windows驱动开发8：虚拟摄像头方案

2023-11-03

一、摄像头框架

在业务场景中，有许多是需要应用能够通过摄像头的方式来访问相关的音视频数据，比如美颜、摄像头多路复用、IP摄像头接入视频会议等。这些功能通过虚拟摄像头的方式来实现，是一个比较通用的解决方案。那么如何及选用哪种技术方案来开发虚拟摄像头呢？本文从windows角度评估其相关技术可行性。

回到问题：应用操作虚拟摄像头，我们可以从Windows的应用是如何操作摄像头来评估。

Windows发展史上，主要使用了以下框架来操作摄像头：

VFW（Video Of Windows）这个是Windows最先使用的框架，也是最古老的，好处是接口函数够简单，在有些兼容或者小型用层场所用用也没什么问题。
DirectShow，这个是横跨 WINXP， WIN7，WIN8，WIN10都得到很好支持的框架，然而接口函数也挺复杂。
Media Foundation，这个是WIN7之后，开发的新框架，目的是为了替换DirectShow，从而达到更好的性能和适应流媒体发展的需求。

二、应用现状

应用程序可以通过VFW、DirectShow、Media Foundation等一个或多个方式来操作摄像头。那么实际情况是如何的呢？

大量的操作摄像头的程序都是使用DirectShow框架，有小部分还在使用VFW框架。新近开发的程序或者对老版本程序的更新中，相当数量的程序使用Media Foundation框架代替了DirectShow。更有甚者，UWP框架的程序（就是Windows10平台新出来的，为了 “大一统“ 目的，这个目前也是小众，能否发展做大谁知道），对驱动级别的摄像头限制更大，已经不再支持老内核流框架。

所以，摄像头应用框架选择现状为：

VFW：较少，一些古老的应用
DirectShow：大量，慢慢迁移到Media Foundation
Media Foundation：大量
UWP：Win10应用，如Camera、Skype等

三、虚拟摄像头

3.1 应用层方式

应用框架	方案	实现案例
VFW	无	无
DirectShow	ksproxy.ax	OBS-VirtualCam，C++
Media Foundation	MFCreateVirtualCamera（win11）	https://github.com/microsoft/Windows-Camera，C#
Media Foundation	IMFMediaSource（Vista）	无

3.2 驱动方式

1、VFW：Video for Windows，是一种趋于废弃的windows驱动模型。指Microsoft推出的关于数字视频的一个软件开发包，VFW的核心是AVI文件标准。围绕AVI文件，VFW推出了一整套完整的视频采集、压缩、解压缩、回放和编辑的应用程序接口。发展趋势：VFW（95） → WDM（98/2000/xp） → WDF（xp之后）。

2、UVC：USB Video Class，USB视频类，是一种为USB视频捕获设备定义的协议标准。是Microsoft与另外几家设备厂商联合推出的为USB视频捕获设备定义的协议标准，已成为USB org标准之一。事实上最新版本windows中，UVC自动加载usbvideo.sys，器内部也是使用ks.sys，即也是使用下面的Kernel Stream流驱动框架。参考：USB 视频类 (UVC) 相机实现指南

3、Kernel Streaming：内核流式传输 (KS) 指的是 Microsoft 提供的服务，支持对流式数据进行内核模式处理。Microsoft 提供了三种多媒体类驱动程序模型： port class、stream class和 AVStream。这些类驱动程序在系统文件 portcls.sys、 stream.sys和 ks.sys中 (内核模式 dll) 的导出驱动程序实现。在 Windows XP 和更高版本中， ks.sys称为 AVStream。

4、AVStream：是Kernel Streaming三种多媒体驱动模型之一，也是最新版本模型，包含了音视频的部分。在 AVStream 驱动程序模型中，供应商提供与 Microsoft 提供的类驱动程序交互的微型驱动程序，如下图所示。
在这里插入图片描述

5、Windows USB摄像头驱动程序栈架构
在这里插入图片描述

从上面的图可以看到，厂商只提供硬件和固件，并且这个固件应该满足UVC规范，而其余的由Windows系统包圆了。其中ks.sys与AVStream、portclass.sys之间的关系如下：

AVStream是ks.sys中的一部分，而ks.sys是其上层驱动。
ks.sys的下层可以是portclass.sys实现的音频类，也可以是USB实现的音视频类。
ks.sys文件中包含了全部的ks功能和AVStream功能

6、方案对比

驱动框架	说明	实现案例
VFW	过时的技术，不推荐	无
UVC	实现USB摄像头驱动	e2esoft的VCam
Kernel Stream：Port Class	主要是音频	无
Kernel Stream：Stream Class	主要是视频，参考：Stream Class
Kernel Stream：AVStream	音视频最新驱动框架，参考：AVStream	avshws、avscamera

3.3 方案对比

类别	方案	平台兼容	应用兼容	实现难度	是否可以开关	是否需要管理员权限
应用层	direct show	>=98	一般	中	是	否
	mfd- MFCreateVirtualCamera	>=win11	一般	中	是	创建、销毁需要
	mfd - IMFMediaSource	>=vista	一般	较难	是	否
驱动层	VFW	>=95	一般	难	否	安装需要
	UVC	>= xp sp2	最好	最难	否	安装需要
	KS - Stream Class	>= xp	一般	较难	是	安装需要
	KS - AVSteam	>= xp	较好	较难	是	安装需要

四、总结

如上图所示，无论应用层以哪种方式操作摄像头，最终都会汇聚于Kernel Streaming驱动层，而Kernel Streaming对于USB摄像头又依赖于UVC驱动。所以总结如下：

目前市面大部分应用操作摄像头使用DirectShow、Media Foundation框架，win10微软应用只支持UWP。从兼容层面看只有UVC、AVSteam两类驱动框架开发的虚拟摄像头才可以完全兼容。
UVC由于在更底层，可以适配未来windows的版本变化，但开发难度极高；AVSteam在没有新的流媒体驱动框架出现前，是可以满足所有应用兼容，开发难度相对较好。

综上，建议选择AVSteam驱动框架开发虚拟摄像头。

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