MPEG-TS

Транспортный поток (TS, TP, MPEG-TS, или M2TS) является протоколом для передачи аудио- и видеоданных, описанным в MPEG2, часть 1^[1]. Цель разработки этого стандарта — мультиплексирование аудио- и видеоданных и синхронизация их выхода. Транспортный поток открывает возможности для исправления ошибок транспортных средств, таких как DVB и ATSC.

Несколько MPEG программ объединяются, а затем отправляются на передающую антенну. В трансляциях цифрового ТВ США ATSC-приёмник декодирует TS и отображает его.

TS — формат медиаконтейнера, который инкапсулирует пакеты элементарных потоков и других данных.

Структура потока

В транспортном потоке можно выделить несколько уровней абстракции, иерархическая структура которых напоминает сетевую модель OSI. Например поток, содержащий видео, можно представить следующим образом:

• Смесь различных программ.
  • Пакетизированный элементарный поток (Packetized elementary stream, PES)
    • Элементарный поток (Elementary stream, ES)
      • Группа изображений (Group of pictures, GOP) — предоставляет произвольный доступ к картинке
        • Отдельное изображение (кадр)
          • Срез (Slice) — часть кадра, выделенная для предотвращения распространения ошибок квантования
            • Макроблок — в составе — от 6 до 12 DCT-блоков.
              • Элементарный блок кодирования (DCT-блок) размером 8x8 точек

Важные элементы транспортного потока

Пакет

Пакет, базовая единица транспортного потока.

Заголовок пакета:

• заголовок начинается с «Sync byte» - байта синхронизации с константным значением 47₁₆ (0100 0111₂).
• Следующие три битовых флага используются, чтобы указать, как должна быть обработана полезная нагрузка.
  • TEI указывает на транспортную ошибку (Transport Error Indicator). Показывает что пакет поврежден, и его восстановление демодулятором было неудачным.
  • PUSI указывает начало полезной нагрузки (Payload Unit Start Indicator). Данный бит показывает что полезная нагрузка пакета содержит начало нового блока данных в потоке (PSI, PES и т.п.).
  • TP приритетный пакет (Transport Priority), показывает что пакет имеет более высокий приоритет, чем пакеты c тем же PID.
• PID — идентификатор пакета (Packet IDentifier; 13 бит). Мультиплексор режет медиапотоки и служебные данные на кусочки, упаковывая их в TS-пакеты, назначая каждому потоку уникальный PID и перемешивает их между собой, чтобы данные приходили получателю равномерно. Некоторые значения PID зарезервированы для служебных данных и будущего использования. Значение 1FFF₁₆ — Null Packet, показывает что данный пакет должен игнорироваться (такие пакеты используются для выравнивания и удаления данных из потока).
• TSC - два бита условного доступа (CAS; Transport Scrambling Control), биты показывают как скремблирована (зашифрована) полезная нагрузка пакета:
  • 00₂ — данные не зашифрованы
  • 01₂ — (значение зарезервировано для будущего использования)
  • 10₂ — данные зашифрованы четным ключом
  • 11₂ — данные зашифрованы нечетным ключом
• AFC поле из двух битов AF и PL, показывающее наличие поля адаптации (adaptation field), и полезной нагрузки (payload data), значения:
  • 00₂ — (зарезервированное значение для будущего использования ISO/IEC)
  • 01₂ — только полезная нагрузка
  • 10₂ — только поле адаптации, без полезной нагрузки
  • 11₂ — поле адаптации, за которым следует полезная нагрузка
• СС счётчик непрерывности (Continuity Counter; 4 бита) — счетчик уникальный для каждого PID, увеличивающийся с каждым пакетом, содержащим полезную нагрузку (то есть с установленным битом PL). По полю СС контролируется непрерывность потока данных.

Остальная часть пакета состоит из полезной информации. Пакеты составляют 188 байт в длине, но среда коммуникации может добавить некоторые байты для устранения ошибок пакета. DVB-ASI использует 204 байта и 208 байтов ATSC как транспортный пакет потока. (DVB t=8 и ATSC t=10 то есть дополнительные байты = 2*t). Передача ATSC добавляет 20 байтов кода Рида — Соломона для коррекции ошибок, чтобы создать пакет, который является 208 байтов длиной. 188-байтовый размер пакета был первоначально выбран для совместимости с системами ATM.

Поле адаптации (Adaptation Field)

Заголовок AF:

• AF length - байт, длина AF до данных пакета
• DI (Discontinuity indicator) - устанавливается в 1 если на этом пакете нарушилась непрерывность потока по СС или PCR.
• RAI (Random Access Indicatior) - устанавливается в пакете, с которого возможно начать декодирование без ошибок
• Elementary stream priority indicator - устанавливается, для элементарного потока, который должен обрабатываться как "высокоприоритетный"
• PCR present - устанавливается, если AF содержит поле PCR (Program clock reference, 48 бит)
• OPCR present - устанавливается, если AF содержит поле OPCR (Original Program clock reference, 48 бит), используется при копировании TS
• Splicing point flag - устанавливается, если AF содержит поле Splice countdown (8 бит)
• Transport private data flag - устанавливается, если AF содержит private data (поле длины 8 бит + данные)
• Adaptation field extension flag - устанавливается, если в пакете присутствует расширение AF (заголовок + данные)

PID

Каждая таблица или элементарный поток в транспортном потоке идентифицируется по 13-битовому PID. Демультиплексор извлекает элементарные потоки из общего транспортного потока, объединяя их в потоки с одинаковыми PID. В большинстве приложений планируется использовать временно́е мультиплексирование, чтобы решать, как часто конкретный PID будет появляться в транспортном потоке.

Программы

Транспортный поток использует понятие "программа". Каждая программа описана в Program Map Table (PMT), которая имеет уникальный PID, и элементарные потоки, связанные с этой программой и имеющие свои PID-ы, которые перечислены в PMT. Например, транспортный поток, используемый в цифровом телевидении, может состоять из трёх программ и нести в себе три телевизионных канала. Предположим, каждый канал состоит из одного видеопотока и одного или двух аудиопотоков, и любые необходимые метаданные. Приёмник, желающий декодировать один из каналов, использует для декодирования лишь каналы, имеющие PID-ы, которые связаны с интересующей его программой.

Program Specific Information (PSI)

Специальная информация о программах

• Program Association Table (PAT),
• Program Map Table (PMT),
• Conditional Access Table (CAT),
• Network Information Table (NIT).

В спецификации MPEG-2 формат CAT и NIT не регламентирован.

PAT

Таблица программ (Program Association Table, PAT) содержит PID-ы всех PMT. Её собственный PID - всегда 0x0.

PMT

Таблица структуры программ (Program Map Table, PMT) содержит PIDы и основные характеристики элементарных потоков конкретной программы — видео, звука, дополнительных данных. Для каждой программы есть свой PMT с собственным PID. Кроме того, PMT содержит сообщения ECM системы условного доступа, если в программе присутствуют зашифрованные элементарные потоки.

PCR

Чтобы декодер мог воспроизводить программы в правильное время, на правильной скорости и с синхронизацией, обычно программы периодически передают Program Clock Reference, или PCR, в одном из потоков программы. Это также называется 'основной источник опорной частоты' (Master Clock). Временные интервалы в MPEG2 рассчитываются по этой частоте. Для примера, временная метка, представления (PTS), соответствует PCR. Первые 33 бита соответствуют опорной частоте в 90 кГц. Расширение последовательности на 9 бит соответствует частоте в 27 МГц.

Null-пакеты (Null packets)

Некоторые протоколы передачи, такие как в стандартах ATSC и DVB, жестко ограничены требованиями к битрейту транспортного потока. Таким образом, чтобы поток данных поддерживал постоянную жестко заданную скорость передачи, Multiplexer должен иметь возможность добавлять в поток дополнительные пакеты. Пакеты с PID 0x1FFF как раз служат для этих целей. Поле полезной нагрузки этих пакетов не содержит какой-либо полезной информации, таким образом ресивер, получая такой пакет, игнорирует его содержимое.

Модификация в транспортном потоке, спецификация случайного доступа к медиа (M2TS)

Timecode

Транспортный поток был создан для кассет и вещания, поэтому потребовались изменения для использования в медиаустройствах с произвольным доступом, таких как новое поколение цифровых камер, записывающих на DVD, Blu-ray, жесткие диски или SSD, карты памяти.

Система произвольного доступа может хранить пакетные данные в буфере, если устройство хранения не готово (например, пока устройство запускается).

Пакеты записываются не по порядку. Специальный трек хранит их 4-байтный код времени (timecode — TC), добавленный в стандартные 188-байтные пакеты. В результате получается 192-байтный пакет. Все это неофициально называется M2TS-потоком. Blu-ray Disc Association назвала это «BDAV MPEG-2 transport stream». JVC назвала это TOD (возможно, как аббревиатура от «Transport stream on disc») когда использовала его в видекамерах с HDD, таких как GZ-HD7. Транспортный поток M2TS также используется для AVCHD-видеофайлов, которые часто имеют расширение MTS.

Программы, поддерживающие M2TS-файлы

Мультиплатформенные

• FFmpeg
• MPlayer ^[2]
• VideoLAN Медиапроигрыватель VLC ^[3]
• ProjectX
• PS3Muxer

Linux

• Медиапроигрыватель VLC
• xine
• MythTV
• SMPlayer

Windows

• Combined Community Codec Pack ^[4]
• K-Lite Codec Pack
• GOM Player
• Haenlein-Software DVR Studio
• The KMPlayer ^[5]
• Squared 5 MPEG Streamclip ^[6]
• VideoReDo ^[7]
• VobEdit ^[8]
• BSPlayer ^[9]
• jetAudio ^[10]
• Медиапроигрыватель VLC
• Light alloy

Mac OS X

• Squared 5 MPEG Streamclip^[6]
• Movist
• Медиапроигрыватель VLC