基于现代 C++17 的模块化视频质量诊断处理流程优化设计

0. 引言

在整理视频质量诊断程序模块代码时发现，处理流程通常是固定的，各种检测功能以函数形式顺序调用。这种设计缺乏灵活性，不易于扩展和维护。本文将使用 C++17 的 std::function 和 std::any，重新设计视频质量诊断处理流程，实现模块化、可灵活扩展的处理管道。

视频质量诊断涉及多个检测模块，如信号检测、冻结检测、遮挡检测等。
详细见：

• C++基于opencv4的视频质量检测
• C++基于opencv的视频质量检测–图像清晰度检测
• C++基于opencv的视频质量检测–画面冻结检测
• C++基于opencv的视频质量检测–图像抖动检测
• C++基于opencv的视频质量检测–遮挡检测

本文将采用面向接口的设计，使用现代 C++ 特性构建一个可动态配置的处理管道。

1. 原始设计分析

原始代码中，各个检测功能以独立的函数实现，处理流程固定：

signalDetect();
freezeframeDetect();
occlusionDetect();
brightnessDetect();
snownoiseDetect();
stripeDetect();
cameramoveDetect();
sharpnessDetect();
colorDetect();
jitterDetect();

这种设计存在以下问题：

• 缺乏灵活性：处理流程固定，无法根据需求动态调整检测模块的顺序或添加新的检测功能。
• 可扩展性差：添加新的检测功能需要修改主流程代码，增加了维护成本。
• 模块耦合度高：各个检测函数之间可能存在隐式依赖，不利于模块化管理。

2. 新的设计思路

流程图

2.1 定义通用的检测接口

借鉴 COM 的接口设计思想，定义一个通用的检测接口 IVideoQualityDetector：

class IVideoQualityDetector {
public:virtual int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) = 0;virtual ~IVideoQualityDetector() = default;
};

每个具体的检测模块都实现该接口，实现其特定的检测逻辑。

2.2 使用 std::function 和 std::any 管理检测模块

• std::function：用于存储各个检测模块的调用方法，便于在管道中按顺序执行。
• std::any：用于存储不同类型的检测模块实例，实现类型擦除，支持在运行时动态管理模块。

2.3 构建可动态配置的检测管道

将各个检测模块实例化后，添加到一个检测管道（如 std::vector<std::function<int(...)>>）中。这样可以根据需求动态调整检测模块的顺序、添加或移除检测模块。

3. 示例实现

3.1 定义检测接口和模块

3.1.1 检测接口

class IVideoQualityDetector {
public:virtual int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) = 0;virtual ~IVideoQualityDetector() = default;
};

3.1.2 信号检测模块

class SignalDetector : public IVideoQualityDetector {
public:int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat&, const cv::Mat&,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) override {// 实现信号检测逻辑if (img.empty()) return NO_DETECT;detectData->signalVal = signalDetect(img);if (detectData->signalVal >= threshold.signalThreshold) {detectDescribe->nosignalDescribe = NO_SIGNAL;return SIGNAL_DETECT;} else {detectDescribe->nosignalDescribe = SIGNAL_NORMAL;}return NO_DETECT;}
};

3.1.3 冻结检测模块

class FreezeFrameDetector : public IVideoQualityDetector {
public:int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat&,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) override {// 实现冻结检测逻辑if (img.empty() || img_jitterRef.empty()) return NO_DETECT;detectData->freezeFrameVal = 1 - freezeFrameDetect(img, img_jitterRef);if (detectData->freezeFrameVal >= threshold.freezeFrameThreshold) {detectDescribe->freezeFrameDescribe = FREEZEFRAME_YES;return FREEZEFRAME_DETECT;} else {detectDescribe->freezeFrameDescribe = FREEZEFRAME_NO;}return NO_DETECT;}
};

3.1.4 其他检测模块

按照上述方式，实现其他检测模块（遮挡检测、亮度检测、雪花噪点检测等），每个模块继承 IVideoQualityDetector 接口，实现其特定的 Detect 方法。

3.2 构建检测管道

3.2.1 初始化管道

std::vector<std::function<int(const cv::Mat&, const cv::Mat&, const cv::Mat&,const Threshold_t&, DetectDescribe_t*, DetectData_t*)>> detectPipeline;

3.2.2 创建检测模块实例

std::any signalDetector = std::make_unique<SignalDetector>();
std::any freezeFrameDetector = std::make_unique<FreezeFrameDetector>();
// ... 创建其他检测模块实例

3.2.3 将检测模块添加到管道

detectPipeline.push_back([&](const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) {return std::any_cast<SignalDetector&>(signalDetector).Detect(img, img_jitterRef, img_moveRef,threshold, detectDescribe, detectData);
});detectPipeline.push_back([&](const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) {return std::any_cast<FreezeFrameDetector&>(freezeFrameDetector).Detect(img, img_jitterRef, img_moveRef,threshold, detectDescribe, detectData);
});
// ... 将其他检测模块添加到管道

3.3 执行检测管道

for (auto& detectFunc : detectPipeline) {detectFunc(img, img_jitterRef, img_moveRef, threshold, detectDescribe, detectData);
}

3.4 完整代码示例

这里仅展示主要结构，完整代码应包括所有检测模块的实现。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>
#include <any>
#include <opencv2/opencv.hpp>// 定义相关的常量、结构体和函数（如 Threshold_t、DetectDescribe_t、DetectData_t、signalDetect 等）class IVideoQualityDetector {
public:virtual int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) = 0;virtual ~IVideoQualityDetector() = default;
};class SignalDetector : public IVideoQualityDetector {
public:int Detect(const cv::Mat& img, const cv::Mat&, const cv::Mat&,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) override {// 信号检测实现}
};// ... 实现其他检测模块int ROCK_QualityDiagnoseFromMat(const cv::Mat img, cv::Mat img_jitterRef, cv::Mat img_moveRef,Threshold_t threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData, unsigned int flag) {// 初始化阈值和标志位init_threshold(threshold);init_flag(flag);// 构建检测管道std::vector<std::function<int(const cv::Mat&, const cv::Mat&, const cv::Mat&,const Threshold_t&, DetectDescribe_t*, DetectData_t*)>> detectPipeline;std::any signalDetector = std::make_unique<SignalDetector>();// ... 创建其他检测模块实例// 根据标志位添加需要的检测模块if (flag & SIGNAL_DETECT) {detectPipeline.push_back([&](const cv::Mat& img, const cv::Mat& img_jitterRef, const cv::Mat& img_moveRef,const Threshold_t& threshold, DetectDescribe_t* detectDescribe,DetectData_t* detectData) {return std::any_cast<SignalDetector&>(signalDetector).Detect(img, img_jitterRef, img_moveRef,threshold, detectDescribe, detectData);});}// ... 根据其他标志位添加检测模块// 执行检测管道for (auto& detectFunc : detectPipeline) {detectFunc(img, img_jitterRef, img_moveRef, threshold, detectDescribe, detectData);}return 0;
}

4. 设计优势

4.1 灵活性和可扩展性

• 动态配置检测模块：可以根据需要在运行时添加、移除或重新排列检测模块，无需修改主流程代码。
• 支持新功能的扩展：添加新检测功能只需实现 IVideoQualityDetector 接口，并在构建管道时添加即可。

4.2 模块化和可维护性

• 降低模块耦合度：各个检测模块独立实现，遵循统一的接口，模块之间无直接依赖。
• 易于维护和测试：每个检测模块可以独立开发和测试，提高代码质量。

4.3 利用现代 C++ 特性

• std::function：方便地管理和调用函数对象，实现检测管道的灵活组织。
• std::any：实现类型擦除，支持在运行时管理不同类型的检测模块实例。

5. 参考资料

• C++17 std::function 文档
• C++17 std::any 文档
• OpenCV 官方文档