package cn.wotv.wotvcdn.ffprobe.service;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* 基于java解码H264 SPS码流研究笔记（哥伦布编码）
* @author fu （参考资料：码牛学院）
* @date 2021年10月22日 10:01 上午
*/
public class ColumbusService {
public int nStartBit = 0; // 解析起始位置
/**
* 0阶无符号指数哥伦布解码运算，每调用一次，返回一次结果
* @param pBuff 需要解析的16进制
* @return 返回解析出来的十进制
*
* 0阶无符号指数哥伦布编码过程（例如待编码5）:
* 1、将数字以二进制写出，5的二进制为101，因为0阶指数哥伦布编码所有不用去掉低位
* 2、将上面的二进制+1，101加1为110，留下的比特数为3，3-1=2，所有需要增加前导0的个数为2
* 3、因为第一步没有去掉，所有这一步不进行任何操作，最终生成的比特串为00110
*
*/
public int ue(byte[] pBuff){
int nZeroNum = 0;
/*
根据哥伦布编码原理，先统计一个段1前面0的个数
nZeroNum 目的只要得出哥伦布编码中，一个段的内容所占位数
例如：00110，所占位数为3，根据0阶哥伦布编码原理前面补齐2个0，即 nZeroNum=2
代码逻辑原理：
0x80 ==> 1000 0000
由左向到右 (->) 的方向进行相与(&) --> 000 00110 & 000 10000
如结果返回0（即 1&0 = 0）,则记录0的个数 ==> nZeroNum++
如结果返回1（即 1&1 = 1），匹配if判断（1 != 0）, 则跳出循环，得到计算结果nZeroNum
同时，不管结果如何，起始位(nStartBit)都多加一位，为后面持续方法调用定位
*/
while (nStartBit < pBuff.length * 8) {
if ((pBuff[nStartBit / 8] & (0x80 >> (nStartBit%8))) != 0){
break;
}
nZeroNum++;
nStartBit++;
}
nStartBit++;
/*
根据统计到的nZeroNum计算出实际内容十进制数
例如：00110 ，nZeroNum=2 --> 十进制：5
代码逻辑原理：
先计算一个段分割1后2位(nZeroNum)十进制数，例如：00110(二进制) --> 10(二进制) --> 2(十进制)
初始化后nZeroNum位，通过循环nZeroNum去计算，每向右进一位(dwRet <<= 1)，相当于dwRet*2
判断准则：
由于起始位(nStartBit)已经在分割1后，则继续由左向到右 (->) 的方向相与(&) --> 000001 10 & 000000 10
如结果返回1（即 1&1 = 1）,则对结果dwRet累加1
如结果返回0（即 1&0 = 0）,则跳过，继续循环判断
*/
return (1 << nZeroNum) -1+ u(nZeroNum,pBuff);
}
// 将二进制转十进制
public int u(int bitIndex, byte[] pBuff){
int dwRet = 0;
for (int i = 0; i < bitIndex; i++) {
dwRet <<= 1;
if ((pBuff[nStartBit / 8] & (0x80 >> (nStartBit % 8))) != 0) {
dwRet += 1;
}
nStartBit++;
}
return dwRet;
}
// 十六进制转byte数组
public byte[] hexStringToByteArray(String s) {
int len = s.length();
byte[] bs = new byte[len/2];
for(int i = 0;i < len;i+=2) {
bs[i/2] = (byte) ((Character.digit(s.charAt(i), 16) << 4) + Character.digit(s.charAt(i+1), 16));
}
return bs;
}
public Map<String,Integer> SPSInfo(String data){
byte[] spsData = hexStringToByteArray(data.replace(" ", ""));
this.nStartBit = 4*8;
Map<String,Integer> sps = new HashMap<>();
/*
H.264码流在网络中传输时实际是以NALU的形式进行传输的
每个NALU由一个字节的Header和RBSP组成.
NAL Header 的组成为：
forbidden_zero_bit(1bit) + nal_ref_idc(2bit) + nal_unit_type(5bit)
*/
// 禁止位，初始为0，当网络发现NAL单元有比特错误时可设置该比特为1，以便接收方纠错或丢掉该单元。
sps.put("forbidden_zero_bit",u(1, spsData));
// nal重要性指示，标志该NAL单元的重要性，值越大，越重要，解码器在解码处理不过来的时候，可以丢掉重要性为0的NALU。
sps.put("nal_ref_idc",u(2, spsData));
/*
帧类型:
7-序列参数集(sps)
8-图像参数集(pps)
5-IDR图像(I帧)
6-补充增强信息单元(SEI)
*/
sps.put("nal_unit_type",u(5, spsData));
if(sps.get("nal_unit_type") ==7) {
/*
编码等级:
66-Baseline（直播）
77-Main（一般场景）
88-Extended
100-High (FRExt)
110-High 10 (FRExt)
122-High 4:2:2 (FRExt)
144-High 4:4:4 (FRExt)
*/
sps.put("profile_idc",u(8, spsData));
/*
当constrained_set0_flag值为1的时候，就说明码流应该遵循基线profile(Baseline profile)的所有约束
constrained_set0_flag值为0时，说明码流不一定要遵循基线profile的所有约束。
当constrained_set1_flag值为1的时候，就说明码流应该遵循主profile(Main profile)的所有约束
当constrained_set2_flag值为1的时候，就说明码流应该遵循主profile(Extended profile)的所有约束
注意：当constraint_set0_flag,constraint_set1_flag或constraint_set2_flag中不只一个值为1的话，那么码流必须满足所有相应指明的profile约束。
*/
sps.put("constraint_set0_flag",u(1, spsData));
sps.put("constraint_set1_flag",u(1, spsData));
sps.put("constraint_set2_flag",u(1, spsData));
sps.put("constraint_set3_flag",u(1, spsData));
sps.put("reserved_zero_4bits",u(4, spsData));
/*
标识当前码流的Level。
编码的Level定义了某种条件下的最大视频分辨率、最大视频帧率等参数，码流所遵从的level由level_idc指定。
10 - 1 (supports only QCIF format and below with 380160 samples/sec)
11 - 1.1 (CIF and below. 768000 samples/sec)
21 - 2.1 (Supports HHR formats. Enables Interlace support. 5 068 800 samples/sec)
30 - 3 (Supports SD/4CIF formats. Enables Interlace support. 10368000 samples/sec)
31 - 3.1 (Supports 720p HD format. Enables Interlace support. 27648000 samples/sec)
51 - 5.1 (Supports 4096x2304 format. Frame coding only. 251658240 samples/sec)
......
*/
sps.put("level_idc",u(8, spsData));
sps.put("seq_parameter_set_id",ue(spsData));
if (sps.get("profile_idc") == 100) {
/*
与亮度取样对应的色度取样
chroma_format_idc 的值应该在 0到 3的范围内（包括 0和 3）
当 chroma_format_idc不存在时，应推断其值为 1（4:2:0的色度格式）
0 - 单色
1 - 4:2:0
2 - 4:2:2
3 - 4:4:4
*/
sps.put("chroma_format_idc",ue(spsData));
/*
视频位深
0 - High 只支持8bit
1 High10 才支持10bit
*/
sps.put("bit_depth_luma_minus8",ue(spsData));
sps.put("bit_depth_chroma_minus8",ue(spsData));
sps.put("qpprime_y_zero_transform_bypass_flag",u(1,spsData));
sps.put("seq_scaling_matrix_present_flag",u(1,spsData));
}
// 最大帧率
sps.put("log2_max_frame_num_minus4",ue(spsData));
// 确定播放顺序和解码顺序的映射
sps.put("pic_order_cnt_type",ue(spsData));
if (sps.get("pic_order_cnt_type") == 0){
sps.put("log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4",ue(spsData));
}
// 参考帧队列可达到的最大长度
sps.put("num_ref_frames",ue(spsData));
sps.put("gaps_in_frame_num_value_allowed_flag",u(1,spsData));
// 本元素+1 指明以宏块为单位的图像宽度
sps.put("pic_width_in_mbs_minus1",ue(spsData));
// 本元素+1 指明以宏块为单位的图像高度
sps.put("pic_height_in_map_units_minus1",ue(spsData));
sps.put("frame_mbs_only_flag",ue(spsData));
// 指明B帧的直接和skip模式下的运动矢量的计算方式
sps.put("direct_8x8_inference_flag",u(1,spsData));
// 解码器是否要将图片裁剪后输出，如果是，则后面为裁剪的左右上下的宽度
sps.put("frame_cropping_flag",u(1,spsData));
sps.put("vui_parameters_present_flag",u(1,spsData));
}
return sps;
}
public void FormatPrint(Map<String,Integer> sps){
System.out.println("[0] seq_parameter_set()");
System.out.println(" nal_unit()");
System.out.println(" forbidden_zero_bit = " + sps.get("forbidden_zero_bit"));
System.out.println(" nal_ref_idc = " + sps.get("nal_ref_idc"));
System.out.println(" nal_unit_type = " + sps.get("nal_unit_type"));
System.out.println(" profile_idc = " + sps.get("profile_idc"));
System.out.println(" constraint_set0_flag = " + sps.get("constraint_set0_flag"));
System.out.println(" constraint_set1_flag = " + sps.get("constraint_set1_flag"));
System.out.println(" constraint_set2_flag = " + sps.get("constraint_set2_flag"));
System.out.println(" constraint_set3_flag = " + sps.get("constraint_set3_flag"));
System.out.println(" reserved_zero_4bits = " + sps.get("reserved_zero_4bits"));
System.out.println(" level_idc = " + sps.get("level_idc"));
System.out.println(" seq_parameter_set_id = " + sps.get("seq_parameter_set_id"));
System.out.println(" if (profile_idc == 100)");
System.out.println(" chroma_format_idc = " + sps.get("chroma_format_idc"));
System.out.println(" bit_depth_luma_minus8 = " + sps.get("bit_depth_luma_minus8"));
System.out.println(" bit_depth_chroma_minus8 = " + sps.get("bit_depth_chroma_minus8"));
System.out.println(" qpprime_y_zero_transform_bypass_flag = " + sps.get("qpprime_y_zero_transform_bypass_flag"));
System.out.println(" seq_scaling_matrix_present_flag = " + sps.get("seq_scaling_matrix_present_flag"));
System.out.println(" log2_max_frame_num_minus4 = " + sps.get("log2_max_frame_num_minus4"));
System.out.println(" pic_order_cnt_type = " + sps.get("pic_order_cnt_type"));
System.out.println(" if (pic_order_cnt_type == 0)");
System.out.println(" log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4 = " + sps.get("log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4"));
System.out.println(" num_ref_frames = " + sps.get("num_ref_frames"));
System.out.println(" gaps_in_frame_num_value_allowed_flag = " + sps.get("gaps_in_frame_num_value_allowed_flag"));
System.out.println(" pic_width_in_mbs_minus1 = " + sps.get("pic_width_in_mbs_minus1"));
System.out.println(" pic_height_in_map_units_minus1 = " + sps.get("pic_height_in_map_units_minus1"));
System.out.println(" frame_mbs_only_flag = " + sps.get("frame_mbs_only_flag"));
System.out.println(" direct_8x8_inference_flag = " + sps.get("direct_8x8_inference_flag"));
System.out.println(" frame_cropping_flag = " + sps.get("frame_cropping_flag"));
System.out.println(" vui_parameters_present_flag = " + sps.get("vui_parameters_present_flag"));
}
public static void main(String[] args) {
ColumbusService service = new ColumbusService();
String data = "00 00 00 01 67 64 00 1f ac d9 40 50 05 bb 01 10 00 00 03 00 10 00 00 03 03 20 f1 83 19 60";
service.FormatPrint(service.SPSInfo(data));
}
}
输出结果:
[0] seq_parameter_set()
nal_unit()
forbidden_zero_bit = 0
nal_ref_idc = 3
nal_unit_type = 7
profile_idc = 100
constraint_set0_flag = 0
constraint_set1_flag = 0
constraint_set2_flag = 0
constraint_set3_flag = 0
reserved_zero_4bits = 0
level_idc = 31
seq_parameter_set_id = 0
if (profile_idc == 100)
chroma_format_idc = 1
bit_depth_luma_minus8 = 0
bit_depth_chroma_minus8 = 0
qpprime_y_zero_transform_bypass_flag = 0
seq_scaling_matrix_present_flag = 0
log2_max_frame_num_minus4 = 0
pic_order_cnt_type = 0
if (pic_order_cnt_type == 0)
log2_max_pic_order_cnt_lsb_minus4 = 2
num_ref_frames = 4
gaps_in_frame_num_value_allowed_flag = 0
pic_width_in_mbs_minus1 = 79
pic_height_in_map_units_minus1 = 44
frame_mbs_only_flag = 0
direct_8x8_inference_flag = 1
frame_cropping_flag = 0
vui_parameters_present_flag = 1