DirectShow的RTP发包（H264）Filter <转>

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DirectShow的RTP发包（H264）Filter

基于DirectShow的框架H.264 RTP Sender Filter

开发框架与环境：

1.VS2017——工具集为V120-VS2013

2.jrtplib-3.11.1 jthread-1.3.3 编译为32位版

3.程序为32位程序

4.DirectShow链路图如下（控制台为RTP发送地址与本机端口）

5.RTP拆包方式为FU-A

6.x264编码filter为ffdshow codec（本filter支持输入为H264的sample）

7.本程序开源（部分实现借鉴了许多CSDN博客与大牛的程序），请遵守开源协议

git地址：https://github.com/EthanXzhang/RTP-Sender-Filter

实现部分

有空的话应该会整理个更详细的版本，这里主要就说一下遇到的问题好了。

实现DirectShow+jrtplib的H264收发包程序，总共用时约两周，主要的精力和时间花在了RTP协议、RTP拆包与H.264

字节流处理、H.264格式的解析上。

1.H.264的NAL单元（NALU）

H.264编码实现了网络层也就是NAL，其中每一个单元（NALU）适用于网络传输，详细的这里不阐述了，捡重点的方

便大家快速理解。

编码器对原始采集视频（图像）进行处理后，输出的每一帧即是一个NALU。这里的每一帧包括编码器初始化输出的

PPS和SPS。

实际上，我们需要用RTP实现的传输，就是从输入pin中的数据，提取每一帧（NALU），对NALU进行打包发送。

H.264编解码，怎样完成？需要怎样保持数据的发送？

首先，H.264的编码，除了初始化编码器后，输出PPS和SPS外，之后的所有NALU单元，都为I-P-B帧的组合。其中，

I帧为关键帧，解码器遇到这一帧后，会清除重置解码器的预测基准（具体请参考H.264编码与运动预测模型），而P

帧和B帧则是前向预测帧和双向预测帧。H.264由于进行了运动预测，因此除了I帧外，P帧和B帧仅需要较少的bit进行

编码，从而减少传输的数据量。

既然考虑网络传输，肯定需要知道接收端/解码器，需要什么信息才能完成解码。网上一些资料说到，需要PPS和

SPS，解码器才能获得编码的信息。这部分可能是基于封装后的H.264编码视频，而不是指实时采集的H.264视频流。

这里可以告诉大家的是，解码器需要的一切信息，都在编码器定时编码输出的I帧中。也就是，接收端开启后，收到到

来的第一个I帧后，便可以开始正常的解码工作。之后遇上任何网络波动、丢包、延迟等情况，都会在下一个I帧后重

置。I帧的速率，由编码器控制。由于I帧需要较大的编码量，因此一般编码器缺省I帧速率居中，通常受输出压缩率与

质量影响。

较高的I帧速率，可以保证较好的动态分辨率，降低延迟、丢包等带来的视频模糊、拖影、花屏影响，但相对的会增

加网络传输的数据量。（通常一个I帧的数据量是P B帧的五倍以上）

如果网络丢包严重、延迟较高，有需要较好的动态分辨率和画质，可以通过提高I帧的编码速率来解决。

这一部分，简单来说，编码器输出一个个NALU，而我们不需要管这个NALU是具体什么帧，只需要对它进行RTP

拆包并发送就可以了。解码器会自动等待I帧，并开始之后的解码工作。

2.NALU的结构

无论这个NALU是PPS还是SPS，又或者I P B帧，他们都具有一样的结构。

startcode+NALU头+NALU数据。

startcode，起始码，主要是帮助解码器从数据流中分辨NALU用。startcode格式十分固定，但根据编码器规范，

可能具有两种不同的形式。

三位的0x000001与四位的0x00000001。无论哪种格式，都可以通过读0后读1判断。当遇到一个startcode后，紧接

着startcode后的数据就是该NALU的数据，直到遇到下一个startcode。

对于实时采集编码来说，由于我们使用的filter处理数据单位为Sample，每一个MediaSample中携带的数据即是一帧

数据，因此，永远都是以startcode开头，并且无需判断该NALU结束（直接使用actualsize数据长度取数据）

但是，这里有一个问题。

由于MediaSample的getPointer（BYTE
**pb）方法，获得指向内存的指针。而BYTE为unsigned char型，0x00在

char型中默认为NULL。也就是，此时返回的指针会提示指向的数据为空（'0'
\0），但实际只是因为指向的第一个char

型内存单元为0x00。

此时，不要慌张，通过循环判断*pb==0x00（或NULL）;pb++的方法，使指针后移，便可取到startcode后的NALU

数据。紧接着startcode，是一个字节NALU头，8位bit组成。由高位到低位依次是F（1bit）-NRI（2bit）-TYPE（5bit）。

这个部分后面的RTP拆包需要用到，因此需要保存下来（我使用了一个结构体，方便赋值）

NALU头之后，便是H.264的帧数据，这部分原封不动保留下来，直接装载到RTP包的playload中就好了。

PS：这一部分，主要可能遇到的问题是startcode的处理。由于startcode开头有2-3位的0x00，很多人使用

IMediaSample->getPointer方法会以为取得了空指针，而不断怀疑filter与Sample的问题。实际上，只要对指针pb进行

后移处理就好。（其实，我这里就被坑了3天，才反应过来）

3.RTP发包

JRTPLib使用的UDP协议进行发包。UDP协议是不可靠传送协议，因此，装载数据量大的UDP包容易被路由丢弃。

因此，根据RTP协议，通常将每一个RTP包的最大装载量限制在1400（JRTPLIB中用MAX定义为1360大小）。

RTP拆包协议主要由FU-A和FU-B两种，这里我主要使用的是FU-A拆包方式，具体的可以百度更详细的资料，不过

度展开。FU-A的好处是，可以直接使用VLC等播放器，对你的发送端进行测试，而不需要开发出接收端。

当你需要对NALU进行拆包时，假设拆了N个包，那么这里面只有两种包，即前N-1种和最后一包N。（最后一包不

同）FU-A协议，需要在每一个NALU数据前（去掉NALU header），额外添加FU indicator和FU header，各一个字节。

不需要拆包的NALU单元，直接发送即可（包括NALU头）。

FU
indicator有以下格式：
      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|（注意，左边为高位，右边为低位，此处0-7表示比特流的起始到终止的方向）
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |F|NRI|  Type   |
      +---------------+
   FU指示字节的类型域 Type=28表示FU-A。。NRI域的值必须根据分片NAL单元的NRI域的值设置。
 
   FU header的格式如下：
      +---------------+
      |0|1|2|3|4|5|6|7|
      +-+-+-+-+-+-+-+-+
      |S|E|R|  Type   |
      +---------------+
   S: 1 bit
   当设置成1,开始位指示分片NAL单元的开始。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元荷载的开始，开始位设为0。
   E: 1 bit
   当设置成1, 结束位指示分片NAL单元的结束，即, 荷载的最后字节也是分片NAL单元的最后一个字节。当跟随的FU

荷载不是分片NAL单元的最后分片,结束位设置为0。

R: 1 bit
   保留位必须设置为0，接收者必须忽略该位。
   Type: 5 bits
   NAL单元荷载类型定义见下表

表1.  单元类型以及荷载结构总结
      Type  Packet      Typename                      
     ---------------------------------------------------------
      0     undefined                                   -
      1-23   NALunit    Single NAL unit packet per H.264  
      24    STAP-A     Single-time aggregation packet   
      25    STAP-B     Single-time aggregation packet   
      26    MTAP16    Multi-time aggregation packet     
      27    MTAP24    Multi-time aggregation packet     
      28     FU-A     Fragmentation unit               
      29    FU-B      Fragmentationunit                
      30-31 undefined

简单来说，FU-A的拆包方式，indicator你只需要注意TYPE设置为28，F和NRI全部取NALU的头对应的位。Header你

只需要注意TYPE取得NALU头的type，S
E R全部置0（最后一包的E置1）。

这里说明一下FU-A的工作方式。

接收端根据RTP包中头一位（可能为FU indicator或NALU header）的TYPE位，判断这个包具体是什么。

当紧接着一包的FU header E位为1时候，接收端便知道要进行组包工作。

JRTPLib通过RTP包的mark位判断是否是最后一包，进行组包（具体见代码）。

4.filter的实现

这部分没太多可说的，不过因为DirectShow
filter相关的资料现在越来越难找，因此也大概说一下遇到的问题。

本程序前后使用了CBaseRenderer、CBaseVideoRenderer、CTransformFilter实现。

其实，选用哪个filter，主要看当前filter的目的和在整个链路中的定位。

我当前使用的是Transform，作为中间filter。

实际上，我是被迫这么做的。

早期我打算使用的Renderer，继承实现doRender方法，来进行RTP发包。但由于IMediaSample的getPointer一直为

空，而我的资料又很有限。在前后换了使用Base和Video的父类，使用了pin方法Receive，仍然解决不了后，我就更换

了Transform filter来尝试实现。（这个filter的资料相对多一些）

实际上，只是因为startcode的0x00，字符指针为NULL而已。

关于filter部分，实际上需要实现的基本只有以下几个部分：

1.filter信息与注册（名字、CLSID、pin属性）

2.checktype方法（不同位置的check方法不同，用以检测pin口是否匹配，通常必须实现）

3.关键的处理方法（doRender、Transform、FillBuffer）

4.createInstance与构造函数完成初始化

5.RTP传输问题处理

进行RTP传输的时候，视频经常会出现灰蒙、抖动、花屏。

总结来说，基本就是延迟、丢包、乱序的问题。

但在本地收发测试中，丢包和延迟的问题基本不会存在，一般也不可能存在乱序的情况。

那么，为什么本地VLC测试，还会出现上述状况呢？

请使用秒表在采集端进行测试……

经过我的检测发现，是发送端的时间戳和发送频率、延迟设置的问题。

由于实时采集，一般来说，发送频率和帧率是匹配，播放端才能还原出和采集端同速的图像。

如果发送端，发送速度高于帧率，播放端接收到就会马上播放，因此时常会处于等待状态，出现延迟的情况。

如果发送端，发送速度慢与帧率，播放端则会慢速播放，而下一个I帧到来又会刷新还没播放完的P
B帧，出现卡顿的情况。

而类似画面抖动，帧间预测导致画面中动作往复、影响重叠，则是RTP包乱序，或者P
B帧跟随前面的I帧顺序不对，

也大多是因为上述问题产生的。