用GStreamer 简化 Linux 多媒体开发.docx
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用GStreamer简化Linux多媒体开发
GStreamer是GNOME桌面环境下用来构建流媒体应用的编程框架(framework),其目标是要简化音/视频应用程序的开发,目前已经能够被用来处理像MP3、Ogg、MPEG1、MPEG2、AVI、Quicktime等多种格式的多媒体数据。
一、基本概念
GStreamer作为GNOME桌面环境推荐的流媒体应用框架,采用了基于插件(plugin)和管道(pipeline)的体系结构,框架中的所有的功能模块都被实现成可以插拔的组件(component),并且在需要的时候能够很方便地安装到任意一个管道上,由于所有插件都通过管道机制进行统一的数据交换,因此很容易利用已有的各种插件“组装”出一个功能完善的多媒体应用程序。
1.1元件处理
对于需要应用GStreamer框架的程序员来讲,GstElement是一个必须理解的概念,因为它是组成管道的基本构件,也是框架中所有可用组件的基础,这也难怪GStreamer框架中的大部分函数都会涉及到对GstElement对象的操作。
从GStreamer自身的观点来看,GstElement可以描述为一个具有特定属性的黑盒子,它通过连接点(linkpoint)与外界进行交互,向框架中的其余部分表征自己的特性或者功能。
按照各自功能上的差异,GStreamer又将GstElement细分成如下几类:
SourceElement数据源元件 只有输出端,它仅能用来产生供管道消费的数据,而不能对数据做任何处理。
一个典型的数据源元件的例子是音频捕获单元,它负责从声卡读取原始的音频数据,然后作为数据源提供给其它模块使用。
FilterElement过滤器元件 既有输入端又有输出端,它从输入端获得相应的数据,并在经过特殊处理之后传递给输出端。
一个典型的过滤器元件的例子是音频编码单元,它首先从外界获得音频数据,然后根据特定的压缩算法对其进行编码,最后再将编码后的结果提供给其它模块使用。
SinkElement接收器元件 只有输入端,它仅具有消费数据的能力,是整条媒体管道的终端。
一个典型的接收器元件的例子是音频回放单元,它负责将接收到的数据写到声卡上,通常这也是音频处理过程中的最后一个环节。
图1将有助于你更好地理解数据源元件、过滤器元件和接收器元件三者的区别,同时也不难看出它们是如何相互配合形成管道的:
图1
需要注意的是,过滤器元件的具体形式是非常灵活的,GStreamer并没有严格规定输入端和输出端的数目,事实上它们都可以是一个或者多个。
图2是一个AVI分离器的基本结构,它能够将输入数据分离成单独的音频信息和视频信息,用于实现该功能的过滤器元件很明显只具有一个输入端,但却需要有两个输出端。
图2
要想在应用程序中创建GstElement对象,唯一的办法是借助于工厂对象GstElementFactory。
由于GStreamer框架提供了多种类型的GstElement对象,因此对应地提供了多种类型的GstElementFactory对象,它们是通过特定的工厂名称来进行区分的。
例如,下面的代码通过gst_element_factory_find()函数获得了一个名为mad的工厂对象,它之后可以用来创建与之对应的MP3解码器元件:
GstElementFactory*factory;
factory=gst_element_factory_find("mad");
成功获得工厂对象之后,接下来就可以通过gst_element_factory_create()函数来创建特定的GstElement对象了,该函数在调用时有两个参数,分别是需要用到的工厂对象,以及即将创建的元件名称。
元件名称可以用查询的办法获得,也可以通过传入空指针(NULL)来生成工厂对象的默认元件。
下面的代码示范了如何利用已经获得的工厂对象,来创建名为decoder的MP3解码器元件:
GstElement*element;
element=gst_element_factory_create(factory,"decoder");
当创建的GstElement不再使用的时候,还必须调用gst_element_unref()函数释放其占用的内存资源:
gst_element_unref(element);
GStreamer使用了与GObject相同的机制来对属性(property)进行管理,包括查询(query)、设置(set)和读取(get)等。
所有的GstElement对象都需要从其父对象GstObject那里继承名称(name)这一最基本的属性,这是因为像gst_element_factory_make()和gst_element_factory_create()这样的函数在创建工厂对象和元件对象时都会用到名称属性,通过调用gst_object_set_name()和gst_object_get_name()函数可以设置和读取GstElement对象的名称属性。
1.2衬垫处理
衬垫(pad)是GStreamer框架引入的另外一个基本概念,它指的是元件(element)与外界的连接通道,对于框架中的某个特定元件来说,其能够处理的媒体类型正是通过衬垫暴露给其它元件的。
成功创建GstElement对象之后,可以通过gst_element_get_pad()获得该元件的指定衬垫。
例如,下面的代码将返回element元件中名为src的衬垫:
GstPad*srcpad;
srcpad=gst_element_get_pad(element,"src");
如果需要的话也可以通过gst_element_get_pad_list()函数,来查询指定元件中的所有衬垫。
例如,下面的代码将输出element元件中所有衬垫的名称:
GList*pads;
pads=gst_element_get_pad_list(element);
while(pads){
GstPad*pad=GST_PAD(pads->data);
g_print("padnameis:
%s\n",gst_pad_get_name(pad));
pads=g_list_next(pads);
}
与元件一样,衬垫的名称也能够动态设置或者读取,这是通过调用gst_pad_get_name()和gst_pad_set_name()函数来完成的。
所有元件的衬垫都可以细分成输入衬垫和输出衬垫两种,其中输入衬垫只能接收数据但不能产生数据,而输出衬垫则正好相反,只能产生数据但不能接收数据,利用函数gst_pad_get_direction()可以获得指定衬垫的类型。
GStreamer框架中的所有衬垫都必然依附于某个元件之上,调用gst_pad_get_parent()可以获得指定衬垫所属的元件,该函数的返回值是一个指向GstElement的指针。
衬垫从某种程度上可以看成是元件的代言人,因为它要负责向外界描述该元件所具有的能力。
GStreamer框架提供了统一的机制来让衬垫描述元件所具有的能力(capability),这是借助数据结构_GstCaps来实现的:
struct_GstCaps{
gchar*name;/*thenameofthiscaps*/
guint16id;/*typeid(majortype)*/
guintrefcount;/*capsarerefcounted*/
GstProps*properties;/*propertiesforthiscapability*/
GstCaps*next;/*capscanbechainedtogether*/
};
以下是对mad元件的能力描述,不难看出该元件中实际包含sink和src两个衬垫,并且每个衬垫都带有特定的功能信息。
名为sink的衬垫是mad元件的输入端,它能够接受MIME类型为audio/mp3的媒体数据,此外还具有layer、bitrate和framed三种属性。
名为src的衬垫是mad元件的输出端,它负责产生MIME类型为audio/raw媒体数据,此外还具有format、depth、rate和channels等多种属性。
Pads:
SINKtemplate:
’sink’
Availability:
Always
Capabilities:
’mad_sink’:
MIMEtype:
’audio/mp3’:
SRCtemplate:
’src’
Availability:
Always
Capabilities:
’mad_src’:
MIMEtype:
’audio/raw’:
format:
String:
int
endianness:
Integer:
1234
width:
Integer:
16
depth:
Integer:
16
channels:
Integerrange:
1-2
law:
Integer:
0
signed:
Boolean:
TRUE
rate:
Integerrange:
11025-48000
准确地说,GStreamer框架中的每个衬垫都可能对应于多个能力描述,它们能够通过函数gst_pad_get_caps()来获得。
例如,下面的代码将输出pad衬垫中所有能力描述的名称及其MIME类型:
GstCaps*caps;
caps=gst_pad_get_caps(pad);
g_print("padnameis:
%s\n",gst_pad_get_name(pad));
while(caps){
g_print("Capabilitynameis%s,MIMEtypeis%s\n",
gst_caps_get_name(cap),
gst_caps_get_mime(cap));
caps=caps->next;
}
1.3箱柜
箱柜(bin)是GStreamer框架中的容器元件,它通常被用来容纳其它的元件对象,但由于其自身也是一个GstElement对象,因此实际上也能够被用来容纳其它的箱柜对象。
利用箱柜可以将需要处理的多个元件组合成一个逻辑元件,由于不再需要对箱柜中的元件逐个进行操作,因此能够很容易地利用它来构造更加复杂的管道。
在GStreamer框架中使用箱柜还有另外一个优点,那就是它会试着对数据流进行优化,这对于多媒体应用来讲是很具吸引力的。
图3描述了箱柜在GStreamer框架中的典型结构:
图3
在GStreamer应用程序中使用的箱柜主要有两种类型:
GstPipeline管道是最常用到的容器,对于一个GStreamer应用程序来讲,其顶层箱柜必须是一条管道。
GstThread线程的作用在于能够提供同步处理能力,如果GStreamer应用程序需要进行严格的音视频同步,一般都需要用到这种类型的箱柜。
GStreamer框架提供了两种方法来创建箱柜:
一种是借助工厂方法,另一种则是使用特定的函数。
下面的代码示范了如何使用工厂方法创建线程对象,以及如何使用特定函数来创建管道对象:
GstElement*thread,*pipeline;
//创建线程对象,同时为其指定唯一的名称。
thread=gst_element_factory_make("thread",NULL);
//根据给出的名称,创建一个特定的管道对象。
pipeline=gst_pipeline_new("pipeline_name");
箱柜成功创建之后,就可以调用gst_bin_add()函数将已经存在的元件添加到其中来了:
GstElement*element;
GstElement*bin;
bin=gst_bin_new("bin_name");
element=gst_element_factory_make("mpg123","decoder");
gst_bin_add(GST_BIN(bin),element);
而要从箱柜中找到特定的元件也很容易,可以借助gst_bin_get_by_name()函数实现:
GstElement*element;
element=gst_bin_get_by_name(GST_BIN(bin),"decoder");
由于GStreamer框架中的一个箱柜能够添加到另一个箱柜之中,因此有可能会出现箱柜嵌套的情况,gst_bin_get_by_name()函数在查找元件时会对嵌套的箱柜作递归查找。
元件有添加到箱柜之中以后,在需要的时候还可以从中移出,这是通过调用gst_bin_remove()函数来完成的:
GstElement*element;
gst_bin_remove(GST_BIN(bin),element);
如果仔细研究一下图3中描述的箱柜,会发现它没有属于自己的输入衬垫和输出衬垫,因此显然是无法作为一个逻辑整体与其它元件交互的。
为了解决这一问题,GStreamer引入了精灵衬垫(ghostpad)的概念,它是从箱柜里面所有元件的衬垫中推举出来的,通常来讲会同时选出输入衬垫和输出衬垫,如图4所示:
图4
具有精灵衬垫的箱柜在行为上与元件是完全相同的,所有元件具有的属性它都具有,所有针对元件能够进行的操作也同样能够针对箱柜进行,因此在GStreamer应用程序中能够像使用元件一样使用这类箱柜。
下面的代码示范了如何为箱柜添加一个精灵衬垫:
GstElement*bin;
GstElement*element;
element=gst_element_factory_create("mad","decoder");
bin=gst_bin_new("bin_name");
gst_bin_add(GST_BIN(bin),element);
gst_element_add_ghost_pad(bin,gst_element_get_pad(element,"sink"),"sink");
二、元件连接
在引入了元件和衬垫的概念之后,GStreamer对多媒体数据的处理过程就变得非常清晰了:
通过将不同元件的衬垫依次连接起来构成一条媒体处理管道,使数据在流经管道的过程能够被各个元件正常处理,最终实现特定的多媒体功能。
图1就描述了一条很简单的管道,它由三个基本元件构成:
数据源元件只负责产生数据,它的输出衬垫与过滤器元件的输入衬垫相连;过滤器元件负责从自己的输入衬垫中获取数据,并在经过特定的处理之后,将结果通过输出衬垫传给与之相连的接收器元件;接收器元件只负责接收数据,它的输入衬垫与过滤器元件的输出衬垫相连,负责对最终结果进行相应的处理。
GStreamer框架中的元件是通过各自的衬垫连接起来的,下面的代码示范了如何将两个元件通过衬垫连接起来,以及如何在需要的时候断开它们之间的连接:
GstPad*srcpad,*sinkpad;
srcpad=gst_element_get_pad(element1,"src");
sinpad=gst_element_get_pad(element2,"sink");
//连接
gst_pad_link(srcpad,sinkpad);
//断开
gst_pad_unlink(srcpad,sinkpad);
如果需要建立起连接的元件都只有一个输入衬垫和一个输出衬垫,那么更简单的做法是调用gst_element_link()函数直接在它们之间建立起连接,或者调用gst_element_unlink()函数断开它们之间的连接:
//连接
gst_element_link(element1,element2);
//断开
gst_element_unlink(element1,element2);
三、元件状态
当GStreamer框架中的元件通过管道连接好之后,它们就开始了各自的处理流程,期间一般会经历多次状态切换,其中每个元件在特定时刻将处于如下四种状态之一:
NULL这是所有元件的默认状态,表明它刚刚创建,还没有开始做任何事情。
READY表明元件已经做好准备,随时可以开始处理流程。
PAUSED表明元件因某种原因暂时停止处理数据。
PLAYING表明元件正在进行数据处理。
所有的元件都从NULL状态开始,依次经历NULL、READY、PAUSED、PLAYING等状态间的转换。
元件当前所处的状态可以通过调用gst_element_set_state()函数进行切换:
GstElement*bin;
/*创建元件,并将其连接成箱柜bin*/
gst_element_set_state(bin,GST_STATE_PLAYING);
默认情况下,管道及其包含的所有元件在创建之后将处于NULL状态,此时它们不会进行任何操作。
当管道使用完毕之后,不要忘记重新将管道的状态切换回NULL状态,让其中包含的所有元件能够有机会释放它们正在占用的资源。
管道真正的处理流程是从第一次将其切换到READY状态时开始的,此时管道及其包含的所有元件将做好相应的初始化工作,来为即将执行的数据处理过程做好准备。
对于一个典型的元件来讲,处于READY状态时需要执行的操作包括打开媒体文件和音频设备等,或者试图与位于远端的媒体服务器建立起连接。
处于READY状态的管道一旦切换到PLAYING状态,需要处理的多媒体数据就开始在整个管道中流动,并依次被管道中包含的各个元件进行处理,从而最终实现管道预先定义好的某种多媒体功能。
GStreamer框架也允许将管道直接从NULL状态切换到PLAYING状态,而不必经过中间的READY状态。
正处于播放状态的管道能够随时切换到PAUSED状态,暂时停止管道中所有数据的流动,并能够在需要的时候再次切换回PLAYING状态。
如果需要插入或者更改管道中的某个元件,必须先将其切换到PAUSED或者NULL状态,元件在处于PAUSED状态时并不会释放其占用的资源。
四、实现MP3播放器
在理解了一些基本概念和处理流程之后,下面来看看如何利用GStreamer框架提供的组件,来实现一个简单的MP3播放器。
在图1中描述的结构能够很容易地映射成MP3播放器,其中数据源元件负责从磁盘上读取数据,过滤器元件负责对数据进行解码,而接受器元件则负责将解码后的数据写入声卡。
与其它众多GNOME项目一样,GStreamer也是用C语言实现的。
如果想要在程序中应用GStreamer提供的各种功能,首先必须在主函数中调用gst_init()来完成相应的初始化工作,以便将用户从命令行输入的参数传递给GStreamer函数库。
一个典型的GStreamer应用程序的初始化如下所示:
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
gst_init(&argc,&argv);
/*...*/
}
接下去需要创建三个元件并连接成管道,由于所有GStreamer元件都具有相同的基类GstElement,因此能够采用如下方式进行定义:
GstElement*pipeline,*filesrc,*decoder,*audiosink;
管道在GStreamer框架中是用来容纳和管理元件的,下面的代码将创建一条名为pipeline的新管道:
/*创建用来容纳元件的新管道*/
pipeline=gst_pipeline_new("pipeline");
数据源元件负责从磁盘文件中读取数据,它具有名为location的属性,用来指明文件在磁盘上的位置。
使用标准的GObject属性机制可以为元件设置相应的属性:
/*创建数据源元件*/
filesrc=gst_element_factory_make("filesrc","disk_source");
g_object_set(G_OBJECT(filesrc),"location",argv[1],NULL);
过滤器元件负责完成对MP3格式的数据进行解码,最简单的办法是安装mad这一插件,借助它来完成相应的解码工作:
/*创建过滤器元件*/
decoder=gst_element_factory_make("mad","decoder");
接收器元件负责将解码后的数据利用声卡播放出来:
/*创建接收器元件*/
audiosink=gst_element_factory_make("audiosink","play_audio");
已经创建好的三个元件需要全部添加到管道中,并按顺序连接起来:
/*添加元件到管道中*/
gst_bin_add_many(GST_BIN(pipeline),filesrc,decoder,audiosink,NULL);
/*通过衬垫连接元件*/
gst_element_link_many(filesrc,decoder,audiosink,NULL);
所有准备工作都做好之后,就可以通过将管道的状态切换到PLAYING状态,来启动整个管道的数据处理流程:
/*启动管道*/
gst_element_set_state(pipeline,GST_STATE_PLAYING);
由于没有用到线程,因此必须通过不断调用gst_bin_iterate()函数的办法,来判断管道的处理过程会在何时结束:
while(gst_bin_iterate(GST_BIN(pipeline)));
只要管道内还会继续有新的事件产生,gst_bin_iterate()函数就会一直返回TRUE,只有当整个处理过程都结束的时候,该函数才会返回FALSE,此时就该终止管道并释放占用的资源了:
/*终止管道*/
gst_element_set_state(pipeline,GST_STATE_NULL);
/*释放资源*/
gst_object_unref(GST_OBJECT(pipeline));
用GStreamer实现的MP3播放器的源代码如下所示:
#include
intmain(intargc,char*argv[])
{
GstElement*pipeline,*filesrc,*decoder,*audiosink;
gst_init(&argc,&argv);
if(argc!
=2){
g_print("usage:
%s\n",argv[0]);
exit(-1);
}
/*创建一条新的管道*/
pipeline=gst_pipeline_new("pipeline");
/*生成用于读取硬盘数据的元件*/