintcode_type;e:P,B,I *//*Frametypunsignedintvbv_delay;/*Bufferdelay. */BOOLEANfull_pel_forw_vector;/*Forw.vectorsspecifiedinfullpixelvaluesflag.*/unsignedintforw_r_size;/*Usedforvectordecoding. */unsignedintforw_f;/*Usedforvectordecoding. */BOOLEANfull_pel_back_vector;/*Backvectorsspecifiedinfullpixelvaluesflag.*/unsignedintback_r_size;/*Usedindecoding. */unsignedintback_f;/*Usedindecoding. */char*extra_info;/*Extrabitpictureinfo. */char*ext_data;/*Extensiondata. */char*user_data;/*Userdata. */}Pict;可以看出整個(gè)pictures層的bit流結(jié)構(gòu)中由標(biāo)題和pictures數(shù)據(jù)組成。標(biāo)題中提供了必要的畫(huà)面信息數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)矢量的信息。片層（Slice）片是任意數(shù)目宏塊組成的序列，其中宏塊必須從畫(huà)面的左上位置開(kāi)始，按照光柵掃描的方向從左到右，從上到下排列。片中至少包涵一個(gè)宏塊，片與片之間沒(méi)有重疊，也沒(méi)有間隙。片層的解析語(yǔ)法：首先給出識(shí)別出Slice層數(shù)據(jù)的頭標(biāo)slice_start_code『#defineSLICE_MIN_START_CODE0x00000101#defineSLICE_MAX_START_CODE0x000001af』slice（slice_start_code/*從中可以計(jì)算出slice_vertical_position片中第一個(gè)宏塊，以宏塊為單位的垂直位置*/quantizer_scale /*設(shè)置量化步長(zhǎng)尺寸。1一31*/

while(nextbits()==’1’){extra_bit_slice ‘1’extra_information_slice}extra_bit_scale ‘0’do(macroblock()}while(nextbits()!=’000000000000000000000000’)next_start_code()}typedefstructslice(unsignedintvert_pos;e.*/typedefstructslice(unsignedintvert_pos;e.*/unsignedintquant_scale;e. */char*extra_info;o.*/}Slice;/*Verticalpositionofslic/*Quantizationscal/*Extrabitsliceinf每個(gè)片由一個(gè)開(kāi)始碼開(kāi)始，開(kāi)始后DC系數(shù)和矢量解碼的預(yù)測(cè)值都被復(fù)位，片開(kāi)始部位的位置的水平位置由片中第一個(gè)宏塊的宏塊地址決定。這些措施使得在一幅畫(huà)面內(nèi)任何一片都可以單獨(dú)編碼而不需要前一片的信息。當(dāng)解碼是出現(xiàn)錯(cuò)誤，即可以從后繼的片重新開(kāi)始。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)在無(wú)錯(cuò)的環(huán)境中，可以一幅畫(huà)面就作為一片，但是如果是有錯(cuò)的環(huán)境，則每行宏塊作為一片會(huì)更加合理。表2256X192畫(huà)面內(nèi)的片劃分（每行宏塊作為一個(gè)片，每個(gè)片的高度都是16pixels）1開(kāi)始1結(jié)束2開(kāi)始2結(jié)束3開(kāi)始3結(jié)束4開(kāi)始4結(jié)束5開(kāi)始5結(jié)束6開(kāi)始6結(jié)束7開(kāi)始7結(jié)束8開(kāi)始8結(jié)束9開(kāi)始9結(jié)束10開(kāi)始10結(jié)束11開(kāi)始11結(jié)束12開(kāi)始12結(jié)束13開(kāi)始13結(jié)束實(shí)際情況中片不宜太多，因?yàn)槠瑯?biāo)題，以及新片所需要盡心重新編碼花費(fèi)的開(kāi)銷(xiāo)很大。片始于片標(biāo)題，片標(biāo)題又始于片開(kāi)始碼，片開(kāi)始碼是可以在一個(gè)范圍中取得得，這個(gè)范圍就是#defineSLICE_MIN_START_CODE0x00000101#defineSLICE_MAX_START_CODE0x000001af片開(kāi)始碼得最后8為可以給出片得垂直位置，即以宏塊為單位從畫(huà)面頂部位置為1開(kāi)始算起，片中第一個(gè)宏塊的垂直位置。宏塊有一個(gè)行號(hào)可以作為它得定位數(shù)據(jù)，這個(gè)行號(hào)的計(jì)算方法是：片垂直位置一1宏塊的垂直位置最大為175。片中第一個(gè)宏塊的水平位置，可以由該宏塊的地址偏移計(jì)算出來(lái)，所以不需要依賴(lài)畫(huà)面內(nèi)的任何其他的宏塊的信息。宏塊層(Macroblock)宏塊是包含16pixels*16lines的亮度分量部分，以及在空間位置上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)8pixels*8lines的色度分量部分，一個(gè)宏塊有4個(gè)亮度塊和2個(gè)色度塊。宏塊可以指源圖像或者重構(gòu)圖像的數(shù)據(jù)，或者是量化后的DCT系數(shù)。宏塊中塊的順序如下：表1宏塊中塊的排列01235Y分量Cb分量Cr分量宏塊的數(shù)據(jù)分析語(yǔ)法描述：macroblock()(while(nextbits()==’00000001111’){macroblock_stuffing/*宏塊填料，為了防止下溢出，由編碼器填入的數(shù)據(jù)，有它固定的11位bit格式就是’00000001111’，當(dāng)然解決下溢出的方法還有很多，編碼器可以在標(biāo)題之前就加入填料位，或者可以減小quant_scale獲得更多的編碼系數(shù)等等*/}while(nextbits()==’00000001000’){macroblock_escape/*固定模式的bit串，當(dāng)macroblock_address與previous_macroblock_address的差大于33時(shí)將用到該碼。使得后繼的macroblock_increment所表示的值加33。}macroblock_address_increment/*用于表示macroblock_address和previous_macorblock_address之間的差值。最大值為33，當(dāng)前兩者差大于33時(shí)用macroblock_escape補(bǔ)充。Macroblock_address表示的是宏塊在畫(huà)面中的絕對(duì)位置，最左上角的宏塊的macroblock_address為0，previous_macroblock_address指示片中最后一個(gè)非跳空宏塊的位置。macroblock_typeif(macroblock_motion_forward)(motion_horizontal_forward_codeif((forward_f!=1)&&(motion_horizontal_forward_code!=0))motion_horizontal_forward_rmotion_vertical_forward_codeif((forward_f!=1)&&(motion_vertical_forward_code!=0))motion_vertical_forward_r}if(macroblock_motion_backward)(motion_horizontal_backward_codeif((backward_f!=1)&&(motion_horizontal_backward_code!=0))motion_horizontal_backward_rmotion_vertical_backward_codeif((backward_f!=1)&&(motion_vertical_backward_code!=0))motion_vertical_backward_r}

if(macroblock_pattern)coded_block_pattern/*可以得到宏塊宏塊的pattern_code[i](i=0:5)，從而確定該宏塊接收到的塊的種類(lèi)有哪些。*/for(i=0;i<6;i++)block(i)if(picture_coding_type==4)end_of_marcoblock}片被分為16pixels*16lines的象素宏塊。每個(gè)宏塊都有它的標(biāo)題。包含了宏塊的地址、類(lèi)型、量化器標(biāo)尺信息等等。標(biāo)題之后是該宏塊的6個(gè)塊的數(shù)據(jù)。在Xmplay代碼中給出的macrblock的定義:typedefstructmacroblock(intmb_address;TOC\o"1-5"\h\zs. */intpast_mb_addr;s. */intmotion_h_forw_code;rcode.*/unsignedintmotion_h_forw_r;s. */intmotion_v_forw_code;rcode.*/unsignedintmotion_v_forw_r;s.*/intmotion_h_back_code;rcode.*/unsignedintmotion_h_back_r;TOC\o"1-5"\h\zs. */intmotion_v_back_code;rcode. */unsignedintmotion_v_back_r;s. */unsignedintcbp;n. */BOOLEANmb_intra;g. */BOOLEANbpict_past_forw;rflag.*/BOOLEANbpict_past_back;rflag.*/intpast_intra_addr;block.*//*Macroblockaddres/*Previousmblockaddres/*Forw.horiz.motionvecto/*Macroblockaddres/*Previousmblockaddres/*Forw.horiz.motionvecto/*Usedindecodingvector/*Forw.vert.motionvecto/*Usedindecdoingevector/*Backhoriz.motionvecto/*Usedindecodingvector/*Backvert.motionvecto/*Usedindecodingvector/*Codedblockpatter/*Intracodedmblockfla/*PastBframeforw.vecto/*PastBframebackvecto/*Addroflastintracodedm/*Pastrightforw.vector.*/r.reco