周伟锋，熊金凯，李 榕，杜歆文

(苏州广播电视总台技术中心，江苏 苏州 215006)

0 引言

视音频采集的方式有很多，从传统的磁带采集，到现在的蓝光录制、P2卡采集，还有硬盘录像机的应用。基于硬盘的采集由于其低廉的成本、方便的文件传输方式有着不可替代的作用。但是，采集文件庞大的体积、文件格式的兼容性、较长的转码时间使人们对其望而却步，制约了其发展。苏州广播电视总台通过Decklink系列视频采集卡以及MainConcept编解码包的研究，基于DirectShow架构，开发了视音频硬盘采集并实时压缩系统，克服了硬盘录制的种种缺点。

1 硬件结构

对于采集PC的配置无过高要求，可以使用SATA硬盘或者更高速度的SAS盘，SATA硬盘的传输速度能够达到60 Mbyte/s，相对于50 Mbit/s的视频读写速度，带宽完全够用，因此在此方面不需特别考虑。PC至少有一个PCIe扩展槽，用来插Decklink采集卡作为信号输入和采集使用。Decklink采集卡为全数字接口，因此只能输入数字SDI信号。

2 软件结构

MainConcept公司是全球著名的视音频编码器解决方案，其视音频编解码器具有良好的兼容性和强劲的性能，更关键的是其支持视音频的实时编解码，本文主要采用了MainConcept编解码器MPEG Video Encoder，Layer II Audio Encoder，MainConcept Multiplexer，DV Pro Video Encoder等。

软件采用DirectShow架构，如图1所示，该架构分为虚线下方Ring 0特权级别的硬件设备，以及虚线上Ring 3特权级别的应用层，应用层中的矩形框内代表DirectShow系统。该系统中，Filter作为一个个功能模块参与数据处理，同时Filter Graph管理整个数据流的处理过程，各个Filter在Filter Graph中按一定的顺序连接成一条流水线协同工作。按照功能来分，Filter大致分为3类:Source Filters，Transform Filters，Rendering Filters。Source Filters主要负责获取数据，数据源可以是文件，也可以是采集卡、数字摄影机等，然后将数据传输给Transform Filters;Transform Filters主要负责数据的格式转换，例如数据分离/合成、解码/编码等;Rendering Filters主要负责数据的最终去向，将数据送给显卡、声卡进行多媒体的演示，或者输出到文件进行存储。

图1 DirectShow基本架构

如图2和图3所示，视音频采集、压缩、存储的整个流程可以看做一个Filter Graph。Decklink视频卡安装完成后，会在系统中注册一个视频输入设备Decklink Video Capture和一个音频输入设备Decklink Audio Capture，两者为该Filter Graph的Source Filters，负责获得数据，然后向下传输，在Decklink Video Captur的Capture Pin后接一个Smart Tee，对采集进来的视频数据进行分流，一部分经过AVI Decompressor到达Video Render，对视频进行预览，另一部分输送到下一步进行编码。该系统分别实现了MPEG－2的编码和DVCPro的编码(分别对应图2和图3)。相应的，对于MPEG－2编码格式，音频部分同时要经过Layer II Audio Encoder，而对于DVCPro编码，音频部分不需要经过编码，直接输入Multiplexer对视音频进行同步混合，最后在File Write将文件写入硬盘，在文件保存Filter方面，DVCPro格式用的是系统自带的File Write，而MPEG－2格式用的是MainConcept MPEG Sink，理论上对于MPEG－2文件，其实两个都能用，但对于DV格式，只能用File Write。

图2 采集、压缩、存储流程(以DV25/50方式压缩)

图3 采集、压缩、存储流程(以MPEG－2方式压缩)

3 技术实现要点及难点

3.1 预览窗口

预览视频流到达Video Renderer后需要将它在一个窗口显示出来。DirectShow提供了Video Renderer过滤器来显示视频，该过滤器可用于所有的支持DirectX的平台，它对平台没有其他特殊的要求。也可以是GDI来显示视频。它是在Windows XP之前操作系统的默认视频显示过滤器;Video Mixing Renderer Filter 7(VMR－7)可用于Windows XP操作系统，并且是该系统下的默认视频显示过滤器，与老的视频显示过滤器相比，它具有一些更强大的性能，包括采用插件模式来控制DirectShow显示;Video Mixing Renderer Filter 9(VMR－9)是一个更新的视频混合显示过滤器，它采用了Direct3D来显示，可用于所有的支持DirectX的平台，它不是默认的显示过滤器，因为与其他的显示过滤器相比，对系统要求更高。一般来说，在视频显示应用上，VMR－9是首选，因为它使用了最新的图像API，并且提供了最好的性能。DirectShow视频显示可以选择在窗体模式或者非窗体模式下进行。在窗体模式下，视频将创建一个自己的窗体来显示。在非窗体模式下，视频可以在程序的一个窗口上显示，而不让视频自己创建窗体来显示。Video Renderer过滤器只支持窗体模式，VMR－7和VMR－9支持这两种模式，默认状态是窗体模式。在开始播放前，在过滤器图表管理器中去查找IVideoWindow接口:

IVideoWindow*pVidWin=NULL;

pGraph－＞QueryInterface(IID_IVideoWindow，(void＊＊)＆g_pVid-Win);//调用IVideoWindow::put_Owner方法去处理你应用程序的窗体。该方法提供了一个OAHWND类型的变量，所以要把句柄转换为该类型

pVidWin－ ＞put_Owner((OAHWND)hwnd);//调用 IVideoWindow::Put_WindowStyle来改变视频窗体的类型

pVidWin－＞put_WindowStyle(WS_CHILD|WS_CLIPSIBLINGS);//WS_CHILD标志设置视频窗体为一个子窗体，WS_CLIPSIBLINGS标志可以防止视频窗体在另一个子窗体的客户区内显示视频

RECT grc;

GetClientRect(hwnd，＆grc);

pVidWin－ ＞ SetWindowPosition(0，0，grc.right，grc.bottom);//调用IVideoWindow::SetWindowPosition方法可以视频窗口的相对于你应用程序的客户区的位置。该方法的参数带了一个RECT参数，用它去指定视频窗口的位置

videoWindow－＞put_Visible(OATRUE);

3.2 Filter属性设置

在大多数商业软件中，并不会将Filter的属性页直接显示给用户。因为属性页的界面过于简单(有时候还可能是很随意的)，它们主要是用作Filter接口调试。在此程序中，由于涉及参数较多，并且面向使用者较为专业，因此大多说Filter的属性页直接暴露给用户，以进行详细、全方面的设置及调试。

本文使用OleCreatePropertyFrame函数，在程序中直接显示Filter属性页。在某些地方，也可编写属性窗口对Filter进行设置，如对DV Pro Video Encoder的设置中，由于Filter提供的属性页过于简陋，该处选择通过API自行设计编写设置对话框，更适合实际使用需求。

3.3 参数保存

当关闭窗口时，当前设置参数会自动保存到当前目录下的config.ini文件中，下次打开程序时自动调用，恢复关闭前状态，减少了选择输入设备、文件格式等操作，又不失灵活性。

3.4 视音频分离

在某些时候并不需要将视音频复合同步成一个文件，而是需要分别保存视音频文件，该程序提供视音频分离选择，在Filter Graph中，将最后的Multiplexer去掉，对视频流和音频流分别调用File Write以保存为两个文件。

另外需要注意的是，对于MPEG－2的压缩和DVCPro的压缩，Multiplexer的选择是不一样的，MPEG－2的视音频流要通过MainConcept Multiplexer进行复合，而DVCPro的视音频流使用系统自带的AVI Mux即可。

3.5 其他

在MPEG－2系统中，根据传输媒体的质量不同，MPEG－2中定义了两种复合信息流:传送流(Transport Stream，TS)和节目流(Program Stream，PS)。PS包与 TS包结构上的差异导致了它们对传输误码具有不同的抵抗能力，因而应用的环境也有所不同。TS码流具有较强的抵抗传输误码的能力，因此目前在传输媒体中进行传输的MPEG－2码流基本上都采用了TS码流。但是对节目制作环境，通常采用PS流。在本文中要注意的是，Multiplexer和File Write的流类型要一致。

如果用Decklink视频卡采集DV格式素材，还须用到Decklink PAL Field Swap这个Filter，对视频场序进行调整，否则采集的视频场序是错的。但是对于AJA和Bluefish444的视频卡，不需要对场序进行调整。

4 性能分析

测试用机采用Windows XP Professional操作系统，AMD Athlon 3800+的CPU，内存为2 Gbyte，可以说是完全低于主流配置。但是测试下来，不管是MPEG－2还是DVCPro的压缩格式，CPU使用率基本保持在40%左右，后者甚至略低一些(见图4和图5)。操作完全没有迟滞感。所以为达到便携性，一般笔记本式计算机完全可以达到要求，只是对于笔记本Decklink卡的安装稍显麻烦，因此建议对台式机进行改装，以满足便携性的要求。

图4 以MPEG－2方式压缩性能分析(截图)

图5 以DV25方式压缩性能分析(截图)

5 小结

本文采用DirectShow平台，利用C++进行程序开发设计，完成了一套视音频硬盘采集压缩系统。对该系统的硬件平台、软件环境进行了具体的描述，同时针对开发过程中遇到的重点和难点进行了分析和总结。最后，对该系统的性能进行了评测分析。该系统的架构简单，所需硬件、软件成本低，硬件只需一台普通PC和采集卡，软件方面需购买部分编解码包即可。可灵活应用于转播车、演播室等多种场合，可以取代Premiere等非编软件，避免只用采集功能而安装整个非编软件这种“杀鸡用牛刀”的情况，同时对视音频文件进行了实时压缩，节约存储空间和后期处理的时间。