MPEG-1流比特層次結(jié)構(gòu)分析總結(jié)
1．簡(jiǎn)要介紹Mpeg
Mpeg是Motion Picture Expert Group的縮寫。活動(dòng)圖像專家組是在1988年由ISO和IEC聯(lián)合成立的專家組，負(fù)責(zé)開發(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)開發(fā)和正在開發(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（standard interchange format,SIF）或者稱為源輸入格式（Source Input Format,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/IEC 11172,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/IEC 11172-2

2．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－畫面組層－畫面層－片層－宏塊層－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)題開始，之后可以跟著一個(gè)或者多個(gè)畫面組。最后以Sequence_end_code結(jié)束。緊挨著每一個(gè)畫面組之前可以有一個(gè)序列標(biāo)題。也就是說(shuō)每個(gè)畫面組，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{
unsigned int h_size;                         /* Horiz. size in pixels.     */
  unsigned int v_size;                         /* Vert. size in pixels.      */
  unsigned int mb_height;                      /* Vert. size in mblocks.     */
  unsigned int mb_width;                       /* Horiz. size in mblocks.    */
  unsigned char aspect_ratio;                  /* Code for aspect ratio.     */
  unsigned char picture_rate;                  /* Code for picture rate.     */
  unsigned int bit_rate;                       /* Bit rate.                  */
  unsigned int vbv_buffer_size;                /* Minimum buffer size.       */
  BOOLEAN const_param_flag;                    /* Contrained parameter flag. */
  unsigned char intra_quant_matrix[8][8];      /* Quantization matrix for
  intracoded frames.         */
  unsigned char non_intra_quant_matrix[8][8];  /* Quanitization matrix for
  non intracoded frames.     */
  char *ext_data;                              /* Extension data.            */
  char *user_data;                             /* User data.                 */
  GoP group;                                   /* Current group of pict.     */
  Pict picture;                                /* Current picture.           */
  Slice slice;                                 /* Current slice.             */
  Macroblock mblock;                           /* Current macroblock.        */
  Block block;                                 /* Current block.             */
  int state;                                   /* State of decoding.         */
  int bit_offset;                              /* Bit offset in stream.      */
  unsigned int *buffer;                        /* Pointer to next byte in
  buffer.                    */
  int buf_length;                              /* Length of remaining buffer.*/
  unsigned int *buf_start;                     /* Pointer to buffer start.   */
  int max_buf_length;                          /* Max lenght of buffer.      */
  PictImage *past;                             /* Past predictive frame.     */
  PictImage *future;                           /* Future predictive frame.   */
  PictImage *current;                          /* Current frame.             */
  PictImage *ring[RING_BUF_SIZE];              /* Ring buffer of frames.     */
} Video_Stream;  
具體的序列標(biāo)題的結(jié)構(gòu)的部分是這樣的：
序列
sequence_header{
SEQ_START_CODE 0x000001b3;  /* 常量 ,作用使用來(lái)定位視頻序列的序列頭 */  
unsigned int h_size;                         /* Horiz. size in pixels.     */
  unsigned int v_size;                         /* Vert. size in pixels.      */
  unsigned int mb_height;                      /* Vert. size in mblocks.     */
  unsigned int mb_width;                       /* Horiz. size in mblocks.    */
  unsigned char aspect_ratio;                  /* Code for aspect ratio.     */
  unsigned char picture_rate;                  /* Code for picture rate.     */
  unsigned int bit_rate;                       /* Bit rate.                  */
  unsigned int vbv_buffer_size;                /* Minimum buffer size.       */
  BOOLEAN const_param_flag;                    /* Contrained parameter flag. */
  unsigned char load_intra_quantizer_matrix;
unsigned char intra_quant_matrix[8][8];      /* Quantization matrix for intracoded frames.         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，否則沒有，因?yàn)?br>intra_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*/
unsigned char load_non_intra_quantizer_matrix;
  unsigned char non_intra_quant_matrix[8][8];  /* Quanitization matrix for non intracoded frames. 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;                              /* Extension data.            */
  char *user_data;                             /* User data.                 */
 
}

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始碼，或者稱之為定位碼、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始碼的羅列：
#define SEQ_END_CODE 0x000001b7
#define SEQ_START_CODE 0x000001b3
#define GOP_START_CODE 0x000001b8
#define PICTURE_START_CODE 0x00000100
#define SLICE_MIN_START_CODE 0x00000101
#define SLICE_MAX_START_CODE 0x000001af
#define EXT_START_CODE 0x000001b5
#define USER_START_CODE 0x000001b2
這些開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)開始碼結(jié)束。
2.2畫面組層（GOP）
在軟件xmplay1.1中的定義
typedef struct GoP {
  BOOLEAN drop_flag;                     /* Flag indicating dropped frame. */
  unsigned int tc_hours;                 /* Hour component of time code.   */
  unsigned int tc_minutes;               /* Minute component of time code. */
  unsigned int tc_seconds;               /* Second component of time code. */
  unsigned int tc_pictures;              /* Picture counter of time code.  */
  BOOLEAN closed_gop;                    /* Indicates no pred. vectors to
    previous group of pictures.    */
  BOOLEAN broken_link;                   /* B frame unable to be decoded.  */
  char *ext_data;                        /* Extension data.                */
  char *user_data;                       /* User data.                     */
} GoP;

當(dāng)然每個(gè)畫面組層都是開始與標(biāo)志碼：GOP_START_CODE
該層次語(yǔ)法上的定義是
group_of_pictures{
GOP_START_CODE
Time_code; tc_hours,tc_minutes,tc_seconds,tc_pictures
Closed_gop;
Broken_link;
Next_start_code;
If(nextbits==extension_start_code){
Extension_start_code;
While(nextbits()==”0000 0000 0000 0000 0000 0001”){
Group_extension_data;
}
next_start_code()
}
if(nextbits==user_data_start_code){
user_data_start_code
while(nextbits()!=’0000 0000 0000 0000 0000 0001’){
user_data;
}
next_start_code()
}
do{
picture()
}while(nextbits==picture_start_code)
}

Mpeg流最終顯示出來(lái)是一系列的畫面，而畫面組是mpeg流中可以獨(dú)立編碼的最小的單位，每個(gè)畫面組由一個(gè)標(biāo)題和一系列畫面組成。GOP標(biāo)題包含了時(shí)間和編輯的信息。
Mpeg畫面組中必須至少有一個(gè)I幀畫面，可以有數(shù)目可變的B幀和P幀畫面，也可以沒有P和B幀。畫面組的第一幅編碼畫面是I畫面，該畫面之后跟隨著任意數(shù)目的I或P畫面，每對(duì)I、P畫面之間可以插入任意數(shù)目的B畫面。
畫面組是畫面的集合，每幅畫面按照顯示的順序相鄰。
畫面組中的畫面有兩種排列順序：
1．按比特流順序 必須以I幀開頭，后面可按任何的次序，跟上任意數(shù)目的I，P或B畫面。
2．按顯示順序必須以I或B畫面打頭，且以I或P畫面結(jié)束，最小的畫面組由一個(gè)I畫面組成。

從編碼角度，可以精確的陳述的是，畫面組以一個(gè)畫面組標(biāo)題開始，以最先出現(xiàn)的下一個(gè)畫面組標(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。

2.3畫面層（Pictures）
畫面組層中的一幅幅畫面就是畫面層的數(shù)據(jù)了。包含了一幅畫面的所有編碼信息。一幅畫面同樣始于畫面的標(biāo)題。標(biāo)題以畫面開始碼（PICTURE_START_CODE 0x00000100）打頭。
解析畫面單元的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)：
picture(){
picture_start_code
temprol_reference     /*時(shí)序編號(hào)，通常一組畫面的編號(hào)都在1024以內(nèi)，如果超過(guò)那么在1025幅畫面出復(fù)位為0，重新計(jì)數(shù)。*/                                   
picture_coding_type                        
vbv_delay/*對(duì)于固定比特率的視頻流，vbv_delay用與解碼過(guò)程開始和隨機(jī)存取之后，以保證在第一幅畫面被顯示之前，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畫面的標(biāo)題中出現(xiàn)*/
forward_f_code
}
if(picture_coding_type==3){
full_pel_backward_vector
back_f_code
}
while(nextbits()==’1’){
extra_bit_picture
extra_information_picture
}
extra_bit_picture
next_start_code

if(nextbits()==extension_start_code){
extension_start_code
while(nextbits()!=’0000 0000 0000 0000 0000 0001’){
picture_extension_data
}
next_start_code()
}
if(nextbits()==user_data_start_code){
user_data_start_code
while(nextbits()!=’0000 0000 0000 0000 0000 0001’){
user_data
}
next_start_code()
}
do {
slice()
}while(nextbits()==slice_start_code)
}

整個(gè)畫面單元結(jié)構(gòu)是這樣的：
typedef struct pict {
  unsigned int temp_ref;                 /* Temporal reference.             */
  unsigned int code_type;                /* Frame type: P, B, I             */
  unsigned int vbv_delay;                /* Buffer delay.                   */
  BOOLEAN full_pel_forw_vector;          /* Forw. vectors specified in full
    pixel values flag.              */
  unsigned int forw_r_size;              /* Used for vector decoding.       */
  unsigned int forw_f;                   /* Used for vector decoding.       */
  BOOLEAN full_pel_back_vector;          /* Back vectors specified in full
    pixel values flag.              */
  unsigned int back_r_size;              /* Used in decoding.               */
  unsigned int back_f;                   /* Used in decoding.               */
  char *extra_info;                      /* Extra bit picture info.         */
  char *ext_data;                        /* Extension data.                 */
  char *user_data;                       /* User data.                      */
} 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面信息數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)矢量的信息。

2.4片層(Slice)
片是任意數(shù)目宏塊組成的序列，其中宏塊必須從畫面的左上位置開始，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，片與片之間沒有重疊，也沒有間隙。

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
『
#define SLICE_MIN_START_CODE 0x00000101
#define SLICE_MAX_START_CODE 0x000001af
』
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。1－31*/
while(nextbits()==’1’){
extra_bit_slice                       ‘1’
extra_information_slice
}
extra_bit_scale                            ‘0’
do{
macroblock()
}while(nextbits()!=’0000 0000 0000 0000 0000 0000’)
next_start_code()
}

typedef struct slice {
  unsigned int vert_pos;                 /* Vertical position of slice. */
  unsigned int quant_scale;              /* Quantization scale.         */
  char *extra_info;                      /* Extra bit slice info.       */
} Slice;

[此貼子已經(jīng)被作者于2008-7-19 17:51:53編輯過(guò)]
--  作者：cdmalcl
--  發(fā)布時(shí)間：2008-7-19 17:49:34
-- 
每個(gè)片由一個(gè)開始碼開始，開始后DC系數(shù)和矢量解碼的預(yù)測(cè)值都被復(fù)位，片開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始。
所以，當(dāng)數(shù)據(jù)在無(wú)錯(cuò)的環(huán)境中，可以一幅畫面就作為一片，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2  256×192畫面內(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開始                                                                                1結(jié)束
2開始                                                                                2結(jié)束
3開始                                                                                3結(jié)束
4開始                                                                                4結(jié)束
5開始                                                                                5結(jié)束
6開始                                                                                6結(jié)束
7開始                                                                                7結(jié)束
8開始                                                                                8結(jié)束
9開始                                                                                9結(jié)束
10開始                                                                              10結(jié)束
11開始                                                                              11結(jié)束
12開始                                                                              12結(jié)束
13開始                                                                              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)的開銷很大。
片始于片標(biāo)題，片標(biāo)題又始于片開始碼，片開始碼是可以在一個(gè)范圍中取得得，這個(gè)范圍就是
#define SLICE_MIN_START_CODE 0x00000101
#define SLICE_MAX_START_CODE 0x000001af
片開始碼得最后8為可以給出片得垂直位置，即以宏塊為單位從畫面頂部位置為1開始算起，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－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)，所以不需要依賴畫面內(nèi)的任何其他的宏塊的信息。
--  作者：cdmalcl
--  發(fā)布時(shí)間：2008-7-19 17:49:59
-- 
2.5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

01
23

4

5

Y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()==’0000 0001 111’){
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’0000 0001 111’,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()==’0000 0001 000’){
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_type 
if(macroblock_motion_forward){
motion_horizontal_forward_code
if((forward_f!=1) && (motion_horizontal_forward_code!=0))
motion_horizontal_forward_r
motion_vertical_forward_code
if((forward_f!=1) && (motion_vertical_forward_code!=0))
motion_vertical_forward_r
}
if(macroblock_motion_backward){
motion_horizontal_backward_code
if((backward_f!=1) && (motion_horizontal_backward_code!=0))
motion_horizontal_backward_r
motion_vertical_backward_code
if((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：
typedef struct macroblock {
  int mb_address;                        /* Macroblock address.              */
  int past_mb_addr;                      /* Previous mblock address.         */
  int motion_h_forw_code;                /* Forw. horiz. motion vector code. */
  unsigned int motion_h_forw_r;          /* Used in decoding vectors.        */
  int motion_v_forw_code;                /* Forw. vert. motion vector code.  */
  unsigned int motion_v_forw_r;          /* Used in decdoinge vectors.       */
  int motion_h_back_code;                /* Back horiz. motion vector code.  */
  unsigned int motion_h_back_r;          /* Used in decoding vectors.        */
  int motion_v_back_code;                /* Back vert. motion vector code.   */
  unsigned int motion_v_back_r;          /* Used in decoding vectors.        */
  unsigned int cbp;                      /* Coded block pattern.             */
  BOOLEAN mb_intra;                      /* Intracoded mblock flag.          */
  BOOLEAN bpict_past_forw;               /* Past B frame forw. vector flag.  */
  BOOLEAN bpict_past_back;               /* Past B frame back vector flag.   */
  int past_intra_addr;                   /* Addr of last intracoded mblock.  */
  int recon_right_for_prev;              /* Past right forw. vector.         */
  int recon_down_for_prev;               /* Past down forw. vector.          */
  int recon_right_back_prev;             /* Past right back vector.          */
  int recon_down_back_prev;              /* Past down back vector.           */
} Macroblock;
2.6塊層(Block)
塊是一個(gè)正交的8pixels*8lines的亮度或者色度分量，塊可以指源畫面數(shù)據(jù)或者相應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)元素。
8*8單位象素的源畫面數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DCT變換后的成為了相應(yīng)的DCT系數(shù)塊。
塊的具體結(jié)構(gòu)為（xmplay源碼中的結(jié)構(gòu)定義）：
typedef struct block {
  short int dct_recon[8][8];             /* Reconstructed dct coeff matrix. */
  short int dct_dc_y_past;               /* Past lum. dc dct coefficient.   */
  short int dct_dc_cr_past;              /* Past cr dc dct coefficient.     */
  short int dct_dc_cb_past;              /* Past cb dc dct coefficient.     */
} Block;

解析塊的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)是：
block(i){
if(pattern_code[i]){
if(macroblock_intra){
if(i<4){
dct_dc_size_luminance
if(dc_size_luminance!=0)
dct_dc_differential
}
else{
dct_dc_size_chrominance
if(dc_size_chrominance!=0)
dct_dc_differential
}
}
else{
dct_coeff_first
}
if(picture_coding_type!=4){
while(nextbits()!=’10’)
dct_coeff_next
end_of_block
}
}
http://www.ds0101.net/bbs/TopicOther.asp?t=5&BoardID=19&id=889 , 引用的原址。