SEI补充增强信息(全网最全SEI指南)

1. SEI的简介

什么是SEI

SEI（Supplemental Enhancement Information），是定义在视频码流里面，提供在视频码流中添加信息的方法。在当前的流媒体中，可以用来添加一些视频无关的信息，例如歌词等，来做到同步显示。SEI可以在编码时候进行添加，也可以在传输时候进行添加。

NAL unit

在继续介绍SEI之前，我们先来了解一下NAL unit这个概念。在H.264/H.265的标准中，都使用了视频编码层（VCL）和网络适配层（NAL）的双层架构。VCL就是实际有效的视频数据，而NAL就是给出了一个标准化的方式保证数据的传输，NAL unit就是NAL的基本语法。以H.264为例，原始码流就是由一个一个的NALU组成的，其中每个NALU是由NAL header和来自VCL的原始数据字节流（RBSP）组成，如下图所示：

每个NALU之间通过起始码进行分隔，起始码分成两种：0x000001（3Byte）或者0x00000001（4Byte）。只要找到0x000001或者0x00000001即可认为是一个NALU的起始。下面我们就分H.264和H.265来给大家介绍一下。

H.264中的SEI

NAL unit type储存在NAL header中，在H.264标准中，有以下的一些定义：

从上图中，我们可以看到nal_unit_type为6即为我们今天的主题SEI。那么当我们拿到一个视频序列时候，该如何去找到SEI呢，我们接着看标准中是如何读取的。

我们找到标准中对于此部分的定义，仅看header部分，我们可以从上图中知道：头部由一个字节组成，其中分为三个部分。第一部分为forbidden_zero_bit，占1bit，0为正确；第二部分为nal_ref_idc，占2bit，表示当前NAL的优先级；第三部分为nal_unit_type，占5bit。所以我们取到NALU的第一个字节后 & 0x1f 就可得到nal_unit_type。即 int type = (code & 0x1F)

H.265中的SEI

同理，我们通过阅读标准可知：

nal_unit_type 39和40代表的为SEI。根据下图我们可以知道，nal_unit_type为6bit，所以我们将第一个字节 & 0x7e 后右移一位即可得到nal_unit_type。即int type = (code & 0x7E)>>1

SEI详情

SEI解析

通过上述说明，我们知道了如何去读取到SEI，那我们现在来讲解一下SEI的一些解析规则：

如图所示，当我们读到NAL unit type为SEI的时候，我们就开始先读取SEI payloadType。我们一次读取8bit，只要是非0xFF，那么这8bit的值即为SEI payloadType；如果是0xFF，那么我们SEI payloadType + 255继续去读，直到有8bit不是0xFF为止。同理，SEI payloadSize也是相同的读法。H.264和H.265对于SEI payloadType和payloadSize的定义都是相同的，全都是浮动的值，给予了我们足够的灵活性。

SEI类型

标准中定义的一种常见的SEI Type就是5，对于type为5的指定处理方法为user_data_unregistered()，常用于存储编码器的编码参数信息等。

user_data_unregistered( payloadSize ) {
    uuid_iso_iec_11578
    for( i = 16; i < payloadSize; i++ )
        user_data_payload_byte
}

通过上面的代码我们可以知道，我们需要传入16个字节的UUID，剩下的自定义数据部分的大小就为payloadSize-16，所以payloadSize一定大于16。上面我们也提到了SEI type是一个可以浮动的值，所以在标准定义之外，常见的自定义的SEI类型还有：

typedef enum
{
  SEI_H264_RECOVERY_POINT = 6,
  // it is recommended to use range between 70 - 100
  SEI_H264_SLICE_INFO     = 98,
  SEI_H264_REF_IDX        = 99,
  SEI_H264_LAYOUT         = 100,
} SEI_H264_Type;

除此之外，还有一些可以利用SEI传递信息的场景，例如：

传递编码器参数
传递视频版权信息
传递摄像头参数
传递内容生成过程中的剪辑事件（引发场景切换）

防竞争处理

为了防止字节竞争，我们遇到0x000000/0x000001/0x000002的时候，需要插入0x03防竞争处理，即变为0x00000300/0x00000301/0x00000302。所以需要我们客户的解码端能够在解码时去掉0x03这个字节。

例子

上图是一个H.264序列，我们可以看到蓝色标注区域就是一个SEI，0x64即为SEI type，是自定义的type 100；后面0x0d即为payloadSize，也就是后面13字节为数据部分，我们可以看到是一个unix时间戳。

上图是一个H.265序列，我们可以看到蓝色标注区域就是一个SEI，4E 01即代表了nal_unit_header，0x64就是旁路推流定义的type 100，后续解析同264。

上图即为一个H.264的SEI type为5的一个示例，按照上面的解析规则，0x05代表了type为5，0x18代表payloadSize为24，减去16位UUID，即用户数据部分为00 00 03 01 73 E1 45 7C 78，中间多出一个03即为防竞争位，将03去掉我们整体解析会发现这是一个unix时间戳：1597212294264。

2. SEI的应用场景

基于SEI的阿里云直播答题架构

直播问答的一核心需求是“画题同步”，这也是决定用户体验的关键。阿里云解决方案：

主持人提出问题，此时准备推送题目。为了能快速让用户看到题目，题库都存在持久型缓存数据库Redis上。
现场人员发出信息，通过接入方的AppServer，调用云的OpenAPI，在直播视频流当前位置中插入若干SEI帧，帧内容可由业务自定义。
播放SDK接收到视频流后，解析出SEI帧，并回调给APP。此时APP立即向AppServer请求问题信息，然后显示在APP上，完成整个出题过程。
收到用户答题后，用户答题结果实时写入Redis进行判断答题是否正确返回给现场人员。完成整个答题流程。

以上方案环环相扣，实现了从主持人信号与音视频通过同一传输通道同时传输，可实现高精度同步。

声网 SEI 规范

在默认情况下，声网进行服务端转码推流时，会在转码后的 H264/H265 的 SEI 帧中，增加当前视频的编码信息。该信息为 Json 格式的字符串，具体示例如下：

{
    "canvas": {
        "w": 640,
        "h": 360,
        "bgnd": "#000000"
    },
    "regions": [{
        "uid": 1,
        "alpha": 1.0,
        "zorder": 1,
        "volume": 50,
        "x": 0,
        "y": 0,
        "w": 320,
        "h": 360
    }, {
        "uid": 2,
        "alpha": 1.0,
        "zorder": 1,
        "volume": 89,
        "x": 320,
        "y": 0,
        "w": 320,
        "h": 360
    }],
    "ver": "20180828",
    "ts": 1535385600000,
    "app_data": ""
}

各项参数定义如下：

canvas：画布信息，画布的参数信息如下；
w：画布的宽度，单位为像素。主播在 APP 设置的 LiveTranscoding 中的 width 信息；
h：画布的高度，单位为像素。主播在 APP 设置的 LiveTranscoding 中的 height 信息；
bgnd：画布的背景颜色，RGB 格式，为 16 进制代码表示的字符串。主播在 APP 设置的 LiveTranscoding 中的 backgroundColor 信息；
regions：主播信息及主播布局信息，为 region 的列表。主播在 APP 设置的 LiveTranscoding 中的 transcodingUsers 信息。region 的参数信息如下；
suid：（可选）该区域对应主播的 String 型 User account。该参数适用于启用了 String 型 User account 的主播；
uid：该区域对应主播的 ID。主播在 APP 设置的 TranscodingUser 中的 uid 信息；
alpha：该区域的透明度，取值范围 [0.0, 1.0]。主播在 APP 设置的 TranscodingUser 中的 alpha 信息；
zorder：该区域的层级，取值范围 [1, 100]。主播在 APP 设置的 TranscodingUser 中的 zOrder 信息；
volume：该区域对应主播的音量大小，取值范围 [0, 255]；
x：该区域在画布中对应的 x 坐标。主播在 APP 设置的 TranscodingUser 中的 x 信息；
y：该区域在画布中对应的 y 坐标。主播在 APP 设置的 TranscodingUser 中的 y 信息；
ver：版本信息，当前版本为 20190611；
ts：生成该信息时的时间戳，单位 ms；
app_data：自定义信息。主播在 APP 设置的 LiveTranscoding 中的 transcodingExtraInfo 信息；

ZEGO即构 SEI 应用场景

在音视频流媒体应用中，除了可以流媒体通道推拉音视频内容外，还可以使用流 SEI（Supplemental Enhancement Information，媒体补充增强信息）通过流媒体通道将文本信息与音视频内容打包在一起，从主播端（推流端）推出，并从观众端（拉流端）接收，以此实现文本数据与音视频内容的精准同步的目的。详见：媒体补充增强信息（SEI）

当开发者对消息发送有较高频率和实时性要求，且消息丢失不会影响业务逻辑时，推荐使用 SEI（Supplemental Enhancement Information，媒体补充增强信息）。主要应用于如下场景：

单向发送大并发 IM 的场景
需要文本信息跟媒体流实时同步的场景，例如:
- 直播答题
- 歌词同步
- 单流自定义音浪
- 混流视频画面布局更换的精准控制

3. ffmpeg插入SEI实践

下面介绍讲述如何修改ffmpeg源码，实现在每个关键帧中插入SEI。

在使用ffmpeg命令行工具时，可以使用 h264_metadata bitstream filter添加SEI。下面示例命令就添加了类型为未注册的用户数据的SEI，其中uuid为”086f3693-b7b3-4f2c-9653-21492feee5b8”，payload内容为”hello”：

./ffmpeg  -I oceans.h264 -c:v copy -bsf:v h264_metadata=sei_user_data='086f3693-b7b3-4f2c-9653-21492feee5b8+hello' oceans.sei.h264

所以为了实现我们的目标，我们可以修改h264_metadata_bsf.c。

查找关键帧

from

has_sps = 0;
for (i = 0; i < au->nb_units; i++) {
    if (au->units[i].type == H264_NAL_SPS) {
        err = h264_metadata_update_sps(bsf, au->units[i].content);
        if (err < 0)
            goto fail;
        has_sps = 1;
    }
}

int has_idr = 0;
has_sps = 0;
for (i = 0; i < au->nb_units; i++) {
    if (au->units[i].type == H264_NAL_SPS) {
        err = h264_metadata_update_sps(bsf, au->units[i].content);
        if (err < 0)
            goto fail;
        has_sps = 1;
    }
    if (au->units[i].type == H264_NAL_IDR_SLICE) {
        has_idr = 1;
    }
}

判断是关键帧

from

// Only insert the SEI in access units containing SPSs, and also
// unconditionally in the first access unit we ever see.
if (ctx->sei_user_data && (has_sps || !ctx->done_first_au)) {

// Only insert the SEI in access units containing IDRs, and also
// unconditionally in the first access unit we ever see.
if (ctx->sei_user_data && (has_idr || !ctx->done_first_au)) {

在关键帧后插入一帧SEI

我们的设计是，当参数为-bsf:v h264_metadata=sei_user_data=’086f3693-b7b3-4f2c-9653-21492feee5b8+{timestamp}’时插入当前时间戳。

解析出的SEI信息为”ts:timestamp”精确到毫秒。

from

udu->data        = udu->data_ref->data;
udu->data_length = len + 1;
memcpy(udu->data, ctx->sei_user_data + i + 1, len + 1);

udu->data        = udu->data_ref->data;
udu->data_length = len + 1;
memcpy(udu->data, ctx->sei_user_data + i + 1, len + 1);
        
//convert to Timestamp
if(strcmp(udu->data, "{timestamp}") == 0){
    char mark[] = "ts:";
    long timestamp = av_gettime() / 1000;
    char result[20];
    sprintf(result, "%s%ld", mark, timestamp);
            
    udu->data        = result;
    udu->data_length = strlen(result) + 1;
}

使用方法

最后的使用方法如下：

-bsf:v h264_metadata=sei_user_data='086f3693-b7b3-4f2c-9653-21492feee5b8+{timestamp}'

栗子：

-stream_loop -1 -i video.mp4  -c:a aac -c:v libx264 -bsf:v h264_metadata=sei_user_data='086f3693-b7b3-4f2c-9653-21492feee5b8+{timestamp}' -f flv rtmp://demo-push.cn/live/11

4. SEI在测试中的使用

SEI随着视频帧一起到达，可以让我们更加精准的测试视频延时，下面就来分享一下是如何进行的。

整体结构如图：

上图中，老师端和学生端为同一台机器，可以消除时间误差，这样就可以很好的估算出端到端延时。同时我们可以将CDN和Cloud Player部署在同一台机器，可以通过diff来算出各环节耗时，为我们的延时优化提供数据指导。

通过与传统的秒表截图估算误差作比较，使用SEI来观测误差有以下几个好处：

数据更加精准更加可信
可以在系统的各个流程/环节进行监测，为我们的延时优化提供数据指导
可以进行一个长时间多采样的数据对比

refs:

https://rtcdeveloper.agora.io/t/topic/18970
https://wangtaot.github.io/2020/11/09/ffmpeg%E6%8F%92%E5%85%A5sei%E5%AE%9E%E8%B7%B5/
https://blog.csdn.net/feeltouch/article/details/103333174

SEI补充增强信息(全网最全SEI指南)

1. SEI的简介

什么是SEI

NAL unit

H.264中的SEI

H.265中的SEI

SEI详情

SEI解析

SEI类型

防竞争处理

例子

2. SEI的应用场景

基于SEI的阿里云直播答题架构

声网 SEI 规范

ZEGO即构 SEI 应用场景

3. ffmpeg插入SEI实践

查找关键帧

判断是关键帧

在关键帧后插入一帧SEI

使用方法

4. SEI在测试中的使用

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