mp4文件格式詳解

目前MP4的概念被炒得很火，也很亂。最開始MP4指的是音頻（MP3的升級版），即MPEG-2 AAC標準。隨后MP4概念被轉移到視頻上，對應的是MPEG-4標準。而現在我們流行的叫法，多半是指能播放MPEG-4標準編碼格式視頻的播放器。但是這篇文章介紹的內容跟上面這些都無關，我們要討論的是MP4文件封裝格式，對應的標準為ISO/IEC 14496-12，即信息技術?視聽對象編碼的第12部分：ISO?基本媒體文件格式（Information technology Coding of audio-visual objects Part 12: ISO base media file format）。ISO/IEC組織指定的標準一般用數字表示，ISO/IEC 14496即MPEG-4標準。

????MP4視頻文件封裝格式是基于QuickTime容器格式定義的，因此參考QuickTime的格式定義對理解MP4文件格式很有幫助。MP4文件格式是一個十分開放的容器，幾乎可以用來描述所有的媒體結構，MP4文件中的媒體描述與媒體數據是分開的，并且媒體數據的組織也很自由，不一定要按照時間順序排列，甚至媒體數據可以直接引用其他文件。同時，MP4也支持流媒體。MP4目前被廣泛用于封裝h.264視頻和AAC音頻，是高清視頻的代表。

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????現在我們就來看看MP4文件格式到底是什么樣的。

1、概述

????MP4文件中的所有數據都裝在box（QuickTime中為atom）中，也就是說MP4文件由若干個box組成，每個box有類型和長度，可以將box理解為一個數據對象塊。box中可以包含另一個box，這種box稱為container box。一個MP4文件首先會有且只有一個“ftyp”類型的box，作為MP4格式的標志并包含關于文件的一些信息；之后會有且只有一個“moov”類型的box（Movie Box），它是一種container box，子box包含了媒體的metadata信息；MP4文件的媒體數據包含在“mdat”類型的box（Midia Data Box）中，該類型的box也是container box，可以有多個，也可以沒有（當媒體數據全部引用其他文件時），媒體數據的結構由metadata進行描述。

????下面是一些概念：

????track??表示一些sample的集合，對于媒體數據來說，track表示一個視頻或音頻序列。

????hint track??這個特殊的track并不包含媒體數據，而是包含了一些將其他數據track打包成流媒體的指示信息。

????sample??對于非hint track來說，video sample即為一幀視頻，或一組連續視頻幀，audio sample即為一段連續的壓縮音頻，它們統稱sample。對于hint track，sample定義一個或多個流媒體包的格式。

????sample table??指明sampe時序和物理布局的表。

????chunk?一個track的幾個sample組成的單元。

????在本文中，我們不討論涉及hint的內容，只關注包含媒體數據的本地MP4文件。下圖為一個典型的MP4文件的結構樹。

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2、Box

???????首先需要說明的是，box中的字節序為網絡字節序，也就是大端字節序（Big-Endian），簡單的說，就是一個32位的4字節整數存儲方式為高位字節在內存的低端。Box由header和body組成，其中header統一指明box的大小和類型，body根據類型有不同的意義和格式。

???????標準的box開頭的4個字節（32位）為box size，該大小包括box header和box body整個box的大小，這樣我們就可以在文件中定位各個box。如果size為1，則表示這個box的大小為large size，真正的size值要在largesize域上得到。（實際上只有“mdat”類型的box才有可能用到large size。）如果size為0，表示該box為文件的最后一個box，文件結尾即為該box結尾。（同樣只存在于“mdat”類型的box中。）

???????size后面緊跟的32位為box type，一般是4個字符，如“ftyp”、“moov”等，這些box type都是已經預定義好的，分別表示固定的意義。如果是“uuid”，表示該box為用戶擴展類型。如果box type是未定義的，應該將其忽略。

3、File Type Box（ftyp）

????該box有且只有1個，并且只能被包含在文件層，而不能被其他box包含。該box應該被放在文件的最開始，指示該MP4文件應用的相關信息。

????“ftyp” body依次包括1個32位的major brand（4個字符），1個32位的minor version（整數）和1個以32位（4個字符）為單位元素的數組compatible brands。這些都是用來指示文件應用級別的信息。該box的字節實例如下：

4、Movie Box（moov）

????該box包含了文件媒體的metadata信息，“moov”是一個container box，具體內容信息由子box詮釋。同File Type Box一樣，該box有且只有一個，且只被包含在文件層。一般情況下，“moov”會緊隨“ftyp”出現。

????一般情況下（限于篇幅，本文只講解常見的MP4文件結構），“moov”中會包含1個“mvhd”和若干個“trak”。其中“mvhd”為header box，一般作為“moov”的第一個子box出現（對于其他container box來說，header box都應作為首個子box出現）?！皌rak”包含了一個track的相關信息，是一個container box。下圖為部分“moov”的字節實例，其中紅色部分為box header，綠色為“mvhd”，黃色為一部分“trak”。

4.1 Movie Header Box（mvhd）

????“mvhd”結構如下表。

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cellpadding="0" cellspacing="0">

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
creation time	4	創建時間（相對于UTC時間1904-01-01零點的秒數）
modification time	4	修改時間
time scale	4	文件媒體在1秒時間內的刻度值，可以理解為1秒長度的時間單元數
duration	4	該track的時間長度，用duration和time scale值可以計算track時長，比如audio track的time scale = 8000, duration = 560128，時長為70.016，video track的time scale = 600, duration = 42000，時長為70
rate	4	推薦播放速率，高16位和低16位分別為小數點整數部分和小數部分，即[16.16] 格式，該值為1.0（0x00010000）表示正常前向播放
volume	2	與rate類似，[8.8] 格式，1.0（0x0100）表示最大音量
reserved	10	保留位
matrix	36	視頻變換矩陣
pre-defined	24	?
next track id	4	下一個track使用的id號

?

???

????“mvhd”的字節實例如下圖，各字段已經用顏色區分開：

4.2 Track Box（trak）

????“trak”也是一個container box，其子box包含了該track的媒體數據引用和描述（hint track除外）。一個MP4文件中的媒體可以包含多個track，且至少有一個track，這些track之間彼此獨立，有自己的時間和空間信息?！皌rak”必須包含一個“tkhd”和一個“mdia”，此外還有很多可選的box（略）。其中“tkhd”為track header box，“mdia”為media box，該box是一個包含一些track媒體數據信息box的container box。

????“trak”的部分字節實例如下圖，其中黃色為“trak”box的頭，綠色為“tkhd”，藍色為“edts”（一個可選box），紅色為一部分“mdia”。

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4.2.1 Track Header Box（tkhd）

????“tkhd”結構如下表。?

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	按位或操作結果值，預定義如下： 0x000001 track_enabled，否則該track不被播放； 0x000002 track_in_movie，表示該track在播放中被引用； 0x000004 track_in_preview，表示該track在預覽時被引用。 一般該值為7，如果一個媒體所有track均未設置track_in_movie和track_in_preview，將被理解為所有track均設置了這兩項；對于hint track，該值為0
creation time	4	創建時間（相對于UTC時間1904-01-01零點的秒數）
modification time	4	修改時間
track id	4	id號，不能重復且不能為0
reserved	4	保留位
duration	4	track的時間長度
reserved	8	保留位
layer	2	視頻層，默認為0，值小的在上層
alternate group	2	track分組信息，默認為0表示該track未與其他track有群組關系
volume	2	[8.8] 格式，如果為音頻track，1.0（0x0100）表示最大音量；否則為0
reserved	2	保留位
matrix	36	視頻變換矩陣
width	4	寬
height	4	高，均為 [16.16] 格式值，與sample描述中的實際畫面大小比值，用于播放時的展示寬高

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?

????“tkhd”的字節實例如下圖，各字段已經用顏色區分開：

4.2.2 Media Box（mdia）

????“mdia”也是個container box，其子box的結構和種類還是比較復雜的。先來看一個“mdia”的實例結構樹圖。

???????總體來說，“mdia”定義了track媒體類型以及sample數據，描述sample信息。一般“mdia”包含一個“mdhd”，一個“hdlr”和一個“minf”，其中“mdhd”為media header box，“hdlr”為handler reference box，“minf”為media information box。下面依次看一下這幾個box的結構。

4.2.2.1 Media Header Box（mdhd）

????“mdhd”結構如下表。?

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
creation time	4	創建時間（相對于UTC時間1904-01-01零點的秒數）
modification time	4	修改時間
time scale	4	同前表
duration	4	track的時間長度
language	2	媒體語言碼。最高位為0，后面15位為3個字符（見ISO 639-2/T標準中定義）
pre-defined	2	?

??

????“mdhd”的字節實例如下圖，各字段已經用顏色區分開：

4.2.2.2 Handler Reference Box（hdlr）

????“hdlr”解釋了媒體的播放過程信息，該box也可以被包含在meta box（meta）中?！癶dlr”結構如下表。

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字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
pre-defined	4	?
handler type	4	在media box中，該值為4個字符： “vide”— video track “soun”— audio track “hint”— hint track
reserved	12	?
name	不定	track type name，以‘\0’結尾的字符串

?

????“hdlr”的字節實例如下圖，各字段已經用顏色區分開：

4.2.2.3 Media Information Box（minf）

????“minf”存儲了解釋track媒體數據的handler-specific信息，media handler用這些信息將媒體時間映射到媒體數據并進行處理?！癿inf”中的信息格式和內容與媒體類型以及解釋媒體數據的media handler密切相關，其他media handler不知道如何解釋這些信息?！癿inf”是一個container box，其實際內容由子box說明。

????一般情況下，“minf”包含一個header box，一個“dinf”和一個“stbl”，其中，header box根據track type（即media handler type）分為“vmhd”、“smhd”、“hmhd”和“nmhd”，“dinf”為data information box，“stbl”為sample table box。下面分別介紹。

????下圖為“minf”部分字節實例，其中紅色為box header，藍色為“smhd”，綠色為“dinf”，黃色為一部分“stbl”。

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4.2.2.3.1 Media Information Header Box（vmhd、smhd、hmhd、nmhd）

Video Media Header Box（vmhd）?

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
graphics mode	4	視頻合成模式，為0時拷貝原始圖像，否則與opcolor進行合成
opcolor	2×3	｛red，green，blue｝

?

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Sound Media Header Box（smhd）?

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
balance	2	立體聲平衡，[8.8] 格式值，一般為0，-1.0表示全部左聲道，1.0表示全部右聲道
reserved	2	?

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Hint Media Header Box（hmhd）

????略

Null Media Header Box（nmhd）

????非視音頻媒體使用該box，略。

4.2.2.3.2 Data Information Box（dinf）

????“dinf”解釋如何定位媒體信息，是一個container box?！癲inf”一般包含一個“dref”，即data reference box；“dref”下會包含若干個“url”或“urn”，這些box組成一個表，用來定位track數據。簡單的說，track可以被分成若干段，每一段都可以根據“url”或“urn”指向的地址來獲取數據，sample描述中會用這些片段的序號將這些片段組成一個完整的track。一般情況下，當數據被完全包含在文件中時，“url”或“urn”中的定位字符串是空的。

????“dref”的字節結構如下表。?

字段	字節數	意義
box size	4	box大小
box type	4	box類型
version	1	box版本，0或1，一般為0。（以下字節數均按version=0）
flags	3	?
entry count	4	“url”或“urn”表的元素個數
“url”或“urn”列表	不定	?

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????“url”或“urn”都是box，“url”的內容為字符串（location string），“urn”的內容為一對字符串（name string and location string）。當“url”或“urn”的box flag為1時，字符串均為空。

????下面是一個“dinf”的字節實例圖。其中黃色為“dinf”的box header，由紅色部分我們知道包含的“url”或“urn”個數為1，紅色后面為“url”box的內容。紫色為“url”的box header（根據box type我們知道是個“url”），綠色為box flag，值為1，說明“url”中的字符串為空，表示track數據已包含在文件中。

4.2.2.3.3 Sample Table Box（stbl）

????“stbl”幾乎是普通的MP4文件中最復雜的一個box了，首先需要回憶一下sample的概念。sample是媒體數據存儲的單位，存儲在media的chunk中，chunk和sample的長度均可互不相同，如下圖所示。

????“stbl”包含了關于track中sample所有時間和位置的信息，以及sample的編解碼等信息。利用這個表，可以解釋sample的時序、類型、大小以及在各自存儲容器中的位置?！皊tbl”是一個container box，其子box包括：sample description box（stsd）、time to sample box（stts）、sample size box（stsz或stz2）、sample to chunk box（stsc）、chunk offset box（stco或co64）、composition time to sample box（ctts）、sync sample box（stss）等。

????“stsd”必不可少，且至少包含一個條目，該box包含了data reference box進行sample數據檢索的信息。沒有“stsd”就無法計算media sample的存儲位置?！皊tsd”包含了編碼的信息，其存儲的信息隨媒體類型不同而不同。

Sample Description Box（stsd）

????box header和version字段后會有一個entry count字段，根據entry的個數，每個entry會有type信息，如“vide”、“sund”等，根據type不同sample description會提供不同的信息，例如對于video track，會有“VisualSampleEntry”類型信息，對于audio track會有“AudioSampleEntry”類型信息。

????視頻的編碼類型、寬高、長度，音頻的聲道、采樣等信息都會出現在這個box中。

Time To Sample Box（stts）

????“stts”存儲了sample的duration，描述了sample時序的映射方法，我們通過它可以找到任何時間的sample?！皊tts”可以包含一個壓縮的表來映射時間和sample序號，用其他的表來提供每個sample的長度和指針。表中每個條目提供了在同一個時間偏移量里面連續的sample序號，以及samples的偏移量。遞增這些偏移量，就可以建立一個完整的time to sample表。

Sample Size Box（stsz）

????“stsz” 定義了每個sample的大小，包含了媒體中全部sample的數目和一張給出每個sample大小的表。這個box相對來說體積是比較大的。

Sample To Chunk Box（stsc）

????用chunk組織sample可以方便優化數據獲取，一個thunk包含一個或多個sample?！皊tsc”中用一個表描述了sample與chunk的映射關系，查看這張表就可以找到包含指定sample的thunk，從而找到這個sample。

Sync Sample Box（stss）

????“stss”確定media中的關鍵幀。對于壓縮媒體數據，關鍵幀是一系列壓縮序列的開始幀，其解壓縮時不依賴以前的幀，而后續幀的解壓縮將依賴于這個關鍵幀?！皊tss”可以非常緊湊的標記媒體內的隨機存取點，它包含一個sample序號表，表內的每一項嚴格按照sample的序號排列，說明了媒體中的哪一個sample是關鍵幀。如果此表不存在，說明每一個sample都是一個關鍵幀，是一個隨機存取點。

Chunk Offset Box（stco）

????“stco”定義了每個thunk在媒體流中的位置。位置有兩種可能，32位的和64位的，后者對非常大的電影很有用。在一個表中只會有一種可能，這個位置是在整個文件中的，而不是在任何box中的，這樣做就可以直接在文件中找到媒體數據，而不用解釋box。需要注意的是一旦前面的box有了任何改變，這張表都要重新建立，因為位置信息已經改變了。

5、Free Space Box（free或skip）

????“free”中的內容是無關緊要的，可以被忽略。該box被刪除后，不會對播放產生任何影響。

6、Meida Data Box（mdat）

????該box包含于文件層，可以有多個，也可以沒有（當媒體數據全部為外部文件引用時），用來存儲媒體數據。數據直接跟在box type字段后面，具體數據結構的意義需要參考metadata（主要在sample table中描述）。

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????普通MP4文件的結構就講完了，可能會比較亂，下面這張圖是常見的box的樹結構圖，可以用來大致了解MP4文件的構造。

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????這篇文章主要面向一些對MP4文件結構沒有太多了解的初學者，算是篇比較初級的文章，本人也是參考了一些資料寫出來的，對于MP4文件中涉及的一些概念沒有太深入的了解，因此其中應該是有一些錯誤理解，希望大家抱著批判的眼光讀這篇文章。如果有錯誤的地方，還請大家不吝賜教。

該文主要參考了標準和網友wqyuwss的blog系列文章：mp4文件格式