GPT-Gstreamer实现多路音视频传输编解码

Gstreamer是一个用于构建媒体处理组件图的库，它支持从简单的Ogg/Vorbis播放，音视频流媒体，到复杂的音频（混音）和视频（非线性编辑）处理等多种应用。应用程序可以透明地利用编解码器和滤波器技术的进步。开发者可以通过编写一个简单的插件，使用一个干净、通用的接口，来添加新的编解码器和滤波器。

本文将介绍如何使用Gstreamer实现以下功能：

1 用Gstreamer实现编码板与解码板之间的音视频数据通信

为了在编码板和解码板之间传输音视频数据，我们需要使用Gstreamer的网络插件，如udpsink, udpsrc, tcpsink, tcpsrc等。这些插件可以将音视频数据打包成网络数据包，并通过UDP或TCP协议发送和接收。

• 下面的命令可以在编码板上将一个视频文件编码成H.264格式，并通过UDP协议发送到端口5000：

gst-launch-1.0 -v filesrc location = Tennis1080p.mp4 ! decodebin ! x264enc ! rtph264pay ! udpsink host=192.168.8.90 port=5000

在解码板上，我们可以使用下面的命令接收UDP数据包，并解码成原始视频，并显示在屏幕上：

gst-launch-1.0 -v udpsrc port=5000 caps = "application/x-rtp, media=(string)video, clock-rate=(int)90000, encoding-name=(string)H264, payload=(int)96" ! decodebin ! videoconvert ! autovideosink

• 摄像头数据的发送和接收：

# send
gst-launch-1.0 -v v4l2src device=/dev/video31 ! video/x-raw,width=640,height=480,framerate=30/1 ! x264enc ! rtph264pay ! udpsink host=192.168.8.90 port=5000

# recv
gst-launch-1.0 -v udpsrc port=5000 ! application/x-rtp, encoding-name=H264,payload=96 ! rtph264depay ! avdec_h264 ! videoconvert ! autovideosink

同样的方法，我们也可以传输音频数据，只需要使用不同的编解码器和网络插件即可。

2 用Gstreamer提供多通讯协议支持

除了UDP和TCP协议外，Gstreamer还支持其他的网络协议，如RTP, RTSP, RTMP等。这些协议可以提供更高级的功能，如同步、控制、安全、互动等。为了使用这些协议，我们需要使用Gstreamer的rtp, rtsp, rtmp等插件。

2.1 实现RTP、RTSP和RTMP协议传输

• RTP是实时传输协议，它是一种面向数据包的协议，用于在互联网上传输实时数据，如音频和视频。RTP通常与RTCP一起使用，后者是实时传输控制协议，用于提供反馈信息，如丢包率、延迟、抖动等。Gstreamer提供了rtp插件，用于发送和接收RTP数据包。例如，1中视频数据传输即用到RTP协议：

• RTSP是实时流媒体协议，它是一种基于文本的协议，用于控制实时数据的传输，如播放、暂停、快进、快退等。RTSP通常与RTP一起使用，后者用于传输实时数据。Gstreamer提供了rtsp插件，用于创建和连接RTSP服务器和客户端。

• RTMP是实时消息协议，它是一种二进制的协议，用于在互联网上传输音视频数据，通常与Flash Player一起使用。Gstreamer提供了rtmp插件，用于发送和接收RTMP数据流。例如，下面的命令可用RTMP协议从网站上获取视频：

export RTMP_SRC="rtmp://matthewc.co.uk/vod/scooter.flv"
gst-launch-1.0 playbin uri=$RTMP_SRC

2.2 实现上述协议存储、推拉流和点播功能

除了传输音视频数据外，Gstreamer还可以实现对音视频数据的存储、推拉流和点播功能。存储功能是指将音视频数据保存到本地文件或远程服务器上，以便于后续的回放或分析。推拉流功能是指将音视频数据从一个源推送到一个或多个目的地，或者从一个或多个源拉取到一个目的地。点播功能是指根据用户的需求，按需提供音视频数据的服务。

• 为了实现不同要求下的存储功能，我们需要使用Gstreamer的filesink, filesrc, multifilesink, multifilesrc, splitmuxsink, splitmuxsrc, hlssink, hlssrc, dashsink, dashsrc等插件。这些插件可以将音视频数据保存为不同的格式和分段，如MP4, MKV, TS, HLS, DASH等。例如，下面的命令可以将一个视频文件编码成H.264格式，并保存为多个TS文件，并生成一个M3U8文件：

gst-launch-1.0 filesrc location=video.mp4 ! qtdemux ! h264parse ! mpegtsmux name=mux ! hlssink max-files=5 playlist-root=http://192.168.1.100/

类似地，我们可以使用filesink插件将音视频数据保存为单个MP4文件，使用multifilesink插件将音视频数据保存为多个MP4文件，使用splitmuxsink插件将音视频数据保存为多个大小相同的MP4文件，使用hlssink插件将音视频数据保存为HLS格式，使用dashsink插件将音视频数据保存为DASH格式等。

• 要实现推拉流功能，我们可以使用Gstreamer的tcpserversink, tcpserversrc, udpsink, udpsrc, rtmpsink, rtmpsrc等插件。这些插件可以将音视频数据通过TCP或UDP协议发送或接收，或者通过RTMP协议发送或接收。例如，下面的命令可以将一个视频文件编码成H.264格式，并通过TCP协议发送到本地端口5000：

gst-launch-1.0 filesrc location=video.mp4 ! qtdemux ! h264parse ! mpegtsmux name=mux ! tcpserversink port=5000

类似地，我们可以使用udpsink插件将音视频数据通过UDP协议发送到指定的IP地址和端口，使用rtmpsink插件将音视频数据通过RTMP协议发送到指定的URL等。

• 要实现点播功能，我们可以使用Gstreamer的playbin或uridecodebin插件。这些插件可以根据用户提供的URI（统一资源标识符）来自动选择合适的源插件和解码器插件来播放音视频数据。例如，下面的命令可以根据用户输入的URI来播放相应的音视频内容：

gst-launch-1.0 playbin uri=https://prod-streaming-video-msn-com.akamaized.net/a8c412fa-f696-4ff2-9c76-e8ed9cdffe0f/604a87fc-e7bc-463e-8d56-cde7e661d690.mp4

3 用Gstreamer实现多码率视频转换与生成

除了传输和存储音视频数据外，Gstreamer还可以实现对音视频数据的转换和生成。转换功能是指将音视频数据从一种格式或编码方式转换为另一种格式或编码方式。生成功能是指根据用户的需求，生成不同码率或质量的音视频数据。

• 为了实现重新编码功能，我们需要使用Gstreamer的decodebin, encodebin, videoconvert, audioconvert, videoscale, audioscale, x264enc, x265enc, nvenc, nvdec等插件。这些插件可以对音视频数据进行解码、编码、格式转换、缩放、压缩等操作。例如，下面的命令可以将一个视频文件解码成原始的音视频数据，并重新编码成H.265格式，并保存为MP4文件：

gst-launch-1.0 filesrc location=video.mp4 ! decodebin name=decode ! encodebin profile="video/x-h265" name=encode ! filesink location=video_h265.mp4

类似地，我们可以使用videoconvert插件将音视频数据转换为不同的颜色空间，使用audioconvert插件将音视频数据转换为不同的采样格式，使用videoscale插件将音视频数据缩放为不同的分辨率，使用audioscale插件将音视频数据缩放为不同的采样率，使用x264enc或x265enc插件将音视频数据编码为H.264或H.265格式，使用nvenc或nvdec插件利用NVIDIA的硬件加速来编码或解码音视频数据等。

• 要实现多码率视频生成功能，我们可以使用Gstreamer的tee或multiqueue插件。这些插件可以将一个音视频流分发到多个分支，每个分支可以进行不同的处理，如编码、缩放、压缩等。例如，下面的命令可以将一个视频文件解码成原始的音视频数据，并生成三个不同码率的H.264视频流，并保存为MP4文件：

gst-launch-1.0 filesrc location=video.mp4 ! decodebin name=decode ! tee name=t t. ! queue ! x264enc bitrate=1000 ! mp4mux name=mux1 ! filesink location=video_1000.mp4 t. ! queue ! videoscale ! "video/x-raw,width=640,height=480" ! x264enc bitrate=500 ! mp4mux name=mux2 ! filesink location=video_500.mp4 t. ! queue ! videoscale ! "video/x-raw,width=320,height=240" ! x264enc bitrate=200 ! mp4mux name=mux3 ! filesink location=video_200.mp4

4 用Gstreamer在3的基础上实现网络带宽探测与码率选择(QoS)

除了转换和生成多码率视频外，Gstreamer还可以实现对网络带宽的探测和码率的选择。探测功能是指根据网络状况，动态地测量可用的带宽。选择功能是指根据可用的带宽和用户的偏好，动态地选择合适的码率。

4.1 网络带宽的探测

网络带宽是指网络中传输数据的能力，通常用比特/秒(bps)来衡量。网络带宽的大小影响了视频流的质量和稳定性，因此在使用Gstreamer进行视频传输时，需要对网络带宽进行探测，以便根据网络状况调整视频流的码率。

网络带宽的探测方法有很多，例如：

• 主动探测：发送端通过发送特定的探测包，然后根据接收端的反馈或者自身的观察，来估计网络带宽。主动探测的优点是可以实时地反映网络状况，缺点是会增加网络负载和延迟。
• 被动探测：接收端通过分析接收到的视频流的特征，如丢包率、抖动、延迟等，来推断网络带宽。被动探测的优点是不会增加网络负载和延迟，缺点是不能及时地反映网络状况。
• 混合探测：结合主动探测和被动探测的优缺点，采用一种折中的方式，如周期性地发送探测包或者根据视频流的变化动态调整探测频率等。

Gstreamer提供了一些插件和工具来实现网络带宽的探测，例如：

• gst-shark：一个用于分析Gstreamer管道性能的工具，可以显示各个元素的处理时间、吞吐量、CPU占用等信息。
• gst-interpipe：一个用于在不同的Gstreamer管道之间传输数据的插件，可以实现跨进程或跨线程的数据交换。
• gst-bad-plugins：一个包含了一些实验性或不稳定的插件的模块，其中有一些插件可以用于网络带宽的探测，如rtpjitterbuffer、rtpbin、rtpsession等。

4.1.1 Gstreamer实现网络带宽的探测

网络带宽是指网络传输数据的能力，通常用比特/秒(bps)来衡量。网络带宽的探测是指通过发送和接收数据包，计算出当前网络的可用带宽。这对于视频流媒体应用来说，非常重要，因为视频流媒体需要根据网络状况，动态调整视频的码率，以保证视频的质量和流畅性。

Gstreamer是一个开源的多媒体框架，可以用来构建各种音视频处理应用。Gstreamer提供了一些插件和工具，可以用来实现网络带宽的探测。例如：

• udpsrc插件可以用来接收UDP数据包，并输出到下游元素。它有一个属性bitrate，可以显示当前接收到的数据包的比特率。
• udpsink插件可以用来发送UDP数据包，并从上游元素接收数据。它有一个属性bitrate，可以显示当前发送出去的数据包的比特率。
• gst-launch-1.0工具可以用来快速构建和运行一个Gstreamer管道。它有一个参数--stats，可以显示管道中每个元素的统计信息，包括比特率。

使用这些插件和工具，我们可以构建一个简单的网络带宽探测的示例。假设我们有两台主机A和B，分别运行以下命令：

• 在主机A上运行：gst-launch-1.0 --stats videotestsrc ! x264enc ! rtph264pay ! udpsink host=B port=5000
• 在主机B上运行：gst-launch-1.0 --stats udpsrc port=5000 ! rtph264depay ! avdec_h264 ! fakesink

这样，主机A会生成一个视频测试信号，并编码为H.264格式，然后通过UDP协议发送到主机B的5000端口。主机B会接收这个视频流，并解码为原始格式，然后丢弃掉。在运行过程中，我们可以通过查看两台主机上的gst-launch-1.0的输出，得到当前网络带宽的探测结果。例如：

• 在主机A上看到：/GstPipeline:pipeline0/GstUDPSink:udpsink0: bitrate = 1000000 bps
• 在主机B上看到：/GstPipeline:pipeline0/GstUDPSrc:udpsrc0: bitrate = 1000000 bps

这表示当前网络的可用带宽大约是1 Mbps。

4.2 码率选择(QoS)

码率选择(QoS)是指根据网络带宽的变化，动态地调整视频流的码率，以保证视频流的质量和稳定性。码率选择(QoS)可以在发送端或者接收端进行，也可以在两端同时进行。

发送端的码率选择(QoS)是指发送端根据自身或者接收端反馈的网络状况，调整视频编码器的参数，如分辨率、帧率、码率等，以适应网络带宽。发送端的码率选择(QoS)可以实现视频流的压缩和降质，从而减少网络负载和延迟。

接收端的码率选择(QoS)是指接收端根据自身或者发送端反馈的网络状况，调整视频解码器或者渲染器的参数，如分辨率、帧率、码率等，以适应网络带宽。接收端的码率选择(QoS)可以实现视频流的放大和提质，从而提高用户体验和满意度。

Gstreamer提供了一些插件和工具来实现码率选择(QoS)，例如：

• gst-qos：一个用于实现QoS的插件，可以根据网络状况和用户设置，动态地调整视频流的码率、分辨率、帧率等参数。
• gst-switch：一个用于实现视频流的切换的工具，可以根据网络状况和用户选择，动态地切换不同的视频源或者视频质量。
• gst-adaptive-streaming：一个用于实现自适应流媒体(Adaptive Streaming)的模块，可以根据网络状况和用户需求，动态地选择不同的视频段或者视频质量。

4.2.1 Gstreamer实现码率选择(QoS)

码率选择是指根据网络带宽的变化，动态调整视频流的码率，以适应不同的网络状况。这可以提高视频流媒体应用的用户体验，避免出现卡顿、模糊等问题。

Gstreamer提供了一些机制和元素，可以用来实现码率选择(QoS)。例如：

• Gstreamer管道中每个元素都有一个属性qos,可以设置为true或false。当设置为true时，表示该元素支持QoS功能，并会根据下游元素的反馈信息，调整自己的处理速度和输出质量。
• Gstreamer管道中每个元素都会发送和接收一些QoS事件和消息。这些事件和消息包含了一些关于流处理的统计信息，例如延迟、丢包率、抖动等。这些信息可以用来评估当前网络状况，以及视频流的质量。
• Gstreamer提供了一些专门用于QoS的元素，例如queue2、rtpjitterbuffer、rtpbin等。这些元素可以用来缓存、重排、丢弃数据包，以减少网络抖动和延迟的影响，以及实现多路复用和解复用等功能。

使用这些机制和元素，我们可以构建一个简单的码率选择(QoS)的示例。假设我们有两台主机A和B，分别运行以下命令：

• 在主机A上运行：gst-launch-1.0 --stats videotestsrc ! x264enc tune=zerolatency bitrate=1000 ! rtph264pay ! udpsink host=B port=5000 qos=true
• 在主机B上运行：gst-launch-1.0 --stats udpsrc port=5000 qos=true ! rtpjitterbuffer ! rtph264depay ! avdec_h264 ! autovideosink

这样，主机A会生成一个视频测试信号，并编码为H.264格式，然后通过UDP协议发送到主机B的5000端口。主机B会接收这个视频流，并解码为原始格式，然后显示出来。在运行过程中，我们可以通过查看两台主机上的gst-launch-1.0的输出，得到当前视频流的码率选择结果。例如：

• 在主机A上看到：/GstPipeline:pipeline0/GstX264Enc:x264enc0: bitrate = 800000 bps
• 在主机B上看到：/GstPipeline:pipeline0/GstRTPJitterBuffer:rtpjitterbuffer0: drop-rate = 10 %

这表示当前网络的可用带宽不足1 Mbps，导致主机A降低了视频流的码率为800 Kbps，而主机B丢弃了10%的数据包，以减少延迟和抖动。