音视频入门基础：WAV专题（10）——FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的pts、dts的实现

news2024/11/15 10:09:44

一、引言

从文章《音视频入门基础：WAV专题（6）——通过FFprobe显示WAV音频文件每个数据包的信息》中我们可以知道，通过FFprobe命令可以打印WAV音频文件每个packet（也称为数据包或多媒体包）的信息，这些信息包含该packet的pts、dts：

打印出来的“pts”实际是AVPacket结构体中的成员变量pts，是以AVStream->time_base为单位的显示时间戳；“dts”实际是AVPacket结构体中的成员变量dts，是以AVStream->time_base为单位的解码时间戳。音频跟视频不一样，音频没有B帧，所以音频的pts和dts输出顺序一样，即pts等于dts。上述的这些值都是通过fftools/ffprobe.c中的show_packet函数打印出来的：

static void show_packet(WriterContext *w, InputFile *ifile, AVPacket *pkt, int packet_idx)
{
//...
    print_ts  ("pts",             pkt->pts);
//...
    print_ts  ("dts",             pkt->dts);
//...
}

本文讲述上述pts、dts的值是怎样被计算出来的。如果想直接看结论，可以跳到本文的最后，直接看“总结”。

二、FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的pts和dts的实现

FFmpeg得到每个packet的pts和dts的过程，实际也是解封装（解复用）的过程。

（一）对FFFormatContext结构体的AVPacket类型成员变量pkt进行初始化

FFmpeg对WAV音频文件进行解封装（解复用）时，首先会调用avformat_alloc_context函数分配解复用器上下文（AVFormatContext）。而avformat_alloc_context函数内部会调用av_packet_alloc函数给FFFormatContext结构体的AVPacket类型成员变量pkt分配内存，对pkt的成员变量进行初始化：

AVFormatContext *avformat_alloc_context(void)
{
    FFFormatContext *const si = av_mallocz(sizeof(*si));
//...
    si->pkt = av_packet_alloc();
//...
    return s;
}

 从文章《FFmpeg源码：av_init_packet、get_packet_defaults、av_packet_alloc函数分析》中可以知道，av_packet_alloc函数内部会调用get_packet_defaults函数。所以执行av_packet_alloc函数后，FFFormatContext结构体的成员变量pkt的成员pts、dts的值会变为AV_NOPTS_VALUE，也就是十进制的：-9223372036854775808。

（二）对FFStream结构体的成员变量cur_dts进行初始化

调用完avformat_alloc_context函数后，FFmpeg会调用avformat_open_input函数打开WAV音频文件。而avformat_open_input函数内部会调用wav_read_header函数解码WAV Header，关于wav_read_header函数具体可以参考：《音视频入门基础：WAV专题（5）——FFmpeg源码中解码WAV Header的实现》。然后wav_read_header函数内部又会调用avformat_new_stream函数创建音频流。avformat_new_stream函数内部会执行语句：sti->cur_dts = RELATIVE_TS_BASE对FFStream结构体的成员变量cur_dts进行初始化：

AVStream *avformat_new_stream(AVFormatContext *s, const AVCodec *c)
{
    FFFormatContext *const si = ffformatcontext(s);
    FFStream *sti;
//...
    sti = av_mallocz(sizeof(*sti));
//...
    if (s->iformat) {
//...
        /* we set the current DTS to 0 so that formats without any timestamps
         * but durations get some timestamps, formats with some unknown
         * timestamps have their first few packets buffered and the
         * timestamps corrected before they are returned to the user */
        sti->cur_dts = RELATIVE_TS_BASE;
//...
    }
    return NULL;
}

从《FFmpeg源码：RELATIVE_TS_BASE宏定义和is_relative函数分析》中可以知道，RELATIVE_TS_BASE的值为十进制的9223090561878065151，所以执行avformat_new_stream函数后，FFStream结构体的成员变量cur_dts会被初始化为9223090561878065151。

（三）compute_pkt_fields函数

调用完avformat_open_input函数后，FFmpeg会调用avformat_find_stream_info函数读取媒体的部分packet（数据包）以获取码流信息。而avformat_find_stream_info函数内部会调用read_frame_internal函数，read_frame_internal函数内部又会调用compute_pkt_fields函数。通过compute_pkt_fields函数可以获取每个packet的pts和dts：

static void compute_pkt_fields(AVFormatContext *s, AVStream *st,
                               AVCodecParserContext *pc, AVPacket *pkt,
                               int64_t next_dts, int64_t next_pts)
{
    FFFormatContext *const si = ffformatcontext(s);
    FFStream *const sti = ffstream(st);
    int num, den, presentation_delayed, delay;
    int onein_oneout = st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_H264 &&
                       st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_HEVC &&
                       st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_VVC;
//...
    /* do we have a video B-frame ? */
    delay = sti->avctx->has_b_frames;
    presentation_delayed = 0;
//...
    
    /* Interpolate PTS and DTS if they are not present. We skip H264
     * currently because delay and has_b_frames are not reliably set. */
    if ((delay == 0 || (delay == 1 && pc)) && onein_oneout) {
        if (presentation_delayed) {
        //...
        }else if (pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE ||
                   pkt->dts != AV_NOPTS_VALUE ||
                   pkt->duration > 0             ) {

            /* presentation is not delayed : PTS and DTS are the same */
            if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
                pkt->pts = pkt->dts;
            update_initial_timestamps(s, pkt->stream_index, pkt->pts,
                                      pkt->pts, pkt);
            if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
                pkt->pts = sti->cur_dts;
            pkt->dts = pkt->pts;
            if (pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE && duration.num >= 0)
                sti->cur_dts = av_add_stable(st->time_base, pkt->pts, duration, 1);
        }
    }
//...
}

compute_pkt_fields函数内部，由于音频的压缩编码格式不可能是H.264、HEVC（H.265）、VVC（H.266），所以局部变量onein_oneout的值为1：

int onein_oneout = st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_H264 &&
                       st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_HEVC &&
                       st->codecpar->codec_id != AV_CODEC_ID_VVC;

音频跟视频不一样，音频没有B帧，所以局部变量delay的值为0。局部变量presentation_delayed的值为0：

/* do we have a video B-frame ? */
delay = sti->avctx->has_b_frames;
presentation_delayed = 0;

所以表达式：(delay == 0 || (delay == 1 && pc)) && onein_oneout为真，执行大括号里的内容：

    /* Interpolate PTS and DTS if they are not present. We skip H264
     * currently because delay and has_b_frames are not reliably set. */
    if ((delay == 0 || (delay == 1 && pc)) &&
        onein_oneout) {

从《音视频入门基础：WAV专题（9）——FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的duration和duration_time的实现》中可以知道，音频文件的格式正常的情况下，pkt->duration 肯定是大于0的，所以会执行下面大括号里的内容：

else if (pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE ||
                   pkt->dts != AV_NOPTS_VALUE ||
                   pkt->duration > 0             ) {

            /* presentation is not delayed : PTS and DTS are the same */
            if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
                pkt->pts = pkt->dts;
            update_initial_timestamps(s, pkt->stream_index, pkt->pts,
                                      pkt->pts, pkt);
            if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
                pkt->pts = sti->cur_dts;
            pkt->dts = pkt->pts;
            if (pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE && duration.num >= 0)
                sti->cur_dts = av_add_stable(st->time_base, pkt->pts, duration, 1);
        }

 从上面可以知道FFFormatContext结构体的成员变量pkt的成员pts、dts的值会在avformat_alloc_context函数中被av_packet_alloc函数初始化为AV_NOPTS_VALUE，所以会执行下面语句，让pkt->pts = pkt->dts = AV_NOPTS_VALUE：

            /* presentation is not delayed : PTS and DTS are the same */
            if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
                pkt->pts = pkt->dts;

然后由于pkt->pts等于AV_NOPTS_VALUE，所以会执行pkt->pts = sti->cur_dts：

if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
    pkt->pts = sti->cur_dts;
pkt->dts = pkt->pts;

下面分情况讨论：

1.第一个packet的pts和dts

从上面可以知道，执行avformat_new_stream函数后，sti->cur_dts会被初始化为RELATIVE_TS_BASE（9223090561878065151）。所以对于第一个packet，其pkt->pts和pkt->dts的值会变为RELATIVE_TS_BASE（9223090561878065151）：

if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
    pkt->pts = sti->cur_dts;
pkt->dts = pkt->pts;

这时候表达式：pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE && duration.num >= 0为真，所以执行语句：sti->cur_dts = av_add_stable(st->time_base, pkt->pts, duration, 1)，让sti->cur_dts = pkt->pts + (1 × duration ÷ st->time_base)。关于av_add_stable函数的用法可以参考：《FFmpeg源码：av_rescale_rnd、av_rescale_q_rnd、av_rescale_q、av_add_stable函数分析》：

if (pkt->pts != AV_NOPTS_VALUE && duration.num >= 0)
    sti->cur_dts = av_add_stable(st->time_base, pkt->pts, duration, 1);

从《FFmpeg源码：compute_frame_duration函数分析》中可以知道，duration.num为该音频packet占用的以AVStream的time_base为单位的时间值，duration.den为该音频的采样频率（单位为Hz）；从《音视频入门基础：WAV专题（8）——FFmpeg源码中计算WAV音频文件AVStream的time_base的实现》中可以知道st->time_base.num为1，st->time_base.den为音频采样频率；

所以语句sti->cur_dts = pkt->pts + (1 × duration ÷ st->time_base) 等价于

sti->cur_dts = pkt->pts + duration.num。

sti->cur_dts为下一个音频packet的pts和dts，也就是说下一个音频packet的pts和dts的值是在上一个音频packet的pts和dts基础上增加duration.num。

2.第一个packet之后的packet的pts和dts

对于第一个packet之后的packet，比如第二个packet。再次调用compute_pkt_fields函数时，会继续执行语句： pkt->pts = sti->cur_dts，得到sti->cur_dts中保存的下一个packet的dts和pts：

if (pkt->pts == AV_NOPTS_VALUE)
    pkt->pts = sti->cur_dts;

（四）av_read_frame函数

调用完avformat_find_stream_info函数后，FFmpeg会调用av_read_frame函数从文件中读取数据包。av_read_frame函数内部会执行：

    if (is_relative(pkt->dts))
        pkt->dts -= RELATIVE_TS_BASE;
    if (is_relative(pkt->pts))
        pkt->pts -= RELATIVE_TS_BASE;

让该packet的pts和dts减去RELATIVE_TS_BASE（9223090561878065151）。从而得到最终的pts和dts。

三、总结

1.音频跟视频不一样，音频没有B帧，所以音频的pts和dts输出顺序一样，即pts等于dts。

2.对于音频，其第1个packet的pts和dts的值为0。之后的每个packet的pts和dts值在上一个音频packet的pts和dts基础上增加duration，也就是增加该音频packet占用的以AVStream的time_base为单位的时间值。

举个例子，某音频文件，其第1个packet的pts和dts值为0，duration值为4096。所以第2个packet的pts和dts值为0 + 4096 = 4096。第3个packet的pts和dts值为4096 + 4096 = 8192：

关于duration的概念可以参考：《音视频入门基础：WAV专题（9）——FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的duration和duration_time的实现》

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