回答

RK3588 智能视频分析系统 PRD（完整方案 v1.1）

在你 v1.0 的基础上，已经补上你点名要的这几块：
DAG 多分支示例 + 节点通用字段 + 生命周期 Drain + Frame 结构 + 性能 / 线程 / 监控章节，现在这份可以直接当总 PRD 用。

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一、文档综述

1.1 项目背景

为了充分利用瑞芯微 RK3588 芯片提供的：

• NPU：约 6 TOPS（RKNN，INT8 推理能力）
• VPU：多路 1080p 硬件解码/编码
• RGA：硬件图像处理（缩放/颜色转换/OSD 等）

构建一套纯 C++ 实现、高性能、低延迟、模块化的边缘计算视频分析平台。平台主要部署在园区、仓库、工厂等场景，实现就地智能分析与处理，减少带宽与中心算力压力。

1.2 核心目标

• 高性能
  • 单 RK3588 支持 8–16 路 1080p 实时分析
  • 单路端到端（拉流→推理→输出）延迟 < 500ms
• 低耦合
  • 基于插件 + DAG 流水线架构
  • 算法、业务逻辑与底层框架完全解耦
• 易运维
  • JSON 配置驱动
  • 支持热更新，无需重启进程即可变更流程/参数
• 多场景覆盖
  • 同一套框架通过不同配置图覆盖：
    • 安防报警
    • 录像存储
    • 转码网关（RTSP/HLS）
    • 混合场景（报警 + 存储 + 推流）

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二、总体架构设计

2.1 系统逻辑架构

[ media-server 主进程 ]
        |
        +-- Graph Manager        (图管理：加载配置、构建DAG、热更新/回滚)
        |
        +-- Plugin Loader        (插件加载：dlopen .so，检查 ABI 版本)
        |
        +-- AiScheduler          (统一调度 NPU 推理请求)
        |
        +-- Metrics & Logger     (监控指标、日志)
        |
        +-- HTTP Server          (REST API + Web 控制台 + 状态查询)

• media-server：主入口，负责初始化配置、图构建、主事件循环。
• Graph Manager（GraphMgr）：
  • 对应多个 graph（每个 graph 一路/一组业务流程）。
  • 实例化节点（Node），建立边（Edge），负责热更新时的 diff & 切换。
• Plugin Loader：
  • 动态加载插件 .so，校验节点类型和 ABI 版本。
• AiScheduler：
  • 所有 AI 节点统一将推理任务提交到 AiScheduler，由其管理 NPU 资源。
• HTTP Server：
  • 对外提供图状态查询、节点指标、配置热更新触发等。

2.2 数据流架构（DAG）

• Graph（图）：一个完整业务通道。例如：Camera 1 的“拉流→AI→报警+录像+推流”。
• Node（节点）：功能基本单元，由动态加载的 .so 实例实现。
• Edge（边）：节点间的数据通道，每条边对应一个 SPSC（单生产者单消费者）环形队列。
• 多分支支持：一个节点可以有多个下游（多条边），实现一对多分支。

示意：

[in] → [pre] → [ai] ─────→ [alarm]
                    └──→ [osd] → [storage]
                           └──→ [publish]

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三、数据模型（Frame & 元数据）

3.1 检测结果结构（Detection & DetectionResult）

约定：所有 AI 节点写入此结构，OSD / 报警 等节点只读。

struct Rect {
    float x;   // 左上角X，像素或归一化坐标
    float y;   // 左上角Y
    float w;   // 宽
    float h;   // 高
};

struct Detection {
    int   cls_id;    // 类别ID
    float score;     // 置信度 [0,1]
    Rect  bbox;      // 检测框
    int   track_id;  // 跟踪ID，可选（无则 -1 或 0）
};

struct DetectionResult {
    std::vector<Detection> items;
    int img_w;              // 推理输入宽
    int img_h;              // 推理输入高
    std::string model_name; // 模型名/版本
};

约定：

• bbox 坐标标准在 PRD 中约定好（建议：像素坐标），避免后续插件互相搞混。
• class 映射表由 AI 节点自行维护，OSD/报警通过 cls_id 做规则匹配。

3.2 Frame 结构

enum class PixelFormat {
    NV12,
    YUV420,
    RGB,
    BGR,
    UNKNOWN
};

struct Frame {
    int width;
    int height;
    PixelFormat format;

    int dma_fd;             // DMA-BUF FD；无则为 -1
    uint8_t* data;          // CPU 内存指针（可选，有则指向内存buffer）

    uint64_t pts;           // 时间戳（微秒）
    uint64_t frame_id;      // 单调递增ID

    std::shared_ptr<DetectionResult> det;       // AI 检测结果
    std::shared_ptr<void> user_meta;            // 扩展元数据（具体类型由插件间约定）
};

约定：

• 零拷贝优先：解码/前处理尽量通过 dma_fd 传递，必要时才用 data。
• 节点默认只读图像数据，可以更新 det / user_meta。
• 所有队列中传递的都是 std::shared_ptr<Frame>，实现多下游共享。

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四、插件模型与生命周期

4.1 节点通用字段（Node 通用配置）

每个节点配置中推荐包含以下通用字段：

{
  "id": "唯一节点ID",
  "type": "节点类型，如 input_rtsp / ai_yolo",
  "enable": true,
  "role": "source|filter|sink",          // 可选，但建议写上，便于校验
  "queue": {                             // 可选：覆盖边上的默认队列策略
    "size": 128,
    "policy": "drop_oldest"              // drop_oldest / drop_newest / block
  },
  "...特定节点参数..."
}

• enable = false：GraphMgr 构建图时可直接忽略该节点及相关 edges。
• role 主要用于配置校验（source 不应有上游，sink 不应有下游等）。

4.2 INode 接口（含 Drain）

// NodeStatus 用于描述处理结果
enum class NodeStatus {
    OK,       // 正常处理
    DROP,     // 丢弃该帧（例如不满足条件）
    ERROR     // 发生错误，需要记录日志
};

class INode {
public:
    virtual ~INode() = default;

    // 1. 初始化：解析 JSON 配置，申请静态资源
    virtual bool Init(const Json::Value& config) = 0;

    // 2. 启动：启动内部线程（如有），准备接收/发送数据
    virtual bool Start() = 0;

    // 3. 处理数据：GraphMgr 从队列中取到 Frame 后调用
    //  - 对 filter/sink 节点：正常消费上游 Frame
    //  - 对 source 节点：通常可忽略（见下文约定）
    virtual NodeStatus Process(std::shared_ptr<Frame> frame) = 0;

    // 4. 动态配置更新：支持热更参数（如改变报警阈值、bitrate）
    //    返回 true 表示就地更新成功，无需重建节点
    virtual bool UpdateConfig(const Json::Value& new_config) { return false; }

    // 5. Drain：停止前，**不再有新输入**，但需处理完内部队列/缓冲数据
    //    如：storage 完成当前切片写入，publish 发送剩余帧等
    virtual void Drain() {}

    // 6. 停止：释放资源（线程、句柄、内存等），Drain 之后调用
    virtual void Stop() = 0;
};

4.3 插件导出与 ABI 版本

#define ABI_VERSION 20250101

#define REGISTER_NODE(TYPE_NAME, CLASS_NAME)    \
extern "C" {                                    \
    INode* CreateNode() {                       \
        return new CLASS_NAME();                \
    }                                           \
    const char* GetNodeType() {                 \
        return TYPE_NAME;                       \
    }                                           \
    int GetAbiVersion() {                       \
        return ABI_VERSION;                     \
    }                                           \
    const char* GetNodeDescription() {          \
        return "node: " TYPE_NAME;              \
    }                                           \
}

GraphMgr 在加载插件 .so 时：

• 调用 GetAbiVersion() 校验兼容性。
• 通过 GetNodeType() 找到对应 type 的构造函数。

4.4 Source 节点约定

为避免把所有采集逻辑都硬塞进 Process()，PRD 中统一约定：

• role == "source" 的节点（如 input_rtsp / input_file）：
  • 在 Start() 中启动内部采集线程。
  • 线程中从外部拉流/读文件，构造 Frame，通过框架提供的 FrameEmitter 写入下游队列。
  • Process() 可以是空实现或仅做心跳/监控。
• role != "source" 的节点：
  • 由 GraphMgr 驱动 Process(frame)，消费上游队列元素。

GraphMgr 负责：

• 对非 source 节点：循环从对应队列取 Frame → 调用 Process()。
• 对所有节点：在热更新 / 停止时，控制 Drain() 和 Stop() 的调用顺序。

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五、配置系统（Config System）

整个系统由 config.json 驱动，主要包含三层：

• global：全局配置
• templates：pipeline 模板（复用节点与拓扑）
• instances / graphs：具体业务实例（通道）

5.1 顶层结构示例

{
  "global": {
    "plugin_path": "/usr/lib/rknodes",
    "log_level": "info",
    "metrics_port": 9000
  },
  "templates": { ... },
  "instances": [ ... ],
  "graphs": [ ... ]  // 可选：直接手写graph
}

• 优先方式：使用 templates + instances 快速生成多路通道。
• 高级用法：直接使用 graphs 写复杂拓扑（例如：一条流拆成多个完全不同的分支）。

5.2 DAG 多分支完整示例（带报警 + 存储 + 推流）

{
  "graphs": [
    {
      "name": "cam1_pipeline",
      "nodes": [
        {
          "id": "in_cam1",
          "type": "input_rtsp",
          "role": "source",
          "enable": true,
          "url": "rtsp://user:pwd@ip/stream1"
        },
        {
          "id": "pre_cam1",
          "type": "preprocess",
          "role": "filter",
          "enable": true,
          "dst_w": 640,
          "dst_h": 640,
          "keep_ratio": true
        },
        {
          "id": "ai_cam1",
          "type": "ai_yolo",
          "role": "filter",
          "enable": true,
          "model_path": "/models/yolov8n.rknn",
          "conf": 0.5,
          "nms": 0.5,
          "class_filter": [0, 1]
        },
        {
          "id": "osd_cam1",
          "type": "osd",
          "role": "filter",
          "enable": true,
          "draw_bbox": true,
          "draw_text": true
        },
        {
          "id": "alarm_cam1",
          "type": "alarm",
          "role": "sink",
          "enable": true,
          "rules": [
            {
              "name": "intrusion_day",
              "object": ["person"],
              "roi": "roi1",
              "min_duration_ms": 500,
              "schedule": "08:00-20:00"
            }
          ]
        },
        {
          "id": "storage_cam1",
          "type": "storage",
          "role": "sink",
          "enable": true,
          "mode": "continuous",
          "segment_sec": 300,
          "path": "/rec/cam1"
        },
        {
          "id": "publish_cam1",
          "type": "publish",
          "role": "sink",
          "enable": true,
          "codec": {
            "video": "h264",
            "bitrate_kbps": 2048,
            "gop": 50
          },
          "outputs": [
            { "proto": "rtsp", "port": 8554, "path": "/live/cam1" },
            { "proto": "hls",  "port": 8080, "path": "/hls/cam1", "segment_sec": 2 }
          ]
        }
      ],
      "edges": [
        ["in_cam1", "pre_cam1"],
        ["pre_cam1", "ai_cam1"],
        ["ai_cam1",  "alarm_cam1"],
        ["ai_cam1",  "osd_cam1"],
        ["osd_cam1", "storage_cam1"],
        ["osd_cam1", "publish_cam1"]
      ]
    }
  ]
}

通过简单改动即可支持不同组合：

• 不报警：alarm_cam1.enable = false 或移除该节点/边。
• 只转码网关：直接连 ["in_cam1", "publish_cam1"]，并禁用 AI/OSD/报警/storage。
• 只录像：["in_cam1", "storage_cam1"]。

5.3 模板（templates）与实例（instances）

5.3.1 模板示例：标准安防流程

"templates": {
  "standard_security": {
    "nodes": [
      { "id": "in",  "type": "input_rtsp", "role": "source", "url": "${url}" },
      { "id": "pre", "type": "preprocess", "role": "filter", "dst_w": 640, "dst_h": 640 },
      { "id": "ai",  "type": "ai_yolo", "role": "filter", "model_path": "/models/yolov8n.rknn", "conf": 0.5 },
      { "id": "osd", "type": "osd",      "role": "filter" },
      { "id": "pub", "type": "publish",  "role": "sink", "path": "/live/${name}" }
    ],
    "edges": [
      ["in", "pre"],
      ["pre", "ai"],
      ["ai", "osd"],
      ["osd", "pub"]
    ]
  }
}

5.3.2 实例与 override（禁用某些节点）

"instances": [
  {
    "name": "cam_01",
    "template": "standard_security",
    "params": {
      "url": "rtsp://192.168.1.101/stream1",
      "name": "office"
    },
    "override": {
      "nodes": {
        "ai":  { "enable": true },
        "osd": { "enable": true }
      }
    }
  },
  {
    "name": "cam_02_only_transcode",
    "template": "standard_security",
    "params": {
      "url": "rtsp://192.168.1.102/stream1",
      "name": "transcoder"
    },
    "override": {
      "nodes": {
        "ai":  { "enable": false },
        "osd": { "enable": false }
      }
    }
  }
]

GraphMgr 在加载时将模板 + 实例 merge 成具体的 graph（节点 ID 会按实例名做前缀防冲突）。

5.4 热更新与回滚（简要）

• 通过 inotify 监控 config.json。
• 检测到变更时：
  1. 读取新配置 → JSON Schema 校验；
  2. 构建新的图对象（dry run），包括插件加载与节点实例化；
  3. 与旧图做 diff：
     • 能 UpdateConfig 的节点优先调用 UpdateConfig；
     • 需要重建的节点：先创建新节点并预热（如加载模型），然后做 边的原子切换；
  4. 对旧节点：依次调用 Drain() → Stop()；
  5. 若任意步骤失败：回滚到旧配置，并输出错误日志。
• 保留上一份有效配置，支持手动回滚。

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六、功能模块定义（插件类型）

下表是“典型插件类型”，后续可以扩展更多。

6.1 输入与前处理

节点类型	功能描述	关键参数	硬件依赖
input_rtsp	拉取 RTSP 流，断线重连	url, reconnect_sec	MPP VDEC / 网络
input_file	读取本地 MP4/MKV 文件循环播放	path, loop	MPP VDEC
preprocess	缩放、裁剪、NV12→RGB/BGR 等	dst_w, dst_h, format	RGA / GPU

6.2 AI 分析

节点类型	功能描述	关键参数	硬件依赖
ai_yolo	通用目标检测	model_path, conf, nms	NPU(RKNN)
ai_pose	关键点检测（可选扩展）	model_path	NPU
ai_custom	自定义 AI 算法	model_path, custom_param 等	NPU

所有 AI 节点通过 AiScheduler 使用 NPU，不直接持有 NPU 句柄。

6.3 业务逻辑与输出

节点类型	功能描述	关键参数	硬件依赖
osd	绘制检测框、文字等	draw_bbox, draw_text	RGA / CPU
alarm	报警规则（区域、时间、目标类型）	rules（含 ROI、时间段、阈值等）	CPU
storage	录像（MP4/TS 切片）	mode, segment_sec, path	CPU（IO）
publish	编码并推流（RTSP/HLS）	codec, bitrate, outputs	MPP VENC + 网络

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七、线程模型（Thread Model）

7.1 线程类型与职责

线程类型	职责	绑核策略（可配置）
main	程序入口、配置加载、GraphMgr 调度	默认 CPU0
input-io	RTSP 网络 IO	大核/通用
decode	调用 MPP 解码	大核
preprocess	RGA/GPU 前处理	视情况绑核
ai-worker	调度 AiScheduler，异步调用 NPU	大核
post/osd	OSD 绘制、报警逻辑等	小核优先
storage	文件写入、切片管理	小核
publish	RTSP/HLS 推流	小核
metrics/log	指标采集、日志异步写入	任意核

7.2 配置控制

• 节点配置中可增加字段：

"cpu_affinity": [2, 3]   // 可选

• 若未配置，由框架根据 role 和负载自动分配。

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八、性能指标（Performance Targets）

场景	指标	目标值
8×1080p@25fps	整机总处理帧率	≥ 200 fps
单路端到端	延迟	≤ 500 ms（典型 ≤ 380）
NPU	利用率	≥ 90%
8 路全开	CPU 占用	≤ 30%
7×24 小时运行	内存泄漏	无明显增长（< 10MB）

测试要求（简要）：

• 在实际 RK3588 设备上，使用典型 YOLO 模型和 8 路 RTSP 输入进行长稳测试。
• 统计长时间运行中的 CPU、内存、NPU 使用情况。

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九、监控与运维（Metrics & Ops）

9.1 节点级指标

每个节点提供以下基本指标（通过 HTTP / Prometheus 等暴露）：

• node_input_fps / node_output_fps
• queue_length（入队/出队队列长度）
• frame_drop_count
• error_count
• avg_process_time_ms（Process 平均处理耗时）

9.2 图 / 通道级指标

• 通道状态：running / error / disabled
• 报警次数 / 最近报警时间
• 当前推流客户端数（RTSP/HLS）
• 当前录像文件信息（路径 / 大小 / 最近片段时间）

9.3 管理接口（REST 简要）

• GET /api/graphs：列出所有 graph 状态
• GET /api/graphs/{name}：单通道详情
• POST /api/config/reload：触发配<EFBFBD><EFBFBD><EFBFBD>重加载
• GET /api/nodes/{id}/metrics：查询节点指标
• POST /api/nodes/{id}/config：动态更新节点配置（调用 UpdateConfig）

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十、开发与部署环境

• 硬件平台：RK3588（4×A76 + 4×A55 + NPU + VPU + RGA）
• 工具链：
  • 交叉编译：aarch64-linux-gnu-gcc 12+
  • 构建：CMake ≥ 3.20 + Ninja
• 调试：
  • gdbserver + VSCode 远程调试
  • RKNN Profiler 分析 NPU 利用率
• 日志：
  • spdlog 异步日志
  • 日志级别可运行时调整（通过配置或 REST 接口）

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十一、扩展与演进

1. 新增算法插件

   • 实现新的 INode 子类（例如 ai_cls, ai_reid）。
   • 使用 REGISTER_NODE 编译为 .so 放入 plugin_path。
   • 在 config.json 中新增节点即可接入全流程。

2. 新增输出类型

   • 新增 publish_webrtc、storage_s3 等节点类型。
   • 不改动上游图结构，只调整 sink 部分。

3. 分布式扩展（后续版本）

   • 引入 ZeroMQ / NanoMSG，将远端设备作为特殊节点处理（如 remote_sink）。
   • 中控只维护抽象图，实际在多台 RK3588 设备上分布执行。

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