云游戏技术之高速截屏和GPU硬编码 (1) 捕获-预处理-编码流水线

在我们深入研究代码的细节之前，最重要的事情是理解整个应用程序的核心工作流程。

想象一下，你想实现一个屏幕录制软件。你面临的第一个问题是：“我如何将屏幕上看到的动态画面，变成一个可以播放的 .mp4 或 .h264 视频文件呢？”

这个过程可以分为三个主要步骤，就像一个工厂里的流水线：

1. 捕获 (Capture)：首先，你需要一种方法来“抓住”屏幕上显示的图像。
2. 预处理 (Pre-process)：抓到的原始图像数据可能不是最适合视频压缩的格式。你需要对其进行一些处理，比如转换颜色格式，使其“原料”更优质。
3. 编码 (Encode)：最后，你需要将处理好的图像一帧一帧地压缩，并按照特定的视频格式（如 H.264）打包，最终生成视频文件。

这三个步骤——“捕获-预处理-编码”——构成了我们这个项目的核心 流水线。它不是一个具体的 C++ 类，而是贯穿整个项目的核心思想。数据就像在传送带上一样，从一个环节流向下个环节，直到最终产品（视频文件）被生产出来。

我们可以用一个更生动的比喻来理解它：瓶装饮料生产线。

理解这条流水线，你就掌握了理解 nvEncDXGI 项目运作方式的钥匙。

流水线概览

让我们用一张图来清晰地展示数据是如何在这条流水线中流动的：

graph LR
    A[屏幕实时画面] --> B(捕获);
    B -- 原始RGBA图像 --> C(预处理);
    C -- 优化的NV12图像 --> D(编码);
    D -- H.264视频数据 --> E[视频文件];

    subgraph "第1步：由 DDAImpl 执行"
        B
    end

    subgraph "第2步：由 RGBToNV12 执行"
        C
    end
    
    subgraph "第3步：由 NvEncoderD3D11 执行"
        D
    end

代码中的流水线

理论讲完了，现在让我们看看这条流水线在实际代码中是如何体现的。打开 main.cpp 文件，找到 Grab60FPS 函数。这个函数内部有一个 do-while 循环，这个循环的每一次迭代，都完整地执行了一遍我们的流水线操作。

这个循环的核心逻辑可以简化为以下三个步骤：

1. 捕获一帧

// 从 DDA 获取一帧画面
hr = Demo.Capture(wait);

这行代码启动了流水线的第一步。Demo.Capture() 会调用内部的 DDAImpl 对象，从你的显示器上捕获当前时刻的图像。如果成功，图像数据会存放在一个临时的显存区域。

2. 预处理该帧

// 为编码做预处理
hr = Demo.Preproc(); 

紧接着，流水线进入第二步。Demo.Preproc() 会调用 RGBToNV12 对象，将上一步捕获到的 RGBA 格式图像转换为 NV12 格式。这一步是性能优化的关键，因为 NV12 格式更受硬件视频编码器的青睐。

3. 编码该帧

// 编码处理后的帧
hr = Demo.Encode();

最后，流水线进入收尾阶段。Demo.Encode() 会将预处理好的 NV12 图像帧交给 NvEncoderD3D11 对象。后者利用 NVIDIA GPU 的硬件编码单元（NVENC）将其高效地压缩成 H.264 视频数据，并写入到最终的文件中。

就是这样！Capture -> Preproc -> Encode。这个简单的三步曲在循环中不断重复，直到录制到指定数量的帧，最终就构成了一个完整的视频。

内部工作流程

为了更深入地理解，我们来看一下当录制一帧画面时，各个组件之间是如何相互协作的。

sequenceDiagram
    participant 主循环
    participant App as DemoApplication
    participant DDA as DDAImpl
    participant Preproc as RGBToNV12
    participant Encoder as NvEncoderD3D11

    主循环->>App: 请求处理下一帧
    App->>DDA: Capture()
    Note right of DDA: 使用 DirectX 从屏幕抓取<br/>一张 RGBA 格式的图像
    DDA-->>App: 返回 RGBA 图像
    App->>Preproc: Preproc()
    Note right of Preproc: 在 GPU 上执行<br/>颜色空间转换
    Preproc-->>App: 返回 NV12 格式的图像
    App->>Encoder: Encode()
    Note right of Encoder: 调用 NVIDIA 硬件编码器<br/>压缩 NV12 图像
    Encoder-->>App: 返回编码后的 H.264 数据包
    App->>App: 将数据包写入文件

这个图表清晰地展示了 DemoApplication 类（我们将在下一章详细介绍）作为总指挥，依次调用 DDAImpl、RGBToNV12 和 NvEncoderD3D11 这三个专业组件，共同完成了一帧画面的录制任务。

总结

在本章中，我们学习了 nvEncDXGI 项目最核心的概念：捕获-预处理-编码流水线。

• 我们知道了屏幕录制可以分解为捕获、预处理和编码三个阶段。
• 我们了解了每个阶段分别由哪个核心组件负责：DDAImpl、RGBToNV12 和 NvEncoderD3D11。
• 我们通过分析 main.cpp 中的核心循环，看到了这个流水线在代码中的实际体现。