常见视频封装格式（1） — AVI

亦凉 2021-12-24 06:07 752阅读 0赞

#### \-> 概述 ####

日常生活中，看到的视频文件的后缀名如 .mp4、.avi、.rmvb 都是属于视频文件的封装格式。所谓封装格式，就是以怎样的方式将视频轨、音频轨、字幕轨等信息组合在一起。说得通俗点，视频轨相当于饭，而音频轨相当于菜，封装格式就是一个碗或者一个锅，是用来盛放饭菜的容器。

> 视频文件的封装格式并不影响视频的画质，影响视频画面质量的是视频的编码格式。

下面介绍常见的视频封装格式 -AVI。

### 1 AVI ###

容器 AVI（Audio Video Interleaved）即音视频交错格式是一门成熟的老技术，尽管国际学术界公认 AVI 已经属于被淘汰的技术，但是简单易懂的开发 API，还在被广泛使用。

AVI 符合 RIFF（Resource Interchange File Format）文件规范，使用四字符码 FOURCC（four-character code）来表征数据类型。AVI 的文件结构分为头部、主体和索引三部分。 主体中图像数据和声音数据是交互存放的，从尾部的索引可以索引跳到自己想放的位置。

AVI 本身只是提供了这么一个框架，内部的图像数据和声音数据格式可以是任意的编码形式。因为索引放在了文件尾部，所以在播网络流媒体时已属力不从心。一个很简单的例子，从网络上下载 AVI 文件，如果没有下载完成，是很难正常播放出来。

#### 1.1 基本数据单元 ####

AVI 中有两种最基本的数据单元，一个是 chunk，一个是 list。这两种结构如下：

Chunks
    typedef struct {
        DWORD dwFourCC
        DWORD dwSize      //data
        BYTE data[dwSize] // contains headers or video/audio data
    } CHUNK;
     
    Lists
    typedef struct {
        DWORD dwList
        DWORD dwSize        //dwFourcc + data
        DWORD dwFourCC
        BYTE data[dwSize-4] // contains Lists and Chunks
    } LIST;

如上可知，Chunks 数据块由一个四字符码、4 字节 data size（指下面的数据大小）以及数据组成

List 由四部分组成，四个字节四字符码（“list”）、4 字节数据大小（指后面列的两部分数据大小）、四字节 list 类型以及数据组成，与 Chunk 数据块不同的是，List 数据内容可以包含字块（Chunk 或 List）。

#### 1.2 AVI 文件结构 ####

AVI 文件采用 RIFF 文件结构方式，使用四字符码 FOURCC（four-character code）来表征数据类型，比如 ‘RIFF’、‘AVI’、‘LIST’ 等，通常我们称四字符码为数据块 ID。因此首先我们需要了解一个标准 RIFF 文件结构。

1.  RIFF 文件的基本单元叫做数据块（Chunk），如上面基本数据单元的介绍，由数据块四字符码（数据块 ID） + 数据长度 + 数据组成。
2.  整个 RIFF 文件可以看成一个数据块，其数据块 ID 为 “RIFF”，称为 RIFF 块。一个 RIFF 文件中只允许存在一个 RIFF 块。
3.  RIFF 块中包含一系列其他子块，其中 ID 为 “LIST” 称为 LIST 块，LIST 块中可以再包含一系列其他子块，但除了 LIST 块外的其他所有的子块都不能再包含子块。

有了 RIFF 文件结构的了解，下面这张 AVI 文件结构图就比较好理解了。需要说明的是，一个 AVI 通常都包含以下几个字块：

*  ID 为 “hdrl” 的 list 块，包含了音视频信息，描述媒体流信息
 *  ID 为 “info” 的 list 块,包含编码该 AVI 的程序信息
 *  ID 为 “junk” 的 chunk 数据块，无用数据，用于填充
 *  ID 为 “movi” 的 list 块，包含了交错排列的音视频数据
 *  ID为 “idxl” 的 chunk 块，包含音视频排列的索引数据（可选块）

图：AVI 文件结构

![image][]

#### 1.3 AVI 结构详解 ####

AVI 文件直接用文本编辑如（UltraEdit）打开分析其结构即可，下面以一个 AVI 文件为例，逐字节往下分析。

##### ★ 1. RIFF 文件头 #####

用 UltraEdit 打开一个 AVI 文件

![image][image 1]

可以看到前四个字节为 “RIFF”，在接着四个字节为 RIFF 文件大小（0x01526E34 即 22176380 字节），22176380 字节只包含 "AVI " RIFF 文件类型四字符码及 RIFF 块数据长度，因此 22176380 + 8 是整个 RIFF 文件的大小。再接着 4 字节为 RIFF 文件类型 "avi "。

##### ★★ 2. hdrl list #####

**1）hdrl list 头部**

![image][image 2]

AVI 文件中必需的第一个 list 就是 hdrl list，用于描述 AVI 文件中各个流的格式信息（AVI 文件中的每一路媒体数据都称为一个流）。hdrl list 中嵌套了一系列块和子列表，首先是一个 “avih” 块，用于记录 AVI 文件的全局信息，比如流的数量、视频图像的宽和高等。

可以看到首先是 4 字节的 “list”，然后是 4 字节的 list size，接着是 4 字节 list 类型 “hdrl”，接着是 list 数据内容。

**2）avih 块**

avih 即 avi\_header，该数据块是主信息头，这意外着该 header 数据块之后就是文件多媒体流信息。

![image][image 3]

4 字节的 “avih” 标识码，4 字节大小（0x38 即 56），接下来是 56 个字节数据。该块可以用如下结构体表示：

typedef struct {
        FourCC fcc;                  // "avih" 特征码
        DWORD cb;                    // 数据大小
        DWORD dwMicroSecPerFrame;    // 视频帧间隔时间（以毫秒为单位）
        DWORD dwMaxBytesPerSec;      // AVI 文件的最大数据率
        DWORD dwPaddingGranularity;  // 数据填充的粒度
        DWORD dwFlags;               // AVI 文件的全局标记，比如是否含有索引块等
        DWORD dwTotalFrames;         // 总帧数
        DWORD dwInitialFrames;       // 为交互格式指定初始帧数（非交互格式应该指定为 0）
        DWORD dwStreams;             // 本文件包含的流的个数
        DWORD dwSuggestedBufferSize; // 建议读取本文件的缓存大小（应能容纳最大的块）
        DWORD dwWidth;               // 视频图像的宽（以像素为单位）
        DWORD dwHeight;              // 视频图像的高（以像素为单位）
        DWORD dwReserved[4];         // 保留
    } AVIMainHeader;

**3）strl list 头部**

![image][image 4]

一个 strl list 中至少包含一个 strh 块和一个 strf 块。文件中有多少个流，就对应有多少个 strl list。

上图可知，依次为 4 字节 “list”，4 字节数据大小，4 字节 “strl” 四字符码标识符。

**4）strh 块**

![image][image 5]

用于描述流的头信息

4 字节 “strh”，4 字节 “strh” 块大小（0x38 即 56），后面是 56 字节大小数据。该块用如下结构体表示，由上面 strh 块可知，该 AVI 第一个流是视频流（vids）。

// AVI流头部
    typedef struct
    {
        FourCC fcc;                 // "strh"
        DWORD cb;                   // 数据大小
        FourCC fccType;             // 流类型: auds(音频流) vids(视频流) mids(MIDI流) txts(文字流)
        FourCC fccHandler;          // 指定流的处理者，对于音视频来说就是解码器
        DWORD dwFlags;              // 标记：是否允许这个流输出？调色板是否变化？
        WORD wPriority;             // 流的优先级（当有多个相同类型的流时优先级最高的为默认流）
        WORD wLanguage;             // 语言
        DWORD dwInitialFrames;      // 为交互格式指定初始帧数
        DWORD dwScale;              // 每帧视频大小或者音频采样大小
        DWORD dwRate;               // dwScale/dwRate，每秒采样率
        DWORD dwStart;              // 流的开始时间
        DWORD dwLength;             // 流的长度（单位与 dwScale 和 dwRate 的定义有关）
        DWORD dwSuggestedBufferSize;// 读取这个流数据建议使用的缓存大小
        DWORD dwQuality;            // 流数据的质量指标（0 ~ 10,000）
        DWORD dwSampleSize;         // Sample的大小
        RECT rcFrame;               // 指定这个流（视频流或文字流）在视频主窗口中的显示位置
    } AVIStreamHeader;

**5）strf 块**

![image][image 6]

该块用于描述流的具体信息。如果是视频流（vids，由 strh 块得知），用一个 BitmapInfo 结构体表示，如果是音频流（auds），用 WaveFormatEx 结构体表示。

// 位图头
    typedef struct
    {
        DWORD  biSize;
        LONG   biWidth;
        LONG   biHeight;
        WORD   biPlanes;
        WORD   biBitCount;
        DWORD  biCompression;
        DWORD  biSizeImage;
        LONG   biXPelsPerMeter;
        LONG   biYPelsPerMeter;
        DWORD  biClrUsed;
        DWORD  biClrImportant;
    } BitmapInfoHeader;
    
    // 位图信息
    typedef struct
    {
        BitmapInfoHeader bmiHeader;   // 位图头
        RGBQUAD bmiColors[1];         // 调色板
    } BitmapInfo;
    
    // 音频波形信息
    typedef struct
    {
        WORD wFormatTag;
        WORD nChannels;               // 声道数
        DWORD nSamplesPerSec;         // 采样率
        DWORD nAvgBytesPerSec;        // 每秒的数据量
        WORD nBlockAlign;             // 数据块对齐标志
        WORD wBitsPerSample;          // 每次采样的数据量
        WORD cbSize;                  // 大小
    } WaveFormatEx;

该块首先 4 字节 “strf” 标识，4 字节数据大小（0x28 即 40个字节），接着的数据用一个 40 字节大小的 BitmapInfo 结构体表示。

6）strd 块与strh 块

*  strd：保存编解码器需要的一些配置信息
 *  strn：保存流的名字

这两个块是可选的，一个 strl list 可以不包含，不加分析。

##### ★★ 3. info list #####

info list 用于描述编码该 AVI 文件的程序信息，包含一个 isft 块

##### ★★ 4. movi list #####

![image][image 7]

movi list 用于保存真正的媒体流数据，音视频数据块在该 list 中交错方式存放着。

当 AVI 文件中包含有多个流时，数据块与数据块之间如何来区别呢？

同样的，这些数据块使用了一个四字符码来表征它的类型，这个四字符码由 2 个字节的类型码和 2 个字节的流编号组成。

可用类型码有：

1.  db：未压缩的视频帧
2.  dc：压缩的视频帧
3.  wb：音频数据
4.  pc：改用新的调色板

比如第一个流（Stream 0）是音频，则表征音频数据块的四字符码为 “00wb” ，第二个流（Stream 1）是视频，则表征视频数据块的四字符码为 “01db” 或 “01dc”。

##### ★★ 5. idx1 块 #####

最后，紧跟在 hdrl list 和 movi list 之后的，就是 AVI 文件的索引块（可选），这个索引块为 AVI 文件中每一个媒体数据块进行索引，并且记录它们在文件中的偏移（可能相对于 movi list，也可能相对于 AVI 文件开头）。索引块使用一个四字符码 “idx1” 来表征，索引信息使用一个数据结构来 AVIOLDINDEX 定义。

typedef struct _avioldindex {
       FOURCC  fcc;         // "idx1"
       DWORD   cb;          // 数据大小
       struct _avioldindex_entry {
          DWORD   dwChunkId; // 数据块 id
          DWORD   dwFlags;
          DWORD   dwOffset; // 数据块偏移
          DWORD   dwSize;   // 数据块大小
      } aIndex[];
    } AVIOLDINDEX;

在 AVIMainHeader 的 dwFlags 中指出是否包含索引块。有了索引块可以方便文件快进，如果没有索引块，在对 AVI 进行快进时需要计算位置，会很耗时。

### 3. 总结 ###

RIFF ('AVI'
         LIST('hdrl'
            'avih'(主 AVI 信息头数据)
            LIST('strl'
                    'strh' (流的头信息数据)
                    'strf' (流的格式信息数据)
                    ['strd' (可选的额外的头信息数据)]
                    ['strn' (可选的流的名字) ]
            )
            
            ... // 其他流信息
        )
            
        LIST('movi'
                { 
                    // 媒体流数据
                    SubChunk | LIST ('rec'
                    SubChunk1
                    SubChunk2
                    ...
                }
        )
        ['idx1' (可选的 AVI 索引块数据) ]
    )

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[image 1]: /images/20211223/cf0f28ac133b4df48f3ce76a19967c70.png
[image 2]: /images/20211223/fddcc2f31ad74d4d82805161996a6ec6.png
[image 3]: /images/20211223/896739267cd041378233a465d12f8d6c.png
[image 4]: /images/20211223/027b6ae5b55646039c9dd6c2223d393c.png
[image 5]: /images/20211223/33ae1d4caf8c4a52a999434a4c8b550b.png
[image 6]: /images/20211223/ea781fab8ac94c23816403936fa59806.png
[image 7]: /images/20211223/ac14e110d9cc4173abdfd985f9705c47.png