容器格式的乐趣 第三章：MPEG-TS和Matroska

本文为媒矿工厂编译的技术文章

原标题：Fun with Container Formats – Part 3

作者：Armin Trattnig

翻译整理：陈晋进

之前的帖子翻译了Bitmovin博客上的《Fun with container formats》系列博文第一章（术语的介绍）和第二章（MP4与CMAF）。这个系列总共有三篇，分析四种最常见的容器格式及其重要性。本帖翻译第三章，将介绍MPEG-TS与Matroska这两种容器格式。

MPEG传输流（MPEG-TS）

在MPEG-2第1部分中制订了MPEG-TS的标准，专门用于数字视频广播（DVB）应用。MPEG节目流与其相对应的其他流相比，MPEG传输流是一种更适用于传输的格式，其目的是存储媒体并应用在例如DVD等实际应用之中。MPEG传输流由小的单个数据包组成，使用单个数据包的措施可以提升系统的稳定性，最大限度地减少丢包的影响。此外，该格式还使用了前向纠错（FEC）技术以允许校正接收器处的传输错误。MPEG-TS格式明确设计于有损信道视频流的传输。

复用：ES→PES→TS

基本流（ES）经编码器编码之后，首先加上一个信息头，组成为分组化基本流（PES）。此处的PES头部信息包括流标识符，PES分组长度和媒体时间戳信息等。接下来，PES被分成184个字节的块，并通过向每个块添加一个4字节的头而转换为传输流（TS）。由此得到的TS由固定长度为188字节的数据包组成。每个TS分组的头均携带相同的PID（即分组标识符），将每个分组与其对应的基本流相关联。

图1 ES→PES→TS

复用多个基本流

一般来说，一个基本流单独表示一份音频内容或视频内容。对于视频基本流而言，其通常还有额外的至少一个音频基本流。相关联的基本流会被复用到相同的传输流中，传输流中亦存在用于不同ES及其分组的单独的PID。

图2 复用多个基本流

复用多个节目

MPEG-TS具有节目（program）的概念。每个节目基本上是一组属于一起的相关基本流，例如视频和其对应音频。单个传输流可以携带多个节目，就像不同的电视频道那样。

图3 复用多个节目

一个传输流中不同节目的关联

从底层视角看来，传输流只是188字节长TS数据包的序列。如前所述，每个传输流中可以有许多节目，每个节目均具有多个基本流，但是客户端通常一次只能呈现一个节目。因此，客户端应当知道在接收传输流时要采用哪些数据包，又要丢弃哪些数据包。为此，MPEG-TS中设计了两种特殊的数据包：

1. 节目关联表（PAT）：PAT数据包的PID是保留的PID 0，它包含了传输流中的所有节目的PMT的PID。

2. 节目映射表（PMT）：一个PMT表示一个节目，并包含这个节目中的所有基本流的PID

图4 一个传输流中不同节目的关联

客户端使用PAT与PMT确定单一节目的步骤如下：

1. 检查TS数据包，从PID 0中获取PAT

2. 从PAT中找到播放器应播放的节目的PMT-PID（在图中的示例为200）

3. 获取具有相关PMT-PID的TS数据包，其中包含PMT（示例中为PID 200）

4. PMT包含所有媒体轨道的PID，这就是要播放的节目的一部分

接收传输流的客户端，首先读取它接收的第一个PAT数据包，并根据用户的选择选择要呈现的节目。从PAT中客户端得到所选节目的PMT，从而获得节目的基本流及其PID。之后，客户端将仅过滤这些PID，每个PID代表所选节目的一个ES，再对选择的ES进行解复用，解码最终讲视频内容呈现给用户。

OTT场景下的处理

OTT的数据内容基本以广播（broadcast）方式传播，因此OTT中的视频传输需要考虑到更多的条件。OTT客户端的网络连接往往不稳定，带宽也没有保障，使得OTT客户端应该只加载用户想要的内容。客户端一次只能呈现以个节目，而同时下载同一传输流所具有的多个节目及其浪费带宽，此外，通过质量适应等方法也能够更有效利用带宽。因此在OTT场景下，一个传输流中不应有多个节目。

MPEG-TS仍然广泛用于OTT，尤其是在Apple生态圈之中。

MPEG-TS与fMP4相比，其缺点是由于数据包大小较小，所有数据包报头的额外开销比较大。

图5 muxing overhead

MPEG-TS是面向传输的数据格式，并且考虑了有损信道，这对于基于HTTP的媒体传输来说并不完全适合，因为HTTP中传输损耗已经由网络堆栈处理。

调试MPEG-TS

• http://www.digitalekabeltelevisie.nl/dvb_inspector/（GUI，开源）
• http://thumb.co.il/（GUI / Web，开源）
• http://dvbsnoop.sourceforge.net/（CLI，开源）
• https://github.com/tsduck/tsduck（CLI，开源）

Matroska（Webm）

概述

Matroska是一种免费的开放标准容器格式。它基于可扩展二进制元语言（EBML），它基本上是二进制形式的XML，因此其标准易于扩展。它还能够虚拟地（virtually）支持任何编解码器。

WebM

WebM是一种基于Matroska的容器格式，由谷歌推动开发，是在网页中使用的替代MP4和MPEG2-TS的免费开源的格式。它也支持谷歌的开源和免费的编解码器，如：视频的VP8，VP9编解码器和音频的Opus和Vorbis编解码器。使用带有DASH的WebM也可以实现通过Web流式传输VP9和Opus的视频。

调试Matroska / Webm

调试和查看Matroska或WebM文件内容的最佳工具是mkvinfo(https://mkvtoolnix.download/)。