【GStreamer开发】GStreamer基础教程06——媒体格式和pad的Capabilities

目标
      Pad的Capabilities是一个GStreamer element的基础，因为framework大部分时间是自动处理的，所以我们几乎感觉不到它的存在。本教程比较偏向原理，介绍了：
      什么是Pad Capabilities
      如何获得这个东西
      什么时候应该去获得这个东西
      为什么你需要了解他们

介绍
Pads
      Pads允许信息进入或者离开一个element——就像曾经展示过得一样。这个Capabilities（或者简单地叫做Caps）就是指定哪些信息可以通过Pad来传输。例如：“”RGB视频，尺寸为320x200并且每秒30帧“或者”16位的音频采样，5.1声道，每秒采样44.1k“甚至可以是类似于mp3/h264之类的压缩格式。
      Pads支持多重Capabilities（比如，一个视频的sink可以支持RGB输出或者YUV输出），Capabilities可以指定一个范围而不必须是一个特定值（比如，一个音频sink可以支持从1~48000的采样率）。然而，数据从一个pad流向另一个pad的时候，必须是一个双方都能支持的格式。某一种数据形式是两个pad都能支持的，这样Pads的Capabilities就固定下来（只有一个钟个数，并且不再是一个数据区间了），这个过程被称为协商。下面的例子会更清楚的说明这一点。
      为了两个element可以连接，他们必须有一个共同的Capabilities子集（否则它们肯定不能互相连接）。这就是Capabilities存在的主要目的。
      作为一个应用开发者，我们通常都是用连接一个个element的方法来建立pipeline的。在这个例子中，你需要了解你使用的element的Pad的Caps。
Pad模板
      Pad是由Pad模板创建的，模板里面会列出一个Pad所有可能的Capabilities。模板对于创建几个相似的Pad是很有帮助的，但也会比较早就判断出两个element是否可以相连：如果连两个Pad的模板都不具备共同的子集的化，就没必要进行更深层的协商了。
      Pad模板检查是协商流程的第一步。随着流程的逐步深入，Pad会正式初始化，也会确定他们的Capability（除非协商失败了）。

Capabilities例子

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  1. SINK template: 'sink'  
  2.   Availability: Always  
  3.   Capabilities:  
  4.     audio/x-raw-int  
  5.                signed: true  
  6.                  16  
  7.                 depth: 16  
  8.                  rate: [ 1, 2147483647 ]  
  9.              channels: [ 1, 2 ]  
  10.     audio/x-raw-int  
  11.                signed: false  
  12.                  8  
  13.                 depth: 8  
  14.                  rate: [ 1, 2147483647 ]  
  15.              channels: [ 1, 2 ]  
      这是一个element的永久sink pad。它支持2种媒体格式，都是音频的原始数据（audio/x-raw-int），16位的符号数和8位的无符号数。方括号表示一个范围，例如，频道（channels）的范围是1到2.

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  1. SRC template: 'src'  
  2.   Availability: Always  
  3.   Capabilities:  
  4.     video/x-raw-yuv  
  5.                  [ 1, 2147483647 ]  
  6.                height: [ 1, 2147483647 ]  
  7.             framerate: [ 0/1, 2147483647/1 ]  
  8.                format: { I420, NV12, NV21, YV12, YUY2, Y42B, Y444, YUV9, YVU9, Y41B, Y800, Y8  , GREY, Y16 , UYVY, YVYU, IYU1, v308, AYUV, A420 }   
      video/x-raw-yur表示这个source pad用YUV格式输出视频。它支持一个很广的维数和帧率，一系列的YUV格式（用花括号列出了）。所有这些格式都显示不同的图像打包和子采样程度。

最后的总结 

      你可以使用gst-inspect-0.10这个工具（在后面教程中会介绍）来查看一下element的Caps。

      记住有些element会查看底层的硬件来确定支持的格式和能提供的Pad的Caps（通常在进入READY或更后面的状态）。因此，这个显示的Caps由于平台的不同是不一样的，甚至可能在每一次运行都不相同（这种情况很少）。

      本教程会创建2个element，显示它们各自的Pad模板，连接起来并把pipeline设置成PLAY状态。在每个状态切换的过程中，sink element的Pad的Capabilities会显示出来，这样你就可以观察到协商过程是如何进行的，最后Pad的Caps是怎么定下来的。


一个简单地Pad Capabilities例子

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  1. #include <gst/gst.h>  
  2.     
  3. /* Functions below print the Capabilities in a human-friendly format */  
  4. static gboolean print_field (GQuark field, const GValue * value, gpointer pfx) {  
  5.   gchar *str = gst_value_serialize (value);  
  6.     
  7.   g_print ("%s  %15s: %s ", (gchar *) pfx, g_quark_to_string (field), str);  
  8.   g_free (str);  
  9.   return TRUE;  
  10. }  
  11.     
  12. static void print_caps (const GstCaps * caps, const gchar * pfx) {  
  13.   guint i;  
  14.     
  15.   g_return_if_fail (caps != NULL);  
  16.     
  17.   if (gst_caps_is_any (caps)) {  
  18.     g_print ("%sANY ", pfx);  
  19.     return;  
  20.   }  
  21.   if (gst_caps_is_empty (caps)) {  
  22.     g_print ("%sEMPTY ", pfx);  
  23.     return;  
  24.   }  
  25.     
  26.   for (i = 0; i < gst_caps_get_size (caps); i++) {  
  27.     GstStructure *structure = gst_caps_get_structure (caps, i);  
  28.       
  29.     g_print ("%s%s ", pfx, gst_structure_get_name (structure));  
  30.     gst_structure_foreach (structure, print_field, (gpointer) pfx);  
  31.   }  
  32. }  
  33.     
  34. /* Prints information about a Pad Template, including its Capabilities */  
  35. static void print_pad_templates_information (GstElementFactory * factory) {  
  36.   const GList *pads;  
  37.   GstStaticPadTemplate *padtemplate;  
  38.     
  39.   g_print ("Pad Templates for %s: ", gst_element_factory_get_longname (factory));  
  40.   if (!factory->numpadtemplates) {  
  41.     g_print ("  none ");  
  42.     return;  
  43.   }  
  44.     
  45.   pads = factory->staticpadtemplates;  
  46.   while (pads) {  
  47.     padtemplate = (GstStaticPadTemplate *) (pads->data);  
  48.     pads = g_list_next (pads);  
  49.       
  50.     if (padtemplate->direction == GST_PAD_SRC)  
  51.       g_print ("  SRC template: '%s' ", padtemplate->name_template);  
  52.     else if (padtemplate->direction == GST_PAD_SINK)  
  53.       g_print ("  SINK template: '%s' ", padtemplate->name_template);  
  54.     else  
  55.       g_print ("  UNKNOWN!!! template: '%s' ", padtemplate->name_template);  
  56.       
  57.     if (padtemplate->presence == GST_PAD_ALWAYS)  
  58.       g_print ("    Availability: Always ");  
  59.     else if (padtemplate->presence == GST_PAD_SOMETIMES)  
  60.       g_print ("    Availability: Sometimes ");  
  61.     else if (padtemplate->presence == GST_PAD_REQUEST) {  
  62.       g_print ("    Availability: On request ");  
  63.     } else  
  64.       g_print ("    Availability: UNKNOWN!!! ");  
  65.       
  66.     if (padtemplate->static_caps.string) {  
  67.       g_print ("    Capabilities: ");  
  68.       print_caps (gst_static_caps_get (&padtemplate->static_caps), "      ");  
  69.     }  
  70.       
  71.     g_print (" ");  
  72.   }  
  73. }  
  74.     
  75. /* Shows the CURRENT capabilities of the requested pad in the given element */  
  76. static void print_pad_capabilities (GstElement *element, gchar *pad_name) {  
  77.   GstPad *pad = NULL;  
  78.   GstCaps *caps = NULL;  
  79.     
  80.   /* Retrieve pad */  
  81.   pad = gst_element_get_static_pad (element, pad_name);  
  82.   if (!pad) {  
  83.     g_printerr ("Could not retrieve pad '%s' ", pad_name);  
  84.     return;  
  85.   }  
  86.     
  87.   /* Retrieve negotiated caps (or acceptable caps if negotiation is not finished yet) */  
  88.   caps = gst_pad_get_negotiated_caps (pad);  
  89.   if (!caps)  
  90.     caps = gst_pad_get_caps_reffed (pad);  
  91.     
  92.   /* Print and free */  
  93.   g_print ("Caps for the %s pad: ", pad_name);  
  94.   print_caps (caps, "      ");  
  95.   gst_caps_unref (caps);  
  96.   gst_object_unref (pad);  
  97. }  
  98.     
  99. int main(int argc, charchar *argv[]) {  
  100.   GstElement *pipeline, *source, *sink;  
  101.   GstElementFactory *source_factory, *sink_factory;  
  102.   GstBus *bus;  
  103.   GstMessage *msg;  
  104.   GstStateChangeReturn ret;  
  105.   gboolean terminate = FALSE;  
  106.     
  107.   /* Initialize GStreamer */  
  108.   gst_init (&argc, &argv);  
  109.      
  110.   /* Create the element factories */  
  111.   source_factory = gst_element_factory_find ("audiotestsrc");  
  112.   sink_factory = gst_element_factory_find ("autoaudiosink");  
  113.   if (!source_factory || !sink_factory) {  
  114.     g_printerr ("Not all element factories could be created. ");  
  115.     return -1;  
  116.   }  
  117.     
  118.   /* Print information about the pad templates of these factories */  
  119.   print_pad_templates_information (source_factory);  
  120.   print_pad_templates_information (sink_factory);  
  121.     
  122.   /* Ask the factories to instantiate actual elements */  
  123.   source = gst_element_factory_create (source_factory, "source");  
  124.   sink = gst_element_factory_create (sink_factory, "sink");  
  125.     
  126.   /* Create the empty pipeline */  
  127.   pipeline = gst_pipeline_new ("test-pipeline");  
  128.     
  129.   if (!pipeline || !source || !sink) {  
  130.     g_printerr ("Not all elements could be created. ");  
  131.     return -1;  
  132.   }  
  133.     
  134.   /* Build the pipeline */  
  135.   gst_bin_add_many (GST_BIN (pipeline), source, sink, NULL);  
  136.   if (gst_element_link (source, sink) != TRUE) {  
  137.     g_printerr ("Elements could not be linked. ");  
  138.     gst_object_unref (pipeline);  
  139.     return -1;  
  140.   }  
  141.     
  142.   /* Print initial negotiated caps (in NULL state) */  
  143.   g_print ("In NULL state: ");  
  144.   print_pad_capabilities (sink, "sink");  
  145.     
  146.   /* Start playing */  
  147.   ret = gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_PLAYING);  
  148.   if (ret == GST_STATE_CHANGE_FAILURE) {  
  149.     g_printerr ("Unable to set the pipeline to the playing state (check the bus for error messages). ");  
  150.   }  
  151.     
  152.   /* Wait until error, EOS or State Change */  
  153.   bus = gst_element_get_bus (pipeline);  
  154.   do {  
  155.     msg = gst_bus_timed_pop_filtered (bus, GST_CLOCK_TIME_NONE, GST_MESSAGE_ERROR | GST_MESSAGE_EOS |  
  156.         GST_MESSAGE_STATE_CHANGED);  
  157.     
  158.     /* Parse message */  
  159.     if (msg != NULL) {  
  160.       GError *err;  
  161.       gchar *debug_info;  
  162.       
  163.       switch (GST_MESSAGE_TYPE (msg)) {  
  164.         case GST_MESSAGE_ERROR:  
  165.           gst_message_parse_error (msg, &err, &debug_info);  
  166.           g_printerr ("Error received from element %s: %s ", GST_OBJECT_NAME (msg->src), err->message);  
  167.           g_printerr ("Debugging information: %s ", debug_info ? debug_info : "none");  
  168.           g_clear_error (&err);  
  169.           g_free (debug_info);  
  170.           terminate = TRUE;  
  171.           break;  
  172.         case GST_MESSAGE_EOS:  
  173.           g_print ("End-Of-Stream reached. ");  
  174.           terminate = TRUE;  
  175.           break;  
  176.         case GST_MESSAGE_STATE_CHANGED:  
  177.           /* We are only interested in state-changed messages from the pipeline */  
  178.           if (GST_MESSAGE_SRC (msg) == GST_OBJECT (pipeline)) {  
  179.             GstState old_state, new_state, pending_state;  
  180.             gst_message_parse_state_changed (msg, &old_state, &new_state, &pending_state);  
  181.             g_print (" Pipeline state changed from %s to %s: ",  
  182.                 gst_element_state_get_name (old_state), gst_element_state_get_name (new_state));  
  183.             /* Print the current capabilities of the sink element */  
  184.             print_pad_capabilities (sink, "sink");  
  185.           }  
  186.           break;  
  187.         default:  
  188.           /* We should not reach here because we only asked for ERRORs, EOS and STATE_CHANGED */  
  189.           g_printerr ("Unexpected message received. ");  
  190.           break;  
  191.       }  
  192.       gst_message_unref (msg);  
  193.     }  
  194.   } while (!terminate);  
  195.     
  196.   /* Free resources */  
  197.   gst_object_unref (bus);  
  198.   gst_element_set_state (pipeline, GST_STATE_NULL);  
  199.   gst_object_unref (pipeline);  
  200.   gst_object_unref (source_factory);  
  201.   gst_object_unref (sink_factory);  
  202.   return 0;  
  203. }  

工作流程

      这里的print_field，print_caps和print_pad_templates仅仅简单的用方便阅读的方式显示Capabilities结构。如果你想学到GstCaps数据结构的内在组织，那么请度以下Gstreamer文档关于Pad Caps的部分。

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  1. /* Shows the CURRENT capabilities of the requested pad in the given element */  
  2. static void print_pad_capabilities (GstElement *element, gchar *pad_name) {  
  3.   GstPad *pad = NULL;  
  4.   GstCaps *caps = NULL;  
  5.     
  6.   /* Retrieve pad */  
  7.   pad = gst_element_get_static_pad (element, pad_name);  
  8.   if (!pad) {  
  9.     g_printerr ("Could not retrieve pad '%s' ", pad_name);  
  10.     return;  
  11.   }  
  12.     
  13.   /* Retrieve negotiated caps (or acceptable caps if negotiation is not finished yet) */  
  14.   caps = gst_pad_get_negotiated_caps (pad);  
  15.   if (!caps)  
  16.     caps = gst_pad_get_caps_reffed (pad);  
  17.     
  18.   /* Print and free */  
  19.   g_print ("Caps for the %s pad: ", pad_name);  
  20.   print_caps (caps, "      ");  
  21.   gst_caps_unref (caps);  
  22.   gst_object_unref (pad);  
  23. }  

      gst_element_get_static_pad()方法会从给定的element里面取得Pad的名字。这个Pad是静态的，因为它会一直存在。要进一步了解Pad请阅读GStreamer文档关于Pad的部分。

      然后我们调用gst_pad_get_negotiated_caps()方法来获得Pad当前的Capabilities，无论是否已经固定下来，都会依赖协商过程的状态。这时Capabilities可能是不存在的，如果遇到这种情况，我们就调用gst_pad_get_caps_reffed()方法来建立一个当前可以接受的Pad Capabilities。这个所谓的当前可接受的Caps时Pad Template的在NULL状态下的Caps，但后面这个可能会改变，因为还会查询实际的硬件。

      gst_pad_get_caps_reffed()通常来说比gst_pad_get_caps()快一点，而且如果我们不需要改变获得的Caps的话也足够用了。然后我们就打印出这些Capabilities。

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  1. /* Create the element factories */  
  2. source_factory = gst_element_factory_find ("audiotestsrc");  
  3. sink_factory = gst_element_factory_find ("autoaudiosink");  
  4. if (!source_factory || !sink_factory) {  
  5.   g_printerr ("Not all element factories could be created. ");  
  6.   return -1;  
  7. }  
  8.   
  9. /* Print information about the pad templates of these factories */  
  10. print_pad_templates_information (source_factory);  
  11. print_pad_templates_information (sink_factory);  
  12.   
  13. /* Ask the factories to instantiate actual elements */  
  14. source = gst_element_factory_create (source_factory, "source");  
  15. sink = gst_element_factory_create (sink_factory, "sink");  
      在前面的教程中我们直接使用gst_element_factory_make()方法来创建element，而忽略了工厂本身，我们现在补上这一部分。一个GstElementFactory是负责通过一个工厂名来实例化一个element的。

      你可以使用gst_element_factory_find()来创建一个“videotestsrc”工厂，然后通过gst_element_factory_create()来实例化多个“videotestsrc” element。gst_element_factory_make()实际上只是这个过程的一个封装。

      通过工程，Pad模板实际上已经可以访问了，所以工厂一建立我们立刻打印这些信息。

      我们跳过pipeline的创建和启动部分，直接跳到状态切换消息的处理：

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  1. case GST_MESSAGE_STATE_CHANGED:  
  2.   /* We are only interested in state-changed messages from the pipeline */  
  3.   if (GST_MESSAGE_SRC (msg) == GST_OBJECT (pipeline)) {  
  4.     GstState old_state, new_state, pending_state;  
  5.     gst_message_parse_state_changed (msg, &old_state, &new_state, &pending_state);  
  6.     g_print (" Pipeline state changed from %s to %s: ",  
  7.         gst_element_state_get_name (old_state), gst_element_state_get_name (new_state));  
  8.     /* Print the current capabilities of the sink element */  
  9.     print_pad_capabilities (sink, "sink");  
  10.   }  
  11.   break;  
      这里只是在每次pipeline状态切换的时候简单地打印当前的Pad Caps。你可以看到，在输出信息里面，初始的Caps（Pad模板的Caps）是如何逐步变化直到确定下来的（仅包含一个类型而且数值固定）。
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