GStreamer使用详解

Posted 2022-05-02 Geek.Fan

1.Gstreamer简介

         Gstreamer是一个支持Windows，Linux，android， ios的跨平台的多媒体框架，应用程序可以通过管道（Pipeline）的方式，将多媒体处理的各个步骤串联起来，达到预期的效果。每个步骤通过元素（Element）基于GObject对象系统通过插件（plugins）的方式实现，方便了各项功能的扩展。

        下图是对基于Gstreamer框架的应用的简单分层：

         最下层为各种插件，实现具体的数据处理及音视频输出，应用不需要关注插件的细节，会由Core Framework层负责插件的加载及管理。主要分类为：

• Protocols：负责各种协议的处理，file，http，rtsp等。
• Sources：负责数据源的处理，alsa，v4l2，tcp/udp等。
• Formats：负责媒体容器的处理，avi，mp4，ogg等。
• Codecs：负责媒体的编解码，mp3，vorbis等。
• Filters：负责媒体流的处理，converters，mixers，effects等。
• Sinks：负责媒体流输出到指定设备或目的地，alsa，xvideo，tcp/udp等。

        Gstreamer框架根据各个模块的成熟度以及所使用的开源协议，将core及plugins置于不同的源码包中：

• gstreamer: 包含core framework及core elements。
• gst-plugins-base: gstreamer应用所需的必要插件。
• gst-plugins-good: 高质量的采用LGPL授权的插件。
• gst-plugins-ugly: 高质量，但使用了GPL等其他授权方式的库的插件，比如使用GPL的x264，x265。
• gst-plugins-bad: 质量有待提高的插件，成熟后可以移到good插件列表中。
• gst-libav: 对libav封装，使其能在gstreamer框架中使用。

2、gstreamer框架构成元素

Element：

        Element是Gstreamer中最重要的对象类型之一。一个element实现一个功能（读取文件，解码，输出等），程序需要创建多个element，并按顺序将其串连起来，构成一个完整的pipeline。

Pad：

        Pad是一个element的输入/输出接口，分为src pad（生产数据）和sink pad（消费数据）两种。

        两个element必须通过pad才能连接起来，pad拥有当前element能处理数据类型的能力（capabilities），会在连接时通过比较src pad和sink pad中所支持的能力，来选择最恰当的数据类型用于传输，如果element不支持，程序会直接退出。在element通过pad连接成功后，数据会从上一个element的src pad传到下一个element的sink pad然后进行处理。

        当element支持多种数据处理能力时，我们可以通过Cap来指定数据类型.

        例如，下面的命令通过Cap指定了视频的宽高，videotestsrc会根据指定的宽高产生相应数据：

gst-launch-1.0 videotestsrc ! "video/x-raw,width=1280,height=720" ! autovideosink

Bin和Pipeline：

          Bin是一个容器，用于管理多个element，改变bin的状态时，bin会自动去修改所包含的element的状态，也会转发所收到的消息。如果没有bin，我们需要依次操作我们所使用的element。通过bin降低了应用的复杂度。

        Pipeline继承自bin，为程序提供一个bus用于传输消息，并且对所有子element进行同步。当将pipeline的状态设置为PLAYING时，pipeline会在一个/多个新的线程中通过element处理数据。

        下面我们通过一个文件播放的例子来熟悉上述提及的概念：测试文件 sintel_trailer-480p.ogv

gst-launch-1.0 filesrc location=sintel_trailer-480p.ogv ! oggdemux name=demux ! queue ! vorbisdec ! autoaudiosink demux. ! queue ! theoradec ! videoconvert ! autovideosink

        通过上面的命令播放文件时，会创建如下pipeline：

        可以看到这个pipeline由8个element构成，每个element都实现各自的功能：

        filesrc读取文件，oggdemux解析文件，分别提取audio，video数据，queue缓存数据，vorbisdec解码audio，autoaudiosink自动选择音频设备并输出，theoradec解码video，videoconvert转换video数据格式，autovideosink自动选择显示设备并输出。

        不同的element拥有不同数量及类型的pad，只有src pad的element被称为source element，只有sink pad的被称为sink element。

        element可以同时拥有多个相同的pad，例如oggdemux在解析文件后，会将audio，video通过不同的pad输出。

Gstreamer数据消息交互：

        在pipeline运行的过程中，各个element以及应用之间不可避免的需要进行数据消息的传输，gstreamer提供了bus系统以及多种数据类型（Buffers、Events、Messages，Queries）来达到此目的：

 Bus：

        Bus是gstreamer内部用于将消息从内部不同的streaming线程，传递到bus线程，再由bus所在线程将消息发送到应用程序。应用程序只需要向bus注册消息处理函数，即可接收到pipline中各element所发出的消息，使用bus后，应用程序就不用关心消息是从哪一个线程发出的，避免了处理多个线程同时发出消息的复杂性。

Buffers：

        用于从sources到sinks的媒体数据传输。

Events：

        用于element之间或者应用到element之间的信息传递，比如播放时的seek操作是通过event实现的。

Messages：

        是由element发出的消息，通过bus，以异步的方式被应用程序处理。通常用于传递errors, tags, state changes, buffering state, redirects等消息。消息处理是线程安全的。由于大部分消息是通过异步方式处理，所以会在应用程序里存在一点延迟，如果要及时的相应消息，需要在streaming线程捕获处理。

Queries：

        用于应用程序向gstreamer查询总时间，当前时间，文件大小等信息。

gstreamer tools：

        Gstreamer自带了gst-inspect-1.0和gst-launch-1.0等其他命令行工具，我们可以使用这些工具完成常见的处理任务。

gst-inspect-1.0：

        查看gstreamer的plugin、element的信息。直接将plugin/element的类型作为参数，会列出其详细信息。如果不跟任何参数，会列出当前系统gstreamer所能查找到的所有插件。

$ gst-inspect-1.0 playbin

gst-launch-1.0

        用于创建及执行一个Pipline，因此通常使用gst-launch先验证相关功能，然后再编写相应应用。

        通过上面ogg视频播放的例子，我们已经看到，一个pipeline的多个element之间通过 “!" 分隔，同时可以设置element及Cap的属性。例如：

播放音视频

gst-launch-1.0 playbin file:///home/root/test.mp4

转码：

gst-launch-1.0 filesrc location=/videos/sintel_trailer-480p.ogv ! decodebin name=decode ! \\

videoscale ! "video/x-raw,width=320,height=240" ! x264enc ! queue ! \\

mp4mux name=mux ! filesink location=320x240.mp4 decode. ! audioconvert ! \\

avenc_aac ! queue ! mux.

Streaming：

#Server

gst-launch-1.0 -v videotestsrc ! "video/x-raw,framerate=30/1" ! x264enc key-int-max=30 ! rtph264pay ! udpsink host=127.0.0.1 port=1234

#Client

gst-launch-1.0 udpsrc port=1234 ! "application/x-rtp, payload=96" ! rtph264depay ! decodebin ! autovideosink sync=false

3、GSTreamerde的特点

        GStreamer是一个创建流媒体应用程序的框架。其基本设计思想来自于俄勒冈(Oregon)研究生学院有关视频管道的创意, 同时也借鉴了DirectShow的设计思想。

        GStreamer的程序开发框架使得编写任意类型的流媒体应用程序成为了可能。在编写处理音频、视频或者两者皆有的应用程序时, GStreamer可以让你的工作变得简单。GStreamer并不受限于音频和视频处理, 它能够处理任意类型的数据流。管道设计的方法对于实际应用的滤波器几乎没有负荷, 它甚至可以用来设计出对延时有很高要求的高端音频应用程序。

        GStreamer最显著的用途是在构建一个播放器上。GStreamer已经支持很多格式的文件了, 包括: MP3、Ogg/Vorbis、MPEG-1/2、AVI、Quicktime、 mod等等。从这个角度看,GStreamer更象是一个播放器。但是它主要的优点却是在于: 它的可插入组件能够很方便的接入到任意的管道当中。这个优点使得利用GStreamer编写一个万能的可编辑音视频应用程序成为可能。

        GStreamer框架是基于插件的, 有些插件中提供了各种各样的多媒体数字信号编解码器,也有些提供了其他的功能。所有的插件都能够被链接到任意的已经定义了的数据流管道中。GStreamer的管道能够被GUI编辑器编辑, 能够以XML文件来保存。这样的设计使得管道程序库的消耗变得非常少 。

        GStreamer核心库函数是一个处理插件、数据流和媒体操作的框架。 GStreamer核心库还提供了一个API, 这个API是开放给程序员使用的---当程序员需要使用其他的插件来编写他所需要的应用程序的时候可以使用它。

4、官方资料

What is GStreamer?

https://gstreamer.freedesktop.org/documentation/application-development/introduction/basics.htm

gst-launch-1.0