【GStreamer开发】GStreamer播放教程08——视频解码的硬件加速

目标

      视频的硬件解码近来发展非常快速，尤其是在低功耗的设备上。本教程会讲述一些硬件加速的背景知识并解释一下GStreamer是怎么做的。

      悄悄告诉你，如果设置正确地话，我们什么也不用做，GStreamer自动做完这一切的。

介绍

      视频解码是非常消耗CPU的一个任务，尤其是1080P这种高分辨率的高清节目。幸运的是，现在的显卡都带了可编程的GPU，如果我们用GPU用来做视频解码，那么CPU就可以解放出来做其他的任务了。低功耗的CPU是无法做解码这样的工作的，这时硬件的配合就是必须的了。

      目前来说（2012.07），每个GPU的制造商都提供了访问它们的硬件的方法（API），不幸的是各家并不相同，并没有一个强制的标准。

      VAAPI(Video Acceleration API)：2007年Intel设计的，目的是在Unix操作系统的XWindow系统下运行，现在开源了。现在不仅仅局限于Intel的GPU了，其他制造商也可以使用了。GStreamer通过gstreamer-vaapi和fluvadec这个插件来使用。

      VDPAU(Video Decode and Presentation API for Unix)：2008年NVidia设计的，最早也是运行在Unix的XWindow系统下，现在同样开源了。虽然同样已经是开源库了，但除了NVidia自己外还没有其他制造商使用。GStreamer通过vdpau和fluvadec这个插件来使用。

      DXVA(DirectX Video Acceleration):微软为了Windows系统和XBox360定制的。GStreamer通过fluvadec这个插件来使用。

      XVBA(X-Video Bitstream Acceleration)：AMD设计，在Linux操作系统的XWindow系统下下X Video的扩展。目前在AMD的ATI显卡中有支持。GStreamer通过fluvadec这个插件来使用。

      VDA(Video Decode Acceleration)：应用于Mac OSX10.6.3之后，仅仅加速H.264的解码，GStreamer通过fluvadec这个插件来使用。

      OpenMAX(Open Media Acceleration)：由非盈利性联合Khronos Group设计的，是一组跨平台的C语言编程接口。GStreamer通过gstreamer-omx这个插件来使用。

      OVD(Open Video Decode)：AMD的又一个API，GStreamer目前不能使用这个接口。

      DCE(Distributed Codec Engine)：一个开源的软件库(libdce)和TI定制的API，提供给linux系统和ARM平台的。GStreamer通过gstreamer-ducati插件可以使用。

硬件加速视频解码插件内部的工作原理

      通常这些API提供了一系列的功能，比如：视频解码，后处理，解码帧的描述，或者把帧下载到系统内存等等。相应的，不同的功能插件一般是给不同的element使用的，这样pipeline可以适应任何需求。

      例如：gstreamer-vaapi这个插件提供了vaapidecode、vaapiupload、vaapidownload、vaapisink这些element，允许通过VAAPI来使用硬件加速功能，上传原始视频帧数据到GPU内存，下载GPU帧到系统内存并且描述GPU帧的内容。

      这里区分传统的GStreamer帧（在系统内存中）和由硬件加速API生成的帧是很重要的。硬件加速生成的帧位于GPU的内存中，是GStreamer不能直接操作的。通常他们是下载到系统内存中，然后就可以被当成普通帧来处理了，但留在GPU中由GPU来显示效率是最高的。

      GStreamer需要追踪这些“硬件缓冲区”，因为这样传统的缓冲区可以继续从一个element流向另一个element，但他们的内容尽皆是硬件缓冲区的ID或者Handler。比如：一个appsink获得了硬件缓冲区ID，硬件缓冲区什么都不会响应，因为它们只能由生成它们的插件来处理。

      为了让这个更加明确，这些缓冲区都有特殊的Caps，就像video/x-vdpau-output或者video/x-fluendo-va这样。在这种方式下，GStreamer的自动插入机制不会试着把硬件缓冲区去传给传统的element——因为他们根本风马牛不相及。而且，使用了这些Caps之后，自动插入机制就可以使用硬件加速来搭建pipeline了，因为，在VAAIP解码器之后，只有VAAPI sink这一种element是可以连接上去的。

      这些都说明，如果一个硬件加速的API在系统中可用而且对应的GStreamer插件也有的话，playbin2等自动连接的element可用随意的使用它们来搭建pipeline，应用不需要做什么特殊的处理。

      当playbin2必须在一些element中选择时，就像是选择传统的软件解码还是硬件加速的解码，它会使用rank来决定。这个rank属性是每个element都有的，它会指明优先级，playbin2会选用最高的rank的element来搭建pipeline。

      所以，playbin2是否使用硬件加速的element取决于当时所有可用的element的rank值。而且，最简单地确保硬件加速的element被选中的方法是修改rank属性的值。代码如下：

static void enable_factory (const gchar *name, gboolean enable) {
    GstRegistry *registry = NULL;
    GstElementFactory *factory = NULL;

    registry = gst_registry_get_default ();
    if (!registry) return;

    factory = gst_element_factory_find (name);
    if (!factory) return;

    if (enable) {
        gst_plugin_feature_set_rank (GST_PLUGIN_FEATURE (factory), GST_RANK_PRIMARY + 1);
    }
    else {
        gst_plugin_feature_set_rank (GST_PLUGIN_FEATURE (factory), GST_RANK_NONE);
    }

    gst_registry_add_feature (registry, GST_PLUGIN_FEATURE (factory));
    return;
}

      传给方法的第一个参数是要修改的element的名字，比如：vaapidecode或者fluvadec。

      这里主要的方法是gst_plugin_feature_set_rank()，它会设置element的rank。为了方便起见，rank分成NONE，MARGINAL，SECONDARY和PRIMARY，但任何数字都可以的。比如我们可用给某个element设置PRIMARY+1，那么它就比其他设置成PRIMARY的rank高，设置一个element的rank是NONE，会让自动连接机制屏蔽它（永远选不上）。

硬件加速视频解码和GStreamer的SDK

      GStreamer的SDK在2012年七月前是没有硬件加速的视频解码的插件的。主要原因是有些还没有完全写完，还有一些问题。但请记住这个情况会在不久改变。

      有些插件可用在它们公开源码的基础上自己编译出来，使用Cerbero编译系统。有些插件是供应商已经编译好了。

      下面会简单介绍一下当前这些插件的情况。

vdpad在gst-plugin-bad

      针对VDPAU的GStreamer element，在gst-plugin-bad里面

      支持mpeg2，mpeg4和H264的编解码

gstreamer-vaapi

      针对VAAPI的GStreamer element，项目的网址请猛戳这里。

      支持mpeg2，mpeg4，H264，VC1和WMV3的编解码

      可用直接和Clutter配合使用，这样帧就可以一直在GPU里面

      和playbin2兼容

gst-omx      

      针对OpenMax的GStreamer element，项目网址请猛戳这里。

      在不同的硬件下支持不同的编解码

fluvadec

      针对VAAPI，VDPAU，DXVA2，XVBA和VDA的GStreamer element.

      根据不同的API，支持不同的编解码

	MPEG2	MPEG4	H.264	VC1
VAAPI	✓	✓	✓	✓
VDPAU	✓	✓	✓	✓
XVBA			✓	✓
DXVA2			✓
VDA			✓

      可用直接和Clutter配合使用，这样帧就可以一直在GPU里面

      和playbin2兼容