深入理解音视频pts，dts，time_base以及时间数学公式

news2024/9/24 6:31:15

引入

首先介绍一下基础名词

DTS（Decoding Time Stamp）：即解码时间戳，这个时间戳的意义在于告诉播放器该在什么时候解码这一帧的数据。当数据没b帧时，dts = pts，有兴趣可参阅我前面视频知识类文章。

PTS（Presentation Time Stamp）：即显示时间戳，这个时间戳用来告诉播放器该在什么时候显示这一帧的数据。

time_base : 时间基用于表示时间基准,即时间戳的单位。它也是用来度量时间的,在我们生活世界中，有各种时间单位比如年月日时分秒，这都可用理解为时间基。在ffmpeg是这样设计的

typedef struct AVRational{
    int num; ///< Numerator
    int den; ///< Denominator
} AVRational;
转化成double类型 方便计算 比如原子单位是秒 则分表示AVRational{1，60};
static inline double av_q2d(AVRational a){
    return a.num / (double) a.den;
}

不同时间基与相同时间戳组合，就把时间具体化了，比如2小时后买菜，那是不是可以说120分钟或者7200秒后买菜，这种转化过程在人类世界看着很鸡肋，但是可以转化成“原子时间”(最终单位不可再往下面转换)，这对于计算机处理音视频打下根基，因为不同的封装格式，timebase是不一样的。


time_base={1,60}  pts = 2h
显示未来时间戳预测值= pts * time_base =120分钟
编程处理则是：pts*av_q2d(time_base) 是帧的显示时间戳。

结合音视频实践讨论

在一个视频播放时会进行解复用得到音视频分离的压缩数据，再进行解码得到原始数据，进行播放（这里暂且跳过队列，同步讨论）。为什么要这么麻烦？假设电影大小压缩是5g 那原始数据可能高达30g,所以这个编解码过程是很有必要的。（ffmpeg的时间基都是以秒为单位）

在ffmpeg中对应的结构体为AVFrame,它的时间基为AVCodecContext 的time_base ,AVRational{1,25}

压缩后的数据（对应的结构体为AVPacket）对应的时间基为AVStream的time_base，AVRational{1,90000}。

因为数据状态不同，时间基不一样，所以我们必须转换，在1/25时间刻度下占10格，在1/90000下是占多少格。这就是pts的转换。

常用数学公式

每帧采样点数即是帧讨论

音视频很多是相通但不相同知识点，具体是有差异的比如

音频	视频
采样率常见的采样率有 44.1 kHz、48 kHz	帧率常见的帧率有 24 fps、30 fps、60 fps
采样精度(sample depth)指的是每个音频样本的位数,常见的有 16 位、24 位等。	视频色深(bit depth)指的是每个像素点的颜色位数,常见的有 8 位(256 色)、10 位(1024 色)、12 位(4096 色)等
声道数(channels)指的是音频的声道数,常见的有单声道(1)、立体声(2)、5.1 声道(6)等	分辨率(resolution)指的是视频图像的宽度和高度,常见的有 1920x1080(Full HD)、3840x2160(4K)等

timestamp(秒) = pts * av_q2d(st->time_base)
根据pts来计算一帧在整个视频中的时间位置：

time(秒) = st->duration * av_q2d(st->time_base)
计算视频长度


af->duration = av_q2d((AVRational){frame->nb_samples, frame->sample_rate});
⾳频播放时间计算:
每帧持续时间(秒) = 每帧采样点数 / 采样频率（HZ）
以采样率44100Hz来计算，每秒44100个sample，⽽正常⼀帧为1024个sample，可知每帧播放时间/1024=44100，得到
每帧播放时间=1024/44100=0.02321995464852608s （23.21995464852608 ms）。
如果我们在处理浮点数不当，直接截取前n位，这里就存在音视频同步问题，
比如如果累计10万帧，误差>1199毫秒，那视频的音视频不对称了。


int av_get_audio_frame_duration(AVCodecContext *avctx, int nb_samples)
比特率 = 采样率 * 采样精度 * 声道数
例如，如果采样率是44100Hz，采样精度是16位，双声道立体声，则比特率为 44100 × 16 × 2 = 1,372,800bps。


data_size = av_samples_get_buffer_size(NULL, af->frame->channels,
                                           af->frame->nb_samples,
                                           af->frame->format, 1);
⾳频帧数据量 = 每帧采样点数 * 采样精度 * 声道数
例如，一个音频帧如果有1024个样本，每个样本是16位（2字节），并且有两个声道，则该帧的数据量为1024样本 × 2字节样本 × 2声道 = 4096字节。
以上两者关系： 音频帧数据量 * 播放时长 = 比特率 



frame->pts = av_rescale_q(d->next_pts, d->next_pts_tb, tb);
输出采样点 = (输入采样点 * 输出采样率/ 输入采样率)
，即上面提到的pkt由于数据量较小，而frame数据量大，所以需要pts时间戳转化。



关于音频pts的计算 很好理解 因为分成了原子块，那不就是等差数列吗：
pts = n*duration = n*nb_samples  
next_pts-current_pts=current_duration
根据数学等差公式an=a1+(n-1)*d可得pts=n*d

码率 = 音频文件大小/时长

int av_image_get_buffer_size(enum AVPixelFormat pix_fmt, int width, int height, int align)
一帧图像大小 = 宽 * 高 * 像素格式大小字节数

具体音视频采样点这些基础知识，看一看我之前的文章，这里不详细深入。

不同结构体的time_base/duration分析

ffmpeg存在多个时间基准(time_base)，对应不同的阶段(结构体)，每个time_base具体的值不⼀样， ffmpeg提供函数在各个time_base中进⾏切换。

AVFormatContext
duration：整个码流的时⻓，获取正常时⻓的时候要除以AV_TIME_BASE,得到的结果单位是秒

AVStream

time_base：单位为秒，⽐如AAC⾳频流，他可能是{1,44100} TS流，按{1, 90000} duration：表示该数据流的时⻓，以AVStream->time_base 为单位

AVPacket

pts：以AVStream->time_base为单位

dts：以AVStream->time_base为单位

duration：以AVStream->time_base为单位

AVFrame

pts：以AVStream->time_base为单位

pkt_pts和pkt_dts：拷⻉⾃AVPacket，同样以AVStream->time_base为单位

duration：以AVStream->time_base为单位