DirectShow开发快速入门之慨述

摘要：本篇文档概括性的介绍了DirectShow的主要组成部分，以及一些Directshow的基本概念。熟悉这些基本的知识对于Directshow的应用开发或者过滤器的开发者都会有所帮助。

DirectShow是微软公司提供的一套在Windows平台上进行流媒体处理的开发包，与DirectX开发包一起发布。那么，DirectShow能够做些什么呢？且看，DirectShow为多媒体流 的捕捉和回放提供了强有力的支持。运用DirectShow，我们可以很方便地从支持WDM驱动模型的采集卡上捕获数据，并且进行相应的后期处理乃至存储 到文件中。它广泛地支持各种媒体格式，包括Asf、Mpeg、Avi、Dv、Mp3、Wave等等，使得多媒体数据的回放变得轻而易举。另 外，DirectShow还集成了DirectX其它部分（比如DirectDraw、DirectSound）的技术，直接支持DVD的播放，视频的非线性编辑，以及与数字摄像机的数据交换。更值得一提的是，DirectShow提供的是一种开放式的开发环境，我们可以根据自己的需要定制自己的组件。

　　应用程序与DirectShow组件以及DirectShow所支持的软硬件之间的关系如图1所示。

　　

图1 DirectShow系统框图

1、DirectShow的 Filter

　　Directshow是基于模块化，每个功能模块都采取COM组件方式，称为
Filter。Directshow提供了一系列的标准的模块可用于应用开发，开发者也可以开发自己的功能Filter来扩展Directshow的应
用。下面我们用一个例子来说明如何采取Filter来播放一个AVI的视频文件。

　　1) 首先从一个文件中读取AVI数据，形成字节流。（这个工作由源Filter完成）

　　2) 检查AVI数据流的头格式，然后通过AVI分割Filter将视频流和音频流分开。

　　3) 解码视频流，根据压缩格式的不同，选取不同的decoder filters 。

　　4) 通过Renderer Filter重画视频图像。

　　5) 音频流送到声卡进行播放，一般采用缺省的 DirectSound DeviceFilter。流程见下图。

图2 音频流播放Graph图
　
　从上面的图表看，每一个filter都一个其他的一个或者两个filter相连接。两个Filter相连接的连接点也是com对象，我们称为Pin。
Filter通过pin将数据从一个filter传递到另一个filter中，从而可以使数据在由filter组成的链表中流动。图中的箭头表示
filter链表中的数据流的方向。在Directshow中，像上面的这样一个filter 链表我们称为filter Graph。

　
　Filter具有三个状态，运行，停止，暂停。当一个filter运行时，它就处理媒体数据流，当停止时，filter就不在处理数据，暂停状态常用来
给运行状态之前cure data。Data Flow in the Filter Graph一章详细描述了这些概念，可以参考。

　　除了一些特别的例外， Filter graph中所有的filter的状态的改变都是统一的，也就说，filte graph中的所有的filter 的状态改变是一致协调的。也就是说，我们也可以用filter graph也可以有运行，停止，暂停三种状态。

　　Filter 一般分为下面几种类型。

　　（1）源过滤器（sourcefilter）：源过滤器引入数据到过滤器图表中，数据来源可以是文件、网络、照相机等。不同的源过滤器处理不同类型的数据源。

　　（2）变换过滤器（transform filter）：变换过滤器的工作是获取输入流，处理数据，并生成输出流。变换过滤器对数据的处理包括编解码、格式转换、压缩解压缩等。

　　（3）提交过滤器（renderer filter）：提交过滤器在过滤器图表里处于最后一级，它们接收数据并把数据提交给外设。

　　（4）分割过滤器（splitter filter）：分割过滤器把输入流分割成多个输出。例如，AVI分割过滤器把一个AVI格式的字节流分割成视频流和音频流。

　　（5）混合过滤器（mux filter）：混合过滤器把多个输入组合成一个单独的数据流。例如，AVI混合过滤器把视频流和音频流合成一个AVI格式的字节流。

　　过滤器的这些分类并不是绝对的，例如一个ASF读过滤器（ASF Reader filter）既是一个源过滤器又是一个分割过滤器。

　　2、关于Filter Graph Manager

　　Filter Graph Manager也是一个com对象，用来控制Filter graph中的所有的filter，主要有以下的功能：

　　1) 用来协调filter之间的状态改变，从而使graph 中的所有的filter的状态的改变应该一致。

　　2) 建立一个参考时钟。

　　3) 将filter 的消息通知返回给应用程序

　　4) 提供用来建立 filter graph的方法。

　　这里只是简单的描述一下，详细地可以参考文档。

　
　状态改变，Graph中的filter的状态改变应该一致，因此，应用程序并将状态改变的命令直接发给filter，而是将相应的状态改变的命令发送给
Filter graph
Manager，由manager将命令分发给graph中每一个filter。Seeking也是同样的方式工作，首先由应用程序将seek命令发送到
filter graph 管理器，然后由其分发给每个filter。

　　参考时钟，graph中的filter都采用的同一个时钟，称
为参考时钟（reference clock），参考时钟可以确保所有的数据流同步，视频桢或者音频桢应该被提交的时间称为presentation
time.presentation time 是相对于参考时钟来确定的。Filter graph
Manager应该选择一个参考时钟，可以选择声卡上的时钟，也可以选择系统时钟。

　　Graph事件， Graph 管理器采用事件机制将graph中发生的事件通知给应用程序，这个机制类似于windows的消息循环机制。

　　Graph构建的方法，graph管理器给应用程序提供了将filter添加进graph的方法，连接filter的方法，断开filter连接的方法。

　　但是，graph 管理器没有提供如何将数据从一个filter发送到另一个filter的方法，这个工作是由filter在内部通过pin来独立完成的。

3、媒体类型

　　因为Directshow是基于com组件的，就需要有一种方式来描述filter
graph每一个点的数据格式，例如，我们还以播放AVI文件为例，数据以RIFF块的形式进入graph中，然后被分割成视频和音频流，视频流有一系列
的压缩的视频桢组成，解压后，视频流由一系列的无压缩的位图组成，音频流也要走同样的步骤。

Media Types: How DirectShow Represents Formats
　
　媒体类型是一种很普遍的，可以扩展的用来描述数字媒体格式的方法，当两个filter连接的时候，他们会就采用某一种媒体类型达成一致的协议。媒体类型
定义了处于源头的filter将要给下游的filter发送什么样的数据，以及数据的physical
layout。如果两个filter不能够支持同一种的媒体类型，那么他们就没法连接起来。

　　对于大多数的应用来说，也许你不用考虑媒体类型，但是，有些应用程序中，你会直接应用到媒体类型的。

　　媒体类型是通过AM_MEDIA_TYPE结构定义的，看看原始定义吧

typedef struct _MediaType {
　 GUID majortype;
　 GUID subtype;
　 BOOL bFixedSizeSamples;
　 BOOL bTemporalCompression;
　 ULONG lSampleSize;
　 GUID formattype;
　 IUnknown *pUnk;
　 ULONG cbFormat;
　 [size_is(cbFormat)] BYTE *pbFormat;
} AM_MEDIA_TYPE;
　　Major type:是一个GUID，用来定义数据的主类型，包括，音频，视频，unparsed字节流，MIDI数据，等等，具体可以参考msdn。

　
　Subtype:子类型，也是一个GUID，用来进一步的细化数据格式，例如，在视频主类型中，还包括RGB-24, RGB-32,
UYVY等等一些子类型，在音频主类型中还包括PCM audio, MPEG-1
payload等类型，子类型提供了比主类型更详细的信息，但是并没有定义所有的格式，例如，视频的子类型并没有定义图像大小，桢率。这些由下面的字段定义。

　　bFixedSizeSamples当这个值为TRUE时，表示sample大小固定。

　　bTemporalCompression当这个值为TRUE时，表示sample采用了临时压缩格式，表明不是所有的桢都是关键桢，如果为FALSE，表明所有的都是关键桢。

　　lSampleSize 表示sample的大小。对于压缩的数据，这个值可能为零。
　　
　
　Formattype一个GUID值，用来表明内存块的格式。包括如
下：FORMAT_None，FORMAT_DvInfo，FORMAT_MPEGVideo，FORMAT_MPEG2Video，FORMAT_VideoInfo，FORMAT_VideoInfo2，FORMAT_WaveFormatEx，GUID_NULL。

　　pUnk该参数没有用到。

　　cbFormat内存块的大小。

　　pbFormat指向内存块的指针。

　　下面我们看一段代码，看看filter如何检测媒体类型的。

HRESULT CheckMediaType(AM_MEDIA_TYPE *pmt)
{
　 if (pmt == NULL) return E_POINTER;
　 // Check the major type. We’re looking for video.
　 if (pmt->majortype != MEDIATYPE_Video)
　 {
　　 return VFW_E_INVALIDMEDIATYPE;
　 }
　 // Check the subtype. We’re looking for 24-bit RGB.
　 if (pmt->subtype != MEDIASUBTYPE_RGB24)
　 {
　　 return VFW_E_INVALIDMEDIATYPE;
　 }
　 // Check the format type and the size of the format block.
　 if ((pmt->formattype == FORMAT_VideoInfo) && (pmt->cbFormat >= sizeof(VIDEOINFOHEADER) &&
(pmt->pbFormat != NULL))
　 {
　　 // Now it’s safe to coerce the format block pointer to the
　　 // correct structure, as defined by the formattype GUID.
　　 VIDEOINFOHEADER *pVIH = (VIDEOINFOHEADER*)pmt->pbFormat;
　　 // Examine pVIH (not shown). If it looks OK, return S_OK.
　　 return S_OK;
　 }
　 return VFW_E_INVALIDMEDIATYPE;
}
　　下面简单介绍几个和 Media Type相关的函数：

　　AM_MEDIA_TYPE结构包含一个指向数据块的指针，因此，当你使用这个结构的时候，一定要小心内存分配，以防内存泄漏。

　　分配函数

　　1) AM_MEDIA_TYPE * WINAPI CreateMediaType(AM_MEDIA_TYPE const *pSrc );

　　这个函数分配一个新的AM_MEDIA_TYPE结构，包含特定格式的数据块。释放由这个函数分配的内存，可以调用DeleteMediaType函数

　　2) STDAPI CreateAudioMediaType(const WAVEFORMATEX *pwfx,AM_MEDIA_TYPE *pmt,BOOL bSetFormat);

　
　该函数利用一个给定的WAVEFORMATIEX结构来初始化媒体类型，如果bsetFormat参数为TRUE，该函数就分配一块新的内存，如果原来
的pmt已经包含内存，就有可能发生内存泄漏。为了避免内存泄漏，在调用这个函数前要调用FreeMediaType（），在这个函数返回之后，再次调用
FreeMediaType（），释放format block。

　　3) HRESULT WINAPI CopyMediaType(AM_MEDIA_TYPE *pmtTarget,const AM_MEDIA_TYPE *pmtSource);

　　这个函数复制了一个结构到另一个结构中去。这个函数也要重新分配内存给目的结构，如果pmtTarget,已经包含一个内存块，就要内存泄漏，因此，在调用该函数前后都要调用FreeMediaType函数。

　　释放函数

　　4) void WINAPI DeleteMediaType( AM_MEDIA_TYPE *pmt);

　　无论是采用CoTaskMemAlloc函数还是用CreateMediaType函数分配的内存都可以用这个函数来释放，如果你没有连接基类的动态库，你可以用下面的代码

void MyDeleteMediaType(AM_MEDIA_TYPE *pmt)
{
　 if (pmt != NULL)
　 {
　　 MyFreeMediaType(*pmt); // 见下面的 FreeMediaType 函数
　　 CoTaskMemFree(pmt);
　 }
}
　　5) void WINAPI FreeMediaType( AM_MEDIA_TYPE& mt);

　　这个函数用来释放数据块的内存，如果要删除AM_MEDIA_TYPE结构，可以使用DeleteMediaType函数。

void MyFreeMediaType(AM_MEDIA_TYPE& mt)
{
　 if (mt.cbFormat != 0)
　 {
　　 CoTaskMemFree((PVOID)mt.pbFormat);
　　 mt.cbFormat = 0;
　　 mt.pbFormat = NULL;
　 }
　 if (mt.pUnk != NULL)
　 {
　　 // Unecessary because pUnk should not be used, but safest.
　　 mt.pUnk->Release();
　　 mt.pUnk = NULL;
　 }
}

4、媒体Samples和Allocators

　　Filters通过pin的连接来传递数据，数据流是从一个filter的输出pin流向相连的filter的输入pin。输出pin常用的传递数据的方式是调用输入pin上的IMemInputPin::Receive方法。

　
　对于filter来说，可以有好几种方式来分配媒体数据使用的内存块，可以在堆上分配，可以在DirectDraw的表面，也可以采用GDI共享内存，
还有其他的一些方法，在Directshow中用来进行内存分配任务的是内存分配器（allocator），也是一个COM对象，暴露了一个
IMemAllocator接口。

　　当两个pin连接的时候，必须有一个pin提供一个allocator，Directshow定义了一系列函数调用用来确定由哪个pin提供allocator，以及buffer的数量和大小。

　
　在数据流开始之前，allocator会创建一个内存池（pool of
buffer），在开始发送数据流以后，源filter就会将数据填充到内存池中一个空闲的buffer中，然后传递给下面的filter。但是，源
filter并不是直接将内存buffer的指针直接传递给下游的filter，而是通过一个media
samples的COM对象，这个sample是allocator创建的用来管理内存buffer。Media
sample暴露了IMediaSample接口，一个sample包含了下面的内容：

　　一个指向没有发送的内存的指针。

　　一个时间戳

　　一些标志

　　媒体类型。

　
　时间戳表明了presentation time，Renderer
filter就是根据这个时间来安排render顺序的。标志是用来标示数据是否中断等等，媒体类型提供了中途改变数据格式的一种方法，不过，一般
sample没有媒体类型，表明它们的媒体类型一直没有改变。

　　当一个filter正在使用buffer，它就会保持一个sample
的引用计数，allocator通过sample的引用计数用来确定是否可以重新使用一个buffer。这样就防止了buffer的使用冲突，当所有的
filter都释放了对sample的引用，sample才返回到allocator的内存池，供重新使用。

　　5、硬件设备在graph中的作用

　　下面的这段话借用的是陆其明的一段文档，特此标记2005-1-26我觉得他对硬件的表述比较清楚。

　　大家知道，为了提高系统的稳定性，Windows操作系统对
硬件操作进行了隔离；应用程序一般不能直接访问硬件。DirectShow Filter工作在用户模式（User
mode，操作系统特权级别为Ring 3），而硬件工作在内核模式（Kernel mode，操作系统特权级别为Ring
0），那么它们之间怎么协同工作呢？

　　DirectShow解决的方法是，为这些硬件设计包装Filter；这种Filter能够工作在用户模式下，外观、控制方法跟普通Filter一样，而包装Filter内部完成与硬件驱动程序的交互。这样的设计，使得编写DirectShow应用程序的开发人
员，从为支持硬件而需做出的特殊处理中解脱出来。DirectShow已经集成的包装Filter，包括Audio Capture
Filter（qcap.dll）、VfW Capture Filter（qcap.dll，Filter的Class
Id为CLSID_VfwCapture）、TV Tuner Filter（KSTVTune.ax，Filter的Class
Id为CLSID_CTVTunerFilter）、Analog Video Crossbar Filter（ksxbar.ax）、TV
Audio Filter（Filter的Class
Id为CLSID_TVAudioFilter）等；另外，DirectShow为采用WDM驱动程序的硬件设计了KsProxy
Filter（Ksproxy.ax,）。我们可以看一下结构图：见图1

　　我们可以看出，Ksproxy.ax、Kstune.ax、
Ksxbar.ax这些包装Filter跟其它普通的DirectShow
Filter处于同一个级别，可以协同工作；用户模式下的Filter通过Stream
Class控制硬件的驱动程序minidriver（由硬件厂商提供的实现对硬件控制功能的DLL）；Stream
Class和minidriver一起向上层提供系统底层级别的服务。值得注意的是，这里的Stream
Class是一种驱动模型，它负责调用硬件的minidriver；另外，Stream
Class的功能还在于协调minidriver之间的工作，使得一些数据可以直接在Kernel
mode下从一个硬件传输到另一个硬件（或同一个硬件上的不同功能模块），提高了系统的工作效率。（更多的关于底层驱动程序的细节，请读者参阅
Windows DDK。）

　　下面，我们分别来看一下几种常见的硬件。

　　VfW视频采集卡。这类硬件在市场上已经处
于一种淘汰的趋势；新生产的视频采集卡一般采用WDM驱动模型。但是，DirectShow为了保持向后兼容，还是专门提供了一个包装Filter支持这
种硬件。和其他硬件的包装Filter一样，这种包装Filter的创建不是像普通Filter一样使用CoCreateInstance，而要通过系统
枚举，然后BindToObject。

　　音频采集卡（声卡）。声卡的采集功能也是通过包装Filter来实现的；而且现在的声卡大部分
都有混音的功能。这个Filter一般有几个Input pin，每个pin都代表一个输入，如Line
In、Microphone、CD、MIDI等。值得注意的是，这些pin代表的是声卡上的物理输入端子，在Filter
Graph中是永远不会连接到其他Filter上的。声卡的输出功能，可以有两个Filter供选择：DirectSound Renderer
Filter和Audio Renderer (WaveOut)
Filter。注意，这两个Filter不是上述意义上的包装Filter，它们能够同硬件交互，是因为它们使用了API函数：前者使用了
DirectSound API，后者使用了waveOut
API。这两个Filter的区别，还在于后者输出音频的同时不支持混音。（顺便说明一下，Video Renderer
Filter能够访问显卡，也是因为使用了GDI、DirectDraw或Direct3D
API。）如果你的机器上有声卡的话，你可以通过GraphEdit，在Audio Capture
Sources目录下看到这个声卡的包装Filter。

　　WDM驱动的硬件（包括视频捕捉卡、硬件解压卡等）。这类硬件都使用
Ksproxy.ax这个包装Filter。Ksproxy.ax实现了很多功能，所以有“瑞士军刀”的美誉；它还被称作为“变色龙Filter”，因为
该Filter上定义了统一的接口，而接口的实现因具体的硬件驱动程序而异。在Filter Graph中，Ksproxy
Filter显示的名字为硬件的Friendly name（一般在驱动程序的.inf文件中定义）。我们可以通过GraphEdit，在WDM
Streaming开头的目录中找到本机系统中安装的WDM硬件。因为KsProxy.ax能够代表各种WDM的音视频设备，所以这个包装Filter的
工作流程有点复杂。这个Filter不会预先知道要代表哪种类型的设备，它必须首先访问驱动程序的属性集，然后动态配置Filter上应该实现的接口。

　
　当Ksproxy
Filter上的接口方法被应用程序或其他Filter调用时，它会将调用方法以及参数传递给驱动程序，由驱动程序最终完成指定功能。除此以外，WDM硬
件还支持内核流（Kernel
Streaming），即内核模式下的数据传输，而无需经过到用户模式的转换。因为内核模式与用户模式之间的相互转换，需要花费很大的计算量。如果使用内
核流，不仅可以避免大量的计算，还避免了内核数据与主机内存之间的拷贝过程。在这种情况下，用户模式的Filter
Graph中，即使pin之间是连接的，也不会有实际的数据流动。典型的情况，如带有Video Port Pin的视频捕捉卡，Preview时显示的图像就是在内核模式下直接传送到显卡的显存的。所以，你也休想在VP Pin后面截获数据流。

　　讲到这里，我想大家应该对DirectShow对硬件的支持问题有了一个总体的认识。对于应用程序开发人员来说，这方面的内容不用研究得太透，而只需作为背景知识了解一下就好了。其实，大量繁琐的工作DirectShow已经帮我们做好了。