基于Directshow的H.264流媒體播放器設(shè)計
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DirectsHow應(yīng)用框架完成了流媒體處理的底層工作，使得編程者無需關(guān)心數(shù)據(jù)如何輸入，以及處理完后如何輸出，而只需關(guān)心如何對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)具有高壓縮比和優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)親和性，被普遍認(rèn)為是最有影響力的流媒體視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。將Direct-show和H.264兩種相結(jié)合的流媒體播放器無疑將具有非常優(yōu)秀的性能。
1Directshow技術(shù)和H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡介
Directshow是微軟公司提供的一套流媒體開發(fā)軟件包，為在windows平臺上處理各種格式的媒體文件的回放、音視頻采集的高性能要求的多媒體應(yīng)用，提供了完整的解決方案。
Directshow是一套完全基于COM的應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于應(yīng)用層中，它使用FilterGraph的模型來管理整個數(shù)據(jù)流的處理過程;參與數(shù)據(jù)處理的各個功能模塊叫Filter;各個Filter在FilterGraph中按照一定的順序連接成一條“流水線”協(xié)同工作。Filter是一個COM組件，其功能可以由用戶自行實(shí)現(xiàn)，DirectShowSDK也為用戶提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的Filter供用戶使用。各個Filter在FilterGraph中按一定順序通過Pin互相連接起來，Pin也是一個COM對象。
H.264是由ITU-T和ISO/IEC的聯(lián)合開發(fā)組共同開發(fā)的最新國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在編碼質(zhì)量和壓縮比上比原有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都有了明顯的提高。在相同的視覺感知質(zhì)量上，編碼效率比H.263，MPEG-2和MPEG-4提高了50%左右。H.264不僅具有優(yōu)異的壓縮性能，而且具有良好的網(wǎng)絡(luò)親和性。因此，H.264被普遍認(rèn)為是最有影響力的流媒體視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。
2系統(tǒng)設(shè)計框架
本系統(tǒng)基于Direotshow應(yīng)用框架和H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了從網(wǎng)絡(luò)接收流媒體數(shù)據(jù)，并在客戶端實(shí)時播放的功能。流媒體文件是采用H.264編碼的AVI文件，由于directshow提供了AVISplitteRFilter、AudioDecoder和標(biāo)準(zhǔn)的Video/AudioRenderer，因此，本系統(tǒng)只需設(shè)計自定義的網(wǎng)絡(luò)源Filter、H.264解碼Filter。
多媒體流式傳輸實(shí)際上牽涉到兩個方面的技術(shù)。其一就是服務(wù)器與客戶端的通信技術(shù)，包括多媒體數(shù)據(jù)的傳輸、命令控制等;其二就是客戶端對接收到的多媒體流實(shí)時解碼后播放的技術(shù)。顯然，網(wǎng)絡(luò)通信可以使用windowssocket技術(shù)，多媒體流的解碼播放可以使用direct-show技術(shù)。本文采用direetshow應(yīng)用框架，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)源filter和h.264解碼filter，并通過FilterGraph構(gòu)建了流媒體播放器。
播放本地基于H.264編碼的AVI文件的FilterGraph如圖1。只需將本地FileSourceFilter替換為網(wǎng)絡(luò)源Filter，將CoreAVCVideoDe-coder替換為h.264解碼Filter，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)H.264視頻播放器。
3系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
3.1Filter設(shè)計流程
Filter的編碼實(shí)現(xiàn)包括Filter的注冊信息、Filter上的框架函數(shù)實(shí)現(xiàn)、邏輯控制類實(shí)現(xiàn)、自定義接口實(shí)現(xiàn)、屬性頁實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)權(quán)保護(hù)等。
首先，要對Filter所要完成的功能和它在FilterGraph中的位置進(jìn)行分析，以確定filter模型，選擇一個合適的基類;然后，再定義輸入輸出PIN以及自定義接口，注冊Filter信息;最后實(shí)現(xiàn)基類的全部純虛函數(shù)和自定義接口函數(shù)，并重寫基類的相關(guān)函數(shù)以定制filter功能。
3.2網(wǎng)絡(luò)源Filter的設(shè)計
源Filter主要功能是接收服務(wù)器發(fā)來的流媒體數(shù)據(jù)，并提供給FilterGraph中其它Filter使用。
由于directshow自帶的AVIsplitter工作于拉模式，故該源Filter也工作于拉模式。
本源Filter采用雙緩沖循環(huán)隊(duì)列技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和向下一級Filter傳遞數(shù)據(jù)。采用該技術(shù)有如下理由：
(1)在SourceFilter與SpliRer連接的過程中，會從SourceFilter中讀取一部分?jǐn)?shù)據(jù)，以獲得數(shù)據(jù)的格式描述，否則FilterGraph無法完成連接。源Filter與SplitterFilter進(jìn)行連接前，應(yīng)啟動一個等待線程，當(dāng)SourceFilter的數(shù)據(jù)緩存預(yù)先接收到足夠的數(shù)據(jù)后，再構(gòu)建完整的FilterGraph。
(2)當(dāng)完整的FilterGrapH構(gòu)建完成，并且處于運(yùn)行狀態(tài)后，SourceFilter必須動態(tài)地接收數(shù)據(jù)，并持續(xù)地把新數(shù)據(jù)提供給SplitteRFilter，雙緩沖循環(huán)隊(duì)列既充分利用內(nèi)存空間，又能為SplitterFilter提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。
(3)緩沖隊(duì)列可以穩(wěn)定碼率，有效減小網(wǎng)絡(luò)延時、阻塞和抖動的影響。
源Filter的工作過程如下：建立一個循環(huán)緩沖隊(duì)列，隊(duì)列尾指針用于緩沖從網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)，隊(duì)列頭指針供Splitter讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行音視頻分離，并傳給下一級Decoder處理;當(dāng)Socket接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)插入隊(duì)列尾部，并使尾指針后移;當(dāng)Splitter需要讀取數(shù)據(jù)時，從隊(duì)列頭讀取數(shù)據(jù)，并使頭指針后移。
流媒體傳輸采用客戶端/服務(wù)器的架構(gòu)，服務(wù)器與客戶端之間還有一個Socket通信協(xié)議問題，由于流媒體是連續(xù)的，它的同步點(diǎn)不能隨意選擇，因此，為了傳送流媒體數(shù)據(jù)，必須使用面向連接的可靠的傳輸協(xié)議(TCP)。客戶端與服務(wù)器端的控制與反饋消息，則可以使用(UDP)來傳輸。服務(wù)器端首先創(chuàng)建一個偵聽Socket，偵聽來自客戶端的連接請求。一旦偵聽到客戶端的請求，服務(wù)器端就創(chuàng)建一個用于數(shù)據(jù)傳送的Socket，并綁定到請求連接的客戶端，此時，服務(wù)器處于數(shù)據(jù)傳送的就緒狀態(tài)。當(dāng)客戶端發(fā)出命令，服務(wù)器再根據(jù)命令的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作，如數(shù)據(jù)發(fā)送、停止、斷開連接等。
在服務(wù)器端首先將連續(xù)的H.264流分成一塊一塊小包的負(fù)載數(shù)據(jù)，并且加上一個信息頭一起使用TCP協(xié)議發(fā)送;在客戶端根據(jù)信息頭描述，將小包的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行拼裝，然后進(jìn)行H.264的解碼播放。Socket數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)為：負(fù)載類型(8bit)、負(fù)載數(shù)據(jù)長度(16bit)和負(fù)載數(shù)據(jù)包(2324Byte)。
客戶端的實(shí)現(xiàn)可以參考SDK中的MEMFileFilter，直接從SDK例子將asyncrdr.cpp、asyncrdr.h、asyncio.cpp、asyneio.h四個文件拷貝過來，然后在MemFilter.h文件中從CAsyncStream派生流處理類CMemStream，定制數(shù)據(jù)源并進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取操作;從CAsyncReader派生濾波器類CMemReader，實(shí)現(xiàn)含1個輸出PIN的SourceFilter框架，完成與SplitterFilter的連接。
網(wǎng)絡(luò)源濾波器類間數(shù)據(jù)流程如圖2，下一級Filter“拉”線程數(shù)據(jù)流程如圖3。其中：CAsyneStream用以標(biāo)示數(shù)據(jù)流;CAsyneRequest標(biāo)示輸入與輸出請求;CAsyncIo實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和輸出的控制。編程主要實(shí)現(xiàn)CMemStream：Read()函數(shù)以實(shí)現(xiàn)從特定的數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)到下一級Filter的Sample中。
該濾波器工作于Splitter和Rendererfilter之間，包含一個輸入和一個輸出，且輸入和輸出pin上的媒體類型不一致，故選擇CTrans-formFilter作為基類，派生子類CX264Decode。
ffmpeg是一個集錄制、轉(zhuǎn)換、音/視頻編碼解碼功能為一體的完整的開源解決方案。利用ffmpeg中的Libavformat和libavcodec庫訪問大多數(shù)視頻文件格式是一個很好的方法。將ffmpeg中關(guān)于h.264解碼的操作封裝為C++類，供H.264解碼Filter調(diào)用以實(shí)現(xiàn)解碼功能。
子類CX264Decode必須要實(shí)現(xiàn)的純虛函數(shù)有：CheckInputType()實(shí)現(xiàn)輸入Pin上的媒體類型檢查;CheckTransform()檢查是否支持從該輸入pin到輸出pin的變換操作;DecideBufferSize()決定Samlple內(nèi)存的大小;GetMediaType()：提供輸出Pin上的首選媒體類型;Transform()：實(shí)現(xiàn)解碼變換。
子類CX264Decode可選的重寫虛函數(shù)有：初始化和反初始化流：StartStreaming()和StopStreaming();響應(yīng)質(zhì)量通告消息：AlterQuali-ty();獲取媒體類型被實(shí)際設(shè)置的時間：SetMediaType();連接時獲取額外的接口：CheckConnect()、BreakConnect()和CompleteConneet();定制變換過程：Receive();標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置輸出Sample：InitializeOutputSample()。
本Filter設(shè)計主要流程如下：
(1)Filter注冊信息
定義類工廠模板，填寫Filter的注冊信息;同時實(shí)現(xiàn)DLL文件所必須實(shí)現(xiàn)的注冊和反注冊函數(shù)：DLLRegisterServer和DLLUnregisterSe-rver。
(2)框架函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)函數(shù)CreateInstanee，用于創(chuàng)建Filter對象實(shí)例;實(shí)現(xiàn)函數(shù)CheeklnputType，用于對輸入Pin上的媒體類型檢查;實(shí)現(xiàn)函數(shù)Transfo-rm，用于H.264的解碼操作;實(shí)現(xiàn)函數(shù)NonDelegafingQueryIntefface，用于暴露Filter支持的自定義接口，使應(yīng)用程序可以設(shè)置解碼器的參數(shù);實(shí)現(xiàn)函數(shù)CompleteConnect，可以在輸入Pin成功連接后取得媒體類型描述，并將輸入數(shù)據(jù)的格式設(shè)置給應(yīng)用邏輯控制對象;實(shí)現(xiàn)函數(shù)St-artStreaming和StopStreaming，可以分別調(diào)用應(yīng)用控制邏輯對象的相應(yīng)函數(shù)，進(jìn)行流處理的初始化和反初始化操作。
(3)邏輯控制類的實(shí)現(xiàn)
邏輯控制類是本Filter設(shè)計的核心，框架函數(shù)和自定義接口函數(shù)的相關(guān)操作都是委托給邏輯控制類來實(shí)現(xiàn)的。該類實(shí)現(xiàn)了H.264.的解碼參數(shù)的設(shè)置與解碼操作，主要調(diào)用封裝了H.26
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