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5 循环帧缓冲区（Cyclic Frame Buffer）

5.1 引言

在某些应用中，特别是视频图像的实时处理中，通常希望维护一组固定大小的缓冲区，每个缓冲区包含一帧。这允许根据需 要跳过帧或重复播放帧。

在帧采集（frame grabber）应用中，可以通过跳过一个或多个帧直至有空闲缓冲区来处理溢出（overflow）情况。例如，在 实时视图应用中，当观看窗口移动或调整大小时，可能发生这种溢出。像这样丢弃帧可以防止视频源的连续数据流中断，同时保持低延 迟。

在帧回放（frame replay）应用中（例如显示实时输出的屏幕），当没有新帧可显示时，会重复输出当前图像。这解决了源 （例如磁盘）暂时停滞导致显示图像短暂冻结的情况。虽然不够优雅，但总比流失去同步要好。在许多情况下，这种图像重复机制虽然有些 粗糙，但在克服帧率差异方面效果良好，特别是当输出帧率远高于输入帧率时（例如从 30 fps 到 60 fps）。

本节讨论如何修改在第 4.4 节中介绍的 FIFO 演示应用程序，以管理此类缓冲区集合。

5.2 适配 FIFO 示例代码

维护循环帧缓冲区集合与维护 FIFO 之间存在相似性。实际上，如果 FIFO 中的每个字节代表一个帧缓冲区，那么 FIFO 中某 个字节是否可读或可写，就相当于整个帧缓冲区是否可读或可写。

例如，假设一个帧采集应用分配了四个帧缓冲区来存储接收到的图像数据。再假设设置了一个四字节的 FIFO 来帮助管理这 四个帧缓冲区，方式如下：

接收数据的线程从第一个帧缓冲区开始，以循环方式继续到下一个。在开始写入新帧缓冲区之前，该线程检查四字节 FIFO 是否未满（full）。完成一个帧缓冲区后，它向 FIFO 写入一个字节，如果 FIFO 未满则转到下一个。

消费图像数据的线程以相同顺序循环遍历帧缓冲区。在尝试读取新帧缓冲区之前，它检查四字节 FIFO 是否非空 （empty）。当完成一个帧缓冲区并准备好转到下一个时，它从 FIFO 读取一个字节。

通过坚持此约定，可以保证接收数据的线程永远不会覆盖尚未被消费的帧缓冲区，并且消费线程永远不会尝试读取包含无效 数据的帧缓冲区。实际上，FIFO 中的字节数代表集合中有效帧缓冲区的数量。

请注意，写入和读取的字节值无关紧要，因此实际上无需分配这四个字节的内存并在其中存储数据。只有 FIFO 的握手机制 起作用。

因此，可以按原样采用第 4.6 节中概述的 FIFO API：

  • 使用 size 参数（帧缓冲区的数量）调用 fifo_init() 函数（回顾一下，size 可以为任意整 数）。fifo_init() 将分配并锁定 FIFO 的内存，该内存永远不会被使用（因为每个字节仅象征一个帧缓冲区）。这种内存浪费可以忽略不计，但 可以删除代码中的相关部分以避免将来混淆。

  • 调用 fifo_request_drain() 函数以获取要读取的帧缓冲区。info->position 将包含要使用的帧缓冲区的索引（编号从 0 开始）。如果 没有帧缓冲区准备就绪，fifo_request_drain() 将休眠直到有可用缓冲区。

  • 从缓冲区读取后，以 req_bytes=1 调用 fifo_drained() 函数。

  • 写入帧缓冲区的线程以相同方式调用 fifo_request_write() 和 fifo_wrote() 函数。

  • FIFO_BACKOFF 应设置为零。此功能对帧缓冲区无意义。

5.3 丢弃与重复帧

考虑一种情况：存在一个连续图像帧源，且数据消费者可能无法始终足够快地收集数据，因此必须避免溢出状态。

思路是防止传输数据的线程发生阻塞，该线程负责将数据从数据源传输到帧缓冲区。为此，应对每个传入帧循环执行以下序 列：

  • 调用 fifo_request_write() 函数以确定写入哪个帧缓冲区

  • 写入 info->position 指向的帧缓冲区

  • 写入完成后，再次调用 fifo_request_write() 函数。此函数调用肯定不会阻塞，因为自上次调用以来，尚未报告有任何缓冲区 已被写入。

  • 如果 fifo_request_write() 返回的值大于 1，则调用 fifo_wrote() 函数（当然，req_bytes=1）。随后对 fifo_request_write() 的 调用肯定不会阻塞，因为还有不止一个缓冲区可用，且仅消耗了一个。实际上，下一次对 fifo_request_write() 的调用可以通过直接选取下一 个帧缓冲区来代替。

  • 另一方面，如果 fifo_request_write() 仅返回 1，则不调用 fifo_wrote()。相反，在下一个用于接收传入数据的循环中再次使用 当前缓冲区，或者直接将来自数据源的整个帧排空到无特定目的地。

由于这种用法防止了阻塞，可以删除 fifo_request_write() 实现中的 while() 循环，因为它永远不会被调用。还可以通过删除 相关的信号量及其初始化和销毁代码来进一步简化代码。将它们保留在代码中影响极小，因此这种优化主要是为了保持代码的可读性。

类似的方法可用于在从 FIFO 读取的线程上重复帧：在调用 fifo_drained() 函数之前再次调用 fifo_request_drain() 函数，如果 返回值小于 2，则重复当前帧。