Gstreamer系列（2）：gstreamer的视频编解码及不同平台编解码插件

GStreamer 是一个强大的多媒体框架，可以用于视频编码、解码和处理。视频编码的基础知识涉及到如何将原始视频数据转换为压缩格式以便于存储和传输。在 GStreamer 中，视频编码可以通过软编码（软件编码）和硬编码（硬件编码）两种方式实现。以下是 GStreamer 视频编码的基本概念，涵盖了这两种编码方式。

1. 视频编码的基本概念

视频编码是将原始视频数据转换为压缩格式的过程。这一过程的主要目的是减少文件大小，以便更有效地存储和传输。编码过程中通常使用的算法包括：

• 帧间编码（Inter-frame Coding）：只存储与前一帧的差异，例如使用 MPEG 和 H.264 等编码标准。
• 帧内编码（Intra-frame Coding）：每帧独立编码，例如使用 JPEG 编码的每一帧。

2. GStreamer 的编码管道

在 GStreamer 中，视频编码通常通过创建一个包含不同元素的管道（pipeline）来实现。这些元素可以是视频源、编码器和输出设备。基本的编码管道可以如下构建：

gst-launch-1.0 -e videotestsrc ! videoconvert ! nvh264enc ! mp4mux ! filesink location=output_hardware.mp4

在这个例子中：

• videotestsrc 生成一个测试视频源。
• videoconvert 用于转换视频格式。
• x264enc 是 H.264 的软编码器。
• mp4mux 将编码后的视频流和音频流打包成 MP4 格式。
• filesink 指定输出文件的保存位置。

3. 软编码（Software Encoding）

• 定义：软编码是通过软件在 CPU 上执行的编码过程，常用于需要高质量和灵活性的应用场景。

• 优点：

  • 提供更高的灵活性和定制性。
  • 可以通过调整编码参数来实现更高的图像质量。

• 缺点：

  • 对 CPU 资源的需求较高，处理速度相对较慢。
  • 在高分辨率或高比特率情况下可能导致延迟。

• 使用示例：使用 GStreamer 进行软编码时，可以使用不同的编码器，如 x264enc（H.264）或 x265enc（H.265）。

4. 硬编码（Hardware Encoding）

• 定义：硬编码是使用专用硬件（如 GPU、ASIC 或 DSP）进行编码的过程。硬件编码器专门设计用于高效处理编码任务。

• 优点：

  • 编码速度快，效率高，适合实时应用。
  • 较低的延迟，适合视频会议、直播等场景。

• 缺点：

  • 灵活性相对较低，通常支持的格式和功能有限。
  • 在某些情况下，可能牺牲编码质量以获得速度。

• 使用示例：在 GStreamer 中，可以使用硬件编码器，如 nvh264enc（NVIDIA 硬件 H.264 编码器）或 vaapih264enc（VA-API H.264 编码器）。

5. 示例代码

以下是一个 GStreamer 管道示例，展示如何使用硬编码进行视频编码：

gst-launch-1.0 -e videotestsrc ! videoconvert ! nvh264enc ! mp4mux ! filesink location=output_hardware.mp4

在这个示例中，使用 nvh264enc 作为 H.264 硬编码器，生成 MP4 文件。

6. 选择编码方式

选择软编码还是硬编码主要取决于以下几个因素：

• 应用需求：如果对质量和灵活性要求较高，软编码更为适合；如果需要低延迟和高效处理，硬编码是更好的选择。
• 资源可用性：在资源受限的环境中，硬编码可能更有效；而在高性能计算机上，软编码可能会发挥其优势。
• 编码格式：确保所需的编码器在所使用的硬件和软件环境中均可用。

7. 不同硬件平台编解码插件

在不同平台上gstreamer所支持的硬件编解码插件不一样，如下表所示(以H264编码举例)

         对于实时推拉流场景中，编码使用硬件编码明显要比软编码效率要高，延迟要低，而对于解码，由于硬解码要从gpu下载数据到cpu上需要时间，所以硬软解码延迟上差别不大，而在资源占用上硬解码明显更低。