多媒体文件格式之TS

TS流是MPEG-2标准中定义一种用于直播的码流结构，具有很好的容错能力。所有跟TS相关的标准可以从ISO/IEC_13818-1中找到。
通常TS流的后缀是.ts、.mpg或者.mpeg，多数播放器直接支持这种格式的播放。

0. 学习多媒体容器格式的目的

主要是为了回答以下问题：

该容器中数据是如何组织的？
该容器包含哪些编码格式的数据？这些数据是如何存储的？
该容器包含哪些元数据信息？包含哪些节目信息？
对于支持多节目的容器格式，如何找到对应的音频流、视频流、字幕流？
如何确定该容器的节目播放时长？
如何从该容器中提取音频、视频、字幕数据，并交给解码器解码，有时间戳否？
该容器是否支持seek？有哪些辅助信息？
是否支持直接流化？
哪里可以找到该容器格式最标准的文档资料？
有哪些可用的工具，方便分析容器格式异常或者错误？

1. TS流生成和解析的过程

TS流的形成过程：
1、将原始音视频数据压缩之后，压缩结果组成一个基本码流（ES）。
2、对ES（基本码流）进行打包形成PES。
3、在PES包中加入时间戳信息(PTS/DTS)。
4、将PES包内容分配到一系列固定长度的传输包（TS Packet）中。
5、在传输包中加入定时信息(PCR)。
6、在传输包中加入节目专用信息(PSI) 。
7、连续输出传输包形成具有恒定比特率的MPEG-TS流。

TS流的解析过程，可以说是生成的逆过程：

从复用的MPEG-TS流中解析出TS包；
从TS包中获取PAT及对应的PMT（PSI中的表格）；
从而获取特定节目的音视频PID；
通过PID筛选出特定音视频相关的TS包，并解析出PES；
从PES中读取到PTS/DTS，并从PES中解析出基本码流ES；
将ES交给解码器，获得压缩前的原始音视频数据。

2. TS码流整体结构

MPEG-2中规定TS传输包的长度是固定的，长度为188字节。标准规定每个TS包只能包含一个基本流的数据，不存在跨基本流的情况。
所有的TS包都分为包头和净荷部分。TS包中可以填入很多东西（填入的东西都是填入到净荷部分），有：视频、音频、数据（包括PSI、SI以及其它任何形式的数据）。TS只是传输层的协议，所以比较多的面向错误处理的误码纠正。
用c语言描述下MPEG-TS码流，如下：

MPEG_transport_stream() {
    do {
        transport_packet()
    } while (nextbits() == sync_byte)
}

下图是对TS码流的一个分层结构：
TS Syntax Diagram

TS包头

TS包的包头提供关于传输方面的信息：同步、有无差错、有无加扰、PCR（节目参考时钟）等标志。TS包的包头长度不固定，前32比特（4个字节）固定，后面可能跟有自适应字段（适配域）。32个比特（4个字节）是最小包头。包头的结构固定如下：
TS Packet Definition

各字段含义如下：

sync_byte（同步字节）：固定为0x47;该字节由解码器识别，使包头和有效负载可相互分离。
transport_error_indicator（传输错误标志）：‘1’表示在相关的传输包中至少有一个不可纠正的错误位。当被置1后，在错误被纠正之前不能重置为0。
payload_unit_start_indicator（负载起始标志）：为1时，表示当前TS包的有效载荷中包含PES或者PSI的起始位置；在前4个字节之后会有一个调整字节，其的数值为后面调整字段的长度length。因此有效载荷开始的位置应再偏移1+[length]个字节。
transport_priority（传输优先级标志）：‘1’表明当前TS包的优先级比其他具有相同PID，但此位没有被置‘1’的TS包高。
PID：指示存储与分组有效负载中数据的类型。PID值0x0000—0x000F保留。其中0x0000为PAT保留；0x0001为CAT保留；0x1fff为分组保留，即空包。标准中定义的PID分配见下表：

PID值	描述
0	PAT(Program Association Table)
1	CAT(Conditional Access Table)
3-0xF	Reserved
0x10-0x1FFE	自定义PID，可用于PMT的pid、network的pid或者其他目标
0x1FFF	空包
-	注意PCR的PID可以选择0、1或者0x10-0x1FFE的任意值。

transport_scrambling_control（加扰控制标志）：表示TS流分组有效负载的加密模式。空包为‘00’，如果传输包包头中包括调整字段，不应被加密。其他取值含义是用户自定义的。
adaptation_field_control（适配域控制标志）：表示包头是否有调整字段或有效负载。‘00’为ISO/IEC未来使用保留；‘01’仅含有效载荷，无调整字段；‘10’ 无有效载荷，仅含调整字段；‘11’ 调整字段后为有效载荷，调整字段中的前一个字节表示调整字段的长度length，有效载荷开始的位置应再偏移[length]个字节。空包应为‘10’。
continuity_counter（连续性计数器）：随着每一个具有相同PID的TS流分组而增加，当它达到最大值后又回复到0。范围为0~15。

关于adaption_filed字段建议参考标准文档的ch2.4.3.4 Adaptation field一节。

TS包负载部分

TS包中净荷所传输的信息包括两种类型：

视频、音频的PES包以及辅助数据；
节目专用信息PSI。

当然，TS包也可以是空包。空包用来填充TS流，可能在重新进行多路复用时被插入或删除。

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在系统复用时，视频、音频的ES流需进行打包形成视频、音频的 PES流，辅助数据（如图文电视信息）不需要打成PES包。

3. 节目专用信息PSI(Program Specific Information）

在TS流中传输的主要有四类表格，其中包含了解复用和显示节目相关的信息。
节目信息的结构性的描述如下；

节目关联表Program Association Table (PAT) 0x0000
节目映射表Program Map Tables (PMT)
条件接收表Conditional Access Table (CAT) 0x0001
网络信息表Network Information Table(NIT) 0x0010
传输流描述表Transport Stream Description Table(TSDT) 0x02

其中PMT中定义了与特定节目相关的PID信息，比如音频包pid、视频包pid以及pcr的pid；CAT表格用于流加扰情况下配置参数；NIT是可选的，标准中未详细定义；TSDT也是可选的。
这些表格信息保存到TS中，需要先切分成section，然后放到TS包中。
这里仅详细说明PAT和PMT表的构成，其他表格建议参考标准文档。

PAT表

TS流中会定期出现PAT表。PAT表提供了节目号和对应PMT表格的PID的对应关系。
其具体结构如下图：
PAT diagram

第一个字段table_id，8位，用于标识PSI section负载数据的类型。其取值含义如下：

Value	description
0x00	program_association_section
0x01	conditional_access_section (CA_section)
0x02	TS_program_map_section
0x03	TS_description_section
0x04	ISO_IEC_14496_scene_description_section
0x05	ISO_IEC_14496_object_descriptor_section
0x06-0x37	ITU-T Rec. H.222.0 / ISO/IEC 13818-1 reserved
0x38-0x3F	Defined in ISO/IEC 13818-6
0x40-0xFE	User private
0xFF	forbidden

PAT中定义的节目号（program_number）与PMT_PID的映射。当节目号为0时，存储的是network_PID。
详细定义建议参考2.4.4.3 Program association Table一节。

PMT表

PMT在传送流中用于指示组成某一套节目的视频、音频和数据在传送流中的位置，即对应的TS包的PID值，以及每路节目的节目时钟参考（PCR）字段的位置。
其结构定义如下：
PMT diagram

其中的stream_type标识了对应pid的类型，比如音频、视频或者其他类型（具体建议参考2.4.4.9 Semantic definition of fields in Transport Stream program map section一节）。

4. PES包

PES包使用固定的24位起始码0x000001和一个8为的stream-id，用于说明当前包的类型。PES包中可以包含DTS/PTS等时间戳信息。整体结构如下图：
PES packet syntax

PES包非定长，音频的PES包小于等于64K，视频的一般为一帧一个PES包。一帧图象的PES包通常要由许多个TS包来传输。MPEG-2中规定，一个PES包必须由整数个TS包来传输。如果承载一个PES包的最后一个TS包没能装满，则用填充字节来填满；当下一个新的PES包形成时，需用新的TS包来开始传输。
PES包的结构如下：

PES_packet() {
    packet_start_code_prefix : 24
    stream_id : 8
    PES_packet_length: 16
    optional_pes_header
    pes_packet_data
}

packet_start_code_prefix：24位起始码，固定必须是'0000 0000 0000 0000 0000 0001' (0x000001)。用于标识包的开始。
stream_id：在PS流中该字段标识其存储的基本流的类型和索引号，在TS流中该字段仅标识其存储的基本流的类型。
PES_packet_length：16位，用于存储PES包的长度。
optional_pes_header需要视stream_id类型而定，其长度不固定（这里包含DTS/PTS时间戳信息）。
pes_packet_data其长度是PES_packet_length定义的长度值。

最后两个字段的解析，建议参考标准文件的2.4.3.7 Semantic definition of fields in PES packet一节。

5. 其他问题

TS流是我接触的第一个封装格式，也是经过很长时间才完全整明白具体的解码流程。
本文不涉及太多的细节问题。很明显TS流中不包含快速seek的机制，只能通过协议层实现seek。
分析TS流建议使用TsAnalyse等现有的工具，在广电普遍使用的TS流，有较多的现成工具。新出来的HLS协议也是基于TS流实现的。

参考资料

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本文作者：Tocy e-mail: [email protected]
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