基于DirectShow的視頻通道卡的應(yīng)用

杜歆文，王衛(wèi)成，王歆宇

（蘇州廣播電視總臺(tái) 技術(shù)中心，江蘇 蘇州 215006）

基于DirectShow的視頻通道卡的應(yīng)用

杜歆文，王衛(wèi)成，王歆宇

（蘇州廣播電視總臺(tái) 技術(shù)中心，江蘇 蘇州 215006）

介紹了基于DirectShow的視頻通道卡的應(yīng)用背景及意義，對(duì)相關(guān)軟、硬件技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，基于這些技術(shù)，根據(jù)軟件開發(fā)流程，分別實(shí)現(xiàn)了1個(gè)多通道錄制軟件和1個(gè)通道播放軟件，并闡明相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。在多通道錄制軟件中，實(shí)現(xiàn)了多通道同步錄制和單通道分別錄制靈活切換，以及視音頻的合并、分離，通道播放軟件能夠無(wú)縫連續(xù)或者循環(huán)播放，操作方便快捷。2套系統(tǒng)在實(shí)際使用中運(yùn)行良好。

視頻通道卡；錄制；多通道；播放；無(wú)縫播出

隨著節(jié)目?jī)?nèi)容的豐富，制作要求的提高，對(duì)節(jié)目錄制的要求也逐漸提高，以前也許錄制一檔節(jié)目最多需要8個(gè)機(jī)位，導(dǎo)播切換，錄制PGM畫面后期包裝剪輯即可，現(xiàn)在可能需要12、16或者更多機(jī)位，除了錄制PGM畫面，還需要有多路單掛畫面、副切畫面等，方便后期剪輯，如果大量使用藍(lán)光、P2、磁帶等介質(zhì)錄制，需要占用很多錄像機(jī)，錄制操作復(fù)雜，并且后期上載工作非常繁重，因此，文件化采集非常有必要。同時(shí)，更多的現(xiàn)場(chǎng)大屏應(yīng)用，與現(xiàn)場(chǎng)節(jié)目結(jié)合，背景資料、宣傳片、墊片等都需要經(jīng)過(guò)演播室送至現(xiàn)場(chǎng)，文件化的播放方便、快捷，并且避免非編編輯后的二次輸出。

現(xiàn)代演播室中，多通道的播出、錄制已經(jīng)是必不可少的一部分，各家廠商也紛紛推出自己的產(chǎn)品。比如大洋的演播室多通道錄制系統(tǒng)，新奧特CreaStudio多通道非線性采編系統(tǒng)等，單臺(tái)服務(wù)器通常支持4路或以上SDI輸入，多格式采集，支持多鏡頭編輯。草谷公司也推出了T2高標(biāo)清硬盤錄像機(jī)，配置1個(gè)記錄通道和2個(gè)播放通道，并支持多種錄制、播放格式。

該類產(chǎn)品確實(shí)有其不可媲美的優(yōu)點(diǎn)，但高昂的售價(jià)限制了其發(fā)展，另外錄制機(jī)上的多鏡頭編輯不是很符合蘇州臺(tái)編輯使用現(xiàn)狀，媒資素材、歷史素材交換不便，還需要將錄制素材傳輸至原非編網(wǎng)進(jìn)行剪輯，因此決定著手自主開發(fā)多通道錄制、播放軟件。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 硬件

硬件方面需要一臺(tái)插有視頻通道卡的計(jì)算機(jī)[1]。

Blackmagic Design（BMD）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)秀，在2002年11月，BMD推出了DeckLink采集卡，目前DeckLink視頻通道卡產(chǎn)品豐富，根據(jù)功能、通道數(shù)量有多種型號(hào)產(chǎn)品，有支持4K輸入輸出的DeckLink 4K Extreme，有用于簡(jiǎn)單監(jiān)看、錄制的DeckLink MiniMoni?tor和DeckLink Mini Recorder，還有雙通道視頻卡DeckLink Duo和四通道視頻卡DeckLink Quad。根據(jù)需要選用了其四通道視頻卡DeckLink Quad，該板卡擁有一個(gè)同步輸入，4個(gè)SDI輸入口和4個(gè)SDI輸出口，用于采集、回放，每個(gè)端口可以獨(dú)立配置高清或者標(biāo)清格式，完全獨(dú)立。

由于DeckLink Quad采用PCI-E接口，因此計(jì)算機(jī)主板必須支持該接口，此外，視頻編解碼計(jì)算比較耗費(fèi)CPU資源，計(jì)算機(jī)配置需要滿足一定需求。

1.2 軟件

微軟的DirectShow是一個(gè)應(yīng)用于Microsoft Win?dows平臺(tái)的流媒體編程接口[2-4]，使用DirectShow編程，可以執(zhí)行高質(zhì)量的視頻、音頻播放或采集。在9.0版本之前，DirectShow SDK是DirectX SDK的一部分，從Windows Server 2003 SP1 Platform SDK開始，Direct?Show SDK成為Windows SDK的一部分。

DirectShow基于模塊化，每個(gè)功能模塊都采取COM組件方式，稱為filter，比如從文件中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)源filter完成，根據(jù)壓縮格式不同，選取不同的de?coder filters，通過(guò)renderer filter重畫視頻圖像。根據(jù)具體需求，選取一定的filter，然后相連接，這樣構(gòu)建成的鏈表稱為filter graph。通過(guò)filter graph manager來(lái)控制filter graph中的所有filter，轉(zhuǎn)換鏈表的運(yùn)行、停止、暫停狀態(tài)，其同樣是一個(gè)COM對(duì)象。在filter graph manager的管理下，filter graph中的所有filter的狀態(tài)確保一致。

如前文所述，在DirectShow中，DeckLink Quad視頻卡的4個(gè)輸入口各表現(xiàn)為1個(gè)源filter，4個(gè)輸出口分別表現(xiàn)為renderer filter。編解碼器在DirectShow開發(fā)中也表現(xiàn)為注冊(cè)在Windows中的filter，編解碼的優(yōu)劣表現(xiàn)為兼容性好，圖像的還原度高，實(shí)時(shí)性高，資源占用率低等。較為常用的編解碼器有MainConcept，Elecard等。前者產(chǎn)品線豐富，有各種格式的編解碼器，性能優(yōu)秀，但是價(jià)格較高；后者性價(jià)比高，功能滿足要求，但是格式較為單一，主要支持MPEG相關(guān)格式。

2 需求分析

2.1 錄制需求

1）不同于單通道的錄制軟件，多通道錄制軟件的最大區(qū)別在于要保證各通道完全同步。以典型的4通道錄制為例，如果4個(gè)通道完全獨(dú)立，操作者分別開始4個(gè)通道的錄制，保存的文件開始時(shí)間碼必然不同步，在多畫面剪輯時(shí)，只能根據(jù)聲音把多軌視頻畫面時(shí)間碼同步，費(fèi)事費(fèi)力不精確，如果4個(gè)通道文件能夠完全同步開始，在剪輯時(shí)只需要在故事版上把各視頻軌對(duì)齊即可。

2）軟件需要支持高清和標(biāo)清信號(hào)，并且對(duì)記錄文件壓縮格式可以設(shè)置，支持多種碼流。

3）支持至少2軌音頻，考慮實(shí)際使用，以4軌以上為佳，軟件界面顯示VU表指示響度。

4）錄制文件具有良好的兼容性，現(xiàn)有非編軟件對(duì)于錄制文件能夠流暢剪輯、高質(zhì)量解碼。

5）錄制文件由于體積較大，需要能夠方便傳輸至非編網(wǎng)進(jìn)行編輯。

2.2 播放需求

1）播放軟件要求是兩段文件連續(xù)播放時(shí)不能中斷，因此常規(guī)播放完一個(gè)文件再播另一個(gè)文件的方式就不適用，需要想辦法避免兩段文件播放中的黑場(chǎng)、閃斷。

2）支持標(biāo)清、高清輸出，支持常規(guī)格式文件解碼播放。

3）播放軟件操作較多，比如預(yù)卷、播放、跳播、中斷等，用戶需要有熟悉、學(xué)習(xí)的過(guò)程，因此軟件界面及操作應(yīng)盡可能和現(xiàn)有主流軟件相似。

4）列表播放需要支持素材打點(diǎn)、列表循環(huán)播等擴(kuò)展功能。

5）列表中素材應(yīng)可以即時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 總體設(shè)計(jì)與測(cè)試、實(shí)施

3.1 多通道錄制軟件

單通道錄制軟件的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，將板卡視音頻輸入filter與編碼filter分別相連，編碼后經(jīng)復(fù)用器打包成文件，保存。具體流程如圖1所示。

圖1 單通道錄制流程

多通道的錄制軟件設(shè)計(jì)稍顯復(fù)雜，軟件需要適應(yīng)單通道分別錄制和多通道同步錄制，每個(gè)通道可以單獨(dú)啟動(dòng)錄制，也可以同時(shí)開始錄制。如果將單通道的流程重復(fù)多次，在單擊同步錄制按鈕的時(shí)候同時(shí)啟動(dòng)4個(gè)graph，經(jīng)測(cè)試無(wú)法保證4個(gè)通道完全同步開始，可能會(huì)產(chǎn)生1～2幀的誤差，不能夠滿足廣播級(jí)的編輯要求，因此，考慮把4路視頻流放在1個(gè)graph中，由參考時(shí)鐘確保數(shù)據(jù)流同步，當(dāng)需要同時(shí)錄制時(shí)，啟動(dòng)1個(gè)圖表即可，如圖2所示，以2通道為例。當(dāng)需要分別錄制幾個(gè)通道，沒(méi)有同步開始的需求時(shí)，仍然采用多個(gè)graph的方式，靈活多變。

圖2 2通道同步錄制流程

為了滿足不同的需求，錄制碼率可以設(shè)置，同時(shí)，為了方便剪輯、傳輸，有時(shí)需要錄制一份低碼率的文件，在板卡視頻輸入filter和音頻輸入filter后端分別添加Infinite Pin Tee filter，將輸入流分流成多份，一份送窗口預(yù)覽，一份壓縮保存為高碼文件，還有一份壓縮保存為低碼文件。此外，微軟還提供了Smart Tee filter，只能將輸入流分流成2份，并且其中一路輸出為Pre?view Pin，用于監(jiān)看，會(huì)主動(dòng)丟幀以保證另一路Capture Pin輸出處理。

由于節(jié)目制作的多樣性需求，2聲道的保存已經(jīng)不能滿足節(jié)目錄制的需求，4聲道甚至8聲道也常常被應(yīng)用到節(jié)目錄制中，本系統(tǒng)中，錄制文件壓縮格式通常為MPEG，其中音頻壓縮格式為MPEG-1 Audio Layer II（MP2），常規(guī)編碼器只支持2路音頻的壓縮編碼，因此，需要采用變通的辦法。由于音頻碼率低，占用空間小，本軟件中將多軌音頻編碼保存為WAV文件，視頻還是經(jīng)MPEG編碼，保存為視頻文件，視音頻文件分離為2個(gè)文件，在非編中導(dǎo)入時(shí)，由于2個(gè)文件名相同，會(huì)被關(guān)聯(lián)成同一個(gè)素材，不影響剪輯，在大洋非編3.0版本中測(cè)試成功。在音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，還可以把多軌聲道分離，對(duì)每個(gè)聲道進(jìn)行編碼保存，這樣增加了文件數(shù)量，但是后期處理更加靈活。

為了方便文件傳輸，錄制計(jì)算機(jī)配備USB 3.0接口，方便快速拷貝至移動(dòng)硬盤[5]，另外，為了保證數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)被安裝在單獨(dú)的硬盤上，數(shù)據(jù)盤采用2塊硬盤組成RAID1，一塊裝在機(jī)箱內(nèi)部，另一塊使用專用插槽固定在光驅(qū)位，錄制完成后可以將這塊外置硬盤拔下，直接導(dǎo)入非編網(wǎng)進(jìn)行編輯。4通道同時(shí)錄制標(biāo)清文件時(shí)，對(duì)系統(tǒng)并無(wú)特殊要求，常規(guī)配置均可滿足，當(dāng)錄制高清文件時(shí)，對(duì)CPU性能要求較高，實(shí)際測(cè)試配置2顆至強(qiáng)E5-2630 CPU時(shí)，錄制4路高清視頻CPU使用率穩(wěn)定在50%左右，能夠順利完成錄制任務(wù)。

3.2 通道播出軟件

DeckLink Quad視頻卡擁有4個(gè)SDI輸入口和4個(gè)SDI輸出口，但是一組接口不可以同時(shí)使用，即同時(shí)使用輸入和輸出總通道數(shù)不超過(guò)4路。4路輸入之間以及4路輸出之間完全獨(dú)立。

實(shí)現(xiàn)視頻的播放較為簡(jiǎn)單，如圖3所示，視頻文件由信號(hào)分離filter分離為視頻流和音頻流，分別經(jīng)解碼器解碼，然后送板卡播放。

圖3 文件播放流程

如果是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的播放器，這么做就夠了，但是要實(shí)現(xiàn)廣播級(jí)的通道播出，如此播放兩段文件之間肯定會(huì)有短暫的間斷，為了能夠連續(xù)播放，無(wú)黑場(chǎng)，無(wú)抖動(dòng)，需要在放前一段文件的同時(shí)，把后一段文件在內(nèi)存中準(zhǔn)備好。

GMFBridge是英國(guó)GDCL公司開發(fā)的一種特殊COM組件，其全稱為GDCL Multigraph Framework Bridge?；贒irectShow，利用GMFBridge，在程序中組成多graph結(jié)構(gòu)，視音頻數(shù)據(jù)流可以在多個(gè)graph中流動(dòng)，這是解決無(wú)縫切換問(wèn)題的一種方法。由GMFBridge組成的多FilterGraph工作結(jié)構(gòu)如圖4所示。在source graph的末端，有一個(gè)sink filter，在render graph的開頭，有一個(gè)source filter提供源，圖中source graph和render graph之間靠 Bridge Controller、Bridge Sink、Bridge Source filter連接。

圖4 GMFBridge工作結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，BridgeSink、BirdgeSource和Bridge Controller是GMFBridge的關(guān)鍵組成部分。

BridgeSink是音頻視頻解碼filter graph的Render?er filter，BridgeSource是播放filter graph的source filter，Bridge Controller是GMFBridge中的一種COM組件，用來(lái)連接BridgeSink和BridgeSource。Bridge Controller定義了特定的流結(jié)構(gòu)來(lái)傳送數(shù)據(jù)，成為BridgeStream。BridgeStream代表連接2個(gè)filter Graph的音頻或視頻流。通過(guò)GMFBridge提供的接口，Bridge Controller控制Source Graph與Render Graph之間的數(shù)據(jù)通斷，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。

為了模擬放像機(jī)操作，一般播出軟件都會(huì)有預(yù)卷的過(guò)程，在文件化播出中，本質(zhì)上就是對(duì)下一條待播素材的準(zhǔn)備。利用GMFBridge技術(shù)，當(dāng)播放當(dāng)前素材時(shí)，預(yù)卷下一條待播素材，構(gòu)建一個(gè)新的source graph，當(dāng)前素材播放結(jié)束，Bridge Controller切換連接到下一個(gè)source graph的Bridge Sink。也可以當(dāng)素材添加進(jìn)列表時(shí)就構(gòu)建source graph，這樣既可以保證列表中文件的有效性，也可以快速、任意切換播放。

4 總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了利用視頻通道卡開發(fā)設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多通道錄制軟件和一個(gè)通道播放軟件，總結(jié)了設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)，并最終完成系統(tǒng)，投入實(shí)際使用。

基于DirectShow架構(gòu)，視頻通道卡的應(yīng)用還有很多，比如視音頻質(zhì)量的監(jiān)控、收錄系統(tǒng)、延時(shí)播，甚至播出系統(tǒng)、軟件切換臺(tái)等，各類應(yīng)用底層相似度很高，如果能自行研發(fā)，可以滿足各個(gè)臺(tái)自身的一些特殊需求，更加靈活，并能節(jié)約很大采購(gòu)成本。

[1] 薛達(dá)新.基于視頻通道卡和通用服務(wù)器平臺(tái)的視音頻延時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電視字幕·特技與動(dòng)畫，2009（7）：60-61.

[2]陸其明.DirectShow開發(fā)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]陸其明.DirectShow實(shí)務(wù)精選[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[4] 梁斌.基于DirectShow架構(gòu)的音視頻無(wú)縫播出器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[5] 周偉鋒，熊金凱.視音頻硬盤采集壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用與分析[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：67-69.

TN948

B

??健男

2014-04-15

【本文獻(xiàn)信息】杜歆文，王衛(wèi)成，王歆宇.基于DirectShow的視頻通道卡的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2014，38（20）.