Qt音视频开发01-共享解码线程(耗时一年/性能凶残/至臻完美)

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Qt音视频开发01-共享解码线程(耗时一年/性能凶残/至臻完美)

一、前言

大概在8年前就开始用ffmpeg做视频解码的显示,第一个版本就100行代码左右,功能极其简单,就是开个线程解码视频流转成图片发给主界面绘制。时间过得真快,从当初的一胎到现在二胎都上学了三胎计划中。经过了数十年的不断迭代,客户需求的不断变更,中间经历过三五个大版本的迭代,形成现在的版本,本次迭代属于大版本的迭代,所有内核代码整体架构全部重写,对于这种大版本的改动,根据以往的经验,一定是要静下心来才能完成的,每一个细节都要仔细打磨,而且尽量做到代码的复用性和耦合性平衡,能复用的就复用,能独立成组件的就独立到组件中。

本次迭代主要解决的一个问题是共享解码线程的问题,随着监控设备的增多,一个软件中可能有多个通道或者多个界面打开同一个视频流地址,比如主界面在实时预览,地图界面双击打开了某个通道预览,按照之前的做法,每次打开都是重新实例化解码线程,重新打开视频流等,理论上有点浪费资源,毕竟已经存在打开过,可以共享对应的数据,大大减轻网络压力以及设备推流的压力,现在很多的网络摄像机设备为了追求极致性价比,硬件配置做的很低减轻成本,基本上都最多支持8路推流,超过了就无法再次推流,所以我们需要在同一个软件上共享解码。早期的海康大华的客户端没有这个机制,现在的客户端都有这个机制,但是国内也是少数几个大厂实现了这个机制,大部分的视频监控客户端都没有这个机制。

为了实现这个功能,首先要做的就是将解码线程和视频控件剥离,因为需要动态共享和挂载,不剥离就根本无法实现,为此专门设计了视频解码线程基类、视频窗体控件基类等,来回架构修改了很多次,里面有个难点就是并不是第一个打开的视频控件就是负责关闭解码,要做个引用计数,非最后一个关闭的视频控件都是只是取消了信号槽的关联,并不是去关闭解码线程,所以要搞个队列将解码线程指针存起来,当引用计数变成0的时候说明是最后一个关闭,才是真正去关闭解码线程。

设计要点:

  • 首次打开的视频控件实例化解码线程,存入解码线程队列。
  • 后面打开的相同地址的直接从主解码线程取数据(关联信号槽即可)。
  • 最后关闭的视频控件去把解码线程关闭并释放。
  • 最终实现动态共享解码线程。
  • 有个全局变量可控是否开启共享解码。

性能对比: 本软件4通道子码流不共享解码 本软件4通道子码流共享解码 本软件64通道子码流共享解码 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

二、功能特点

2.1 基础功能

  1. 支持各种音频视频文件格式,比如mp3、wav、mp4、asf、rm、rmvb、mkv等。
  2. 支持本地摄像头设备,可指定分辨率、帧率。
  3. 支持各种视频流格式,比如rtp、rtsp、rtmp、http等。
  4. 本地音视频文件和网络音视频文件,自动识别文件长度、播放进度、音量大小、静音状态等。
  5. 文件可以指定播放位置、调节音量大小、设置静音状态等。
  6. 支持倍速播放文件,可选0.5倍、1.0倍、2.5倍、5.0倍等速度,相当于慢放和快放。
  7. 支持开始播放、停止播放、暂停播放、继续播放。
  8. 支持抓拍截图,可指定文件路径,可选抓拍完成是否自动显示预览。
  9. 支持录像存储,手动开始录像、停止录像,部分内核支持暂停录像后继续录像,跳过不需要录像的部分。
  10. 支持无感知切换循环播放、自动重连等机制。
  11. 提供播放成功、播放完成、收到解码图片、收到抓拍图片、视频尺寸变化、录像状态变化等信号。
  12. 多线程处理,一个解码一个线程,不卡主界面。

2.2 特色功能

  1. 同时支持多种解码内核,包括qmedia内核(Qt4/Qt5/Qt6)、ffmpeg内核(ffmpeg2/ffmpeg3/ffmpeg4/ffmpeg5)、vlc内核(vlc2/vlc3)、mpv内核(mpv1/mp2)、海康sdk、easyplayer内核等。
  2. 非常完善的多重基类设计,新增一种解码内核只需要实现极少的代码量,就可以应用整套机制。
  3. 同时支持多种画面显示策略,自动调整(原始分辨率小于显示控件尺寸则按照原始分辨率大小显示,否则等比例缩放)、等比例缩放(永远等比例缩放)、拉伸填充(永远拉伸填充)。所有内核和所有视频显示模式下都支持三种画面显示策略。
  4. 同时支持多种视频显示模式,句柄模式(传入控件句柄交给对方绘制控制)、绘制模式(回调拿到数据后转成QImage用QPainter绘制)、GPU模式(回调拿到数据后转成yuv用QOpenglWidget绘制)。
  5. 支持多种硬件加速类型,ffmpeg可选dxva2、d3d11va等,mpv可选auto、dxva2、d3d11va,vlc可选any、dxva2、d3d11va。不同的系统环境有不同的类型选择,比如linux系统有vaapi、vdpau,macos系统有videotoolbox。
  6. 解码线程和显示窗体分离,可指定任意解码内核挂载到任意显示窗体,动态切换。
  7. 支持共享解码线程,默认开启并且自动处理,当识别到相同的视频地址,共享一个解码线程,在网络视频环境中可以大大节约网络流量以及对方设备的推流压力。国内顶尖视频厂商均采用此策略。这样只要拉一路视频流就可以共享到几十个几百个通道展示。
  8. 自动识别视频旋转角度并绘制,比如手机上拍摄的视频一般是旋转了90度的,播放的时候要自动旋转处理,不然默认是倒着的。
  9. 自动识别视频流播放过程中分辨率的变化,在视频控件上自动调整尺寸。比如摄像机可以在使用过程中动态配置分辨率,当分辨率改动后对应视频控件也要做出同步反应。
  10. 音视频文件无感知自动切换循环播放,不会出现切换期间黑屏等肉眼可见的切换痕迹。
  11. 视频控件同时支持任意解码内核、任意画面显示策略、任意视频显示模式。
  12. 视频控件悬浮条同时支持句柄、绘制、GPU三种模式,非绝对坐标移来移去。
  13. 本地摄像头设备支持指定设备名称、分辨率、帧率进行播放。
  14. 录像文件同时支持打开的视频文件、本地摄像头、网络视频流等。
  15. 瞬间响应打开和关闭,无论是打开不存在的视频或者网络流,探测设备是否存在,读取中的超时等待,收到关闭指令立即中断之前的操作并响应。
  16. 支持打开各种图片文件,支持本地音视频文件拖曳播放。
  17. 视频控件悬浮条自带开始和停止录像切换、声音静音切换、抓拍截图、关闭视频等功能。
  18. 音频组件支持声音波形值数据解析,可以根据该值绘制波形曲线和柱状声音条,默认提供了声音振幅信号。
  19. 各组件中极其详细的打印信息提示,尤其是报错信息提示,封装的统一打印格式。针对现场复杂的设备环境测试极其方便有用,相当于精确定位到具体哪个通道哪个步骤出错。
  20. 代码框架和结构优化到最优,性能强悍,持续迭代更新升级。
  21. 源码支持Qt4、Qt5、Qt6,兼容所有版本。

2.3 视频控件

  1. 可动态添加任意多个osd标签信息,标签信息包括名字、是否可见、字号大小、文本文字、文本颜色、标签图片、标签坐标、标签格式(文本、日期、时间、日期时间、图片)、标签位置(左上角、左下角、右上角、右下角、居中、自定义坐标)。
  2. 可动态添加任意多个图形信息,这个非常有用,比如人工智能算法解析后的图形区域信息直接发给视频控件即可。图形信息支持任意形状,直接绘制在原始图片上,采用绝对坐标。
  3. 图形信息包括名字、边框大小、边框颜色、背景颜色、矩形区域、路径集合、点坐标集合等。
  4. 每个图形信息都可指定三种区域中的一种或者多种,指定了的都会绘制。
  5. 内置悬浮条控件,悬浮条位置支持顶部、底部、左侧、右侧。
  6. 悬浮条控件参数包括边距、间距、背景透明度、背景颜色、文本颜色、按下颜色、位置、按钮图标代码集合、按钮名称标识集合、按钮提示信息集合。
  7. 悬浮条控件一排工具按钮可自定义,通过结构体参数设置,图标可选图形字体还是自定义图片。
  8. 悬浮条按钮内部实现了录像切换、抓拍截图、静音切换、关闭视频等功能,也可以自行在源码中增加自己对应的功能。
  9. 悬浮条按钮对应实现了功能的按钮,有对应图标切换处理,比如录像按钮按下后会切换到正在录像中的图标,声音按钮切换后变成静音图标,再次切换还原。
  10. 悬浮条按钮单击后都用名称唯一标识作为信号发出,可以自行关联响应处理。
  11. 悬浮条空白区域可以显示提示信息,默认显示当前视频分辨率大小,可以增加帧率、码流大小等信息。
  12. 视频控件参数包括边框大小、边框颜色、焦点颜色、背景颜色(默认透明)、文字颜色(默认全局文字颜色)、填充颜色(视频外的空白处填充黑色)、背景文字、背景图片(如果设置了图片优先取图片)、是否拷贝图片、缩放显示模式(自动调整、等比例缩放、拉伸填充)、视频显示模式(句柄、绘制、GPU)、启用悬浮条、悬浮条尺寸(横向为高度、纵向为宽度)、悬浮条位置(顶部、底部、左侧、右侧)。

2.4 内核ffmpeg

  1. 支持各种音视频文件、本地摄像头设备,各种视频流网络流。
  2. 支持开始播放、暂停播放、继续播放、停止播放、设置播放进度、倍速播放。
  3. 可设置音量、静音切换、抓拍图片、录像存储。
  4. 自动提取专辑信息比如标题、艺术家、专辑、专辑封面,自动显示专辑封面。
  5. 完美支持音视频同步和倍速播放。
  6. 解码策略支持速度优先、质量优先、均衡处理、最快速度。
  7. 支持手机视频旋转角度显示,比如一般手机拍摄的视频是旋转了90度的,解码显示的时候需要重新旋转90度才是正的。
  8. 自动转换yuv420格式,比如本地摄像头是yuyv422格式,有些视频文件是xx格式,统一将非yuv420格式转换,然后再进行处理。
  9. 支持硬解码dxva2、d3d11va等,性能极高尤其是大分辨率比如4K视频。
  10. 视频响应极低延迟0.2s左右,极速响应打开视频流0.5s左右,专门做了优化处理。
  11. 硬解码和GPU绘制组合,极低CPU占用,比海康大华等客户端更优。
  12. 支持视频流中的各种音频格式,AAC、PCM、G.726、G.711A、G.711Mu、G.711ulaw、G.711alaw、MP2L2等都支持,推荐选择AAC兼容性跨平台性最好。
  13. 视频存储支持yuv、h264、mp4多种格式,音频存储支持pcm、wav、aac多种格式。默认视频mp4格式、音频aac格式。
  14. 支持分开存储音频视频文件,也支持合并到一个mp4文件,默认策略是无论何种音视频文件格式存储,最终都转成mp4及aac格式,然后合并成音视频一起的mp4文件。
  15. 支持本地摄像头实时视频显示带音频输入输出,音视频录制合并到一个mp4文件。
  16. 支持H264/H265编码(现在越来越多的监控摄像头是H265视频流格式)生成视频文件,内部自动识别切换编码格式。
  17. 自动识别视频流动态分辨率改动,重新打开视频流。
  18. 支持用户信息中包含特殊字符(比如用户信息中包含+#@等字符)的视频流播放,内置解析转义处理。
  19. 纯qt+ffmpeg解码,非sdl等第三方绘制播放依赖,gpu绘制采用qopenglwidget,音频播放采用qaudiooutput。
  20. 同时支持ffmpeg2、ffmpeg3、ffmpeg4、ffmpeg5版本,全部做了兼容处理。如果需要支持xp需要选用ffmpeg3及以下。

三、体验地址

  1. 国内站点:gitee.com/feiyangqing…
  2. 国际站点:github.com/feiyangqing…
  3. 个人作品:blog.csdn.net/feiyangqing…
  4. 体验地址:pan.baidu.com/s/1d7TH_GEY… 提取码:01jf 文件名:bin_video_demo.zip。

四、相关代码

//保存整个应用程序所有的解码线程集合
//引用计数(当前解码内核被几个窗体共用)
int refCount;
static QList<VideoThread *> videoThreads;
static VideoThread *getVideoThread(const WidgetPara &widgetPara, const VideoPara &videoPara);

QList<VideoThread *> VideoThread::videoThreads;
VideoThread *VideoThread::getVideoThread(const WidgetPara &widgetPara, const VideoPara &videoPara)
{
    //句柄模式不能共用
    if (!sharedData || widgetPara.videoMode == VideoMode_Hwnd) {
        return NULL;
    }

    VideoThread *thread = NULL;
    foreach (VideoThread *videoThread, videoThreads) {
        //解析内核和视频地址一致才能唯一决定一个采集线程
        if (videoThread->getVideoCore() == videoPara.videoCore && videoThread->getVideoUrl() == videoPara.videoUrl) {
            //限定纯音频不用共享
            if (!videoThread->getOnlyAudio()) {
                videoThread->refCount++;
                thread = videoThread;
            }
            break;
        }
    }

    return thread;
}

bool VideoWidget::init()
{
    //视频地址不能为空
    if (videoPara.videoUrl.isEmpty()) {
        return false;
    }

    //初始化参数
    VideoHelper::initPara(widgetPara, videoPara);

    //已经存在同名的线程则取同名线程
    VideoThread *thread = VideoThread::getVideoThread(widgetPara, videoPara);
    if (thread) {
        isShared = true;
        videoThread = thread;
    } else {
        //创建新的采集线程
        videoThread = VideoHelper::newVideoThread(hwndWidget, videoPara.videoCore);
        //设置视频通道唯一标识
        videoThread->setFlag(widgetPara.videoFlag);
        //加入到采集线程队列
        VideoThread::videoThreads << videoThread;

        //设置对应参数
        videoThread->setVideoMode(widgetPara.videoMode);
        VideoHelper::initVideoThread(videoThread, videoPara);        
    }

    //绑定信号槽
    connectThreadSignal();
    return true;
}

void VideoWidget::stop()
{
    //处于运行状态才可以停止
    if (videoThread && videoThread->isRunning()) {
        //先判断当前线程的引用计数是0才需要真正停止
        if (videoThread->refCount > 0) {
            //减少引用计数
            videoThread->refCount--;
            //执行停止信号
            QMetaObject::invokeMethod(this, "receivePlayFinsh", Qt::DirectConnection);
            QMetaObject::invokeMethod(this, "sig_receivePlayFinsh", Qt::DirectConnection);
            //取消信号关联
            disconnectThreadSignal();
            videoThread = NULL;
        } else {
            //停止播放
            videoThread->stop();
            //取消信号关联
            disconnectThreadSignal();
            //从队列中移除
            VideoThread::videoThreads.removeOne(videoThread);
            //释放线程
            videoThread->debug("删除线程", "");
            videoThread->deleteLater();
            videoThread = NULL;
        }
    }

    //复位标志位并将线程置空(没有这个的话可能会出现野指针的情况)
    isRunning = false;
    isShared = false;
    videoThread = NULL;
    videoPara = VideoPara();
    AbstractVideoWidget::clear();
}
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