浅析DirectShow音视频同步解决方案

作者： 陆其明   

    多媒体处理，不可避免地要解决音视频的同步问题。DirectShow是怎么来实现的呢？我们一起来学习一下。

    大家知道，DirectShow结构最核心的部分是Filter Graph Manager：向下控制Graph中的所有Filter，向上对应用程序提供编程接口。其中，Filter Graph Manager实现的很重要一个功能，就是同步音视频的处理。简单地说，就是选一个公共的参考时钟，并且要求给每个Sample都打上时间戳，Video Renderer或Audio Renderer根据Sample的时间戳来控制播放。如果到达Renderer的Sample晚了，则加快Sample的播放；如果早了，则Renderer等待，一直到Sample时间戳的开始时间再开始播放。这个控制过程还引入一个叫Quality Control的反馈机制。     下面，我们来看一下参考时钟（Reference Clock）。所有Filter都参照于同一个时钟，才能统一步调。DirectShow引入了两种时钟时间：Reference time和Stream time。前者是从参考时钟返回的绝对时间（IReferenceClock::GetTime），数值本身的意义取决于参考时钟的内部实现，利用价值不大；后者是两次从参考时钟读取的数值的差值，实际应用于Filter Graph内部的同步。Stream time在Filter Graph不同状态的取值为：
1.    Filter Graph运行时，取值为当前参考时钟时间减去Filter Graph启动时的时间（启动时间是通过调用Filter上的IMediaFilter::Run来设置的）；
2.    Filter Graph暂停时，保持为暂停那一刻的Stream time;
3.    执行完一次Seek操作后，复位至零；
4.    Filter Graph停止时，取值不确定。
    那么，参考时钟究竟是什么东西呢？其实，它只是一个实现了IReferenceClock接口的对象。也就是说，任何一个实现了IReferenceClock接口的对象都可以成为参考时钟。在Filter Graph中，这个对象一般就是一个Filter。（在GraphEdit中，实现了参考时钟的Filter上会显示一个时钟的图标；如果同一个Graph中有多个Fiter实现了参考时钟，当前被Filter Graph Manager使用的那个会高亮度显示。）而且大多数情况下，参考时钟是由Audio Renderer这个Filter提供的，因为声卡上本身带有了硬件定时器资源。接下来的问题是，如果Filter Graph中有多个对象实现了IReferenceClock接口，Filter Graph Manager是如何做出选择的呢？默认的算法如下：
1.    如果应用程序设置了一个参考时钟，则直接使用这个参考时钟。（应用程序通过IMediaFilter:: SetSyncSource设置参考时钟，参数即为参考时钟；如果参数值为NULL，表示Filter Graph不使用参考时钟，以最快的速度处理Sample；可以调用IFilterGraph:: SetDefaultSyncSource来恢复Filter Graph Manager默认的参考时钟。值得注意的是，这时候的IMediaFilter接口应该从Filter Graph Manager上获得，而不是枚举Graph中所有的Filter并分别调用Filter上的这个接口方法。）
2.    如果Graph中有支持IReferenceClock接口的Live Source，则选择这个Live Source。
3.    如果Graph中没有Live Source，则从Renderer依次往上选择一个实现IReferenceClock接口的Filter。如果连接着的Filter都不能提供参考时钟，则再从没有连接的Filter中选择。这一步算法中还有一个优先情况，就是如果Filter Graph中含有一个Audio Render的链路，则直接选择Audio Renderer这个Filter（原因上面已经提及）。
4.    如果以上方法都找不到一个适合的Filter，则选取系统参考时钟。（System Reference Clock，通过CoCreateInstance创建，CLSID为CLSID_SystemClock。）

我们再来看一下Sample的时间戳（Time Stamp）。需要注意的是，每个Sample上可以设置两种时间戳：IMediaSample::SetTime和IMediaSample::SetMediaTime。我们通常讲到时间戳，一般是指前者，它又叫Presentation time，Renderer正是根据这个时间戳来控制播放；而后者对于Filter来说不是必须的，Media time有没有用取决于你的实现，比如你给每个发出去的Sample依次打上递增的序号，在后面的Filter接收时就可以判断传输的过程中是否有Sample丢失。我们再看一下IMediaSample::SetTime的参数，两个参数类型都是REFERENCE_TIME，千万不要误解这里的时间是Reference time，其实它们用的是Stream time。还有一点，就是并不是所有的Sample都要求打上时间戳。对于一些压缩数据，时间戳是很难打的，而且意义也不是很大（不过压缩数据经过Decoder出来之后到达Renderer之前，一般都会打好时间戳了）。时间戳包括两个时间，开始时间和结束时间。当Renderer接收到一个Sample时，一般会将Sample的开始时间和当前的Stream time作比较，如果Sample来晚了或者没有时间戳，则马上播放这个Sample；如果Sample来得早了，则通过调用参考时钟的IReferenceClock::AdviseTime等待Sample的开始时间到达后再将这个Sample播放。Sample上的时间戳一般由Source Filter或Parser Filter来设置，设置的方法有如下几种情况：
1.    文件回放（File playback）：第一个Sample的时间戳从0开始打起，后面Sample的时间戳根据Sample有效数据的长度和回放速率来定。
2.    音视频捕捉（Video and audio capture）：原则上，采集到的每一个Sample的开始时间都打上采集时刻的Stream time。对于视频帧，Preview pin出来的Sample是个例外，因为如果按上述方法打时间戳的话，每个Sample通过Filter链路传输，最后到达Video Renderer的时候都将是迟到的；Video Renderer通过Quality Control反馈给Source Filter，会导致Source Filter丢帧。所以，Preview pin出来的Sample都不打时间戳。对于音频采集，需要注意的是，Audio Capture Filter与声卡驱动程序两者各自使用了不同的缓存，采集的数据是定时从驱动程序缓存拷贝到Filter的缓存的，这里面有一定时间的消耗。
3.    合成（Mux Filters）：取决于Mux后输出的数据类型，可以打时间戳，也可以不打时间戳。
大家可以看到，Sample的时间戳对于保证音视频同步是很重要的。Video Renderer和Audio Renderer作为音视频同步的最终执行者，需要做很多工作。我们或许要开发其它各种类型的Filter，但一般这两个Filter是不用再开发的。一是因为Renderer Filter本身的复杂性，二是因为微软会对这两个Filter不断升级，集成DirectX中其它模块的最新技术（如DirectSound、DirectDraw、Direct3D等）。

最后，我们再来仔细看一下Live Source的情况。Live Source又叫Push source，包括Video /Audio Capture Filter、网络广播接收器等。Filter Graph Manager是如何知道一个Filter是Live Source的呢？通过如下任何一个条件判断：
1.    调用Filter上的IAMFilterMiscFlags::GetMiscFlags返回有AM_FILTER_MISC_FLAGS_IS_SOURCE标记，并且至少有一个Output pin实现了IAMPushSource接口。
2.    Filter实现了IKsPropertySet接口，并且有一个Capture output pin（Pin的类型为PIN_CATEGORY_CAPTURE）。
Live Source对于音视频同步的影响主要是以下两个方面：Latency和Rate Matching。Latency是指Filter处理一个Sample花费的时间，对于Live Source来说，主要取决于使用缓存的大小，比如采集30fps的视频一般采集完一帧后才将数据以一个Sample发送出去，则这个Filter的Latency为33ms，而Audio一般缓存500ms后才发送一个Sample，则它的Latency就为500ms。这样的话，Audio与Video到达Renderer就会偏差470ms，造成音视频的不同步。默认情况下，Filter Graph Manager是不会对这种情况进行调整的。当然，应用程序可以通过IAMPushSource接口来进行Latency的补偿，方法是调用IAMGraphStreams::SyncUsingStreamOffset函数。Filter Graph Manager的实现如下：对所有实现IAMPushSource接口的Filter调用IAMLatency::GetLatency得到各个Source的Latency值，记下所有Latency值中的最大值，然后调用IAMPushSource::SetStreamOffset对各个Source设置偏移值。这样，在Source Filter产生Sample时，打的时间戳就会加上这个偏移量。Rate Matching问题的引入，主要是由于Renderer Filter和Source Filter使用的是不同的参考时钟。这种情况下，Renderer对数据的播放要么太快，要么太慢。另外，一般Live Source不能控制输出数据的速率，所以必须在Renderer上进行播放速率的匹配。因为人的听觉敏感度要大于视觉敏感度，所以微软目前只在Audio Renderer上实现了Rate Matching。实现Rate Matching的算法是比较复杂的，这里就不再赘述。

    看到这里，大家应该对DirectShow是如何解决音视频同步问题的方案有一点眉目了吧。深层次的研究，还需要更多的测试、Base class源码阅读，以及DirectShow相关控制机制的理解，比如Quality Control Management等。