MPEG-2 数字视频技术参考指南 （5）—— MPEG-2 传输：系统层【非常好】
Posted on 2017-01-11 18:13 bw_0927 阅读(403) 评论(0) 编辑 收藏 举报http://blog.csdn.net/zhubin215130/article/details/8939347
http://blog.csdn.net/zxh821112/article/details/9204257
不同于单个视频或音频的压缩和解压缩，MPEG-2传输流同时负载很多个节目或服务，将视频、音频、数据全部交错在一起。解码器必须能够从传输流中梳理、组织出指定节目或服务的音频、视频和数据，并且知道什么时候显示节目或服务的哪一部分给观众，这也是MPEG-2系统层（SystemLayer）起到关键作用的地方。
系统层定义了传输流的结构，以及MPEG-2压缩数据的传输机制。除了其他功能以外，系统层还为解码器提供了快速同步和错误校正的功能。系统层还定义了一个PSI表（ProgramSpecific Information table），作为媒体内容列表，方便解码器对传输流中的数据进行快速排序和访问。
- 创建一个TS流
MPEG-2传输机制类似于互联网IP协议，负载着被切分成传输数据包（transport packet）的数据，每个传输数据包都包含一个header和payload。接下来的处理过程将会把许多模拟视频信号、音频和数据流封装进一个传输流中。
视频流或音频流被压缩后，就变成了ES流（ElementaryStream）。然后又会被切分为许多变长数据包，形成PES流（PacketizedElementary Stream）。每个变长数据包中包含一个header和一个payload，payload中包含一个视频或音频的帧，header中包含相关的时间信息，告诉解码器何时解码该帧，以及何时显示该帧。如下图所示。
接下来，在编码的过程中，PES流又被再次切分成固定长度的传输数据包，每个数据包长度为188字节。这个包的长度最初定义是为了简化MPEG-2数据包在ATM（异步传输模式）上的映射，ATM中的传输单元是信元（cell），它的负载的大小是47字节（47x4=188）。和PES数据包类似，每个传输数据包也包含一个header和一个payload。
当音频或视频流被切分成传输数据包后，其将被多路复用，或者说是和其他服务的类似打包内容合并在一起。由一个或多个服务组成的多路复用被称作TS流（transport stream）。如图所示。
TS流中的每个数据包，无论负载的是音频、视频、表还是数据，都以一个PID（PacketIdentifier）作为唯一标识，PID使得解码器能够对TS流中的数据包进行分类和整理。
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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。
- 时序：PCR，PTS和DTS
TS流时序基于编码器的27MHz STC（SystemTime Clock），为了确保解码过程中的同步，解码器时钟必须和编码器的系统时钟锁定。为了实现这种锁定，编码器在TS流中为每个节目插入了一个27MHz的时间戳。
这个时间戳称为PCR（Program Clock Reference），通过PCR，解码器生成一个本地的27MHz时钟，与编码器的STC锁定。
之前介绍过，压缩视频帧通常以非显示顺序传输【压缩/编码后的帧顺序 和 原始的用于显示/展现的帧顺序不同】，即B帧后面的I帧必须在其显示时间到来之前先传给解码器。为了管理这种关键时序流程，需要在每个PES数据包的header里包含两种时间戳：DTS（DecodingTime Stamp）和PTS（Presentation Time Stamp）。DTS定义了应该何时解码该帧，PTS定义了何时显示该帧。如果某帧的DTS比PTS靠前很多的话，该帧则需要先解码好，然后待在buffer里一直等到显示时间的到来。
下图表示了TS流的时序序列。在TS流创建之前，编码器为每个PES数据包里的帧添加PTS和DTS信息，同时会为每个节目添加一个PCR信息。在解码器端，PCR要经过PLL（PhaseLock Loop）算法检查，将解码器时钟与编码器的STC锁定。从而解码器和编码器实现同步，确保了解码器中的数据buffer不会溢出或下溢。
当解码器时钟同步后，解码器依据每帧的DTS时间按序解码，并依据每帧的PTS时间按序显示。
- MPEG-2 PSI Tables
由于观众可能会从一条TS流中选择多个节目，所以解码器必须能够快速的分类和访问不同节目的视频、音频和数据。PSI tables作为TS流的内容列表，为解码器提供了查找每个节目并呈现给观众所需的相关数据，PSI是一组表，包括PAT，CAT， PMT和NIT。
PSI Tables帮助解码器定位TS流中每个节目的音视频数据，以及验证CA权（Conditional Access）。这些表会频繁的重复（大约每秒10次），是为了支持解码器切换频道这种随机访问的需要。下图为PSI Tables的一个基本的概览。
PAT（Program Association Table）：用来查找所有节目列表
PAT表是解码器定位节目的第一步，因为它的PID总是0x0000，所以可以很快的定位。和地图册的索引类似，PAT表为解码器提供了TS流中每个节目的map，这个map位于每个节目的PMT表中。
PAT表中列出了所有包含PMT表的数据包的PID值。
PAT表中可能同时还列出那些包含NIT（Network Information Table）表的数据包的PID值，NIT为访问网络上其他TS流提供了支持。PAT表如图所示。
PMT（Program Map Table）：用来查找指定节目的音视频信息
PMT表用于查找指定的节目，列出所有包含节目音频、视频和数据组件的数据包的PID值。根据这些信息，解码器能够轻松的定位、解码和显示节目的内容。PMT表如下图所示。
PMT表同时指定了节目的ECM的PID值，ECM为解码器对节目的音视频进行解扰提供了密钥。
CAT（Conditional Access Table）：用来从TS流中找到授权包
MPEG-2语法允许广播商以EMM形式在TS流中传输版权限制访问信息。EMM（entitlement management message）为每个订阅者或者订阅者群组更新订阅选择或者收费节目收视权。
CAT表列出所有包含EMM的数据包的PID值，告知解码器从何处查找EMM信息，CAT表如下图所示。CAT表的PID值总是0x0001。
NIT（Network Information Table）
NIT表提供了关于各种TS流所位于的网络的相关信息。这个表是由DVB标准定义的，下一章节将会详细讨论，同样ATSC标准也不在本节讨论。
根据PSI Tables解码：总结
下面的步骤概括了一个解码器显示一个指定节目（本例为Program 1）的流程：
1. 创建PAT表。提取出PID为0x0000的数据包的内容，并构建PAT。
2. 遍历PAT表，查找传输Program 1的PMT的数据包的PID。PAT表明Program 1的PMT PID为0x0065。
3. 提取PID为0x0065的数据包的内容，构建PMT表。
4. 读取Program 1的PMT表，找到其音频、视频数据包的PID值，以及PCR。PMT表明视频数据包的PID为0x0131，德语音轨数据包的PID是0x0132，英语音轨数据包的PID是0x0133。通常情况下，视频数据包的PID通常也携带PCR信息。
5. 在PMT中找到ECM的PID，本例中ECM的PID为0x0150。
6. 定位PID为0x0150的数据包，提取出Program 1的ECM信息。
7. 定位PID为0x0131的数据包，提取出Program 1的视频。
8. 如果用户选择了德语音轨，定位PID为0x0132的数据包，并提取出该音轨。如果用户选择的是英语音轨，则提取PID为0x0133的数据包中的音轨。
9. 使用PID为0x0150的ECM信息，解扰Program 1的视频和音频。
10. 将视频和音频信息拼装成PES流。
11. 使用每个PES数据包header中的PTS和DTS时间戳，确定解码和显示当前数据包的时间。
