Použitie X video extension pod Qt

16.12.2012 21:50 | Přečteno: 1606× | Programovanie | | poslední úprava: 16.12.2012 22:00

V dnešnom blogu sa pozrieme na API rozšírenia X video. Ukážeme si ako je možné použiť volanie XvPutImage pre akcelerované zobrazovanie YUV / RGB pixmapy.

Rozšírenie XVideo

Rozšírenie XVideo (skrátené Xv) bolo navrhnuté pre akcelerované zobrazovanie videa. Xv nie je žiadnou novinkou, jeho aktuálna major verzia bola vydaná už v roku 1991 (tj. v čase písania tohto blogu má vyše 21 rokov).

API je pomerne minimalistické, čo je aj jedným z dôvodov prečo vydržalo tak dlhú dobu bez výraznejších zmien. Autori zrejme neočakávali dlhú životnosť, takže v dokumentácii môžme nájsť vetu: "So, the life expectancy of Xv is not long." API poskytuje najnutnejšie metódy pre určenie počtu a typu adaptrérov, pripojenie sa na výstupný port adaptéru, nastavenie atribútov ako jas, kontrast, saturácia a v neposlednom rade aj pre samotný vstup / výstup obrazových dát.

Pre prezentáciu obrazu na výstupnom zariadení disponuje metódami PutImage, PutStill a PutVideo. V súčasných aplikáciách sa používa len prvá metóda. Zvyšné nemajú zvyčajne žiadnu podporu u ovládačoch.

Spôsob renderovania obrazu závisí od použitého WM. Pri nekompozitnom WM je možné použiť "video overlay" adaptér, kde sa okno renderuje s určitou farbou a samotné video pridáva do výsledného obrazu až grafická karta. S kompozitným WM sa používa "textured video" adaptér, ktorý renderuje video do textúry. Tá sa v kompozitnom WM mapuje cez pixelbuffery na plochu okna. Pri takomto spôsobe renderovania je možné z videa urobiť aj screenshot. Video overlay z princípu svojho fungovania tvorbu screenshotov neumožňuje.

Použitie Xlib-u pod Qt

Qt je multiplatformový framework. Pre použitie Xv budeme potrebovať pracovať priamo s X, čo znamená aj porušenie multiplatformovosti. Dúfam, že varovanie je dostatočne odstrašujúce na to, aby sme ho mohli ďalej ignorovať a tváriť sa, že neexistuje

Pri všetkých volaniach budeme potrebovať referenciu na Display. U Qt 4 to zariadíme includovaním #include <QX11Info> a zavolaním metódy widget.x11Info().display();.

U Qt 5 je možné použiť Xlib jedine s xcb backendom. Pre prístup k display-u budeme potrebovať privátne hlavičky. Includujeme teda <QWindow> a <qpa/qplatformnativeinterface.h>. Pre Qt 5 bude potrebný nasledujúci kód:

static_cast<Display *>(
    qGuiApp->platformNativeInterface()
           ->nativeResourceForWindow("display", new QWindow(/* screen */))
);

Ak si náš widget pre renderovanie Xv nazveme QtXvWidget bude kód pre získanie referencie na Display vyzerať nasledovne:

#if (QT_VERSION >= QT_VERSION_CHECK(5, 0, 0))
#include <QWindow>
#include <qpa/qplatformnativeinterface.h>
#else
#include <QX11Info>
#endif

#include <X11/Xlib.h>
#include <X11/Xutil.h>
#include <X11/extensions/Xv.h>
#include <X11/extensions/Xvlib.h>

Display *QtXvWidget::getDpy() const
{
#if (QT_VERSION >= QT_VERSION_CHECK(5, 0, 0))
    QWindow *window = new QWindow(/* screen */);
    Display *dpy = static_cast<Display *>(qGuiApp->platformNativeInterface()->nativeResourceForWindow("display", window));
    delete window;
    return dpy;
#else
    return x11Info().display();
#endif
}

Pre Qt 5 potrebujeme do ciest kompilátora pridať privátne hlavičky Qt 5. To je možné pridaním gui-private do .pro súboru.

QT += core gui multimedia
contains(QT_VERSION, ^5\\..*) {
	QT+= gui-private widgets
}

Aby bolo možné vykresľovať na plochu widgetu priamo pomocou Xlib musíme zaistiť, aby Qt widget neprekresľovalo. Na to stačí vypnúť double buffering a vykresľovanie systémového pozada.

widget.setAttribute(Qt::WA_PaintOnScreen, true);
widget.setAttribute(Qt::WA_NoSystemBackground, true);

Zistenie prítomnosti rozšírenia

Dostupnosť rozšírenia Xv sa dá preveriť volaním funkcie XvQueryExtension. Ak je rozšírenie dostupné vráti Success. Nasledujúci kód vypíše verziu Xv za predpokladu, že je dostupná.

unsigned int version, release, request_base, event_base, error_base;
if (XvQueryExtension(getDpy(), &version, &release, &request_base, &event_base, &error_base) == Success) {
    qDebug()
        << "X-Video Extension version"
        << (QString::number(version) + "." + QString::number(release)).toAscii().constData();

Po spustení sa vypíše niečo ako X-Video Extension version 2.2.

Zoznam adaptérov

Adaptér je cieľové zariadenie, na ktoré budeme posielať obraz. Jedna grafická karta môže mať aj niekoľko adaptérov. V prípade Intel GMA sú napríklad dostupné 2 adaptéry. Zoznam adaptérov je dostupný cez volanie XvQueryAdaptors.

Štruktúra XvAdaptorInfo obsahuje pre každý adaptér jeho názov (name), typ (type) adaptéra, číslo prvého portu (base_id) a počet portov (num_ports). Jeden adaptér zvyčajne umožňuje vykresľovať viacej okien súčasne pomocou rôznych portov.

Typ adaptéru určuje, či adaptér podporuje zápis (XvInputMask), čítanie (XvOutputMask) a typy dát, ktoré môže prijímať (pixmapu - XvImageMask, video - XvVideoMask, alebo statický obraz - XvStillMask).

XvAdaptorInfo *adaptors = 0;
unsigned int count = 0;
if (XvQueryAdaptors(getDpy(), DefaultRootWindow(getDpy()), &count, &adaptors) == Success) {
    for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
        if ((adaptors[i].type & XvInputMask) && (adaptors[i].type & XvImageMask)) {
            qDebug() << adaptors[i].name;
            qDebug() << "    Base ID:" << adaptors[i].base_id;
            qDebug() << "    Ports:  " << adaptors[i].num_ports;
        }
    }
    XFree(adaptors);
}

Výstup pre grafickú kartu Intel GMA:

Intel(R) Video Overlay
    Base ID: 75
    Ports:   1
Intel(R) Textured Video
    Base ID: 76
    Ports:   16

Uzamknutie portu pre aplikáciu

Pri použití Xv musí byť port exkluzívne uzamknutý aplikáciou, ktorá ho používa. Zamykanie sa vykonáva volaním XvGrabPort a odomykanie volaním XvUngrabPort. Uzamykanie a odomykanie portu sa musí volať aj s časovou pečiatkou akcie (vystačíme si s použitím CurrentTime).

XvPortID port = 75;
if (XvGrabPort(getDpy(), port, CurrentTime) == Success) {
    ...
}

...

// Ukončenie používania portu
XvUngrabPort(getDpy(), port, CurrentTime);

Formáty obrazu

Súčasná verzia Xv podporuje 2 farebné priestory. Je to klasické RGB a YUV používané najčastejšie pri prenose obrazu. Výhodou YUV je možnosť redukcie chromatickej zložky bez príliš viditeľného zhoršenia kvality obrazu.

Zoznam podporovaných formátov je dostupný pomocou volania XvListImageFormats. Štruktúra XvImageFormatValues obsahuje nasledujúce položky.

Pre všetky typy
id: int	Unikátny identifikátor formátu v rámci adaptéru. Tento identifikátor sa používa pri komunikácii s adaptérom.
type: int	Typ formátu, buď XvRGB alebo XvYUV.
byte_order: int	Spôsob zoradenia bytov: LSBFirst - najmenej významný na začiatku alebo MSBFirst - najvýznamnejší na začiatku.
guid: char[16]	Globálny identifikátor.
bits_per_pixel: int	Počet bitov pixelu.
format: int	Zabalený - XvPacked (jednotlivé komponenty nasledujú v streame za sebou, napr YUYV) alebo planárny - XvPlanar (komponenty sú oddelené, napr. YYYYUUVV).
num_planes int	Počet komponentov ak sa používa planárny formát
Pre RGB
depth int	Farebná hĺbka.
red_mask unsigned int	Maska bitov červenej farby napr. 0x00ff0000.
green_mask unsigned int	Maska bitov zelenej farby napr. 0x0000ff00.
blue_mask unsigned int	Maska bitov modrej farby napr. 0x000000ff.
Pre YUV
y_sample_bits unsigned int	Počet bitov pre zložku Y (luminancia).
u_sample_bits unsigned int	Počet bitov pre chromatickú zložku U.
v_sample_bits unsigned int	Počet bitov pre chromatickú zložku V.
horz_y_period unsigned int	Horizontálna veľkosť makrobloku Y.
horz_u_period unsigned int	Horizontálna veľkosť makrobloku U.
horz_v_period unsigned int	Horizontálna veľkosť makrobloku V.
vert_y_period unsigned int	Vertikálna veľkosť makrobloku Y.
vert_u_period unsigned int	Vertikálna veľkosť makrobloku U.
vert_v_period unsigned int	Vertikálna veľkosť makrobloku V.
component_order char[32]	Poradie zložiek napr. YUYV.
scanline_order int	Poradie riadkov v streame, buď zhora nadol - XvTopToBottom alebo zdola nahor - XvBottomToTop.

Nasledujúcim kódom sa dá vypísať zoznam podporovaných formátov.

XvImageFormatValues *formats = XvListImageFormats(getDpy(), m_port, &count);
if (formats) {
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        qDebug() << "Format:" << formats[i].id;
        if (formats[i].type == XvRGB) {
            qDebug() << "    type: RGB";
        }
        else if (formats[i].type == XvYUV) {
            qDebug() << "    type: YUV";
        }
        if (formats[i].byte_order == LSBFirst) {
            qDebug() << "    byte order: LSB";
        }
        else if (formats[i].byte_order == MSBFirst) {
            qDebug() << "    byte order: MSB";
        }
        qDebug() << "    bits per pixel:" << formats[i].bits_per_pixel;
        if (formats[i].format == XvPacked) {
            qDebug() << "    format: Packed";
        }
        else if (formats[i].format == XvPlanar) {
            qDebug() << "    format: Planar";
        }
        qDebug() << "    num planes:" << formats[i].num_planes;

        if (formats[i].type == XvRGB) {
            qDebug() << "    depth:" << formats[i].depth;
            qDebug() << "    red mask:" << QString("%1").arg(formats[i].red_mask, 0, 16);
            qDebug() << "    green mask:" << QString("%1").arg(formats[i].green_mask, 0, 16);
            qDebug() << "    blue mask:" << QString("%1").arg(formats[i].blue_mask, 0, 16);
        }
        else if (formats[i].type == XvYUV) {
            qDebug() << "    y sample bits:" << formats[i].y_sample_bits;
            qDebug() << "    u sample bits:" << formats[i].u_sample_bits;
            qDebug() << "    v sample bits:" << formats[i].v_sample_bits;
            qDebug() << "    horz y period:" << formats[i].horz_y_period;
            qDebug() << "    horz u period:" << formats[i].horz_u_period;
            qDebug() << "    horz v period:" << formats[i].horz_v_period;
            qDebug() << "    vert y period:" << formats[i].vert_y_period;
            qDebug() << "    vert u period:" << formats[i].vert_u_period;
            qDebug() << "    vert v period:" << formats[i].vert_v_period;
            qDebug() << "    component order:" << formats[i].component_order;
            if (formats[i].scanline_order == XvTopToBottom) {
                qDebug() << "    scanline order: TopToBottom";
            }
            else if (formats[i].scanline_order == XvBottomToTop) {
                qDebug() << "    scanline order: BottomToTop";
            }
        }
    }
    XFree(formats);
}

Ovládače Intel GMA podporujú nasledujúce formáty:

Format: 844715353
    type: YUV
    byte order: LSB
    bits per pixel: 16
    format: Packed
    num planes: 1
    y sample bits: 8
    u sample bits: 8
    v sample bits: 8
    horz y period: 1
    horz u period: 2
    horz v period: 2
    vert y period: 1
    vert u period: 1
    vert v period: 1
    component order: YUYV
    scanline order: TopToBottom
Format: 842094169
    type: YUV
    byte order: LSB
    bits per pixel: 12
    format: Planar
    num planes: 3
    y sample bits: 8
    u sample bits: 8
    v sample bits: 8
    horz y period: 1
    horz u period: 2
    horz v period: 2
    vert y period: 1
    vert u period: 2
    vert v period: 2
    component order: YVU
    scanline order: TopToBottom
Format: 808596553
    type: YUV
    byte order: LSB
    bits per pixel: 12
    format: Planar
    num planes: 3
    y sample bits: 8
    u sample bits: 8
    v sample bits: 8
    horz y period: 1
    horz u period: 2
    horz v period: 2
    vert y period: 1
    vert u period: 2
    vert v period: 2
    component order: YUV
    scanline order: TopToBottom
Format: 1498831189
    type: YUV
    byte order: LSB
    bits per pixel: 16
    format: Packed
    num planes: 1
    y sample bits: 8
    u sample bits: 8
    v sample bits: 8
    horz y period: 1
    horz u period: 2
    horz v period: 2
    vert y period: 1
    vert u period: 1
    vert v period: 1
    component order: UYVY
    scanline order: TopToBottom

Vykresľovanie

Pri vykresľovaní som vybral prvý formát zo zoznamu v minulej kapitole. Video buffer je umiestnený v inštancii triedy QVideoFrame. To je v tomto prípade YUYV. Budeme chcieť vykresliť obraz o veľkosti 400 x 300 pixelov. Vo výpise vidieť, že počet bitov na pixel je 16 tj. každý pixel je zakódovaný do 2 bytov. Nasledujúcim kódom alokujeme video buffer s read-write prístupom k bitom.

int w = 400;
int h = 300;
QSize s(400, 300);
QVideoFrame videoFrame = QVideoFrame(w * h * 2, s, w * 2, QVideoFrame::Format_YUYV);
videoFrame.map(QAbstractVideoBuffer::ReadWrite);

Prvým argumentom konštruktora QVideoFrame je veľkosť alokovaného bufferu (veľkosť obrázku vynásobená 2 pretože každý pixel je zakódovaný do práve 2 bytov). Nasleduje veľkosť obrázku, počet bytov na riadok a formát.

Následne môžme pracovať s bytmi, napr. vyplniť ich nudnou šedou farbou . Zo štruktúry YUYV je vidieť, že na každú zložku luminancie pripadá len jedná chromatická zložka. Zložky U a V sú teda spoločné pre jeden makroblok veľkosti 2 x 1 px. Preto pre každý druhý pixel nastavujeme hodnotu U a V. Pre prevod z RGB do YUV som použil jednoduchú aproximáciu.

unsigned char rgb2y(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
{
	return ((r * 66 + g * 129 + b * 25) >> 8) + 16;
}

unsigned char rgb2u(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
{
	return ((r * (-38) + g * (-74) + b * 112) >> 8) + 128;
}

unsigned char rgb2v(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b)
{
	return ((r * 112 + g * (-94) + b * (-18)) >> 8) + 128;
}

...

for (size_t px = 0; px < (w * h); ++px) {
    videoFrame.bits()[px << 1] = rgb2y(127, 127, 127);
    if (px % 2 == 0) {
        videoFrame.bits()[(px << 1) + 1] = rgb2u(127, 127, 127);
    }
    else {
        videoFrame.bits()[(px << 1) + 1] = rgb2v(127, 127, 127);
    }
}

Ostalo už len samotné vykreslenie obrazových dát. Na to budeme potrebovať vytvoriť XvImage odkazujúci na dáta z QVideoFrame, získať grafický kontext GC, vykresliť obrázok XvPutImage a uvoľniť prostriedky. .

Display *dpy = getDpy();
char *bits = reinterpret_cast<char *>(videoFrame.bits());
XvImage *image = XvCreateImage(dpy, port, format_id, bits, w, h);
XGCValues xgcv;
GC gc = XCreateGC(dpy, winId(), 0L, &xgcv);
XvPutImage(dpy, port, winId(), gc, image, 0, 0, w, h, 0, 0, win->width(), win->height());
XFreeGC(dpy, gc);
XFree(image);

Pri vytváraní inštancie XvImage musíme konvertovať uchar * na char * kvôli inému očakávanému typu XvCreateImage. Port a id formátu sme získali z informácií o adaptéroch a formátoch.

Volanie XvPutImage, má na prvý pohľad hrôzostrašný počet parametrov. V skutočnosti táto funkcia umožňuje orezanie obrazu a jeho škálovanie pri vykresľovaní. Preto posledné 4 parametre sú poloha a veľkosť vykresľovaného obrazu voči počiatočným súradniciam widgetu. Predposledné 4 parametre sú poloha a veľkosť vykresľovacieho okna pixmapy.

Práca s atribútmi obrazu

Pomocou atribútov sa dá nastaviť obyčajne jas, kontrast, saturácia alebo gamma. Zoznam atribútov sa dá získať volaním XvQueryPortAttributes.

int count = 0;
XvAttribute *attributes = XvQueryPortAttributes(getDpy(), m_port, &count);
if (attributes) {
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        qDebug() << attributes[i].name;
        qDebug() << "    min:" << attributes[i].min_value;
        qDebug() << "    max:" << attributes[i].max_value;
        if (attributes[i].flags == ReadFlag) {
            qDebug() << "    flags: Read";
        }
        else if (attributes[i].flags == WriteFlag) {
            qDebug() << "    flags: Write";
        }
        else if (attributes[i].flags == (ReadFlag | WriteFlag)) {
            qDebug() << "    flags: Read | Write";
        }
    }
    XFree(attributes);
}

Výstup na mojej grafickej karte vyzerá nasledovne:

XV_COLORKEY
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_BRIGHTNESS
    min: -128
    max: 127
    flags: Read | Write
XV_CONTRAST
    min: 0
    max: 255
    flags: Read | Write
XV_SATURATION
    min: 0
    max: 1023
    flags: Read | Write
XV_PIPE
    min: -1
    max: 1
    flags: Read | Write
XV_GAMMA0
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_GAMMA1
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_GAMMA2
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_GAMMA3
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_GAMMA4
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write
XV_GAMMA5
    min: 0
    max: 16777215
    flags: Read | Write

Hodnota atribútu sa dá získať nasledujúcim kódom:

Atom atom = XInternAtom(getDpy(), "XV_BRIGHTNESS", True);
int value;
XvGetPortAttribute(getDpy(), port, atom, &value);

Záhadná konštanta True hovorí funkcii, že má vrátiť chybu v prípade, že atribút neexistuje.

Nastavenie atribútu má veľmi podobný kód:

Atom atom = XInternAtom(getDpy(), "XV_BRIGHTNESS", True);
XvSetPortAttribute(getDpy(), port, atom, 50);

Praktická ukážka

Na tomto mieste som chcel ukázať niečo fakt praktické, ale nevyšlo Takže namiesto toho je tu môj testovací obrazec pre nastavenie atribútov Xv (pozor, funguje len s YUYV). Kód je dostupný na githube. K praktickému použitiu Xv sa hádam dostanem v budúcom blogu

       

Komentáře

[Josef Kufner]

Proč to není vydané jako článek?

[mirec]

Lebo blogy zvyčajne píšem po dni strávenom programovaním, takže sú zbierkou ehm toho čo ma práve napadlo, neviem, či je toto práve vhodné ako článok. Nehovoriac o tom, čo bude nasledovať a bude to tak trocha na hranici ehm minimálne amerických zákonov.

[Bedňa]

Pretože je tu podmienka písať o HW a nezmieňovať sa o Linuxe a pri písaní správičiek si robiť srandu s FSF, inak to neprejde.

[mimi.vx]

+1

[Bedňa]

Mirec si hacer, byť mladší tak určite sa s tebou pustím do nejakého projektu. Je radosť sledovať ako ideš vpred. Veľa zdaru kámo.

[mirec]

Diky, ja zase až tak nejak moc nepostupujem, len som si povedal, že občas napíšem o tom, čo robím.

[xxxxxxxxxxx]

Nechceš se pustit do programování věcí okolo CAD? Třebas naprogramit svobodnej libIGES, libDXF by bodnul!

[mirec]

Raz možno, ale zatiaľ som webový vývojar ... čo je strasnaaaaa nuda, nebyť hrania sa mimo pracvnú dobu tak sa unudím k smrti

[xxxxxxxxxxx]

No popřemejšlej nad tím. Zajímavý práce je nad hlavu a pustil bych i nějakou korunu! C++/Qt

[mirec]

Mohol by som sa na to pozrieť, ale až keď dokončím jeden webový projekt (lebo to ma ľudia ukameňujú že prečo na tom nemakám ďalej), potom jeden taký polohardvéristický demo projekt, ktorý možno bude použiteľný, ale je to len experiment no a samozrejme nesmiem zabudnúť na portovanie thinkpad fancontrol-u na novšie modely thinkpadov a opravy pár drobností (toto sú samozrejme len open source veci, ktoré robím, ešte sú tu komerčné veci, ktoré robím v práci ... ~12h denne aj s cestou + komerčné veci mimo roboty ... ~2h denne). Takže ak by sa mi podarilo nejako sa uvoľniť tak samozrejme Qt a C++ je niečo, čo robím rád. Mimochodom len tak zo zvedavosti, čo je zlé na existujúcich knižniciach ako napr. Open Asset?

[xxxxxxxxxxx]

Jako zlé rozhodně nic. Koukám že to umí *.dxf což je good! Potřeboval bych prvně vytvořit nějakou CAD prohlížečku CAD souboru *.step, *.iges, *.dxf, a pokud možno open *.dwg. Na formátu *.step pracuje Pavel Tišnovský a měl bych zájem o vytvoření i dalších formátu. Co setýká toho odkazu tak jsem tam formát *.step ani *.iges vůbec nenašel a ani nikde jinde jako knihovna v C/C++... Jsou samozřejmě programy který umějí otevírat *.step ale to není ono. Chtělo by to prvně nějaký program C++/Qt který umí otevírat a prohlížet CAD soubory. ty zmiňované jsou klíčové protože se používají nejvíc! času je dost. Nic nikoho netlačí.

[alfonz mucha]

Už jsem se myslím ptal minule, ale stále jsem nedostal odpověď, podíval jste se teď poslední dobou na např. na FreeCAD PPA a zkusil? Dle mého již na mnoho projektů i použitelný. Např. pokud chcete investovat, tak myslím, že ideál je zde do modulu Assembly ;) a Drawing >> např. zde již uvidíte nějaké trošku zajímavější použití FreeCADu při napojení na OptimCabinet http://www.dlauhy.cz/blog/oblozenistenii-optimcabinet

Mimo to vaše modely za ten mobilní kryt jdou ve FreeCADu otevřít myslím v pořádku.

[xxxxxxxxxxx]

Musím Vás zklamat. Tento projekt ve mne před lety vzbudil zájem, ale od těch časů se v podstatě nic nehlo potřebným směrem. Projekt je založen na OpenCASECADE o kterým jsem věděl už v roce 2004... Mám problém s tím jakým směrem se samotný projekt FreeCAD ubírá. Dělají všechno a zároveň nic. Garantuji Vám že i za několik let bude situace stejná a produkt bude stále nepoužitelný... Bohužel. Stačí?

[alfonz mucha]

mimo to nedávno projekt FreeCADu aktualizoval stránky a nyní je tam vidět mnoho ukázek, které již slibují větší použitelnost. http://free-cad.sourceforge.net/

[xxxxxxxxxxx]

ukázky neznamenají nic... Bud dokážete reálně tvořit a mít výstupy v dané oblasti a nebo ne. Za mně Vám garantuji že tento produkt není schopen. To už víc práce reálně odvedete v QCADU... Bohužel...