CN112653904B - 一种基于pts与dts修改的快速视频裁剪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法。它具体包括如下步骤：(1)对需要裁剪的视频文件设置裁剪点[A，B]；(2)对原视频文件进行第一次遍历，从前向后找到I帧时间小于A的最后一个I帧，从后向前找到大于B点的最小P帧；(3)找到需要被丢弃的帧，即文件头部需要被丢弃帧的GOP头I帧，文件末尾需要被丢弃帧的最近的P帧，取[I，P)之间的数据；(4)修改时间戳对文件进行精确裁剪。本发明的有益效果是：提升转码系统效率和降低系统资源配置，节省解码重新编码的资源消耗；裁剪帧精确、无误差；可实现高效完成视频的裁剪拆条，实现节目的快速内容上线。

Description

一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法
技术领域
本发明涉及音视频编码转码相关技术领域，尤其是指一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法。
背景技术
随着5G的普及，视频直点播已从高清向超高清转变，同时数量占比也越来越高。而超高清的视频制作过程中所需的机器性能和数量要求也相应变得越来越高。如何提高时效性，如何快速上线，也变得越来越重要。 目前视频文件裁剪后输出，主要是下面三种方法：
方法一：根据裁剪时间点进行全部转码。这种方法可实现帧精确编转码，转码后文件时长一致。但是当视频源为超高清时，对转码服务器性能要求高，且转码效率低，耗时长等缺点。
方法二：通过编码转码系统进行透传转码。转码效率高，速度快，但是透传输出的文件往往存在多帧、少帧，爆音，花屏等一系列问题，无法满足审核类节目对视频精确性等视频质量的要求。
方法三：根据视频格式的特点，通过对视频GOP的分析，找出裁剪时间点最接近I帧时间点，只编码I帧和裁剪时间点小部分编码加其余部分透传组合的方式达到帧精确和快速转码的要求。但当视频源为超高清时，仍需高配置服务器。
以上三种方法都存在缺陷，无法满足快速帧精确和低配服务器编转码的需求。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种满足快速帧精确和低配服务器编转码的基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法，具体包括如下步骤：
（1）对需要裁剪的视频文件设置裁剪点[A，B]；
（2）对原视频文件进行第一次遍历，从前向后找到I帧时间小于A的最后一个I帧，从后向前找到大于B点的最小P帧；
（3）找到需要被丢弃的帧，即文件头部需要被丢弃帧的GOP头I帧，文件末尾需要被丢弃帧的最近的P帧，取[I，P )之间的数据；
（4）修改时间戳对文件进行精确裁剪。
本发明是基于TS文件格式视频播放的原理及视频编码序列的特点设计的，常见的视频都是基于GOP方式，也就是图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束。而整个视频则是由一系列的GOP前后连接组成。在视频编码序列中，主要有三种编码帧：I帧、P帧、B帧。
I帧：即Intra-coded picture（帧内编码图像帧），不参考其他图像帧，只利用本帧的信息进行编码。
P帧：即Predictive-coded picture（预测编码图像帧），利用之前的I帧或P帧，采用运动预测的方式进行帧间预测编码。
B帧：即Bidirectionally predicted picture（双向预测编码图像帧)，提供最高的压缩比，它既需要之前的图像帧(I帧或P帧)，也需要后来的图像帧(P帧)，采用运动预测的方式进行帧间双向预测编码。
因为存在各种类型帧之间的参考关系，视频编码序列和视频解完码的图像序列排布是不一致的。在视频编码码流中，视频以解码顺序排列，既按I->P->B方式排序，而解完码的码流则按I->B->P排序。编码码流按DTS时间解码，解码后的图像按PTS顺序显示。
DTS：Decode-Time-Stamp。DTS主要是标识读入内存中的比特流在什么时候开始送入解码器中进行解码。
PTS：Presentation-Time-Stamp。PTS主要用于度量解码后的视频帧什么时候被显示出来。
在音频编码中，每个音频编码单元包含了若干个PCM采样点，每个音频编码单元之间相互不参考，既每个音频编码帧都可以独立解码，也可以作为起始解码点，既音频编码码流中，每个音频编码帧都可以作为裁剪起始点。
而视频编码序列中，因为存在视频帧之间的相互参考关系，一般最小的分割单元是GOP，而一个GOP的帧序列长度一般在25到100，一般持续时间超过1秒。难以满足视频裁剪的帧精确的要求，所以一般情况下需要解码后重新编码来达到帧精确的裁剪。
一般视频文件只包含了PTS及DTS，如MP4等都是根据音视频的PTS/DTS来播放及音视频同步的，这种文件里面，没有节目参考时钟，无法判断每一帧视频/音频是否合法，播放器默认会播放文件内所有音视频，仅参考音视频的PTS进行播放。而TS文件比这类视频文件多包含了一种PCR的信息：
PCR：Program Clock Reference，节目参考时钟，存在TS码流中，用于描述流时钟的变化，可以用于音视频播放同步。
在ts文件的播放流程中，可以基于PCR进行同步播放，根据其原理，我们可以设计一种基于修改DTS/PTS的方法来对一个视频文件进行裁剪，而不需要进行重新编解码编码。本发明提出基于PTS/DTS修改技术实现快速转码系统，主要用于输出TS视频文件格式，TS文件格式为使用最广泛的一种视频文件格式，广泛用于各类视频直播，点播/轮播系统内。本发明提供音视频快速转码解决方案，实现如下特性：提升转码系统效率和降低系统资源配置，节省解码重新编码的资源消耗；裁剪帧精确、无误差；主要支持TS文件格式的视频源；全格式的音视频编码类型支持；支持4K/HDR等文件格式；基于以上特性可实现高效完成视频的裁剪拆条，实现节目的快速内容上线。
作为优选，在步骤（3）中，查找需要被丢弃的帧具体方法如下：
（31）根据设置的入裁剪点A和出裁剪点B，查找音视频第一帧DTS_start，计算入点时间戳DTS_A= DTS_start+A，计算出点时间戳DTS_B=DTS_start+B；
（32）遍历文件，找到一个I帧，计算视频的PTS和DTS差值deltaPTS，deltaPTS=I_PTS-I_DTS，I_PTS和I_DTS是同一个I帧的PTS和DTS值；
（33）遍历文件，视频帧PTS-deltaPTS<DTS_A的帧需要被丢弃，PTS-deltaPTS>DTS_B的需要被丢弃；音频因为没有帧间参考，所以PTS=DTS，所有音频DTS<DTS_A的的需要被丢弃，所有DTS>DTS_B的帧也需要被丢弃。
作为优选，在步骤（4）中，针对音频的精确裁剪为：音频因为没有帧间参考，所以标记需要丢弃的音频数据包可以直接丢弃，不用拷进新文件。
作为优选，在步骤（4）中，针对视频的精确裁剪为：视频帧因为存在帧间相互参考关系，不能随意丢弃，所以只能裁剪到GOP头的I帧，但是根据ts视频文件的PCR同步播放原理，不合法帧可以在播放端丢弃，这里把需要丢弃视频帧的PTS设置为0，PCR及DTS设置为真正裁剪起始的时间，这样需要帧精确裁剪掉的视频帧DTS为新文件起始时间戳，在解码后，需要丢弃帧的PTS =0，PCR>PTS，遵循PCR同步播放的终端会在播放端进行过期丢弃处理。
本发明的有益效果是：提升转码系统效率和降低系统资源配置，节省解码重新编码的资源消耗；裁剪帧精确、无误差；主要支持TS文件格式的视频源；全格式的音视频编码类型支持；支持4K/HDR等文件格式；可实现高效完成视频的裁剪拆条，实现节目的快速内容上线。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是视频帧结构及参考关系图；
图3是ts文件基于PCR播放流程图；
图4是裁剪播放效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所述的实施例中，一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法，具体包括如下步骤：
（1）对需要裁剪的视频文件设置裁剪点[A，B]；
（2）对原视频文件进行第一次遍历，从前向后找到I帧时间小于A的最后一个I帧，从后向前找到大于B点的最小P帧；
（3）找到需要被丢弃的帧，即文件头部需要被丢弃帧的GOP头I帧，文件末尾需要被丢弃帧的最近的P帧，取[I，P )之间的数据；查找需要被丢弃的帧具体方法如下：
（31）根据设置的入裁剪点A和出裁剪点B（时:分:秒:毫秒），查找音视频第一帧DTS_start，计算入点时间戳DTS_A= DTS_start+A，计算出点时间戳DTS_B=DTS_start+B；
视频文件的音视频第一帧就是指视频文件内容里第一帧音频或者视频帧，由于(A，B)点表述的是时间轴概念，单位为ms，一般表述格式是“时:分:秒 毫秒”，在ts文件中，音视频的PTS/DTS以90khz存储，并非从0开始，所以计算A点需要知道文件的第一个DTS是多少，从而计算出A点的DTS应该是多少，B点的DTS应该是多少。这两个裁剪点是裁剪后文件的起始帧和尾帧，裁剪后的文件进一步通过修改PTS完成帧精确的裁剪。
（32）遍历文件，找到一个I帧，计算视频的PTS和DTS差值deltaPTS（一般为0，有些视频文件PTS相对DTS会延后几帧），deltaPTS=I_PTS-I_DTS，I_PTS和I_DTS是同一个I帧的PTS和DTS值；
这里的I帧可以是文件内任意一个I帧，这里指文件第一个I帧，I_PTS和I_DTS是同一个I帧的PTS和DTS值，这里主要为了计算出该TS文件PTS解码完是否等于DTS，或者DTS延后了多少时间。因为’IPBBB’GOP结构的存在，如果设PTS=DTS，假设码流中时间戳为DTS=4,5,6,7,8，如果按DTS时间排，则PTS=4,7,6,8,5，I帧的PTS=DTS，而对应的中间几帧出现DTS-PTS<0，一般要求视频码流中DTS<=PTS，否则某些播放器会出现卡顿。所以PTS一般会设置为1,4,3,5,2，则deltaPTS=-3，DTS相对PTS延后3帧（一般延后帧数为B帧个数，是个固定值）。因为裁剪点用的是DTS_A，DTS_B，所以PTS需要换算为相应的DTS再进行对比。
（33）遍历文件，视频帧PTS-deltaPTS<DTS_A的帧需要被丢弃，PTS-deltaPTS>DTS_B的需要被丢弃；音频因为没有帧间参考，所以PTS=DTS，所有音频DTS<DTS_A的的需要被丢弃，所有DTS>DTS_B的帧也需要被丢弃。
（4）修改时间戳对文件进行精确裁剪；
针对音频的精确裁剪为：音频因为没有帧间参考，所以标记需要丢弃的音频数据包可以直接丢弃，不用拷进新文件。
针对视频的精确裁剪为：视频帧因为存在帧间相互参考关系，不能随意丢弃，所以只能裁剪到GOP头的I帧，但是根据ts视频文件的PCR同步播放原理，不合法帧可以在播放端丢弃，这里把需要丢弃视频帧的PTS设置为0，PCR及DTS设置为真正裁剪起始的时间，这样需要帧精确裁剪掉的视频帧DTS为新文件起始时间戳，在解码后，需要丢弃帧的PTS =0，PCR>PTS，遵循PCR同步播放的终端会在播放端进行过期丢弃处理。
本发明是基于TS文件格式视频播放的原理及视频编码序列的特点设计的，常见的视频都是基于GOP方式，也就是图像以序列为单位进行组织，一个序列是一段图像编码后的数据流，以I帧开始，到下一个I帧结束。而整个视频则是由一系列的GOP前后连接组成。在视频编码序列中，主要有三种编码帧：I帧、P帧、B帧。
I帧：即Intra-coded picture（帧内编码图像帧），不参考其他图像帧，只利用本帧的信息进行编码。
P帧：即Predictive-coded picture（预测编码图像帧），利用之前的I帧或P帧，采用运动预测的方式进行帧间预测编码。
B帧：即Bidirectionally predicted picture（双向预测编码图像帧)，提供最高的压缩比，它既需要之前的图像帧(I帧或P帧)，也需要后来的图像帧(P帧)，采用运动预测的方式进行帧间双向预测编码。
如图2所示，因为存在各种类型帧之间的参考关系，视频编码序列和视频解完码的图像序列排布是不一致的。在视频编码码流中，视频以解码顺序排列，既按I->P->B方式排序，而解完码的码流则按I->B->P排序。编码码流按DTS时间解码，解码后的图像按PTS顺序显示。
DTS：Decode-Time-Stamp。DTS主要是标识读入内存中的比特流在什么时候开始送入解码器中进行解码。
PTS：Presentation-Time-Stamp。PTS主要用于度量解码后的视频帧什么时候被显示出来。
在音频编码中，每个音频编码单元包含了若干个PCM采样点，每个音频编码单元之间相互不参考，既每个音频编码帧都可以独立解码，也可以作为起始解码点，既音频编码码流中，每个音频编码帧都可以作为裁剪起始点。
而视频编码序列中，因为存在视频帧之间的相互参考关系，一般最小的分割单元是GOP，而一个GOP的帧序列长度一般在25到100，一般持续时间超过1秒。难以满足视频裁剪的帧精确的要求，所以一般情况下需要解码后重新编码来达到帧精确的裁剪。
一般视频文件只包含了PTS及DTS，如MP4等都是根据音视频的PTS/DTS来播放及音视频同步的，这种文件里面，没有节目参考时钟，无法判断每一帧视频/音频是否合法，播放器默认会播放文件内所有音视频，仅参考音视频的PTS进行播放。而TS文件比这类视频文件多包含了一种PCR的信息：
PCR：Program Clock Reference，节目参考时钟，存在TS码流中，用于描述流时钟的变化，可以用于音视频播放同步。
如图3所示，在ts文件的播放流程中，可以基于PCR进行同步播放，根据其原理，我们可以设计一种基于修改DTS/PTS的方法来对一个视频文件进行裁剪，而不需要进行重新编解码编码。
基于图3的播放原理，我们设计上述流程（见图1）来修改PTS/DTS/PCR等来完成帧精确的裁剪文件效果，设置裁剪点[A，B]，首先对原视频文件进行第一次遍历，从前向后找到I帧时间小于A的最后一个I帧，从后向前找到大于B点的最小P帧，对这段文件进行PTS/DTS/PCR修改操作。裁剪前后及播放端的实现效果见图4，经过一次文件拷贝，期间修改其中某几个字段，即可完成帧精确的视频裁剪效果，极大的节省了计算资源，从而可以在非常低配置的机器完成4k/8K视频文件的裁剪。
本发明提出基于PTS/DTS修改技术实现快速转码系统，主要用于输出TS视频文件格式，TS文件格式为使用最广泛的一种视频文件格式，广泛用于各类视频直播，点播/轮播系统内。本发明提供音视频快速转码解决方案，实现如下特性：提升转码系统效率和降低系统资源配置，节省解码重新编码的资源消耗；裁剪帧精确、无误差；主要支持TS文件格式的视频源；全格式的音视频编码类型支持；支持4K/HDR等文件格式；基于以上特性可实现高效完成视频的裁剪拆条，实现节目的快速内容上线。

Claims (1)

1.一种基于PTS与DTS修改的快速视频裁剪方法，其特征是，具体包括如下步骤：
（1）对需要裁剪的视频文件设置裁剪点[A，B]；
（2）对原视频文件进行第一次遍历，从前向后找到I帧时间小于A的最后一个I帧，从后向前找到大于B点的最小P帧；
（3）找到需要被丢弃的帧，即文件头部需要被丢弃帧的GOP头I帧，文件末尾需要被丢弃帧的最近的P帧，取[I，P )之间的数据；查找需要被丢弃的帧具体方法如下：
（31）根据设置的入裁剪点A和出裁剪点B，查找音视频第一帧DTS_start，计算入点时间戳DTS_A= DTS_start+A，计算出点时间戳DTS_B=DTS_start+B；
（32）遍历文件，找到一个I帧，计算视频的PTS和DTS差值deltaPTS，deltaPTS=I_PTS-I_DTS，I_PTS和I_DTS是同一个I帧的PTS和DTS值；
（33）遍历文件，视频帧PTS-deltaPTS<DTS_A的帧需要被丢弃，PTS-deltaPTS>DTS_B的需要被丢弃；音频因为没有帧间参考，所以PTS=DTS，所有音频DTS<DTS_A的帧 需要被丢弃，所有DTS>DTS_B的帧也需要被丢弃；
（4）修改时间戳对文件进行精确裁剪；
针对音频的精确裁剪为：音频因为没有帧间参考，所以标记需要丢弃的音频数据包可以直接丢弃，不用拷进新文件；
针对视频的精确裁剪为：视频帧因为存在帧间相互参考关系，不能随意丢弃，所以只能裁剪到GOP头的I帧，但是根据ts视频文件的PCR同步播放原理，不合法帧可以在播放端丢弃，这里把需要丢弃视频帧的PTS设置为0，PCR及DTS设置为真正裁剪起始的时间，这样需要帧精确裁剪掉的视频帧DTS为新文件起始时间戳，在解码后，需要丢弃帧的PTS =0，PCR>PTS，遵循PCR同步播放的终端会在播放端进行过期丢弃处理。
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