英伟达DeepStream学习笔记3——GStreamer基础

矫情吗；* 2023-01-17 06:29 302阅读 0赞

### 英伟达DeepStream学习笔记3——GStreamer基础 ###

*  一、基本概念
 *   *  Element
     *   *  1. source element
         *  2. sink element
         *  3. filter-like element
     *  连接element
     *  Bin和Pipeline
     *  Bus
 *  二、示例代码
 *  三、源码分析
 *   *  创建Element
     *  创建Pipeline
     *  设置element属性
     *  设置播放状态
     *  等待播放结束与释放资源

参考：[英伟达官方GStreamer教程][GStreamer]

# 一、基本概念 #

## Element ##

我们知道element是构建GStreamer pipeline的基础，element在框架中的类型为GstElement，所有GStreamer提供的解码器（decoder）,编码器（encoder）, 分离器（demuxer）, 音视频输出设备都是派生自GstElement。

那么element到底是什么呢？  
从应用的角度，我们可以将一个element认为是一个功能块，他实现一个特定的功能，比如：数据读取，音频解码，声音输出等。各个功能块之间可以通过某种特定的数据接口（这种接口称为pad，将在后续章节讲述）进行数据传输。每个element有唯一的类型，还有相应的属性，用于控制element的行为。

为了更直观的展现element，我们通常用一个框来表示一个element，在element内部使用小框表示pad。

这些功能块有些可以生成数据，有些只接收数据，有些先接收数据，再生成数据。为了便于区分这些element，我们把他们分为三类：

### 1. source element ###

只能生成数据，不能接收数据的element称为source element。例如用于文件读取的filesrc等。  
对于source element，我们通常用src pad表示element能产生数据，并将其放在element的右边。source element只有src pad，通过设备、文件、网络等方式读取数据后，通过src pad向pipeline发送数据，开始pipeline的处理流程。如下图：

![在这里插入图片描述][20210427134110865.png]

### 2. sink element ###

只能接收数据，不能产生数据的element称为sink element。例如播放声音的alsasink等。  
对于sink element，我们通常用sink pad表示element能接收处理数据，并将其放在element的左边。sink element只有sink pad，从sink pad读取数据后，将数据发送到指定设备或位置，结束pipeline的处理流程。如下图：

![在这里插入图片描述][20210427134118445.png]

### 3. filter-like element ###

既能接收数据，又能生成数据的element称为filter-like element。例如分离器，解码器，音量控制器等。  
对于filter-like element，既包含位于element左边的sink pad，又包含位于element右边的src pad。Element首先从sink pad读取数据，然后对数据进行处理，最后在src pad产生新的数据。如下图：

![在这里插入图片描述][20210427134125774.png]

对于这些的element，可能包含多个src pad，也可能包含多个sink pad，例如mp4的demuxer（qtdemux）会将mp4文件中的音频和视频的分离到audio src pad和video src pad。而mp4的muxer（mp4mux）则相反，会将audio sink pad和video sink pad的数据合并到一个src pad，再经其他element将数据写入文件或发送到网络。demuxer如下图：  
![在这里插入图片描述][20210427134135116.png]

## 连接element ##

当我们有很多element时，我们需要将他们按数据的传输路径将其串联起来，src pad只能联接到sink pad，这样才能够实现相应的功能。  
![在这里插入图片描述][2021042713414325.png]

## Bin和Pipeline ##

我们将element串联起来后就能实现相应的功能，为什么我们还需要bin和pipline呢？我们首先来看看在GStreamer框架中element，bin，pipeline对象之间的继承关系：

GObject
        ╰──GInitiallyUnowned
            ╰──GstObject
                ╰──GstElement
                    ╰──GstBin
                        ╰──GstPipeline

这里bin和pipeline都是一个element，那么bin和pipeline都在element的基础上实现了什么功能，解决了什么问题呢？  
我们在创建了element多个element后，我们需要对element进行状态/资源管理，如果每次状态改变时，都需要依次去操作每个element，这样每次编写一个应用都会有大量的重复工作，这时就有了bin。  
Bin继承自element后，实现了容器的功能，可以将多个element添加到bin，当操作bin时，bin会将相应的操作转发到内部所有的element中，我们可以将bin认为认为是一个新的逻辑element，由bin来管理其内部element的状态及资源，同事转发其产生的消息。常见的bin有decodebin，autovideoconvert等。  
![在这里插入图片描述][20210427134200765.png]

Bin实现了容器的功能，那pipeline又有什么功能呢？  
在多媒体应用中，音视频同步是一个基本的功能，需要支持这样的功能，所有的element必须要有一个相同的时钟，这样才能保证各个音频和视频在同一时间输出。pipeline就会为其内部所有的element选择一个相同的时钟，同时还为应用提供了bus系统，用于消息的接收。

## Bus ##

刚才我们提到pipeline会提供一个bus，这个pipeline上所有的element都可以使用这个bus向应用程序发送消息。Bus主要是为了解决多线程之间消息处理的问题。由于GStreamer内部可能会创建多个线程，如果没有bus，应用程序可能同时收到从多个线程的消息，如果应用程序在发送线程中通过回调去处理消息，应用程序有可能阻塞播放线程，造成播放卡顿，死锁等其他问题。为了解决这类问题，GStreamer通常是将多个线程的消息发送到bus系统，由应用程序从bus中取出消息，然后进行处理。Bus在这里扮演了消息队列的角色，通过bus解耦了GStreamer框架和应用程序对消息的处理，降低了应用程序的复杂度。

# 二、示例代码 #

在有上面的知识后，我们通过一个示例来看看element是如何创建及使用的。

#include <gst/gst.h>
    
    int main (int argc, char *argv[])
    { 
      GstElement *pipeline, *source, *filter, *sink;
      GstBus *bus;
      GstMessage *msg;
      GstStateChangeReturn ret;
    
      /* Initialize GStreamer */
      gst_init (&argc, &argv);
    
      /* Create the elements */
      source = gst_element_factory_make ("videotestsrc", "source");
      filter = gst_element_factory_make ("timeoverlay", "filter");
      sink = gst_element_factory_make ("autovideosink", "sink");
    
      /* Create the empty pipeline */
      pipeline = gst_pipeline_new ("test-pipeline");
    
      if (!pipeline || !source || !filter || !sink) { 
        g_printerr ("Not all elements could be created.\n");
        return -1;
      }
    
      /* Build the pipeline */
      gst_bin_add_many (GST_BIN (pipeline), source, filter, sink, NULL);
      if (gst_element_link_many (source, filter, sink, NULL) != TRUE) { 
        g_printerr ("Elements could not be linked.\n");
        gst_object_unref (pipeline);
        return -1;
      }
    
      /* Modify the source's properties */
      g_object_set (source, "pattern", 0, NULL);
    
      /* Start playing */
      ret = gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_PLAYING);
      if (ret == GST_STATE_CHANGE_FAILURE) { 
        g_printerr ("Unable to set the pipeline to the playing state.\n");
        gst_object_unref (pipeline);
        return -1;
      }
    
      /* Wait until error or EOS */
      bus = gst_element_get_bus (pipeline);
      msg =
          gst_bus_timed_pop_filtered (bus, GST_CLOCK_TIME_NONE,
          GST_MESSAGE_ERROR | GST_MESSAGE_EOS);
    
      /* Parse message */
      if (msg != NULL) { 
        GError *err;
        gchar *debug_info;
    
        switch (GST_MESSAGE_TYPE (msg)) { 
          case GST_MESSAGE_ERROR:
            gst_message_parse_error (msg, &err, &debug_info);
            g_printerr ("Error received from element %s: %s\n",
                GST_OBJECT_NAME (msg->src), err->message);
            g_printerr ("Debugging information: %s\n",
                debug_info ? debug_info : "none");
            g_clear_error (&err);
            g_free (debug_info);
            break;
          case GST_MESSAGE_EOS:
            g_print ("End-Of-Stream reached.\n");
            break;
          default:
            /* We should not reach here because we only asked for ERRORs and EOS */
            g_printerr ("Unexpected message received.\n");
            break;
        }
        gst_message_unref (msg);
      }
    
      /* Free resources */
      gst_object_unref (bus);
      gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_NULL);
      gst_object_unref (pipeline);
      return 0;
    }

# 三、源码分析 #

## 创建Element ##

/* Create the elements */
      source = gst_element_factory_make ("videotestsrc", "source");
      filter = gst_element_factory_make ("timeoverlay", "filter");
      sink = gst_element_factory_make ("autovideosink", "sink");

在对GStreamer进行初始化后，我们可以通过gst\_element\_factory\_make创建element。第一个参数是element的类型，可以通过这个字符串，找到对应的类型，从而创建element对象。第二个参数指定了创建element的名字，当我们没有保存创建element的对象指针时，我们可以通过gst\_bin\_get\_by\_name从pipeline中取得该element的对象指针。如果第二个参数为NULL，则GStreamer内部会为该element自动生成一个唯一的名字。  
我们在当前示例中创建了3个element：videotestsrc，timeoverlay，autovideosink，其作用分别为：

*  videotestsrc是一个source element，用于产生视频数据，通常用于调试。
 *  timeoverlay是一个filter-like element，可以在视频数据中叠加一个时间字符串。
 *  autovideosink上一个sink element，用于自动选择视频输出设备，创建视频显示窗口，并显示其收到的数据。

## 创建Pipeline ##

/* Create the empty pipeline */
      pipeline = gst_pipeline_new ("test-pipeline");

Pipeline通过gst\_pipeline\_new创建，参数为pipeline的名字。

我们知道pipeline会提供播放所必须的时钟以及对消息的处理，所以我们需要把我们创建的element添加到pipeline中。

/* Build the pipeline */
    gst_bin_add_many (GST_BIN (pipeline), source, filter, sink, NULL);
    if (gst_element_link_many (source, filter, sink, NULL) != TRUE) { 
      g_printerr ("Elements could not be linked.\n");
      gst_object_unref (pipeline);
      return -1;
    }

从上面的讲解我们知道pipeline是继承自bin，所以所有bin的方法都可以应用于pipeline，需要注意的是，我们需要通过相应的宏（这里是GST\_BIN）来将子类转换为父类，宏内部会对其做类型检查。在这里我们使用gst\_bin\_add\_many将多个element加入到pipeline中，这个函数接受任意多个参数，最后以NULL表示参数列表的结束。如果一次只需要加入一个，可以使用gst\_bin\_add函数。

在将element加入bin后，我们需要将其连接起来才能完成相应的功能，由于有多个element，所以我们这里使用gst\_element\_link\_many，element会根据参数的顺序依次将element连接起来。

**需要注意的是，只有被加入到同一个bin的element才能够被连接在一起，所以我们需要在连接前，将所需要的element加入到pipeline/bin中。**

至此，我们已经完成了pipeline的创建，test-pipeline可以表示为：  
![在这里插入图片描述][20210427145940631.png]

## 设置element属性 ##

/* Modify the source's properties */
    g_object_set (source, "pattern", 0, NULL);

大部分的element都有自己的属性。有的属性只能被读取，这种属性常用于查询element的状态。有的属性同时支持修改，这种属性常用于控制element的行为。

由于GstElement继承于GObject，同时GObject对象系统提供了 g\_object\_get()用于读取属性，g\_object\_set()用于修改属性，g\_object\_set()支持以NULL结束的属性-值的键值对，所以可以一次修改element的多个属性。

我们这里通过g\_object\_set()来修改videotestsrc的pattern属性。pattern属性可以控制测试图像的类型，可以尝试将0修改为1，查看输出结果有何不同。

我们可以通过gst-inspect-1.0 videotestsrc命令来查看pattern所支持的所有值。

## 设置播放状态 ##

/* Start playing */
      ret = gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_PLAYING);
      if (ret == GST_STATE_CHANGE_FAILURE) { 
        g_printerr ("Unable to set the pipeline to the playing state.\n");
        gst_object_unref (pipeline);
        return -1;
      }

在完成pipeline的创建以及属性的修改后，我们将pipeline的状态设置为PLAYING，这里与上一文章中的示例相同，只增加来错误处理，其他的返回值处理讲在后续章节讲述。

## 等待播放结束与释放资源 ##

由于videotestsrc会持续输出视频数据，所以我们在这个例子中不会受到EOS消息，只有当我们关闭视频窗口时会收到error消息，发送消息的element名和具体的消息内容会通过终端输出。

参考：  
[https://www.cnblogs.com/xleng/p/11039519.html][https_www.cnblogs.com_xleng_p_11039519.html]

[GStreamer]: https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/tutorials/basic/concepts.html?gi-language=c
[20210427134110865.png]: /images/20221021/a55d5f195b9445ae9302b75b4257899d.png
[20210427134118445.png]: /images/20221021/6b94a8440a884e62a5be4b105f4800a4.png
[20210427134125774.png]: /images/20221021/2f327d4906bf4aafa676f396e20320e7.png
[20210427134135116.png]: /images/20221021/978e172e577a46309c83c12aa7ee0ff7.png
[2021042713414325.png]: /images/20221021/8e4912a270584a228aa5e680ff1e741f.png
[20210427134200765.png]: /images/20221021/c325f97c536d455c9e436f50bb68407f.png
[20210427145940631.png]: /images/20221021/e33d27385dd24c959ec5cf92e8ec9c63.png
[https_www.cnblogs.com_xleng_p_11039519.html]: https://www.cnblogs.com/xleng/p/11039519.html