網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控是一種基于寬帶網(wǎng)絡(luò)為用戶提供圖像和各種報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲(chǔ)存、處理等功能的全新電信業(yè)務(wù)。這是一個(gè)由前端、中間端、后端三部分組成的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其中解碼模塊將收到的完整數(shù)據(jù)幀放入解碼器中進(jìn)行解碼，生成實(shí)時(shí)視頻影像。
    H.264是繼MPEG4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮格式，它既保留了以往壓縮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和精華，又具有其他壓縮技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。H.264最具價(jià)值的部分是更高的數(shù)據(jù)壓縮比。在同等的圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比能比當(dāng)前DVD系統(tǒng)中使用的MPEG-2高2~3倍，比MPEG-4高1.5~2倍。正因?yàn)槿绱?，?jīng)過H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經(jīng)濟(jì)。所以本系統(tǒng)選擇采用H.264格式視頻。
    DirectX軟件開發(fā)包是微軟公司提供的一套在Windows操作平臺(tái)上開發(fā)高性能圖形、聲音、輸入、輸出和網(wǎng)絡(luò)游戲的編程接口?？梢杂脕黹_發(fā)游戲以及作為其他各類多媒體應(yīng)用程序的底層API函數(shù)集。它是一種基于COM的系統(tǒng)，既不屬于驅(qū)動(dòng)程序?qū)?，也不屬于?yīng)用程序?qū)印Ｗ鳛镈irectX的一個(gè)COM組成元素，Directshow應(yīng)用程序編程接口是一個(gè)Windows平臺(tái)上的流媒體架構(gòu)，提供各種格式的高品質(zhì)多媒體流的捕獲、處理、傳送和回放。Directshow集成了DirectX其他組件中的先進(jìn)技術(shù)，能做到自動(dòng)檢測(cè)、使用視頻和音頻硬件加速設(shè)備。它不僅支持基于WDM驅(qū)動(dòng)程序的硬件設(shè)備，也向上兼容Video for Windows驅(qū)動(dòng)程序的硬件設(shè)備。Directshow采用多線程多任務(wù)的方式，還支持寬松的格式變化。Directshow為播放視頻監(jiān)控中涉及到的各種類型的音頻、視頻數(shù)據(jù)提供了非常有效的途徑。因此本系統(tǒng)采用Directshow來實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中H.264視頻的解碼。
1 Directshow體系結(jié)構(gòu)
　Directshow基于模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)功能模塊都采取COM組件方式，稱為Filter。Filter負(fù)責(zé)執(zhí)行一些多媒體流的處理過程，采用Filter Graph模型來管理整個(gè)數(shù)據(jù)流的處理過程。Directshow的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。它通過提供各種功能的Filter完成總體應(yīng)用框架的工作，從而使多媒體應(yīng)用程序設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。每個(gè)Filter都分別具有一個(gè)不同的應(yīng)用功能，F(xiàn)ilter之間通過Pin相互連接。每個(gè)過濾器都擁有屬于自己的針腳。針腳分為輸入針腳和輸出針腳，輸入針腳把過濾器外部的數(shù)據(jù)接收到過濾器中進(jìn)行處理，輸出針腳把過濾器中處理后的數(shù)據(jù)傳送到下一個(gè)過濾器。經(jīng)過輸入輸出針腳的傳遞，數(shù)據(jù)從一個(gè)過濾器傳送到了下一個(gè)過濾器中。當(dāng)兩個(gè)pin連接的時(shí)候，必須有一個(gè)pin提供一個(gè)allocator。Directshow定義了一系列函數(shù)調(diào)用來確定由哪個(gè)pin提供allocator，以及buffer的數(shù)量和大小。在數(shù)據(jù)流開始之前，allocator會(huì)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存池pool of buffer，在開始發(fā)送數(shù)據(jù)流以后，源Filter就會(huì)將數(shù)據(jù)填充到內(nèi)存池中一個(gè)空閑的buffer中，然后傳遞給下一個(gè)的Filter。

1.1 Filter的原理
　Directshow技術(shù)的最核心就是作為過濾器的可插入標(biāo)準(zhǔn)組件，它是具有特殊功能的COM對(duì)象。過濾器又可分為：源過濾器（Source Filter）、變換過濾器（Trans-form Filter）、提交過濾器（Renderer Filter）等。源過濾器引入數(shù)據(jù)到過濾器圖表中，數(shù)據(jù)來源可以是文件、網(wǎng)絡(luò)、照相機(jī)等。不同的源過濾器處理不同類型的數(shù)據(jù)源，然后將數(shù)據(jù)往下傳輸；變換過濾器的工作是獲取輸入流，處理數(shù)據(jù)，并生成輸出流，其對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括編解碼、格式轉(zhuǎn)換、壓縮解壓縮等；提交過濾器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的最終去向,接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)提交給外設(shè)。Directshow使Filter Graph Manager中的Filter按一定的順序連接成一條“流水線”協(xié)同工作，F(xiàn)ilter Graph的結(jié)構(gòu)如圖2所示。過濾器通過文件讀寫、修改數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)輸出設(shè)備來操作流媒體。為了完成整個(gè)任務(wù)，必須將所有的過濾器Filter連接起來。應(yīng)用程序只需要通過COM接口訪問過濾器圖表、控制流媒體或者接收過濾器事件來完成視頻的播放。

1.2 COM組件
　Directshow是基于COM系統(tǒng)的開發(fā)包。而COM組件對(duì)象模型是一種軟件架構(gòu)，它定義了不同的對(duì)象使用一致同意的協(xié)議進(jìn)行通信的一套機(jī)制。所有的COM對(duì)象都支持相同的接口規(guī)范，這使得COM對(duì)象可以不依賴于具體的語言和系統(tǒng)平臺(tái)。每個(gè)COM都至少有一個(gè)接口，這里所說的接口是指一套函數(shù)和它們參數(shù)的定義。每個(gè)COM有它自己的GUID-CLSID，每個(gè)接口也有它自己的GUID-IID。GUID是一串128 bit數(shù)字，由專門的程序產(chǎn)生，可以保證每個(gè)GUID的全球唯一性。當(dāng)知道了一個(gè)COM的CLSID和它的接口IID，就可以用CoCreateInstance函數(shù)來實(shí)例化該COM對(duì)象的其他接口，可用該接口的IID作參數(shù)，調(diào)用QueryInterface查詢接口函數(shù)來完成[1]。得到COM的接口后，就可以用它訪問該接口的一些函數(shù)。
2 Directshow的應(yīng)用
　本系統(tǒng)采用VC++6.0開發(fā)多媒體應(yīng)用程序,開發(fā)應(yīng)用程序之前先要配置開發(fā)和編譯環(huán)境，在寫應(yīng)用程序時(shí)要包含頭文件Dshow.h并連接到庫(kù)文件strmbased.lib；在VC++的Library和Include中要加入DirectX SDK中的Lib和Include文件，并且放在標(biāo)準(zhǔn)的VC目錄之前[2]。利用Directshow開發(fā)應(yīng)用程序的步驟 :(1) 創(chuàng)建Source Filter、
Trans-form Filter、Renderer Filter； (2) 創(chuàng)建FilterGraph管理各個(gè)Filter,并且負(fù)責(zé)和應(yīng)用程序交互實(shí)現(xiàn)播放控制等。
　由于Directshow使用COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)，首先要調(diào)用CoInitialize函數(shù)進(jìn)行初始化。接著創(chuàng)建用于組建過濾器的過濾器組件管理器和Capture -GraphBuilder組件，定義接口指針并獲取接口[3]。
2.1 COM對(duì)象的創(chuàng)建
　COM對(duì)象的創(chuàng)建要經(jīng)過以下步驟：
　(1) CoCreateInstance調(diào)用CoGetClassObject函數(shù)；
　(2) COM庫(kù)找到DLL程序并進(jìn)入進(jìn)程；
　(3) 調(diào)用DLLGetClassObject函數(shù)；
　(4) DLLGetClassObject函數(shù)創(chuàng)建類工廠；
　(5) DLLGetClassObject把類工廠接口指針返回給CoGetClassOjbect函數(shù)；
　(6) CoGetClassObject把類工廠接口指針返回給CoGetClassObject函數(shù)；
　(7) CoCreateInstance得到類工廠后，調(diào)用類工廠的對(duì)象創(chuàng)建函數(shù)；
　(8) 類工廠創(chuàng)建COM對(duì)象；
　(9)類工廠把COM對(duì)象返回給CoCreateInstance函數(shù)，CoCreateInstance函數(shù)返回；
　(10) 客戶直接調(diào)用COM對(duì)象。
2.2 開發(fā)DirectShow一般過程
　(1) 創(chuàng)建一個(gè)Filter Graph Manager
　IGraphBuilder *pGraph=NULL
　HRESULThr=CoCreateInstance(CLSJD_FilterGraph, NULL,CLSCTX_INPROC_SERVER,IDD_IGraphBuilder,(void**)& pGraph)
    (2) 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)建一條完整的Filter鏈路。
　(3) 調(diào)用Filter Graph Manager上各個(gè)接口的方法進(jìn)行控制，并且完成Filter Graph Manager 與應(yīng)用程序的事件交互。調(diào)用ImediaControl接口的方法控制Filter Graph的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：
　IMediacontol *pControl=NULL
　hr=pGraph->QueryInterface(IID_IMediaControl,(void**)&pControl)
　hr=pControl->Run()
2.3媒體類型的檢測(cè)
　當(dāng)兩個(gè)Filter連接的時(shí)候，它們會(huì)采用某一種媒體類型達(dá)成一致的協(xié)議。媒體類型定義了處于源頭的Filter將要給下一個(gè)與其相連接的Filter發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)的physical layout。兩個(gè)Filter必須支持同一種類型的媒體格式[4]。
3 解碼器設(shè)計(jì)
    在Directshow環(huán)境中播放一個(gè)H.264格式的文件，需要一個(gè)能夠?qū).264格式的壓縮視頻進(jìn)行解碼的解碼器。由于Directshow沒有提供H.264的解碼Filter，所以H.264視頻解碼器需要自行開發(fā)。
3.1 Filter的設(shè)計(jì)
　為了實(shí)現(xiàn)H.264視頻解碼器,可設(shè)計(jì)一個(gè)名為H264 Decoder的Transform Filter，包含一個(gè)出pin、一個(gè)輸入pin，用于接收H.264的視頻流輸入，解碼后輸出YUV格式的圖像幀序列。
　Filter的注冊(cè)名：“H.264 Decoder”
　Filter類型：Transform Filter
　CLSID：CLSID_FilterH.264
　Merit值：MERIT_DO_NOT_USE
　此Filter的功能是接收視頻流的輸入，解碼后輸出YUV格式的圖像幀序列。而輸入輸出視頻流是通過不同功能的Filter連接完成的。Filter的連接實(shí)際上是Filter上pin的連接，連接的方向一般是從上一級(jí)Filter的輸出pin指向下一級(jí)Filter的輸入pin。只有兩個(gè)Filter都在Graph里，連接才能成功。應(yīng)用程序可以通過IFilterGraph：：AddFilter將Filter添加Graph中，當(dāng)一個(gè)Filter被添加到graph中時(shí)，F(xiàn)ilter圖標(biāo)管理器通過IbaseFilter：：JoinFilterGraph來通知Filter。pin連接的過程為：
   (1) Filter Graph Manager表管理器首先調(diào)用輸出pin上的IPin：：Connect；
　(2)如果輸出pin接受連接，就調(diào)用輸入pin上的IPin：：ReceiveConnection；
　(3) 如果輸入pin也接受連接，則雙方連接成功。
　從Directshow的基類繼承得到Filter以實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的線程,專門用于H.264的解碼輸出。在輸入pin上實(shí)現(xiàn)媒體類型檢查（CheckMediaType）。
　HRESULT CheckMediaType（const CMediaType *mtOut）
   {if(mDecodeFilter->mMpegInputPin->IsConnerted()）
   {if((mtOut->subtype==MEDIASUBTYPE_YUV||mtOut->subtype==MEDIASUBTYPE_RGB24)&&mtOut->formattype==FORMAT_VideoInfo)
    {VIEDEOINFOHEADED*pFormat=(VIDEOINFOHEADER*)mtOut->pbFormat;
    if(pFormat->bmilteader.biHeight==mDecodeFilter->mImageHeight&&pFormat->bmiHeader.biWidth==mDecodeFilter->mImageWidth)
            { return S_OK}
           }
      }
Return E_FAIL
}
3.2基類的選擇
    可以選擇的基類有：CTransformFitler、CTransInPlaceFilter、CVideoTransformFilter、CBaseFilter。當(dāng)Filter的輸入pin接收數(shù)據(jù)后,經(jīng)過一定的處理由輸出pin再輸出數(shù)據(jù)，一般選擇CTransformFilter或者CTransInPlaceFilter。由于在Filter上的兩個(gè)pin要求的媒體類型互不相同，而CTransInPlaceFilter的輸入和輸出pin上一般使用相同的媒體類型進(jìn)行連接，并且使用相同的Sample管理器，所以這個(gè)Filter不適合用CTransInPlaceFilter。而CBaseFitler是個(gè)一最基本的類，需要做比其他的基類更多的工作。此視頻解碼Filter最后選擇了CTransformFilter類。
　　CTransformFilter類是從CBaseFilter繼承而來,其最大特征是將pin上必須實(shí)現(xiàn)的函數(shù)委托到了Filter上。一般不需要重新寫輸入和輸出pin類,只需要在Filter上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的函數(shù)即可。CTransformFilter類使用時(shí)需要重載函數(shù)：
　    CTransformFilter：：CheckInputType
　    CTransformFilter：：CheckTransform
　    CTransformFilter：：DecideBufferSize
　    CTransformFilter：：GetMediaType
　    CTransformFilter：：Transform
　    由于微軟公司推出的Directshow沒有提供H.264的視頻解碼器。因此本文還需要使用ffmpeg中提取出的、經(jīng)過優(yōu)化的H.264視頻解碼組件。
    本系統(tǒng)采用Directshow設(shè)計(jì)了H.264視頻的解碼器，并且利用ffmpeg提取出了H.264解碼代碼，實(shí)現(xiàn)了H.264視頻的解碼播放，如圖3所示。

參考文獻(xiàn)
[1] 潘愛民.COM原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.
[2] 陸其明.Directshow開發(fā)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[3] 陸其明. Directshow實(shí)務(wù)精選[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.
[4] 侯春明.MPEG-2視頻解碼器在Directshow中的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化,2007(4):86-88.