ffprobe分析音视频

Cube2048 2022-09-10

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# 前言

今天来学习一款视频分析神器——ffprobe。ffprobe是FFmpeg提供的工具之一，常被用来分析音视频容器格式、音视频流信息、音视频包和音视频帧等信息。在对音视频作转码、故障分析时，该工具能够提供很大的帮助。下面我们就来看看如何使用ffprobe对音视频相关信息进行分析。

# 分析

## 音视频各信息之间的关系

音视频信息主要可以分为音视频封装容器、音视频流、音视频包、音视频帧，它们的关系主要为：封装容器可以包含多路流，每个流里面包含了多个音视频包，而每个音视频包通过解码后可以得到对应的音视频帧。它们之间的对应关系可以用下图表示

这里以MPEGTS封装为例，容器里有三路流，分别是视频流、音频流、字幕流；视频流、音频流中存储了对应的编码参数信息，在解码器解码时都要用到。

上图可以看出，音视频包和音视频帧之间的关系，可以理解为一个音视频包对应一个音视频帧，在FFmpeg中就是一个AVPacket对应一个AVFrame

了解了音视频各信息之间的关系，接下来就来对音视频信息进行分析。

当我们拿到一个视频文件、视频流URL链接或是直播视频URL链接时，就可以通过ffprobe相关命令来分析。

## 音视频信息分析

可以使用ffprobe直接提取音视频信息，执行如下命令

ffprobe Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出信息如下：

Input #0, mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2, from '/Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov':
  Metadata:
    major_brand     : isom
    minor_version   : 512
    compatible_brands: isomiso2avc1mp41
    encoder         : Lavf58.20.100
    copyright       : 
    copyright-eng   : 
  Duration: 00:00:14.23, start: 0.000000, bitrate: 597 kb/s
  Stream #0:0[0x1](und): Video: h264 (High) (avc1  0x31637661), yuv420p(tv, bt709, progressive), 720x720, 541 kb/s, 30 fps, 30 tbr, 90k tbn (default)
    Metadata:
      handler_name    : VideoHandler
      vendor_id       : [0][0][0][0]
  Stream #0:1[0x2](und): Audio: aac (LC) (mp4a  0x6134706D), 44100 Hz, mono, fltp, 47 kb/s (default)
    Metadata:
      handler_name    : SoundHandler
      vendor_id       : [0][0][0][0]

先看Metadata信息，比如encoder是Lavf58.20.100，Lavf表示的是FF mpeg输出的文件，后面的编号代表了FF mpeg的版本代号，

接着下一行的Duration信息，可以看出视频时长为14秒230毫秒，开始播放的时间从0毫秒开始，整个文件的比特率为597Kbit/s

继续往下看，可以看到下面有两行Stream信息，表示的是该视频有两路流

第一路Stream是视频流，编码方式为H264格式，封装格式为AVC1，每帧的数据格式为YUV420P，分辨率为720x720，比特率为541Kbit/s，帧率为每秒30帧（fps是30）

第二路Stream是音频流，编码方式是AAC，封装格式为MP4A，采样率为44100Hz，声道数为单声道（mono单声道，stereo为立体声道）数据表示格式为浮点数，比特率为47Kbit/s

## 音视频容器格式分析

‍音视频容器格式可以使用 ffprobe -show_format 来分析，对一个本地视频进行格式分析

输入命令：

ffprobe -show_format Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出信息如下：

[FORMAT]
filename=/Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov
nb_streams=2
nb_programs=0
format_name=mov,mp4,m4a,3gp,3g2,mj2
format_long_name=QuickTime  MOV
start_time=0.000000
duration=14.233000
size=1062397
bit_rate=597145
probe_score=100
TAG:major_brand=isom
TAG:minor_version=512
TAG:compatible_brands=isomiso2avc1mp41
TAG:encoder=Lavf58.20.100
TAG:copyright=
TAG:copyright-eng=
[/FORMAT]

上面输出信息可以看出音视频格式信息会用[FORMAT]标签括起来，字段解析如下：

filename：文件名，文件格式为mov
nb_streams：表示这个容器里有两个流
nb_programs：为0表示这里面不存在 program 信息，这个 program 信息常见于广电用的 mpegts 流里，比如某个卫视频道的节目
start_time：表示这个容器里正常的显示开始的时间 0.00000
duration：表示这个容器文件的总时长 14.233 秒
size：表示文件大小
bit_rate：表示文件的码率
probe_score：查找容器格式的得分，FFmpeg 在 probe 这个文件中对应的得分是 100，这个得分通常用来确定使用哪个容器模块来解析这个 probe 文件
TAG：对应容器的TAG

可以看到其实容器格式分析得到的信息并没有很多，如果需要拿到更加详细的信息，我们可以进一步对音视频流进行分析。

## 音视频流分析

音视频流信息可以通过ffprobe -show_streams来获取

输入命令：

ffprobe -show_streams /Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

从上面知道，我们的视频有两路流，所以输出的信息包含了两路流的信息，由于内容较多，我们以视频流信息为例来分析：

[STREAM]
index=0  // 索引
codec_name=h264  //编码格式
codec_long_name=H.264 / AVC / MPEG-4 AVC / MPEG-4 part 10  //编码详细描述
profile=High  //流d的profile
codec_type=video  //codec类型
codec_tag_string=avc1  //codec tag 字符串
codec_tag=0x31637661  //codec tag 字符串16进制方式存储
width=720  //视频宽
height=720  //视频搞
coded_width=720  //编码视频的宽，编解码时对齐的数据，显示时不用
coded_height=720  //编码视频的高，编解码时对齐的数据，显示时不用
closed_captions=0  
film_grain=0
has_b_frames=0  // IPB帧排列时，两个P之间有多少个B帧，为0表示没有B帧
sample_aspect_ratio=N/A  //像素点采样比例
display_aspect_ratio=N/A  //显示图像比例
pix_fmt=yuv420p  //像素点格式
level=31  //与profile一起出现，对应d的时参考标准中有对应的参数描述
color_range=tv  //调色必备参数
color_space=bt709  //调色必备参数
color_transfer=bt709  //调色必备参数
color_primaries=bt709  //调色必备参数
chroma_location=left
field_order=progressive
refs=1
is_avc=true
nal_length_size=4
id=0x1
r_frame_rate=30/1  //实际帧率
avg_frame_rate=427000/14233  //平均帧率
time_base=1/90000  //时间基，通常和帧率有对应关系
start_pts=0  //开始时间戳
start_time=0.000000  开始时间
duration_ts=1280970  //时长时间戳
duration=14.233000  //时长时间
bit_rate=541517  //码率
max_bit_rate=N/A  //最大码率
bits_per_raw_sample=8  //原始数据每个采样展位
nb_frames=427  //总帧数
nb_read_frames=N/A
nb_read_packets=N/A
extradata_size=33  //extradata大小
TAG:language=und  //语种
TAG:handler_name=VideoHandler  //句柄名
TAG:vendor_id=[0][0][0][0]  
[/STREAM]

音视频流的信息会用[STREAM]标签括起来，字段比较多，其中比如codec_type是用来区分音频流还是视频流；通过codec_name可以确定流是什么编码

## 音视频包分析

音视频包信息可以通过ffprobe -show_packets来获取

输入命令：

ffprobe -show_packets -of xml /Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出信息如下：

<packets>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="0" pts_time="0.000000" dts="-2970" dts_time="-0.033000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="5228" pos="13984" flags="K_"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="3000" pts_time="0.033333" dts="0" dts_time="0.000000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="286" pos="19212" flags="__"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="0" pts_time="0.000000" dts="0" dts_time="0.000000" duration="1023" duration_time="0.023197" size="139" pos="19498" flags="K_"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="1023" pts_time="0.023197" dts="1023" dts_time="0.023197" duration="1024" duration_time="0.023220" size="139" pos="19637" flags="K_"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="2047" pts_time="0.046417" dts="2047" dts_time="0.046417" duration="1024" duration_time="0.023220" size="139" pos="19776" flags="K_"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="6000" pts_time="0.066667" dts="3000" dts_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" size="916" pos="19915" flags="__"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="3071" pts_time="0.069637" dts="3071" dts_time="0.069637" duration="1024" duration_time="0.023220" size="140" pos="20831" flags="K_"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="4095" pts_time="0.092857" dts="4095" dts_time="0.092857" duration="1024" duration_time="0.023220" size="142" pos="20971" flags="K_"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="9000" pts_time="0.100000" dts="6000" dts_time="0.066667" duration="3000" duration_time="0.033333" size="968" pos="21113" flags="__"/>
        <packet codec_type="audio" stream_index="1" pts="5119" pts_time="0.116077" dts="5119" dts_time="0.116077" duration="3072" duration_time="0.069660" size="148" pos="22081" flags="K_"/>
        ......
</packets>

由于输出信息较多，我们使用了-of xml来指明输出格式xml，支持的格式有

default
compact
csv
flat
ini
json
xml

从上面可以看到输出的信息中，视频包和音频包放在一起交错显示了，我们也可以通过添加添加“-select_streams v“或是”-select_streams a"来只读视频流或是音频流的包

ffprobe -show_packets -select_streams v -of xml /Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出信息就只有视频包信息了：

<packets>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="0" pts_time="0.000000" dts="-2970" dts_time="-0.033000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="5228" pos="13984" flags="K_"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="3000" pts_time="0.033333" dts="0" dts_time="0.000000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="286" pos="19212" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="6000" pts_time="0.066667" dts="3000" dts_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" size="916" pos="19915" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="9000" pts_time="0.100000" dts="6000" dts_time="0.066667" duration="3000" duration_time="0.033333" size="968" pos="21113" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="12000" pts_time="0.133333" dts="9000" dts_time="0.100000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="945" pos="22229" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="15000" pts_time="0.166667" dts="12000" dts_time="0.133333" duration="3000" duration_time="0.033333" size="95" pos="23174" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="18000" pts_time="0.200000" dts="15000" dts_time="0.166667" duration="3000" duration_time="0.033333" size="206" pos="23269" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="21000" pts_time="0.233333" dts="18000" dts_time="0.200000" duration="3000" duration_time="0.033333" size="464" pos="23904" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="24000" pts_time="0.266667" dts="21000" dts_time="0.233333" duration="3000" duration_time="0.033333" size="969" pos="24512" flags="__"/>
        <packet codec_type="video" stream_index="0" pts="27000" pts_time="0.300000" dts="24000" dts_time="0.266667" duration="3000" duration_time="0.033333" size="1309" pos="25633" flags="__"/>
        ......
</packets>

从上面信息中，可以看出show_packets信息中包含了多个packet包，codec_type是视频，流的索引是0，后面就是 pts 与 pts_time、dts 与 dts_time、duratrion 和 duration_time、包的 size 大小、包的数据所在文件的偏移位置，最后是查看这个数据包是 Keyframe 关键帧还是普通帧，是不是 Discard 包等。

Discard 包通常会在解码或者播放的时候被丢弃，这个是需要注意的，分析问题的时候可能会遇到这种情况。在这些信息中，我们发现 pts 还有对应的 pts_time，这是为什么呢？因为 pts 是跟 stream 的 timebase 做时间转换之前的数值，而 pts_time 这个值是与 stream 的 timebase 做时间转换之后的值，pts、dts、duration 是 int64 的类型，pts_time、dts_time、duration_time 是 double 浮点类型。

我们还可以看到，pts 与 dts 数值的排列顺序有些不太一样，dts 是顺序排列的，pts 是前后跳的，这是因为编码的时候视频数据中有 B 帧，解码的时候可以顺序解码，但是显示的时候需要重新按照 pts 的顺序显示。用 show_packet 我们能看到 pts 与 dts 的顺序不是一一对应的，也能看到是否是 keyframe，但无法确认 packet 是 I 帧、P 帧还是 B 帧。

接下来我们就看一下音视频帧的分析。

## 音视频帧分析

音频帧信息可以通过ffprobe -show_frames来获取

输入命令

ffprobe -show_frames -select_streams v -of xml /Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出内容：

<frames>
        <frame media_type="video" stream_index="0" key_frame="1" pts="0" pts_time="0.000000" pkt_dts="-2970" pkt_dts_time="-0.033000" best_effort_timestamp="0" best_effort_timestamp_time="0.000000" pkt_duration="3000" pkt_duration_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" pkt_pos="13984" pkt_size="5228" width="720" height="720" pix_fmt="yuv420p" pict_type="I" coded_picture_number="0" display_picture_number="0" interlaced_frame="0" top_field_first="0" repeat_pict="0" color_range="tv" color_space="bt709" color_primaries="bt709" color_transfer="bt709" chroma_location="left"/>
        <frame media_type="video" stream_index="0" key_frame="0" pts="3000" pts_time="0.033333" pkt_dts="0" pkt_dts_time="0.000000" best_effort_timestamp="3000" best_effort_timestamp_time="0.033333" pkt_duration="3000" pkt_duration_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" pkt_pos="19212" pkt_size="286" width="720" height="720" pix_fmt="yuv420p" pict_type="P" coded_picture_number="1" display_picture_number="0" interlaced_frame="0" top_field_first="0" repeat_pict="0" color_range="tv" color_space="bt709" color_primaries="bt709" color_transfer="bt709" chroma_location="left"/>
        <frame media_type="video" stream_index="0" key_frame="0" pts="6000" pts_time="0.066667" pkt_dts="3000" pkt_dts_time="0.033333" best_effort_timestamp="6000" best_effort_timestamp_time="0.066667" pkt_duration="3000" pkt_duration_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" pkt_pos="19915" pkt_size="916" width="720" height="720" pix_fmt="yuv420p" pict_type="P" coded_picture_number="2" display_picture_number="0" interlaced_frame="0" top_field_first="0" repeat_pict="0" color_range="tv" color_space="bt709" color_primaries="bt709" color_transfer="bt709" chroma_location="left"/>
        <frame media_type="video" stream_index="0" key_frame="0" pts="9000" pts_time="0.100000" pkt_dts="6000" pkt_dts_time="0.066667" best_effort_timestamp="9000" best_effort_timestamp_time="0.100000" pkt_duration="3000" pkt_duration_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" pkt_pos="21113" pkt_size="968" width="720" height="720" pix_fmt="yuv420p" pict_type="P" coded_picture_number="3" display_picture_number="0" interlaced_frame="0" top_field_first="0" repeat_pict="0" color_range="tv" color_space="bt709" color_primaries="bt709" color_transfer="bt709" chroma_location="left"/>
        <frame media_type="video" stream_index="0" key_frame="0" pts="12000" pts_time="0.133333" pkt_dts="9000" pkt_dts_time="0.100000" best_effort_timestamp="12000" best_effort_timestamp_time="0.133333" pkt_duration="3000" pkt_duration_time="0.033333" duration="3000" duration_time="0.033333" pkt_pos="22229" pkt_size="945" width="720" height="720" pix_fmt="yuv420p" pict_type="P" coded_picture_number="4" display_picture_number="0" interlaced_frame="0" top_field_first="0" repeat_pict="0" color_range="tv" color_space="bt709" color_primaries="bt709" color_transfer="bt709" chroma_location="left"/>
        ......
</frames>

上面的信息就是每一帧的信息，输出的字段还是挺多的，其中

media_type表示的是视频帧还是音频帧，stream_index表示流的索引，key_frame表示是否为关键帧，为1表示关键帧，两个keyframe之间就是我们一个GOP。除此之外，我们还能看到帧的类型、图像宽高、像素点格式、宽高比等场编码一类的信息。

这里输出的内容字段较多，实际我们不一定要关注所有字段信息，因此我们可以通过show_entries参数来设置要显示的字段，比如：

ffprobe -show_frames -select_streams v -show_entries frame=key_frame,pts,pts_time -of xml /Users/allenchen/Desktop/xxx01.mov

输出内容如下：

<frames>
        <frame key_frame="1" pts="0" pts_time="0.000000"/>
        <frame key_frame="0" pts="3000" pts_time="0.033333"/>
        <frame key_frame="0" pts="6000" pts_time="0.066667"/>
        <frame key_frame="0" pts="9000" pts_time="0.100000"/>
        <frame key_frame="0" pts="12000" pts_time="0.133333"/>
        <frame key_frame="0" pts="15000" pts_time="0.166667"/>
        <frame key_frame="0" pts="18000" pts_time="0.200000"/>
        <frame key_frame="0" pts="21000" pts_time="0.233333"/>
        <frame key_frame="0" pts="24000" pts_time="0.266667"/>
        <frame key_frame="0" pts="27000" pts_time="0.300000"/>
</frames>

# 结尾

本文主要讲了如何通过ffprobe获取音视频封装容器、音视频流、音视频包、音视频帧信息，总结如下

对应分析软件时间戳

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