linux下播放器的设计和开发

本文根据DawnLightPlayer的开发经验写成。DawnLithtPlayer是今天3月份开始,和maddrone一起在业余时间开发的一个跨平台，多线程的播放器,主要是在Linux下面开发的,文中所用示例代码均截自其中。
DawnLightPlayer目前可以运行在Linux和Windows系统上，并使用VC和Python开发了GUI，支持大部分的音视频文件格式和网络流，另外新增对CMMB协议的支持,不支持 RMVB, SWF 等尚未公开协议的视频文件格式。

目录:
一. 播放器的流程
   1. 输入
   2. 解码
   3. 输出
二. 播放器的实现
   1. 输入实现
   2. 解码线程实现
   3. 输出线程实现
三. 视频输出库
   1. SDL (多平台,支持硬件缩放)
   2. DirectX DirectDraw (win32平台,支持硬件缩放)
   3. OpenGL (多平台,支持硬件缩放)
   4. X11 (Linux/Unix)
   5. FrameBuffer (Linux, 无硬件缩放)
四. 音频输出
   1. OSS (Open Sound System for Linux)
   2. ALSA (Advanced Linux Sound Architecture)
   3. DirectSound (WIN32)
五. 音视频同步
   1. 以音频为基准同步视频
   2. 以视频为基准同步音频
   3. 同步于一个外部时钟
六. 截图
   1. 使用jpeglib保存成jpeg文件
   2. 使用libpng保存成png文件
七. YUV RGB 软件转换
八. 软件缩放

一. 播放器的流程

1. 输入 : 从文件或网络等读取原数据，如 x.avi, x.mov, rtsp://xxx, 对原数据进行解析，比如文件，首先要分析文件格式，从文件中取得音视频编码参数，视频时间长度等信息，然后要从其中取出音频编码数据和视频编码数据送到解 码部分，这里暂称这种编码源数据块为 packet。

2. 解码 : 初始化时，利用输入端从源数据中取得的信息调用不同的解码库初始化；然后接收输入端传送来的音视频编码数据，分别进行音频解码和视频解码，视频解码出来的 数据一般是 YUV 或 RGB 数据，这里暂称为 picture, 音频解码出来的数据是采样数据，是声卡可以播放的数据，这里暂称为 sample。 解码所得的数据接下来送到输出部分。

3. 输出 ： 接收解码部分送来的 picture 和 sample 并显示。 视频显示一般使用某个图形库，如 SDL, Xlib, DirectDraw, OpengGL, FrameBuffer等, 音频输出是把 sample 写入系统的音频驱动，由音频驱动送入声卡播放, 可用的音频输出有 ALSA, OSS, SDL, DirectSound, WaveOut等。

二. 播放器的实现

推荐实现方案
一个audio_packet队列，一个video_packet队列,一个picture队列，一个sample队列
一个input线程，两个decode线程，两个output线程,一个UI控制线程

1. 输入实现
对 文件的解析，首先要了解文件的格式，文件格式一般称为文件容器。公开的文件格式，按格式协议读取分析就可以了，但像RMVB,SWF这种目前还不公开格式 的文件，就不好办，也是目前一般播放器的困难。一般的文件格式的解析libavformat库已经做了，只要使用它就行，下面给出示例代码段:

初始化：
static int avin_file_init(void)
{
    AVFormatParameters params, *ap = ?ms;
    err = av_open_input_file( &fmtctx, input_filename, NULL, 0, ap );
    if ( err < 0 )
    {
        av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d: init input from file error\n", __LINE__);
        print_error( input_filename, err );
        return -1;
    }

fmtctx->flags |= AVFMT_FLAG_GENPTS;

err = av_find_stream_info( fmtctx );
    if ( err < 0 )
    {
        av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "%d: init input from file error\n", __LINE__);
        print_error( input_filename, err );
        return -1;
    }

if (fmtctx->pb) fmtctx->pb->eof_reached = 0;
    dump_format( fmtctx, 0, input_filename, 0 );

....
}
读取packet:
while( 1 )
{
    AVPacket *pkt = NULL;
    pkt = av_malloc( sizeof(AVPacket) );
    ret = av_read_frame(fmtctx, pkt);
    
送出packet到解码部分:
    可以memcpy, 或用LinkList结构处理,如:
    push_to_video_packet_queue(pkt);
}

如果是自己的私有输入，比如移动电视的视频输入,代码如下,部分是伪代码:
while( 1 )
{
    your_parse_code();
    size = your_get_video_data(buf);

pkt = av_mallocz( sizeof(AVPacket) );
    x = av_new_packet( pkt, vret);
    memcpy( pkt->data, buf, size );
    pkt->pts = your_time;

push_to_video_packet_queue(pkt);
}

2. 解码线程实现
解码是个算法大课题，大多只能使用已有的解码库，如libavcodec,下面示例代码:
while ( 1 )
{
    AVPicture *picture;
    AVPacket *pkt = pop_from_video_packet_queue();
    AVFrame *frame = avcodec_alloc_frame();
    avcodec_decode_video(video_ctxp, frame, &got_picture, pkt->data, pkt->size);
    if ( got_picture )
    {
        convert_frame_to_picture( picture, frame );
        picture->pts = pkt->pts;
        push_to_picture_queue( picture );
    }
}
音频雷同

3. 输出线程实现

视 频输出要控制FPS，比如25帧每秒的视频，那么每一帧的显示时间要是1/25秒，但把一帧RGB数据写入显存用不了1/25秒的时间，那么就要控制，不 能让25帧的数据在0.1或0.2秒的时间内就显示完了，最简单的实现是在每显示一帧数据后，sleep( 1/fps - 显示用去的时间 )。

音 视频同步这个重要的工作也要在输出线程里完成。以音频为基准同步视频，以视频为基准同步音频，或与一个外部时钟同步，都是可行的方法，但以音频为基准同步 视频是最简单也最有效的方法。音频驱动只要设置好sample rate, sample size 和 channels 后， write 数据就会以此恒定的速度播放， 如果驱动的输出 buffer 满，则 write 就可以等待。

视频:
while( 1 )
{
    picture = pop_from_picture_queue();
    picture_shot( picture ); /* 截图 */
    vo->display( picture );
    video_pts = picture->pts;
    sync_with_audio(); /* 同步 */
    control_fps(); /* FPS */
}
音频：
while( 1 )
{
    sample = pop_from_sample_queue();
    ao->play( sample );
    now_pts = sample->pts;
}

三. 视频输出库

1. SDL (多平台,支持硬件缩放)

SDL(Simple DirectMedia Layer) is a cross-platform multimedia library designed to provide low level access to audio, keyboard, mouse, joystick, 3D hardware via OpenGL, and 2D video framebuffer.

其实SDL就是一个中间件，它封装了下层的OpenGL, FrameBuffer, X11, DirectX等给上层提供一个统一的API接口，使用SDL的优点是我们不必再为X11或DirectX分别做个视频输出程序了。

SDL可以直接显示YUV数据和RGB数据,一般解码得到的picture都是YUV420P格式的,不用做YUV2RGB的转换就可以直接显示,主要代码如下:

static int vo_sdl_init(void)
{
    ....
    screen = SDL_SetVideoMode(ww, wh, 0, flags);
    overlay = SDL_CreateYUVOverlay(dw, dh, SDL_YV12_OVERLAY, screen);
   ....
}

static void vo_sdl_display(AVPicture *pict)
{
    SDL_Rect rect;
    AVPicture p;

SDL_LockYUVOverlay(overlay);
    p.data[0] = overlay->pixels[0];
    p.data[1] = overlay->pixels[2];
    p.data[2] = overlay->pixels[1];
    p.linesize[0] = overlay->pitches[0];
    p.linesize[1] = overlay->pitches[2];
    p.linesize[2] = overlay->pitches[1];
    vo_sdl_sws( &p, pict ); /* only do memcpy */
    SDL_UnlockYUVOverlay(overlay);

rect.x = dx;
    rect.y = dy;
    rect.w = dw;
    rect.h = dh;
    SDL_DisplayYUVOverlay(overlay, &rect);
}

2. DirectX DirectDraw (win32平台,支持硬件缩放)

DirectX是window上使用较多的一种输出,也支持直接YUV或RGB显示，示例代码:

static int vo_dx_init(void)
{
    DxCreateWindow();
    DxInitDirectDraw();
    DxCreatePrimarySurface();
    DxCreateOverlay();
    DetectImgFormat();
}

static void vo_dx_display(AVPicture *pic)
{
    vfmt2rgb(my_pic, pic);
    memcpy( g_image, my_pic->data[0], my_pic->linesize[0] * height );
    flip_page();
}

3. OpenGL (多平台,支持硬件缩放)

OpenGL是3D游戏库，跨平台，效率高，支持大多数的显示加速，显示2D RGB数据只要使用glDrawPixels函数就足够了,同时禁用一些OpenGL管线操作效率更高,如:

glDisable( GL_SCISSOR_TEST );
    glDisable( GL_ALPHA_TEST );
    glDisable( GL_DEPTH_TEST );
    glDisable( GL_DITHER );

4. X11 (Linux/Unix)

X11 是Unix/Linux系统平台上的基本图形界面库，像普通的GTK，QT等主要都是建立在X11的基础之上。但X11的API接口太多，复杂，很不利于 开发，基本的GUI程序一般都会使用GTK，QT等，不会直接调用X11的API，这里只是为了效率。MPlyaer的libvo里有X11的完整使用代 码，包括全屏等功能。

static void vo_x11_display(AVPicture* pic)
{
    vfmt2rgb( my_pic, pic );
    Ximg->data = my_pic->data[0];
    XPutImage(Xdisplay, Xvowin, Xvogc, Ximg,
              0, 0, 0, 0, dw, dh);
    XSync(Xdisplay, False);
    XSync(Xdisplay, False);
}

5. FrameBuffer (Linux, 无硬件缩放)

FrameBuffer是Linux内核的一部分，提供一个到显存的存取地址的map,但没有任何加速使用。

static void vo_fb_display(AVPicture *pic)
{
    int i;
    uint8_t *src, *dst = fbctxp->mem;

vfmt2rgb( my_pic, pic );
    src = my_pic->data[0];

for ( i = 0; i < fbctxp->dh; i++ )
    {
        memcpy( dst, src, fbctxp->dw * (fbctxp->varinfo.bits_per_pixel / 8) );
        dst += fbctxp->fixinfo.line_length;
        src += my_pic->linesize[0];
    }
}

四. 音频输出

1. OSS (Open Sound System for Linux)

OSS是Linux下面最简单的音频输出了，直接write就可以。

static int ao_oss_init(void)
{
    int i;
    dsp = open(dsp_dev, O_WRONLY);
    if ( dsp < 0 )
    {
        av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "open oss: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    i = sample_rate;
    ioctl (dsp, SNDCTL_DSP_SPEED, &i);
    i = format2oss(sample_fmt);
    ioctl(dsp, SNDCTL_DSP_SETFMT, &i);
    i = channels;
    if ( i > 2 ) i = 2;
    ioctl(dsp, SNDCTL_DSP_CHANNELS, &i);

return 0;
}

static void ao_oss_play(AVSample *s)
{
    write(dsp, s->data, s->size);
}

2. ALSA (Advanced Linux Sound Architecture)

ALSA做的比较失败，长长的函数名。

static void ao_alsa_play(AVSample *s)
{
    int num_frames = s->size / bytes_per_sample;
    snd_pcm_sframes_t res = 0;
    uint8_t *data = s->data;

if (!alsa_handle)
        return ;

if (num_frames == 0)
        return ;

rewrite:
    res = snd_pcm_writei(alsa_handle, data, num_frames);
    if ( res == -EINTR )
        goto rewrite;
    if ( res < 0 )
    {
        snd_pcm_prepare(alsa_handle);
        goto rewrite;
    }
    if ( res < num_frames )
    {
        data += res * bytes_per_sample;
        num_frames -= res;
        goto rewrite;
    }
}

3. DirectSound (WIN32)

MS DirectX的一部分,它的缺点是不如Linux里面的OSS或ALSA那样，在没有sample写入的时候，自动 silent,DirectSound在播放过程中，当没有sample数据送入输出线程时，它总是回放最后0.2或0.5秒的数据。由于只是最近移植 DawnLightPlayer才使用起Windows，不太了解其机制。

static void dsound_play(AVSample *s)
{
    int wlen, ret, len = s->size;
    uint8_t *data = s->data;

while ( len > 0 )
    {
        wlen = dsound_getspace();
        if ( wlen > len ) wlen = len;
        ret = write_buffer(data, wlen);
        data += ret;
        len -= ret;
        usleep(10*1000);
    }
}

五. 音视频同步

1. 以音频为基准同步视频

视频输出线程中如下处理:
    start_time = now();
    ....
    vo->display( picture );
    last_video_pts = picture->pts;
    end_time = now();
    rest_time = end_time - start_time;
    av_diff = last_audio_pts - last_video_pts;
    if ( av_diff > 0.2 )
    {
        if ( av_diff < 0.5 ) rest_time -= rest_time / 4;
        else rest_time -= rest_time / 2;
    }
    else if ( av_diff < -0.2)
    {
        if ( av_diff > -0.5 ) rest_time += rest_time / 4;
        else rest_time += rest_time / 2;
    }
    if ( rest_time > 0 )
        usleep(rest_time);

2. 以视频为基准同步音频

3. 同步于一个外部时钟

六. 截图

截图可以在解码线程做，也可以在输出线程做，见前面的输出线程部分。只要在display前把picture保存起来即可。一般加一些编码，如保存成 PNG 或 JPEG 格式。

1. 使用jpeglib保存成jpeg文件

static void draw_jpeg(AVPicture *pic)
{
    char fname[128];
    struct jpeg_compress_struct cinfo;
    struct jpeg_error_mgr jerr;
    JSAMPROW row_pointer[1];
    int row_stride;
    uint8_t *buffer;

if ( !po_status )
        return ;

vfmt2rgb24(my_pic, pic);
    buffer = my_pic->data[0];

#ifdef __MINGW32__
    sprintf(fname, "%s\\DLPShot-%d.jpg", get_save_path(), framenum++);
#else
    sprintf(fname, "%s/DLPShot-%d.jpg", get_save_path(), framenum++);
#endif
    fp = fopen (fname, "wb");
    if (fp == NULL)
    {
        av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "fopen %s error\n", fname);
        return;
    }
    cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
    jpeg_create_compress(&cinfo);
    jpeg_stdio_dest(&cinfo, fp);

cinfo.image_width = width;
    cinfo.image_height = height;
    cinfo.input_components = 3;
    cinfo.in_color_space = JCS_RGB;

jpeg_set_defaults(&cinfo);
    cinfo.write_JFIF_header = TRUE;
    cinfo.JFIF_major_version = 1;
    cinfo.JFIF_minor_version = 2;
    cinfo.density_unit = 1;
    cinfo.X_density = jpeg_dpi * width / width;
    cinfo.Y_density = jpeg_dpi * height / height;
    cinfo.write_Adobe_marker = TRUE;

jpeg_set_quality(&cinfo, jpeg_quality, jpeg_baseline);
    cinfo.optimize_coding = jpeg_optimize;
    cinfo.smoothing_factor = jpeg_smooth;
    if ( jpeg_progressive_mode )
    {
        jpeg_simple_progression(&cinfo);
    }
    jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE);

row_stride = width * 3;
    while (cinfo.next_scanline < height)
    {
        row_pointer[0] = &buffer[cinfo.next_scanline * row_stride];
        (void)jpeg_write_scanlines(&cinfo, row_pointer, 1);
    }

jpeg_finish_compress(&cinfo);
    fclose(fp);
    jpeg_destroy_compress(&cinfo);

return ;
}

2. 使用libpng保存成png文件

static void draw_png(AVPicture *pic)
{
    int k;
    png_byte *row_pointers[height]; /* GCC C99 */

if ( init_png() < 0 )
    {
        av_log(NULL, AV_LOG_ERROR, "draw_png: init png error\n");
        return ;
    }

vfmt2rgb24( my_pic, pic );

for ( k = 0; k < height; k++ )
        row_pointers[k] = my_pic->data[0] + my_pic->linesize[0] * k;

png_write_image(png.png_ptr, row_pointers);

destroy_png();
}

七. YUV RGB 转换

YUV 与RGB的转换和缩放，一般在低端设备上，要有硬件加速来做，否则CPU吃不消。在如今的高端PC上，可以使用软件来做，libswscale库正为此而 来。libswscale针对X86 CPU已经做了优化，如使用 MMX, SSE, 3DNOW 等 CPU 相关的多媒体指令。

static int vfmt2rgb(AVPicture *dst, AVPicture *src)
{
    static struct SwsContext *img_convert_ctx;

img_convert_ctx = sws_getCachedContext(img_convert_ctx,
                      width, height, src_pic_fmt,
                      width, height, my_pic_fmt, SWS_X, NULL, NULL, NULL);

sws_scale(img_convert_ctx, src->data, src->linesize,
              0, width, dst->data, dst->linesize);

return 0;
}

比如从 YUV420P 到 RGB24 的转换，只要设置

src_pic_fmt = PIX_FMT_YUV420P ;
my_pic_fmt = PIX_FMT_RGB24 ;

八. 软件缩放

软件缩放就可以使用上述的 libswscale 库，调用代码基本一样，只是改一下目标picture的width和height,如放大两倍:

static int zoom_2(AVPicture *dst, AVPicture *src)
{
    static struct SwsContext *img_convert_ctx;

img_convert_ctx = sws_getCachedContext(img_convert_ctx,
                      width, height, src_pic_fmt,
                      width*2, height*2, my_pic_fmt, SWS_X, NULL, NULL, NULL);

sws_scale(img_convert_ctx, src->data, src->linesize,
              0, width*2, dst->data, dst->linesize);

return 0;
}