基于嵌入式linux 3G下的无压缩视频传输
脚本之家
这是我本科的毕业设计。时隔5个月，再次回顾一下。
本课题研究嵌入式系统在数据采集，3G无线通信方面的应用，开发集视频采集、地理信息采集、无线传输、客户机/服务器模式于一体的车载终端，实现终端采集视频与GPS信息的传输，支持服务器端显示视频与GPS信息的功能。
这里我着重介绍本项目中的视频传输。由于知识水平的缺乏和实验条件的限制，本人并没有采取视频压缩算法。但针对数据量大而且3G网络相对有线网络带宽限制的情况采取了措施。
硬件环境：友善之臂mini2440实验板（ARM9）。
操作系统：linux（终端）、windows7（服务器）。
网络环境：WCDMA（联通3G上网卡）。
Mini2440实验板上有CMOS摄像头接口。同时厂家提供的linux源代码中有摄像头驱动，编译进内核即可使用摄像头。摄像头采用的是OV9650，30万像素，在linux下作为字符串设备驱动，可通过读取设备文件，获得图像信息。
读取摄像头数据的代码如下：
int camdata_count;
int cam_fd=open("/dev/camera",O_RDONLY);
printf("Camera init!\n");
while(1){
camdata_count=read(cam_fd,cam_data,640*512*2);
if(camdata_count==640*512*2){
/*视频数据处理与传输的代码*/
}
else{
printf("CAMERA Error!\n");
}
}
close(cam_fd);
从摄像头中读取的数据格式是RGB565的，如图所示。即红色分量占6位，绿色分量占6位，蓝色分量占5位，总共是16位。
为了作为bmp文件显示，需要将RGB565转换为RGB888（即24位真彩色）。再在文件开头加上bmp文件头，就成为一个完整的bmp文件了。用UDP协议传输这些图像数据。在服务器端，用.NET的库可以将接收到的BMP数据在图形界面的指定组件上显示。
.NET显示图像的代码如下：
// st是一个已经建立的MemoryStream对象，bmp_data是bmp数据（byte数组）,bmpSize是BMP图像大小（单位是B）。
st.Write(bmp_data, 0, bmpSize);
try
{
picBox.Image = Image.FromStream(st);//picBox是已经建立的PictureBox对象，呈现在图形界面上
}
catch (Exception e)
{
richTextBox2.Text += "error\n";//如果BMP数据错误，则输出如下错误
}
//st对象清空
st.SetLength(0);
st.Position = 0;
st.Flush();
流程图如下：
以上方案在有线网络传输的情况下能顺利运行，但是在3G网络下图像几乎不能显示。这是因为3G网络的带宽限制和UDP协议不可靠的缺点，数据在传输过程中会产生丢包现象，影响图片质量。对此需要改善程序代码，增加一些措施来避免丢包：
(1) 将数据转化的工作交给服务器。
BMP文件基本不经过任何压缩，每个像素点占用3个字节（R、G、B分量分别占用一个字节），而从CMOS摄像头读取的数据是RGB565的，即一个像素点只占用2个字节。如果说从CMOS读取的图像信息不经真彩化处理，直接传输给服务器，这样，需要传输的数据量减少了大约1/3。
(2) 减少图像的尺寸。
从CMOS摄像头读取的图像尺寸是640*512的。如果打包成BMP数据的话，总共大小是640*512*3+54(B)，大约960KB。如果说不经真彩化处理，一帧数据总共大小是640*512*2(B)，大约640KB。正常情况下，一秒可以采集6-7帧图像。联通WCDMA理论的上行速率是5.76Mbps，约为720KB/s，实际情况一定低于此值。在此情况下，一秒基本上只能传输一帧图像。所以减小图片尺寸很必要。可以考虑将图片的长宽都减小为原来的1/6，再在服务器端进行真彩化处理和打包，放大为320*256的尺寸显示。这样，一帧RGB565的图像的大小约为107*86*2(B)，约为18KB。这样就足够传输相应的数据了。
(3) 分包传输。
UDP协议仅负责传输，不保证对方可靠接收，没有拥塞控制。因此，在WCDMA这种相对来说较差的网络环境下，会造成大量数据包的丢失。实验证明，当一次传输数据量达到18KB（一帧的数据大小）时，丢包率在95%以上，这会严重影响图片质量。当一次传输数据量在1-2KB时，丢包率可以降低到一定值，并保证一定的传输效率。
(4) 每次数据传输之间给与一定延时。
如果将一帧图片分为每个1-2KB数据包来传输，大约要传输15-18次。在每次传输之间，如果不引入一定量的延时，同样会造成很大量的数据包丢失。而延时的时间也是需要把握好的，一般延时500-1000ns比较合适。在传输每帧图片之间，也需要给与一定的延时，此时延时时间过大的话，会造成每秒传输帧数过少，图片流畅率下降，一般传输每帧图片之间给予50ms的延时。
修改后的程序代码：
count=read(fd,cam_data,WIDTH*HEIGHT*2);//缩小图片大小，data_buf为原图像数据，cam_data为缩小后的图像数据，两者都为字符数组类型
if(count==WIDTH*HEIGHT*2){
shrink(data_buf,cam_data,WIDTH,HEIGHT);
for(i=0;i<30;i++){
//用UDP分包传输图像数据
sendto(sockfd,data_buf+(i*32768),32768,0,(struct sockaddr *)&addr,len);
usleep(2000);//给与一定的延时
}
printf("One picture sended!\n");//一帧传输完毕
usleep(100000);
}
else{
printf("Error\n");
}
以上措施可以减少UDP传输视频数据的丢包率，但是，不管怎样，UDP传输数据的丢包现象普遍存在，或多或少会有一些。在3G网速较差的地区，丢包率甚至还是会达到50%。视频数据从摄像头读取后存放在一个无符号字符串数组里，本来是按顺序分割数据进行传输，由于读取的图像数据对应的像素点分布是从左到右、从上到下排布的，如果丢包，会造成接收到的图像的部分图像条无法及时更新，影响肉眼观察图像的质量。下面两张图对比了网络状况较好和较差情况下的显示效果。
上图是网络状况良好情况下的显示效果，可以看出，显示比较流畅，图像质量较好。下图是网络状况较差情况下的显示效果，可以看出，动态图像的某些图像条未及时更新，这是由于决定该图像条的显示的数据包在传输过程中丢包。
为了降低丢包带来的这种损失，可以考虑将每帧图像分成多个位平面并按一定顺序传输，每个位平面代表所有像素的同一位组成的二值图像。如下图所示，是每个位平面传输的顺序（从0开始计数）。
实验证明，每一帧分包传输后，靠前面的数据包丢包率比较小，而每个颜色分量的最高位对图片色彩质量的影响最大，位数越低，对图像色彩质量的影响越小。所以即便后面的位平面数据没有接收到，对图片色彩质量的影响也不会很大。将RGB每种颜色分量的位数按照从最高到最低的顺序进行传输，每种颜色分量对应的位平面穿插进行传输，于是就采用了上图所示的顺序。由于RGB565格式的数据每个像素共16位，一帧图片总共需要分16个位平面数据包传输。为了服务器能够正确进行图片数据的组装，在传输之前，将每个位平面数据包的最前面加上该包传输顺序的值，如下图所示。
终端部分代码如下：
shrink(data_buf,cam_data,WIDTH,HEIGHT);//缩小图片大小，data_buf为原图像数据，cam_data为缩小后的图像数据，两者都为字符数组类型
for(i=0;i<16;i++)
{
bzero(cut_buf,1152);
cut_buf[0]=(uchar)i;//将要传输的数据首个字节设为顺序号
for(j=0;j<9202;j++)
{
//每个像素按位分位平面数据包
cut_buf[j/8+1]|=(uchar)(((uchar)(data_buf[j]>>bit_index(i))&0x01)<<(j%8));
}
sendto(sockfd,cut_buf,1152,0,(struct sockaddr *)&cam_addr,sockaddr_len);//发送数据
usleep(1000);//传输每个数据包之间的延时
}
printf("One picture sended!\n");//传输每帧图像之间的延时
usleep(100000);
在服务器端，用如下函数进行数据的重组，同时进行真彩化处理（C#.NET语言）：
private void picDataCopy(byte[] bBuf,byte[] bData) //bBuf为接收到的数据，bData是重组后的数据存放的数组
{
int index=bBuf[0];
for (int i = 0; i < 9202;i++ )//循环9202次，逐位进行数据的重组
{
if(index<15){
bData[3*i + 2 - (index%3)] |=
(byte)(((bBuf[i/8 + 1] >> (i%8)) & 0x01) << (7 - index/3));
}
else if(index==15){
bData[3*i+1]|=
(byte)(((bBuf[i/8 + 1] >> (i%8)) & 0x01) << 2);
}
}
}
如上图所示，是在改变传输方案后，即采用按位平面传输的方法传输后的显示效果图，在网络良好的情况下，可以正常显示。在网络状况较差的情况下，图像颜色质量会下降，而且会不稳定地变化。但是部分图像条不显示的情况就不再出现。
总结：此方案重在联系，实际工程中肯定不会采取此方案，还是有必要学习视频压缩算法及其在linux上的移植。
本课题研究嵌入式系统在数据采集，3G无线通信方面的应用，开发集视频采集、地理信息采集、无线传输、客户机/服务器模式于一体的车载终端，实现终端采集视频与GPS信息的传输，支持服务器端显示视频与GPS信息的功能。
这里我着重介绍本项目中的视频传输。由于知识水平的缺乏和实验条件的限制，本人并没有采取视频压缩算法。但针对数据量大而且3G网络相对有线网络带宽限制的情况采取了措施。
硬件环境：友善之臂mini2440实验板（ARM9）。
操作系统：linux（终端）、windows7（服务器）。
网络环境：WCDMA（联通3G上网卡）。
Mini2440实验板上有CMOS摄像头接口。同时厂家提供的linux源代码中有摄像头驱动，编译进内核即可使用摄像头。摄像头采用的是OV9650，30万像素，在linux下作为字符串设备驱动，可通过读取设备文件，获得图像信息。
读取摄像头数据的代码如下：
int camdata_count;
int cam_fd=open("/dev/camera",O_RDONLY);
printf("Camera init!\n");
while(1){
camdata_count=read(cam_fd,cam_data,640*512*2);
if(camdata_count==640*512*2){
/*视频数据处理与传输的代码*/
}
else{
printf("CAMERA Error!\n");
}
}
close(cam_fd);
从摄像头中读取的数据格式是RGB565的，如图所示。即红色分量占6位，绿色分量占6位，蓝色分量占5位，总共是16位。
为了作为bmp文件显示，需要将RGB565转换为RGB888（即24位真彩色）。再在文件开头加上bmp文件头，就成为一个完整的bmp文件了。用UDP协议传输这些图像数据。在服务器端，用.NET的库可以将接收到的BMP数据在图形界面的指定组件上显示。
.NET显示图像的代码如下：
// st是一个已经建立的MemoryStream对象，bmp_data是bmp数据（byte数组）,bmpSize是BMP图像大小（单位是B）。
st.Write(bmp_data, 0, bmpSize);
try
{
picBox.Image = Image.FromStream(st);//picBox是已经建立的PictureBox对象，呈现在图形界面上
}
catch (Exception e)
{
richTextBox2.Text += "error\n";//如果BMP数据错误，则输出如下错误
}
//st对象清空
st.SetLength(0);
st.Position = 0;
st.Flush();
流程图如下：
以上方案在有线网络传输的情况下能顺利运行，但是在3G网络下图像几乎不能显示。这是因为3G网络的带宽限制和UDP协议不可靠的缺点，数据在传输过程中会产生丢包现象，影响图片质量。对此需要改善程序代码，增加一些措施来避免丢包：
(1) 将数据转化的工作交给服务器。
BMP文件基本不经过任何压缩，每个像素点占用3个字节（R、G、B分量分别占用一个字节），而从CMOS摄像头读取的数据是RGB565的，即一个像素点只占用2个字节。如果说从CMOS读取的图像信息不经真彩化处理，直接传输给服务器，这样，需要传输的数据量减少了大约1/3。
(2) 减少图像的尺寸。
从CMOS摄像头读取的图像尺寸是640*512的。如果打包成BMP数据的话，总共大小是640*512*3+54(B)，大约960KB。如果说不经真彩化处理，一帧数据总共大小是640*512*2(B)，大约640KB。正常情况下，一秒可以采集6-7帧图像。联通WCDMA理论的上行速率是5.76Mbps，约为720KB/s，实际情况一定低于此值。在此情况下，一秒基本上只能传输一帧图像。所以减小图片尺寸很必要。可以考虑将图片的长宽都减小为原来的1/6，再在服务器端进行真彩化处理和打包，放大为320*256的尺寸显示。这样，一帧RGB565的图像的大小约为107*86*2(B)，约为18KB。这样就足够传输相应的数据了。
(3) 分包传输。
UDP协议仅负责传输，不保证对方可靠接收，没有拥塞控制。因此，在WCDMA这种相对来说较差的网络环境下，会造成大量数据包的丢失。实验证明，当一次传输数据量达到18KB（一帧的数据大小）时，丢包率在95%以上，这会严重影响图片质量。当一次传输数据量在1-2KB时，丢包率可以降低到一定值，并保证一定的传输效率。
(4) 每次数据传输之间给与一定延时。
如果将一帧图片分为每个1-2KB数据包来传输，大约要传输15-18次。在每次传输之间，如果不引入一定量的延时，同样会造成很大量的数据包丢失。而延时的时间也是需要把握好的，一般延时500-1000ns比较合适。在传输每帧图片之间，也需要给与一定的延时，此时延时时间过大的话，会造成每秒传输帧数过少，图片流畅率下降，一般传输每帧图片之间给予50ms的延时。
修改后的程序代码：
count=read(fd,cam_data,WIDTH*HEIGHT*2);//缩小图片大小，data_buf为原图像数据，cam_data为缩小后的图像数据，两者都为字符数组类型
if(count==WIDTH*HEIGHT*2){
shrink(data_buf,cam_data,WIDTH,HEIGHT);
for(i=0;i<30;i++){
//用UDP分包传输图像数据
sendto(sockfd,data_buf+(i*32768),32768,0,(struct sockaddr *)&addr,len);
usleep(2000);//给与一定的延时
}
printf("One picture sended!\n");//一帧传输完毕
usleep(100000);
}
else{
printf("Error\n");
}
以上措施可以减少UDP传输视频数据的丢包率，但是，不管怎样，UDP传输数据的丢包现象普遍存在，或多或少会有一些。在3G网速较差的地区，丢包率甚至还是会达到50%。视频数据从摄像头读取后存放在一个无符号字符串数组里，本来是按顺序分割数据进行传输，由于读取的图像数据对应的像素点分布是从左到右、从上到下排布的，如果丢包，会造成接收到的图像的部分图像条无法及时更新，影响肉眼观察图像的质量。下面两张图对比了网络状况较好和较差情况下的显示效果。
上图是网络状况良好情况下的显示效果，可以看出，显示比较流畅，图像质量较好。下图是网络状况较差情况下的显示效果，可以看出，动态图像的某些图像条未及时更新，这是由于决定该图像条的显示的数据包在传输过程中丢包。
为了降低丢包带来的这种损失，可以考虑将每帧图像分成多个位平面并按一定顺序传输，每个位平面代表所有像素的同一位组成的二值图像。如下图所示，是每个位平面传输的顺序（从0开始计数）。
实验证明，每一帧分包传输后，靠前面的数据包丢包率比较小，而每个颜色分量的最高位对图片色彩质量的影响最大，位数越低，对图像色彩质量的影响越小。所以即便后面的位平面数据没有接收到，对图片色彩质量的影响也不会很大。将RGB每种颜色分量的位数按照从最高到最低的顺序进行传输，每种颜色分量对应的位平面穿插进行传输，于是就采用了上图所示的顺序。由于RGB565格式的数据每个像素共16位，一帧图片总共需要分16个位平面数据包传输。为了服务器能够正确进行图片数据的组装，在传输之前，将每个位平面数据包的最前面加上该包传输顺序的值，如下图所示。
终端部分代码如下：
shrink(data_buf,cam_data,WIDTH,HEIGHT);//缩小图片大小，data_buf为原图像数据，cam_data为缩小后的图像数据，两者都为字符数组类型
for(i=0;i<16;i++)
{
bzero(cut_buf,1152);
cut_buf[0]=(uchar)i;//将要传输的数据首个字节设为顺序号
for(j=0;j<9202;j++)
{
//每个像素按位分位平面数据包
cut_buf[j/8+1]|=(uchar)(((uchar)(data_buf[j]>>bit_index(i))&0x01)<<(j%8));
}
sendto(sockfd,cut_buf,1152,0,(struct sockaddr *)&cam_addr,sockaddr_len);//发送数据
usleep(1000);//传输每个数据包之间的延时
}
printf("One picture sended!\n");//传输每帧图像之间的延时
usleep(100000);
在服务器端，用如下函数进行数据的重组，同时进行真彩化处理（C#.NET语言）：
private void picDataCopy(byte[] bBuf,byte[] bData) //bBuf为接收到的数据，bData是重组后的数据存放的数组
{
int index=bBuf[0];
for (int i = 0; i < 9202;i++ )//循环9202次，逐位进行数据的重组
{
if(index<15){
bData[3*i + 2 - (index%3)] |=
(byte)(((bBuf[i/8 + 1] >> (i%8)) & 0x01) << (7 - index/3));
}
else if(index==15){
bData[3*i+1]|=
(byte)(((bBuf[i/8 + 1] >> (i%8)) & 0x01) << 2);
}
}
}
如上图所示，是在改变传输方案后，即采用按位平面传输的方法传输后的显示效果图，在网络良好的情况下，可以正常显示。在网络状况较差的情况下，图像颜色质量会下降，而且会不稳定地变化。但是部分图像条不显示的情况就不再出现。
总结：此方案重在联系，实际工程中肯定不会采取此方案，还是有必要学习视频压缩算法及其在linux上的移植。