OpenHarmony 3.1 Release 版本关键特性解析——OpenHarmony 新音视频引擎——HiStreamer

2022 年 6 月 01 日
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OpenAtom OpenHarmony（以下简称“OpenHarmony”）是由开放原子开源基金会（OpenAtom Foundation）孵化及运营的开源项目，目标是面向全场景、全连接、全智能时代，基于开源的方式，搭建一个智能终端设备操作系统的框架和平台，促进万物互联产业的繁荣发展。面对万物互联时代种类众多、且差异巨大的终端设备，我们为 OpenHarmony 打造了一款新的音视频引擎——HiStreamer。

一、HiStreamer 产生背景

数字多媒体技术在过去的数十年里得到了飞速的发展，音乐、电话、电视、电影、视频会议等等，伴随着我们度过每一天。为了给用户提供丰富的多媒体处理能力，业界已经有比较成熟的音视频引擎，比如开源的音视频引擎 GStreamer。为什么我们还要打造一款新的音视频引擎呢？

随着万物互联时代的到来，越来越多的智能化设备出现在我们的生活中。比如：智能冰箱可以通过屏幕和声音，告诉人们储藏的菜品快要过期了；智能闸机可以通过人脸识别，自动完成检票工作；智能门锁可以通过语音和视频，提升开锁的效率和安全性......

与 PC、手机等标准（Standard）设备不同，很多智能化设备的 CPU 处理能力比较弱、内存也比较小，传统的音视频引擎无法支持此类设备。HiStreamer 应运而生，既支持轻量级的 Mini/Small 设备，也支持 Standard 设备（目前支持部分功能）。HiStreamer 在不断发展和完善中，未来将会支持 Standard 设备的更多功能。

二、“管道+插件”，实现弹性部署

为了支持 Mini/Small/Standard 设备，HiStreamer 采用管道（Pipeline）和插件（plugin）的软件架构，从而可以根据设备的硬件和需求差异进行弹性部署。HiStreamer 把音视频处理的每个过程抽象成节点，上一个节点的输出，作为下一个节点的输入，把多个节点连接起来，整体形成一个管道（Pipeline），完成音视频的数据读取、解封装、解码、输出的完整流程。同时，插件可以为 Pipeline 的节点提供丰富的扩展功能，让 HiSteamer 的音视频处理能力更强大。

1. Pipeline 框架介绍

为了让大家理解 HiStreamer 的 Pipeline 框架，下面以 MP3 音频播放为例讲解：

输入是一个 MP3 文件，输出是播放出的音乐，这中间经过了很多步骤。

先来看一下 MP3 文件结构：

图 1 MP3 文件结构

MP3 文件由 ID3 Metadata 容器头和若干 MP3 Frame（MP3 数据帧）构成。每个 MP3 Frame 又由 MP3 Header（MP3 头信息）和 MP3 Data 构成。这一系列的 MP3 Frame 称为 ES Data（ Element Stream Data）。

● ID3 Metadata：容器头，主要包括标题、艺术家、专辑、音轨数量等。

● MP3 Header：包含 MP3 Sync word（标识 MP3 数据帧起始位置）和 MPEG 版本信息等。

● MP3 Data：包含压缩的音频信息。

播放 MP3 文件，首先需要把 MP3 文件数据读进来，然后去掉 ID3 Metadata 容器头（即解封装），再把一系列 MP3 Frame 解压缩成 PCM（Pulse-Code Modulation）数据，最后驱动喇叭发声。这个过程按顺序可以抽象成如下四个节点：

图 2 MP3 音频播放的 Pipeline

1. 输入节点（MediaSourceFilter）: 读取 MP3 原始数据，传给下一个节点。

2. 解封装节点（DemuxerFilter）: 解析 ID3 Metadata 容器头信息，作为后续节点的参数输入，并且把一帧帧 MP3 Frame（即 ES Data）传给后续的解码节点。

3. 解码节点（AudioDecoderFilter）: 把 ES Data 解码成 PCM 数据，传给输出节点。

4. 输出节点（AudioSinkFilter）: 输出 PCM 数据，驱动喇叭发声。

由以上示例可知，HiStreamer 通过 Pipeline 框架把音视频处理的每个过程抽象成一个个节点。这些节点是解耦的，可以灵活拼装，从而可以根据业务需要拼装出不同的 Pipeline。同时，为了使多个节点能更好地协同工作，HiStreamer 还支持节点间的参数自动协商。

2. HiStreamer 插件介绍

了解了 HiStreamer 的 Pipeline 框架后，我们再来看看 HiStreamer 插件。

HiStreamer 的 Pipeline 框架的很多节点（比如输入节点、解封装节点、解码节点、输出节点等）都支持插件扩展。通过插件，节点的功能变得更加丰富、更加强大。

插件的应用场景非常广泛，比如：

● 媒体格式非常多，且以后还会有新的格式产生，可以通过插件支持新的媒体格式。

● 不同 OS 平台或设备，处理方式存在差异，可以通过插件支持不同的处理方式。

● 不同类型的设备，需求不同，能提供的 CPU/ROM/RAM 资源多少也不同，也可以通过插件来支持。

3. 弹性部署

HiStreamer 基于管道（Pipeline）和插件（plugin）的软件架构，可以根据设备的硬件和需求差异实现弹性部署。

图 3 HiStreamer 弹性部署

如图 3 所示，Mini 设备（比如音箱），它的 CPU 处理能力很弱，ROM/RAM 资源很少，需要的功能也比较少，只需要音频播放功能。HiStreamer 可以配置成只支持音频播放，并且选择轻量级的插件，配置同步解码模式，减少资源消耗。而 Small 设备，CPU 处理能力强一些，ROM/RAM 空间大一些，需要音频播放和视频播放功能。HiStreamer 可以配置成支持音视频播放，并且选择功能更强的插件。

三、HiStreamer 逻辑架构

经过上面的介绍，我们了解了 HiStreamer 的“管道+插件”的软件架构。下面我们再来看看 HiStreamer 的详细的逻辑架构。

图 4 HiStreamer 逻辑架构图

HiStreamer 主要由 HiStreamer 引擎和 HiStreamer 插件构成。

其中，HiStreamer 引擎又分为以下四层：

● 业务封装层：基于 Pipeline 封装实现播放器、录音机功能，简化上层应用使用。

● Pipeline 框架层：提供 Pipeline 和若干个节点（输入、解封装、解码和输出）的实现，支持把多个节点连接在一起形成 Pipeline。

● 插件管理层：用于插件生命周期管理，支持动态加载或静态链接两种方式使用插件。

● 工具库层：提供框架依赖的工具，隔离操作系统差异，提供调测功能。

HiStreamer 插件，则分为平台软件插件和厂商硬插件两类：

● 平台软件插件：由 OpenHarmony 平台提供，可跨产品复用的软件算法插件。

● 厂商硬插件：由厂商提供的基于硬件加速的插件，如硬件加速的编解码插件。

应用开发者可以直接使用现成的插件来实现多媒体功能，节省大量的开发时间。插件越丰富，HiStreamer 的音视频处理能力会更强大。欢迎广大开发者参与 HiStreamer 插件的开发，一起来丰富 HiStreamer 插件！

四、HiStreamer 插件开发及实例

下面就为大家介绍 HiStreamer 插件的开发过程及实例讲解，感兴趣的小伙伴们赶紧学起来，一起参与 HiStreamer 插件开发吧~

1. 插件的开发

HiStreamer 插件的开发主要分为插件定义和功能实现两个部分。

（1）插件定义

HiStreamer 插件是通过 PLUGIN_DEFINITION 宏来定义的。以输入插件 FileSource 为例，定义代码如下：

std::shared_ptr<SourcePlugin> FileSourcePluginCreator(const std::string& name){    return std::make_shared<FileSourcePlugin>(name);}Status FileSourceRegister(const std::shared_ptr<Register>& reg){    SourcePluginDef definition;    definition.name = "FileSource";    definition.description = "File source";    definition.rank = 100; // 100: max rank    definition.protocol.emplace_back(ProtocolType::FILE);    definition.creator = FileSourcePluginCreator;    return reg->AddPlugin(definition);}//PLUGIN_DEFINITION传入四个参数PLUGIN_DEFINITION(FileSource, LicenseType::APACHE_V2, FileSourceRegister, [] {});

复制代码

使用 PLUGIN_DEFINITION 宏定义插件（即上面最后一行代码）时，传入了四个参数：

a) 插件名称：即示例中的“FileSource”。

b) License 信息：即示例中的“LicenseType::APACHE_V2”。

c) 插件注册函数：即示例中的“FileSourceRegister”，该函数描述了插件基本信息，包括插件对象创建函数，并且还调用 AddPlugin 把插件注册到系统中。

d) 插件反注册函数：可以传为空实现。

（2）功能实现

实现插件功能时，需根据要实现的插件类型，继承对应插件接口类，并实现相关接口。比如实现输入插件 FileSource，需要继承 SourcePlugin，并实现 SetSource、Read 等接口，代码如下：

// 定义FileSourcePlugin类继承SourcePlugin类class FileSourcePlugin : public SourcePlugin {// 实现SetSource接口, 设置要打开的文件路径Status SetSource(std::shared_ptr<MediaSource> source) {return OpenFile(source->GetSourceUri());}// 实现Read接口，它会读取数据用于后续处理Status Read(std::shared_ptr<Buffer>& buffer, size_t expectedLen){std::fread(bufData->GetWritableAddr(expectedLen), sizeof(char), expectedLen, fp_);return Status::OK;}}