系列文章目录

• GStreamer 简明教程（一）：环境搭建，运行 Basic Tutorial 1 Hello world!
  
• GStreamer 简明教程（二）：基本概念介绍，Element 和 Pipeline
  
• GStreamer 简明教程（三）：动态调整 Pipeline
• GStreamer 简明教程（四）：Seek 以及获取文件时长
• GStreamer 简明教程（五）：Pad 相关概念介绍，Pad Capabilities/Templates
• GStreamer 简明教程（六）：利用 Tee 复制流数据，巧用 Queue 实现多线程
  

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前言

本章基于 Basic tutorial 8: Short-cutting the pipeline
进行说明和补充，以便读者掌握如何动态的插入或者提取出 Pipeline 中的数据。

本章内容并不复杂，它引入了两个新的 Element：appsrc 和 appsink。通过这两个 Element 我们可以实现动态管理数据流。

由于官方教程代码在本人机器上总是运行失败，因此我对它做了一些修改，具体代码在 basic-tutorial-8.c

Pipeline

本次教程中使用的 Pipeline 如上图，简单做个解释：

• appsrc: 用于推送数据到 Pipeline 中
• tee: 负责复制数据
• queue: 创建一个 FIFO(先进先出)缓冲区。它接收输入数据,暂时存储,然后在单独线程中按照接收顺序输出数据。
• audioconvert: 音频格式转换
• audioresample: 音频重采样
• autoaudiosink: 播放音频
• appsink: 负责接收 Pipeline 中的数据

appsrc 和 appsink

appsrc

appsrc 是 GStreamer 的一个源元素，用于在外部应用程序中插入数据到 GStreamer 管道。它提供了一种灵活的方式让用户从自定义或非标准数据源读取数据，并将其注入到 GStreamer 管道中进行进一步处理和流处理。

主要特点：

• 支持从应用程序中推送数据到管道。
• 可以用于实时数据流（如视频捕捉或生成的音频）。
• 允许通过回调函数和事件控制数据流。

appsink

appsink 是 GStreamer 的一个接收器元素，允许从管道中提取数据到外部应用程序。通过它，用户可以读取 GStreamer 管道末端的数据块并进行自定义处理。

主要特点：

• 从管道中拉取数据到应用程序中。
• 支持获取数据的回调，便于集成到应用程序的逻辑中。
• 常用于需要对流媒体进行自定义处理或分析的场景。

这两个元素结合使用，可以在应用程序与 GStreamer 管道之间实现动态、灵活的数据交互和处理。

Pipeline 中的元素与外部动态交互的机制

在 GStreamer 中，Element Signals 和 Element Actions 提供了与元素进行交互的额外机制：

1. Element Signals（元素信号）:

   • 方向：从元素向外部发送
   • 用途：通知外部模块关于元素内部的状态变化或事件
   • 使用方法：外部模块通过 g_signal_connect() 连接回调函数来接收信号
   • 示例：‘new-sample’（新样本可用）, ‘need-data’（需要更多数据）

2. Element Actions（元素动作）:

   • 方向：从外部向元素发送
   • 用途：允许外部模块控制元素的特定行为
   • 使用方法：外部模块通过 g_signal_emit_by_name() 触发动作
   • 示例：‘push-buffer’（推送数据缓冲区）, ‘end-of-stream’（结束数据流）

这两种机制共同提供了一个双向通信的框架：

• Signals 允许元素主动通知外部世界其内部发生的事件或状态变化。
• Actions 允许外部世界主动控制元素的行为或触发特定操作。

这种设计使得 GStreamer 的元素能够灵活地与应用程序和其他元素交互，同时保持良好的封装性。应用程序可以根据元素发出的信号做出反应，也可以通过动作来影响元素的行为，而无需直接访问元素的内部实现。

Show me the code

有了上面的基础知识铺垫后，让我们来看具体的实现代码，再重申一次，
由于官方教程代码在本人机器上总是运行失败，因此我对它做了一些修改，具体代码在 basic-tutorial-8.c

#include <gst/audio/audio.h>
#include <gst/gst.h>
#include <string.h>

#ifdef __APPLE__
#include <TargetConditionals.h>
#endif

#define CHUNK_SIZE 1024   /* Amount of bytes we are sending in each buffer */
#define SAMPLE_RATE 44100 /* Samples per second we are sending */

/* Structure to contain all our information, so we can pass it to callbacks */
typedef struct _CustomData {
  GstElement *pipeline, *app_source, *tee, *audio_queue, *audio_convert1,
      *audio_resample, *audio_sink;
  GstElement *video_queue, *audio_convert2, *visual, *video_convert,
      *video_sink;
  GstElement *app_queue, *app_sink;

  guint64 num_samples; /* Number of samples generated so far (for timestamp
                          generation) */
  gfloat a, b, c, d;   /* For waveform generation */

  guint sourceid; /* To control the GSource */

  GMainLoop *main_loop; /* GLib's Main Loop */
} CustomData;

/* This method is called by the idle GSource in the mainloop, to feed CHUNK_SIZE
 * bytes into appsrc. The idle handler is added to the mainloop when appsrc
 * requests us to start sending data (need-data signal) and is removed when
 * appsrc has enough data (enough-data signal).
 */
static gboolean push_data(CustomData *data) {
  GstBuffer *buffer;
  GstFlowReturn ret;
  int i;
  GstMapInfo map;
  gint16 *raw;
  gint num_samples = CHUNK_SIZE / 2; /* Because each sample is 16 bits */
  gfloat freq;

  /* Create a new empty buffer */
  buffer = gst_buffer_new_and_alloc(CHUNK_SIZE);

  /* Set its timestamp and duration */
  GST_BUFFER_TIMESTAMP(buffer) =
      gst_util_uint64_scale(data->num_samples, GST_SECOND, SAMPLE_RATE);
  GST_BUFFER_DURATION(buffer) =
      gst_util_uint64_scale(num_samples, GST_SECOND, SAMPLE_RATE);

  /* Generate some psychodelic waveforms */
  gst_buffer_map(buffer, &map, GST_MAP_WRITE);
  raw = (gint16 *)map.data;
  data->c += data->d;
  data->d -= data->c / 1000;
  freq = 1100 + 1000 * data->d;
  for (i = 0; i < num_samples; i++) {
    data->a += data->b;
    data->b -= data->a / freq;
    raw[i] = (gint16)(500 * data->a);
  }
  gst_buffer_unmap(buffer, &map);
  data->num_samples += num_samples;

  /* Push the buffer into the appsrc */
  g_signal_emit_by_name(data->app_source, "push-buffer", buffer, &ret);

  /* Free the buffer now that we are done with it */
  gst_buffer_unref(buffer);

  if (ret != GST_FLOW_OK) {
    /* We got some error, stop sending data */
    return FALSE;
  }

  return TRUE;
}

/* This signal callback triggers when appsrc needs data. Here, we add an idle
 * handler to the mainloop to start pushing data into the appsrc */
static void start_feed(GstElement *source, guint size, CustomData *data) {
  if (data->sourceid == 0) {
    g_print("Start feeding\n");
    data->sourceid = g_idle_add((GSourceFunc)push_data, data);
  }
}

/* This callback triggers when appsrc has enough data and we can stop sending.
 * We remove the idle handler from the mainloop */
static void stop_feed(GstElement *source, CustomData *data) {
  if (data->sourceid != 0) {
    g_print("Stop feeding\n");
    g_source_remove(data->sourceid);
    data->sourceid = 0;
  }
}

/* The appsink has received a buffer */
static GstFlowReturn new_sample(GstElement *sink, CustomData *data) {
  GstSample *sample;

  /* Retrieve the buffer */
  g_signal_emit_by_name(sink, "pull-sample", &sample);
  if (sample) {
    /* The only thing we do in this example is print a * to indicate a received
     * buffer */
    g_print("got buffer\n");
    gst_sample_unref(sample);
    return GST_FLOW_OK;
  }

  return GST_FLOW_ERROR;
}

/* This function is called when an error message is posted on the bus */
static void error_cb(GstBus *bus, GstMessage *msg, CustomData *data) {
  GError *err;
  gchar *debug_info;

  /* Print error details on the screen */
  gst_message_parse_error(msg, &err, &debug_info);
  g_printerr("Error received from element %s: %s\n", GST_OBJECT_NAME(msg->src),
             err->message);
  g_printerr("Debugging information: %s\n", debug_info ? debug_info : "none");
  g_clear_error(&err);
  g_free(debug_info);

  g_main_loop_quit(data->main_loop);
}

int tutorial_main(int argc, char *argv[]) {
  CustomData data;
  /* Initialize cumstom data structure */
  memset(&data, 0, sizeof(data));
  data.b = 1; /* For waveform generation */
  data.d = 1;

  gst_init(&argc, &argv);

  /* Create the elements */
  data.app_source = gst_element_factory_make("appsrc", "audio_source");
  data.tee = gst_element_factory_make("tee", "tee");
  data.audio_queue = gst_element_factory_make("queue", "audio_queue");
  data.audio_convert1 =
      gst_element_factory_make("audioconvert", "audio_convert1");
  data.audio_resample =
      gst_element_factory_make("audioresample", "audio_resample");
  data.audio_sink = gst_element_factory_make("autoaudiosink", "audio_sink");
  data.app_queue = gst_element_factory_make("queue", "app_queue");
  data.app_sink = gst_element_factory_make("appsink", "app_sink");

  /* Create the empty pipeline */
  data.pipeline = gst_pipeline_new("test-pipeline");

  /* Configure appsrc */
  GstAudioInfo info;
  gst_audio_info_set_format(&info, GST_AUDIO_FORMAT_S16, SAMPLE_RATE, 1, NULL);
  GstCaps *audio_caps = gst_audio_info_to_caps(&info);
  g_object_set(data.app_source, "caps", audio_caps, "format", GST_FORMAT_TIME,
               NULL);
  g_signal_connect(data.app_source, "need-data", G_CALLBACK(start_feed), &data);
  g_signal_connect(data.app_source, "enough-data", G_CALLBACK(stop_feed),
                   &data);

  /* Configure appsink */
  g_object_set(data.app_sink, "emit-signals", TRUE, "caps", audio_caps, NULL);
  g_signal_connect(data.app_sink, "new-sample", G_CALLBACK(new_sample), &data);
  gst_caps_unref(audio_caps);

  // link elements
  gst_bin_add_many(GST_BIN(data.pipeline), data.app_source, data.tee,
                   data.audio_queue, data.audio_convert1, data.audio_resample,
                   data.audio_sink, data.app_queue, data.app_sink, NULL);
  if (gst_element_link_many(data.app_source, data.tee, NULL) != TRUE) {
    g_printerr("Elements could not be linked.\n");
    gst_object_unref(data.pipeline);
    return -1;
  }

  if (gst_element_link_many(data.audio_queue, data.audio_convert1,
                            data.audio_resample, data.audio_sink,
                            NULL) != TRUE) {
    g_printerr("Elements could not be linked.\n");
    gst_object_unref(data.pipeline);
    return -1;
  }

  if (gst_element_link_many(data.app_queue, data.app_sink, NULL) != TRUE) {
    g_printerr("Elements could not be linked.\n");
    gst_object_unref(data.pipeline);
    return -1;
  }

  GstPad *tee_audio_pad = gst_element_request_pad_simple(data.tee, "src_%u");
  g_print("Obtained request pad %s for audio branch.\n",
          gst_pad_get_name(tee_audio_pad));
  GstPad *queue_audio_pad =
      gst_element_get_static_pad(data.audio_queue, "sink");
  if (gst_pad_link(tee_audio_pad, queue_audio_pad) != GST_PAD_LINK_OK) {
    g_printerr("Tee could not be linked.\n");
    gst_object_unref(data.pipeline);
    return -1;
  }
  gst_object_unref(queue_audio_pad);

  GstPad *tee_app_pad = gst_element_request_pad_simple(data.tee, "src_%u");
  GstPad *queue_app_pad = gst_element_get_static_pad(data.app_queue, "sink");
  if (gst_pad_link(tee_app_pad, queue_app_pad) != GST_PAD_LINK_OK) {
    g_printerr("Tee could not be linked.\n");
    gst_object_unref(data.pipeline);
    return -1;
  }
  gst_object_unref(queue_app_pad);

  GstBus *bus = gst_element_get_bus(data.pipeline);
  gst_bus_add_signal_watch(bus);
  g_signal_connect(G_OBJECT(bus), "message::error", (GCallback)error_cb, &data);
  gst_object_unref(bus);

  /* Start playing the pipeline */
  gst_element_set_state(data.pipeline, GST_STATE_PLAYING);

  GST_DEBUG_BIN_TO_DOT_FILE(GST_BIN(data.pipeline), GST_DEBUG_GRAPH_SHOW_ALL,
                            "pipeline");

  /* Create a GLib Main Loop and set it to run */
  data.main_loop = g_main_loop_new(NULL, FALSE);
  g_main_loop_run(data.main_loop);

  /* Free resources */
  gst_element_set_state(data.pipeline, GST_STATE_NULL);
  gst_object_unref(data.pipeline);
  return 0;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
#if defined(__APPLE__) && TARGET_OS_MAC && !TARGET_OS_IPHONE
  return gst_macos_main((GstMainFunc)tutorial_main, argc, argv, NULL);
#else
  return tutorial_main(argc, argv);
#endif
}

对上面代码先做一些基本的解释

1. 创建出我们需要的 Element，包括 appsrc、appsink、tee、queue、autoaudiosink 等等
2. 配置 appsrc 和 appsink，这块是本章内容重点，后面细说。
3. 构建 pipeline，连接各个元素，其中 tee 元素的使用在上一章中我们已经讲过，不再赘述。
4. 启动 pipeline，监听 bus 数据等常规操作，不再赘述。
5. 创建并运行一个 GLib 的主循环，你可以认为这里启动了一个线程池，用于执行某些任务。这个也后面细说。

配置 appsrc 和 appsink

  /* Configure appsrc */
  GstAudioInfo info;
  gst_audio_info_set_format(&info, GST_AUDIO_FORMAT_S16, SAMPLE_RATE, 1, NULL);
  GstCaps *audio_caps = gst_audio_info_to_caps(&info);
  g_object_set(data.app_source, "caps", audio_caps, "format", GST_FORMAT_TIME,
               NULL);
  g_signal_connect(data.app_source, "need-data", G_CALLBACK(start_feed), &data);
  g_signal_connect(data.app_source, "enough-data", G_CALLBACK(stop_feed),
                   &data);

这段代码是在配置 GStreamer 管道中的 appsrc 元素。让我逐步解释:

1. 创建并设置音频信息:

   GstAudioInfo info;
   gst_audio_info_set_format(&info, GST_AUDIO_FORMAT_S16, SAMPLE_RATE, 1, NULL);
   

   这里设置了音频格式(16位有符号整数)、采样率(SAMPLE_RATE)和通道数(1，即单声道)。

2. 创建音频能力(caps):

   GstCaps *audio_caps = gst_audio_info_to_caps(&info);
   

   将音频信息转换为 GStreamer 能力描述。

3. 设置 appsrc 的属性:

   g_object_set(data.app_source, "caps", audio_caps, "format", GST_FORMAT_TIME, NULL);
   

   设置 appsrc 的能力(caps)和时间格式。

4. 连接信号处理函数:

   g_signal_connect(data.app_source, "need-data", G_CALLBACK(start_feed), &data);
   g_signal_connect(data.app_source, "enough-data", G_CALLBACK(stop_feed), &data);
   

   这里连接了两个信号处理函数:

   • “need-data”: 当 appsrc 需要更多数据时调用 start_feed 函数
   • “enough-data”: 当 appsrc 有足够数据时调用 stop_feed 函数

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  /* Configure appsink */
  g_object_set(data.app_sink, "emit-signals", TRUE, "caps", audio_caps, NULL);
  g_signal_connect(data.app_sink, "new-sample", G_CALLBACK(new_sample), &data);
  gst_caps_unref(audio_caps);

这段代码配置了 GStreamer 管道中的 appsink 元素。让我详细解释一下：

1. 设置 appsink 的属性：

   g_object_set(data.app_sink, "emit-signals", TRUE, "caps", audio_caps, NULL);
   

   这行代码设置了 appsink 的两个属性：

   • “emit-signals” 设置为 TRUE：这使得 appsink 会发出信号（如 “new-sample”）当新的样本到达时。
   • “caps” 设置为 audio_caps：这指定了 appsink 接受的数据格式，确保只有符合这个格式的数据才会被接受。

2. 连接信号处理函数：

   g_signal_connect(data.app_sink, "new-sample", G_CALLBACK(new_sample), &data);
   

   这行代码将 “new-sample” 信号与 new_sample 函数关联。每当 appsink 接收到新的音频样本时，new_sample 函数就会被调用。

3. 释放 caps：

   gst_caps_unref(audio_caps);
   

   这行代码释放了之前创建的 audio_caps 对象，因为它已经不再需要了。这是良好的内存管理实践。

appsrc 回调函数

static void start_feed(GstElement *source, guint size, CustomData *data) {
  if (data->sourceid == 0) {
    g_print("Start feeding\n");
    data->sourceid = g_idle_add((GSourceFunc)push_data, data);
  }
}
static void stop_feed(GstElement *source, CustomData *data) {
  if (data->sourceid != 0) {
    g_print("Stop feeding\n");
    g_source_remove(data->sourceid);
    data->sourceid = 0;
  }
}

appsrc 连接了两个信号回调函数：

1. “need-data” ，当 appsrc 需要更多数据时调用 start_feed 函数，start_feed 使用 g_idle_add 确保 push_data 在主循环的空闲时间被调用。
2. “enough-data”，当 appsrc 有足够数据时调用 stop_feed 函数，stop_feed 使g_source_remove(data->sourceid) 移除之前添加的空闲函数，以停止调用 push_data

而 push_data 函数中，做了几件重要的事情：

1. 生成音频的 Buffer
2. 使用 g_signal_emit_by_name 将 buffer push 到 appsrc 元素中
3. push_data 函数的返回值决定了空闲函数是否继续执行：

• 返回 TRUE:

  • 表示函数应继续被调用。
  • push_data 将继续运行，继续合成和推送新的音频数据到 appsrc。

• 返回 FALSE:

  • 表示函数应该停止。
  • 空闲函数将被移除，不会再被调用。
  • 通常用于处理错误情况（例如 ret != GST_FLOW_OK），以停止数据推送进程。

总结下我们是如何通过 appsrc 向 pipeline 动态发送数据：

1. 在 appsrc 中注册 “need-data” 和 “enough-data” 信号的回调函数
2. 当 appsrc 发出 “need-data” 时，回调函数向主循环中添加一个 push_data 的任务
3. push_data 中负责生成数据，并通过 g_signal_emit_by_name 将数据发送给 appsrc
4. 当 appsrc 缓存区满了后，发送 “enough-data” 信号，回调函数将 push_data 任务从主循环中移除。
5. “need-data” 和 “enough-data” 在运行过程中会交替的重复出现。

appsink 回调函数

static GstFlowReturn new_sample(GstElement *sink, CustomData *data) {
  GstSample *sample;

  /* Retrieve the buffer */
  g_signal_emit_by_name(sink, "pull-sample", &sample);
  if (sample) {
    /* The only thing we do in this example is print a * to indicate a received
     * buffer */
    g_print("got buffer\n");
    gst_sample_unref(sample);
    return GST_FLOW_OK;
  }

  return GST_FLOW_ERROR;
}

appsink 中注册了 “new-sample” 的回调函数，当接收到数据时发送该信号，在其回调函数中，使用
g_signal_emit_by_name(sink, "pull-sample", &sample) 从 appsink 中拉取接收到的数据。

总结

本文介绍了 appsrc 和 appsink 的使用，通过使用 Element Signals 和 Element Actions 机制，我们可以动态地与元素进行交互。

参考

• Basic tutorial 8: Short-cutting the pipeline
  
• basic-tutorial-8.c