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H.264 碼流中 PTS 解析全攻略：從 NALU 分割到時間戳計算

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前言

在流媒體開發中，從 H.264 原始碼流（ES）提取呈現時間戳（PTS）是關鍵技術。本文系統整理從 NALU 分割、SPS 解析幀率、Slice 類型判斷、幀邊界偵測，到兩種 PTS 計算方法的完整流程，並提供核心程式碼片段與公式推導。

一、基礎架構：NALU 與 RBSP

H.264 ES 資料以 NALU（Network Abstraction Layer Unit）為單位傳輸/儲存。每個 NALU = NALU Header + RBSP（Raw Byte Sequence Payload）。

第一步：將位元流分割為獨立 NALU（依起始碼 0x000001 或 0x00000001 切分）。

二、關鍵參數獲取：SPS 中的幀率資訊

NALU 類型 nal_type == 0x07 為 SPS（Sequence Parameter Set）。
解析 SPS 取得 time_scale 與 num_units_in_tick，幀率公式：

fps = time_scale / num_units_in_tick

注意：標準中此值通常為實際幀率的 2 倍（因場編碼），後續計算需除以 2 或對應調整。

三、Slice 識別與幀邊界偵測

1. 判斷是否為 Slice

// nal_type 範圍 1~5 為 Slice 類型
if (i_nal_type < 1 || i_nal_type > 5) {
    // 找到 Slice NALU
}

2. 簡易幀結束判斷（FFmpeg 風格）

掃描 NALU 資料，若某位元組與 0x80 邏輯與為真，視為幀邊界（實為 first_mb_in_slice == 0 的副作用）。

for (uint32_t i = 3; i < nal_length; i++) {
    if (p_nal[i] & 0x80) {
        // 找到 frame_begin：上一幀結束、下一幀開始
    }
}

3. 正規做法：解析 Slice Header 取得 `first_mb_in_slice`

完整解析 Slice Header，若 first_mb_in_slice == 0（UE 解碼後），即為新幀開始。VLC 採用 nal_type + slice_type 組合判斷。

四、幀類型（I/P/B）判斷

根據 slice_type 對映：

switch (slice_type) {
    case 2: case 7: case 4: case 9:  flags = I_FRAME; break; // I
    case 0: case 5: case 3: case 8:  flags = P_FRAME; break; // P
    case 1: case 6:                  flags = B_FRAME; break; // B
    default:                         flags = 0;       break;
}

五、PTS 計算兩大方法

方法一：幀緩存 + 顯示順序推導（需緩存一個 GOP）

H.264 編碼順序 ≠ 顯示順序。例：

編碼順序:  I  P  B  B  I  P  B  B ...
顯示順序:  1  4  2  3  5  8  6  7 ...

公式：

PTS = 1000 * (display_order) * (time_scale / num_units_in_tick)

需緩存至少一個 GOP 才能確知 P 幀的顯示位置（因其在後續 B 幀之後）。

方法二：直接使用 `pic_order_cnt_lsb`（無需幀緩存）

每個 Slice Header 含 pic_order_cnt_lsb，表示該幀在當前 GOP 內的顯示順序（以 2 為單位遞增）。

公式：

pts = 1000 * (i_frame_counter * 2 + pic_order_cnt_lsb) * (time_scale / num_units_in_tick)
// 或等價
pts = 1000 * (i_frame_counter + pic_order_cnt_lsb / 2) * (time_scale / num_units_in_tick / 2)

i_frame_counter：最近一個 IDR 幀（I 幀）的幀序號（以 2 為單位累加）。
pic_order_cnt_lsb：當前幀在 GOP 內的相對顯示順序（0, 2, 4, 6...）。

實例驗證

幀類型:     I  P  B  B  I  P  B  B  I  P  B ...
第幾幀:     1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 11 ...
顯示順序:   1  4  2  3  5  8  6  7  9  12 10 ...
POC lsb:    0  6  2  4  0  6  2  4  0  6  2  ...

第 11 幀（B 幀）PTS 計算：1000 * (9*2 + 2) * (time_scale/num_units_in_tick)。