GStreamer基础教程02 - 基本概念

摘要

在 Gstreamer基础教程01 - Hello World中，我们介绍了如何快速的通过一个字符串创建一个简单的pipeline。为了能够更好的控制pipline中的element，我们需要单独创建element，然后再构造pipeline，下面将介绍GStreamer的一些基本概念并展示pipeline的另一种构造方式。

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：

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：

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：

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：

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。

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。

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。

Element Hello World

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;
}

编译并运行示例，可以看到弹出的窗口中播放着测试视频,并且还显示着播放时间。

$ gcc basic-tutorial-2.c -o basic-tutorial-2 `pkg-config --cflags --libs gstreamer-1.0`
$ ./basic-tutorial-2

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：

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

这部分内容与上一文章中的示例相同，这里只增加了消息类型的判断。更多关于消息的内容将在后续章节讲述。
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。

总结

在本教程中，我们掌握了：

• GStreamer element，bin，pipeline，bus的基本概念。
• 如何使用gst_element_factory_make ()创建element。
• 如何使用gst_pipeline_new ()创建pipeline。
• 如何使用gst_bin_add_many ()将多个element加入pipeline。
• 如何使用gst_element_link_many ()将多个element连接起来。

在这两篇文章中，我们介绍了pipeline的两种创建方式，下一篇文章我们将介绍GStreamer是如何保证element可以正确的连接在一起。

引用

https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/tutorials/basic/concepts.html?gi-language=c
https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/application-development/basics/elements.html?gi-language=c
https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/application-development/basics/bins.html?gi-language=c
https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/gstreamer/gstpipeline.html?gi-language=c