Python樹莓派之如何實(shí)現(xiàn)UDP傳輸視頻幀操作

這篇文章主要介紹Python樹莓派之如何實(shí)現(xiàn)UDP傳輸視頻幀操作，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

具體如下：

因?yàn)槲以谧约汗P記本電腦上沒能成功安裝OpenCV-Contrib模塊，因此不能使用人臉識(shí)別等高級(jí)功能，不過已經(jīng)在樹莓派上安裝成功了，所以我想實(shí)現(xiàn)把樹莓派上采集的視頻幀傳輸?shù)絇C的功能，這樣可以省去給樹莓派配顯示屏的麻煩，而且以后可能可以用在遠(yuǎn)程監(jiān)控上。

1 UDP還是TCP

首先考慮用哪種傳輸方式，平常TCP用的非常多，但是像視頻幀這種數(shù)據(jù)用TCP不是太合適，因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)的傳輸最先要考慮的是速度而不是準(zhǔn)確性，視頻幀的數(shù)據(jù)量很大，幀間隔也非常短，需要盡量保證傳輸速度，同時(shí)丟失一些數(shù)據(jù)是無所謂的。TCP需要維護(hù)連接、保證數(shù)據(jù)包正確，會(huì)耗費(fèi)一些時(shí)間，因此應(yīng)該使用UDP，就像所有參考書上說的，UDP不在乎是否建立連接，也不管數(shù)據(jù)是否能被準(zhǔn)確接收，只關(guān)心能否把數(shù)據(jù)發(fā)送出去而已。

在Python的socket代碼中也可直觀地看到UDP的特點(diǎn)，對(duì)于發(fā)送方，我們通過server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)創(chuàng)建UDP套接字對(duì)象，然后執(zhí)行server.connect((HOST,PORT)) 指定發(fā)送方地址，但其實(shí)connect函數(shù)直接就返回了，不像TCP中的客戶端會(huì)等待連接成功，接著就可直接在套接字對(duì)象上調(diào)用send函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)了，這個(gè)過程根本沒確立連接。

2 圖像傳輸中的編解碼

但是用UDP傳輸圖像有一個(gè)很關(guān)鍵的問題需要考慮，就是圖像的大小。根據(jù)UDP協(xié)議，單個(gè)包的數(shù)據(jù)大小最大只能65507個(gè)字節(jié)（去掉包頭），而一般直接從攝像頭采集的圖像幀的大小比這個(gè)數(shù)要大得多，以我的邏輯C270為例，單幅圖像的大小為480X640X3個(gè)字節(jié)，遠(yuǎn)大于65507，因此一個(gè)包是沒法發(fā)送完的。解決方法有兩種，一種是把圖像拆成幾次進(jìn)行發(fā)送，相應(yīng)的接收端用個(gè)循環(huán)多次接收，這種方法可以完整地接收數(shù)據(jù)，但是速度肯定受到影響，而且可能要添加一些自定義規(guī)則，徒增麻煩；另一種方法就是發(fā)送前先對(duì)圖像進(jìn)行編碼壓縮，接收后再解碼，清晰度會(huì)有所下降，但是可以保持速度上的優(yōu)勢(shì)，這種方式比較合適。

OpenCV中的imencode和imdecode方法可分別用于圖像的編碼和解碼。imencode根據(jù)指定的標(biāo)識(shí)將圖像數(shù)據(jù)編碼并存入緩存區(qū)，函數(shù)原型為cv2.imencode(ext, img[, params]) → retval, buf，ext為文件擴(kuò)展名，指定了存儲(chǔ)格式，如'.jpg'；img為需要編碼的圖像數(shù)據(jù)； params為指定的編碼標(biāo)識(shí)，其形式為paramId_1, paramValue_1, paramId_2, paramValue_2, ... ，對(duì)于jpg格式，可以指定標(biāo)識(shí)為CV_IMWRITE_JPEG_QUALITY ，其對(duì)應(yīng)的值在0到100之間，表示了壓縮質(zhì)量，值越大壓縮率越大，編碼后的數(shù)據(jù)量越小，但解碼后的圖像質(zhì)量也越差。

imdecode從緩存區(qū)讀取圖像數(shù)據(jù)，通過指定標(biāo)識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)指定的解碼格式。imdecode的函數(shù)原型為cv2.imdecode(buf, flags) → retval ，其中flags指定圖像的讀取類型，實(shí)際上就是指定了以多少深度多少通道讀取圖像，比如CV_LOAD_IMAGE_ANYDEPTH（即整數(shù)2）表示單個(gè)通道，深度不變的灰度圖；CV_LOAD_IMAGE_COLOR（即整數(shù)1）表示3通道、8位深度的彩色圖。

3 樹莓派程序

結(jié)合套接字對(duì)象和編解碼函數(shù)，就可以編寫發(fā)送端的代碼了，不過還有一個(gè)需要注意的地方是發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式問題，套接字的發(fā)送和接收都是字節(jié)流，或者說是byte數(shù)組，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要以字節(jié)流格式發(fā)送，接收數(shù)據(jù)后需要把字節(jié)流類型轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)據(jù)類型。

從攝像頭獲取的圖像是480X640X3的numpy.ndarray類型，通過imencode編碼，得到？X1的numpy.ndarray對(duì)象，經(jīng)測(cè)試，這個(gè)對(duì)象可以直接發(fā)送出去；在接收端，獲得的是byte數(shù)組，這個(gè)數(shù)組直接做imdecode的參數(shù)會(huì)報(bào)錯(cuò)，經(jīng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)還需要把數(shù)組轉(zhuǎn)換成numpy.ndarray類型。樹莓派作為發(fā)送端，其Python代碼如下：

import cv2
import numpy
import socket
import struct
HOST='192.168.1.122'
PORT=9999
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #socket對(duì)象
server.connect((HOST,PORT))
print('now starting to send frames...')
capture=cv2.VideoCapture(0) #VideoCapture對(duì)象，可獲取攝像頭設(shè)備的數(shù)據(jù)
try:
  while True:
    success,frame=capture.read()
    while not success and frame is None:
      success,frame=capture.read() #獲取視頻幀
  result,imgencode=cv2.imencode('.jpg',frame,[cv2.IMWRITE_JPEG_QUALITY,50]) #編碼
  server.sendall(struct.pack('i',imgencode.shape[0])) #發(fā)送編碼后的字節(jié)長度，這個(gè)值不是固定的
  server.sendall(imgencode) #發(fā)送視頻幀數(shù)據(jù)
  print('have sent one frame')
except Exception as e:
  print(e)
  server.sendall(struct.pack('c',1)) #發(fā)送關(guān)閉消息
  capture.release()
  server.close()

在代碼中，首先把編碼后的字節(jié)長度發(fā)送了過去，目的是讓接收端可以進(jìn)行簡單的校驗(yàn)，并且接收端可以據(jù)此判斷是否應(yīng)該關(guān)閉程序，相應(yīng)的，自定義單字節(jié)的1為關(guān)閉消息。

4 PC端程序

自己的電腦作為接收端，為了解碼數(shù)據(jù)，需要把原始字節(jié)流轉(zhuǎn)成numpy.ndarray對(duì)象，代碼如下：

import cv2
import numpy
import socket
import struct
HOST='192.168.191.122'
PORT=9999
buffSize=65535
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) #創(chuàng)建socket對(duì)象
server.bind((HOST,PORT))
print('now waiting for frames...')
while True:
  data,address=server.recvfrom(buffSize) #先接收的是字節(jié)長度
  if len(data)==1 and data[0]==1: #如果收到關(guān)閉消息則停止程序
    server.close()
    cv2.destroyAllWindows()
    exit()
  if len(data)!=4: #進(jìn)行簡單的校驗(yàn)，長度值是int類型，占四個(gè)字節(jié)
    length=0
  else:
    length=struct.unpack('i',data)[0] #長度值
  data,address=server.recvfrom(buffSize) #接收編碼圖像數(shù)據(jù)
  if length!=len(data): #進(jìn)行簡單的校驗(yàn)
    continue
  data=numpy.array(bytearray(data)) #格式轉(zhuǎn)換
  imgdecode=cv2.imdecode(data,1) #解碼
  print('have received one frame')
  cv2.imshow('frames',imgdecode) #窗口顯示
  if cv2.waitKey(1)==27: #按下“ESC”退出
    break
server.close()
cv2.destroyAllWindows()

5 測(cè)試

因?yàn)槲覙漭缮系腛penCV只關(guān)聯(lián)了Python2，因此以python2 UDP_Frame_Send.py 的命令啟動(dòng)發(fā)送程序（接好攝像頭）；電腦上，在開始菜單中輸入cmd進(jìn)入Windows的控制臺(tái)，進(jìn)入程序文件目錄，輸入python UDP_Frame_Recv.py啟動(dòng)接收程序，結(jié)果表明可以比較流暢地窗口顯示，不過有幾個(gè)問題，一是在樹莓派上，程序有時(shí)候打不開攝像頭，需要重啟幾次程序，二是在電腦上，recvfrom這個(gè)函數(shù)是阻塞式的，在Windows系統(tǒng)的控制臺(tái)中似乎沒辦法用鍵盤中斷強(qiáng)制從這個(gè)函數(shù)退出，所以如果發(fā)送端出錯(cuò)接收端的程序就沒法正常退出了，對(duì)此可以用TCP&UDP調(diào)試助手手動(dòng)發(fā)送單個(gè)字節(jié)的1來終止程序。

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