DirectShow编程（3.4） - 关于DirectShow - Filter Graph中的数据流

DirectShow编程（3.4） - 关于DirectShow - Filter Graph中的数据流
阳光下的贵族 @ 2005-01-17 12:12

3.4. Filter Graph中的数据流
   这一节主要描述媒体数据是如何在filter graph中流动的。如果你只是为了编写DirectShow应用程序，你不需要知道这些细节，当然，知道这些细节对于编写directshow应用程序仍然是有帮助的。但是如果你要编写directshow filter，那么你就必须掌握这部分知识了。
3.4.1. DirectShow数据流概述
   在这一部分先粗略地描述一下DirectShow中数据流是如何工作的。
   数据首先是被保存在缓冲区里的，在缓冲区里，它们仅仅是一个字节数组。每一个缓冲区被一个称作媒体样本（media sample）的COM对象所包容，media sample提供IMediaSample接口。media sample由另一个称作分配器（allocator）的COM对象创建，allocator提供IMemAllocator接口。每一个pin连接都指定有一个allocator，当然，两个或多个pin连接也可以共享几个allocator。


   每一个allocator都创建一个media sample池，并为每个sample分配缓冲区。一旦一个filter需要一个缓冲区来填充数据，它就调用IMemAllocator::GetBuffer方法来请求一个sample。只要allocator有一个sample还没有被任何filter使用，GetBuffer方法就立即返回一个sample的指针。如果allocator所有的sample已经被用完，这个方法就阻塞在那里，直到有一个sample变成可用的了。GetBuffer返回一个sample后，filter就将数据写入到sample的缓冲区中去，并在sample上设置适当的标记（如时间戳），然后将它递交到下一个filter去。
   当一个renderer filter接收到了一个sample时，renderer filter检查时间戳，并将sample先保存起来，直到filter graph的参考时钟指示这个sample的数据可以被render了。当filter将数据render后，它就将sample释放掉，此时sample并不立即回到allocator的sample池中去，除非这个sample上的参考计数已经变为0，表示所有的filter都已释放这个sample。

   上游的filter可能在renderer之前运行，这就意味着，上游的filter填充缓冲的速度可能快于renderer销毁它们。但是尽管如此，samples也并无必要更早地被render，因为renderer将一直保存它们直到适当的时机去render，并且，上游filter也不会意外地将这些samples的缓冲覆盖掉，因为GetSample方法只会返回那些没有被使用的sample。上游filter可以提前使用的sample的数量取决于allocator分配池中的sample的数量。
   前面的图表只显示了一个allocator，但是通常的情况下，每个流中都会有多个allocator。因此，当renderer释放了一个sample时，它会产生一个级联效应。如下图所示，一个decoder保存了一个视频压缩帧，它正在等待renderer释放一个sample，而parser filter也正在decoder去释放一个sample。
   
   当renderer释放了一个sample后，decoder完成尚未完成的GetBuffer调用。然后decoder便可以对压缩的视频帧进行解码并释放它保存的sample，从而使parser完成它的GetBuffer调用。
  
3.4.2. 传输协议(Transports)
   为了使媒体数据能在filter graph中流动，Directshow filter必须能支持多个协议中的一个，这些协议被称作传输协议(transports)。当两个filter连接后，它们必须支持同一个传输协议，否则，它们将不能交换数据。通常，一个传输协议要求某个pin支持一个特定的接口，当两个filter连接时，另一个pin来调用这个pin的这个接口。
   大多数的directshow filter在主存中保存媒体数据，并且通过pin连接向另一个filter递交数据，这种类型的传输协议被称作本地内存传输协议(local memory transport)。尽管这类传输协议在directshow中应用最普遍，但并非所有的filter都使用它。例如，某些filter通过硬件途径来传递数据，使用pin仅仅是为了传递控制信息，如IOverlay接口。
   DirectShow为本地内存传输协议定义了两种机制，推(push)模式和拉(pull)模式。在推模式中，source filter产生数据，并将其递交给下游的filter，下游的filter被动地接收数据并处理它们，再将数据传递给它的下游filter。在拉模式中，source filter与一个parser filter连接，parser filter向source filter请求数据，source filter回应请求并传递数据。推模式使用IMemInputPin接口，而拉模式使用IAsyncReader接口。
   推模式比拉模式应用更广泛。
   
3.4.3. 媒体样本(sample)和分配器(allocator)
   当一个pin向另一个pin传递媒体数据时，它并不是直接传递一个内存缓冲区的指针，而是传递一个COM对象的指针，这个COM对象管理着内存缓冲，被称为媒体样本(media sample)，暴露IMediaSample接口。接收方pin通过调用IMediaSample接口的方法来访问内存缓冲，如IMediaSample::GetPointer，IMediaSample::GetSize和IMediaSample::GetActualDataLength。
   sample总是从输出pin到输入pin向下传输。在推模式中，输出pin通过在输入pin上调用IMemInputPin::Receive方法来传递一个sample。输入pin或者在Receive方法内部同步地处理数据，或者另开一个工作线程进行异步处理。如果输入pin需要等待资源，允许在Receive中阻塞。
   另一个用来管理媒体样本的COM对象，被称作分配器(allocator)，它暴露IMemAllocator接口。一旦一个filter需要一个空闲的媒体样本，它调用IMemAllocator::GetBuffer方法来获得sample的指针。每一个pin连接都共享一个allocator，当两个pin连接时，它们协商决定哪个filter来提供allocator。pin可以设置allocator的属性，比如缓冲的数量和每个缓冲的大小。
   下图显示了allocator、media sample和filter的关系：  

   媒体样本参考计数(Media Sample Reference Counts)
   一个allocator创建的是一个拥有有限个sample的sample池。在某一时刻，有些sample正在被使用，有些则可被GetBuffer方法使用。allocator使用参考计数来跟踪sample，GetBuffer方法返回的sample参考计数为1，如果参考计数变为0，sample就可以返回到allocator的sample池中去了，这样它就可以再次被GetBuffer方法使用。在参考计数大于0期间，sample是不能被GetBuffer使用的。如果每个从属于allocator的sample都在被使用，则GetBuffer方法会被阻塞直至有sample可以被使用。
   举个例子，假设一个输入pin接收到一个sample。如果它同步地在Receive方法内部处理它，sample的参考计数不增加，当Receive返回时，输出pin释放这个sample，参考计数归0，sample就返回到sample池中去了。另一种情况，如果输入pin异步地处理sample，它就在Receive方法返回前将sample的参考计数加1，此时参考计数变为2。当输出pin释放这个sample时，参考计数变为1，sample不能返回到sample池中去，直到异步处理的工作线程完成工作，调用Release释放这个sample，参考计数变为0时，它才可以返回到sample池中去。
   当一个pin接收到一个sample，它可以将数据拷贝到另一个sample中去，或者修改原始的sample并将其传递到下一个filter中去。一个sample可能在整个graph长度内被传递，每个filter都依次调用AddRef和Release。因而，输出pin在调用Receive后一定不能重复使用同一个sample，因为下游的filter可能正在使用这个sample。输出pin只能调用GetBuffer来获得新的sample。
   这个机制减少了总的内存分配过程，因为filter可以重复使用同样的缓冲。它同样防止了数据在被处理前意外地被覆盖写入。
   当filter处理数据后数据量会变大（如解码数据），一个filter可以为输入pin和输出pin分配不同的allocator。如果输出数据并不比输入数据量要大，filter可以用替换的方式来处理数据而不用将其拷贝到新的sample中去，在这种情况下，两个或多个pin连接共享一个allocator。
   
   提交(Commit)和反提交(Decommit)分配器
   当一个filter首次创建一个allocator时，allocator并不为其分配内存缓冲，此时如果调用GetBuffer方法的话会失败。当流开始流动时，输出pin调用IMemAllocator::Commit来提交allocator，从而为其分配内存。此时pin可以调用GetBuffer了。
   当流停止时，pin调用IMemAllocator:ecommit来反提交allocator，在allocator被再次提交前所有后来的GetBuffer调用都将失败，同样，如果有阻塞的正在等待sample的GetBuffer调用，也将立即返回失败信息。Decommit方法是否释放内存取决于实现方式，如CMemAllocator类直至析构时才释放内存。
   
3.4.4. filter状态
   filter有三种可能的状态：停止(stopped)，就绪(paused)和运行(running)。就绪状态的目的是为了让graph提前做准备以便在run命令下达时可以立即响应。Filter Graph Manager控制所有的状态转换。当一个应用程序调用IMediaControl::Run，IMediaControl::Pause或IMediaControl::Stop时，Filter Graph Manager在所有filter上调用相应的IMediaFilter方法。在停止状态和运行状态之间转换时总是要经过就绪状态，即如果应用程序在一个处于停止状态的graph上调用Run时，Filter Graph Manager在运行它之前先将其转为pause状态。
   对于大多数filter来说，运行状态和就绪状态是等同的。看下面的这个graph:
   Source > Transform > Renderer
   假设这个source filter不是一个实时采集源，当source filter就绪时，它创建一个线程来尽可能快地产生新数据并写入到media sample中去。线程通过在transform filter的输入pin上调用IMemInputPin方法将sample“推”到下游filter。transform filter在source filter的线程中接收数据，它可能也使用一个工作线程赤将sample传递给renderer，但是在通常情况下，它在同一个线程中传递它们。如renderer处理就绪状态下，它等待接收sample，当它接收到一个时，它或阻塞或保存那个sample，如果这是一个Video renderer，则它将sample显示为一个静态的图片，只在必要的时候刷新它。
   此时，流已经准备充分去被render，如果graph仍然处理就绪状态下，sample会在每一个sample后堆积，直至每个filter都被阻塞在Receive或GetBuffer下。没有数据会被丢失。一旦source线程的阻塞被解除时，它只是简单地从阻塞点那里进行恢复。
   source filter和transform filter忽略从就绪状态转到运行状态——它们仅仅是尽可能快地继续处理数据。但是当renderer运行时，它就要开始render sample了。首先，它render在就绪状态下保存的那个sample，接着，每接收到一个新的sample，它计算这个sample的呈现时间，renderer保存每个sample直至到了它们的呈现时间再render它们。在等待合适的呈现时间时，它或者阻塞在Receive方法上，或者在一个工作线程中接收数据并将其放入队列中去。renderer的上一个filter不关心这些问题。
   实时源（live source），如采集设备，是通常情况中的一个例外。在实时源中，不适合提前准备数据。应用程序可能将graph置于就绪状态下，然后等很长时间才再运行它。graph不应该再render就绪期间的sample，因此，一个实时源在就绪状态时不产生新的sample。要将这种情况通知给filter graph manager，source filter的IMediaFilter::GetState方法返回VFW_S_CANT_CUE。这个返回值表示filter已切换到就绪状态下，即使renderer还没有收到任何数据。
   当一个filter停止时，它不再接收任何传递给它的数据。source filter关闭它们的流线程，别的filter关闭所有它们创建的工作线程。pin反提交(decommit)它们的allocator。
   
   状态转换
   filter graph manager按从下游filter到上游filter的次序来完成所有的状态转换，从renderer开始逐个向上直至source filter，这个次序是必要的，可以防止数据丢失或graph死锁。最重要状态转换是就绪状态和停止状态间的转换：
   ＊停止状态到就绪状态：当每一个filter被置为就绪态时，它便准备好从上一个filter接收sample。source filter是最后一个被置为就绪态的filter，它创建数据流线程并开始传递sample。因为所有下游filter都处于就绪状态，所以没有一个filter会拒绝接收sample。当graph中所有的renderer都接收到一个sample后，filter graph manager才彻底完成状态转换工作（实时源除外）。
   ＊就绪状态到停止状态：当一个filter停止时，它释放了所有它保存的sample，就将解除所有上游filter调用GetBuffer时的阻塞。如果filter正在Receive方法中等待数据，则它停止等待并从Receive中返回，从而解除阻塞。因而，此时当filter graph manager再去将上游filter转换为停止状态时，它已经不再阻塞于GetBuffer和Receive，从而可以响应停止命令。上游filter在得到停止命令前可能会传递下一些过时的sample，但下游filter不再接收它们，因为此时下游filter已处于停止状态了。
   
3.4.5. 拉模式
   在IMemInputPin接口中，上游filter决定哪些数据要被发送，然后将数据推到下游filter中去。但是在某些情况下，拉模式会更加合适。在拉模式中，只有当下游filter从上游filter中请求数据时，数据才被传递下去，数据流动由下游filter发起。这种类型的连接使用IAsyncReader接口。
   典型的拉模式应用是文件回放。比如，在一个AVI回放graph中，Async File Source filter完成一般的文件读操作并将数据作为字节流传递下去，没有什么格式信息。AVI Splitter filter读取AVI头并将数据流分解成视频和音频sample。AVI Splitter比Async File Source filter更能决定它们需要哪些数据，因此需用IAsyncReader接口来代替IMemInputPin接口。
   要从输出pin请求数据，输入pin调用下面方法中的一个：
   *IAsyncReader::Request
   *IAsyncReader::SyncRead
   *IAsyncReader::SyncReadAligned
   第一个方法是异步的，支持多重读操作。其余的是同步的。
   理论上，任一个filter都能支持IAsyncReader，但是实际上，它仅仅在连接有一个parser filter的source filter上使用。分析器（parser）非常象一个推模式的source filter，当它就绪时，它创建一个数据流线程，从IAsyncReader连接中拉数据并将其推到下一游filter中去。它的输出pin使用IMemInputPin，graph余下的部分使用标准的推模式。