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利用VC++实现局域网实时视频传输

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本文针对不同的局域网，提出一种通用的实时视频传输的解决方案。

作者：张勇于金峰蔡骅来源：计算机与信息技术 2007年10月16日

摘要本文针对不同的局域网，提出一种通用的实时视频传输的解决方案。在使用Divx编解码的基础上，提出了从压缩、组帧、发送到接收、解压整个流程的思想，具体实施方案和VC++实现核心源代码以及传输控制策略，有效地保证了高质量的实时视频传输。

　　关键词 客户/服务器；实时视频传输；Divx

　　引言

　　在局域网内部实时传输视频已经得到广泛应用。现在用以传输视频的局域网大多数是有线局域网，因为有线局域网技术成熟，传输速度快，稳定性好。但是视频数据量大，有线网络也会出现工作不稳定，引起数据堵塞，时间久了会导致严重的延迟现象；如果工作的环境不固定，要求移动性，那么就要采用无线网络，如今无线网卡的工作随环境的变化而变得不稳定，这样会导致视频传输的质量大幅度下降，容易引起画面的重影、抖动、花屏等现象。本文针对不同的局域网，提出一种通用的实时视频传输的解决方案，使用VC++自封装的Windows VFW SDK软件开发包进行二次开发，通过Divx编解码，按照制定的传输策略，能够有效地解决由于网络的局部不稳定导致的视频图像重影、抖动、花屏等的问题。

　　局域网中实时视频传输存在的问题

　　为了在局域网上有效的、高质量的传输视频流，需要多种技术的支持，包括视频的压缩、编码技术，应用层质量控制技术等等。

　　网络的带宽是有限的，所以需要压缩传输视频图像，MPEG-4被广泛的应用于网络环境下的实时视频传输，因为MPEG-4具有：可以达到很高的压缩比；具有灵活的编码和解码复杂性；基于对象的编码方式，允许视频、音频对象的交互；具有很强的容错能力等优点。本文采用Divx编解码器对视频进行编码、压缩，实际上Divx=（视频）MPEG-4+（音频）MP3。

　　应用层质量控制技术现在采用的是RTP/RTCP协议，以确保视频流在网络中低时延、高质量地传输。RTP数据传输协议负责音视频数据的流化和负载，RTCP负责RTP数据报文的传输控制。此协议是通过客户端（接收方）反馈网络的状况，服务器端（发送方）来调整信息采集、发送的速度和压缩率。但是，对于图像采集速度固定，需要软件进行压缩、解压，调整采集的速度会引起采集的数据来不及压缩而直接丢弃，调整编码器的压缩率需要重新设置编码器的参数，重启编码器，相应的解码器也要调整，这个过程中需要很长的时间，达不到实时的要求。所以本文没有采用RTP/RTCP协议，而是从发送端出发，实时判断网络状况，采用“停等”策略进行实时传输。

　　网络通信有两种协议TCP和UDP，UDP更适合于网络环境下的视频传输，但是它不提供检错和纠错功能，一旦网络出现堵塞时，大量的数据报文会丢失。对于Divx编解码技术，是以帧为单位进行编解码的，分为关键帧和非关键帧。在传输过程中，由于压缩率比较高，只要一帧中错一比特位，将影响其它几百甚至几千的比特位，直接造成图像的模糊、花屏等现象。只有等到下一次关键帧的到来才有可能恢复图像的清晰。为了保证传输的正确性，自己需要在应用层制定协议。如此一来，UDP的优势荡然无存。所以本文选择使用TCP来进行网络通信。综合使用VFW技术、流媒体技术，辅助以“停等”控制策略，较好的解决局域网中实时视频传输容易引起的重影、抖动、花屏的问题。

　　实时视频传输实现

　　为了达到视频传输的实时性，总的思想是最少的发送冗余信息，最大程度上发送最新的视频。

　　局域网实时视频传输采用服务器/客户机模式，利用VC++实现。其工作流程如图1所示。

图1 实时视频传输工作流程

　　视频采集采用AVICap从视频采集卡捕获视频图像，得到的是位图型式的视频帧，然后用Divx编码器进行压缩，通过Winsock实现压缩后的视频数据在局域网中的实时传输，接收完的数据交给Divx解码器解压，最后实现视频显示。

　　在VC++中，采用VFW技术，客户端通过capSetCallbackOnFrame()注册回调函数，当采集卡采集到一幅图像后，系统就会自动调用回调函数，然后再回调函数中使用ICSeqCompressFrame()函数进行压缩。然后再通过Winsock将压缩后的数据发送到服务器端。服务器端接收完一帧以后，交给ICDecompress()解压，最后用SetDIBitsToDevice()将图像显示出来。

　　1、视频帧的组建

　　视频采集的数据是位图型式的视频帧，Divx编码器压缩以后形成以帧为格式的Mpeg4流。Divx解码器也是以帧的格式解压。所以提出以帧为单位发送视频数据流。为了在接收端能够方便地提取出一帧，提出如图2所示的格式组建帧。

帧开始标志

帧大小

帧编号

帧类型

帧数据

图2 视频帧格式

　　完整的一帧由5个字段组成，各个字段的意义如下：帧开始标志，标志着一帧地开始，占用4个字节的空间。不妨设为0xffffffff。帧大小，表示整个帧的大小，包括5个字段的大小，占用4个字节的空间。帧编号，表示帧的顺序编号，占用4个字节的空间。帧类型，标志此帧是否是关键帧，占用1个字节的空间。帧数据，存放压缩后一帧的完整数据。

　　2、视频帧的发送

　　实时视频传输为了实时，要不断地将压缩好的数据发送到接受端。所以在发送端创建一个线程，专门用来发送数据。同时主线程仍然不停的采集数据并进行压缩。发送线程的工作流程如图3所示。

图3 发送线程工作流程

　　不妨假设创建的线程名为sendThread，核心代码实现如下：

while(1)
{
　isOK=true; //准备就绪
　SuspendThread(sendThread); //挂起线程
　isOK=false; //线程正在发送数据
　int length=frameLength; //待发数据长度
　if(length<50000) {//判断数据是否正常
　　int n=0;
　　int sendCount=0;
　　while(length>0) {
　　　n=send(sock,(char*)imageBuf+sendCount,length,0); //发送数据，
　　　//imageBuf是指针，指向待发数据帧
　　　if(n==SOCKET_ERROR) //网络出现异常，则退出线程
　　　　break;
　　　length-=n;
　　　sendCount+=n;
　　}
　}
}

　　线程中发送的数据帧是按照上一节中的方法组建好的数据帧。这种方法能够保证正在发送的当前帧能够完整地到达接收端。

　　注意此线程中刚开始或者每当发送完一帧以后，线程就转到挂起状态，等待外界唤醒。这个任务由回调函数完成，在回调函数中，判定如果发送线程准备就绪（处于挂起状态），则进行图像压缩，然后唤醒线程发送压缩完的数据，否则直接跳出，等待下一次调用回调函数，这种策略称之为“停等”策略，在后面有详细介绍。

　　3、视频帧的接收

　　接收端最重要的是从接受的数据流中提取出完整的一帧。方法的思想是：首先从数据流中寻找帧开始标志，再从紧挨后面的数据中提取出帧的大小，然后再从接收缓冲区中读入该帧剩余的数据。再寻找下一帧的开始标志，如此往复。图4是接收端的工作流程。

　　同样接收端创建一个线程专门用来执行数据接收。不妨假设线程名为recThread，核心代码实现如下：

while(temp!=SOCKET_ERROR)
{
　if(!isStart) {//帧数据是否开始，true表示开始
　　if(endNum>3) //endNum纪录当前接收未处理的数据
　　　endNum=0;
　　temp=recv(clisock,(char*)(recBuf+endNum),1000,0);//从缓冲区读取数据
　　startPos=serchStr(temp+endNum); //查找帧开始标志
　　if(startPos!=-1) {
　　　isStart=true;
　　　endNum=temp+endNum-startPos-4;
　　　memcpy(imageBuf,recBuf+startPos+4,endNum); //保存帧数据
　　}
　　else{
　　　memcpy(recBuf,recBuf+temp+endNum-3,3);//保存最后三个字节的数据
　　　endNum=3;
　　}
　}
　else{
　　if(endNum<4) {//判定紧跟开始标志的数据，如果小于4表示不能获得帧大小
　　　temp=recv(clisock,(char*)(recBuf),1000,0); //读入数据
　　　memcpy(imageBuf+endNum,recBuf,temp);//保存数据
　　　endNum+=temp;
　　　if(endNum<4)
　　　　continue;
　　　frameSize= *((int*)imageBuf);//获得帧大小
　　　if(frameSize<500 || frameSize>50000) {//异常处理（帧大小非法）
　　　　isStart = false; //丢弃数据重新查找帧开始标志
　　　　endNum = 0;
　　　　continue;
　　　}
　　　frameSize-=endNum+4;
　　}
　　else{
　　　while(frameSize>0&&temp!=SOCKET_ERROR) {//获得完整帧的剩余数据
　　　　temp=recv(clisock,(char*)(imageBuf+endNum),frameSize,0);
　　　　endNum+=temp;
　　　　frameSize-=temp;
　　　}
　　　if(frameSize<=0) {//帧结束置位，解压
　　　　isStart=false;
　　　　endNum=0;
　　　　deCompress();//判断数据的有效性，调用ICDecompress进行解压
　　　}
　　}
　}
}

　　以上程序执行的结果是将完整的一帧（除帧开始标志）保存在imageBuf中。

　　4、“停等”控制策略

　　如果局域网通信速率很高，而且工作稳定，则按照以上说的方法进行实时视频传输，不需要任何控制策略，就可以达到非常好的效果。但是在很多情况下，网络会出现异常，这样会导致数据传输率明显下降，造成发送端数据积压，等待发送的数据不能正常发出去。此时就要采取一定的策略来控制发送端，以达到实时性的要求。

　　上文发送程序中，变量isOK是用来表示发送端当前帧有没有发完，如果发完则置为true，同时也表示发送端准备就绪，可以继续发送数据，否则为false。那么可以用isOK来通知视频采集和压缩线程，如果isOK为true，则可以采集视频并且压缩，然后唤醒发送线程继续发送新来的帧数据，否则一直等待，直到网络可以继续发送数据（isOK为true）。当然，视频采集一直不停的进行，那么当网络发生数据堵塞时，只要不让编码器进行压缩则可解决；当网络恢复正常时，继续进行压缩传输，换句话说，当网络发生堵塞时，直接抛弃等待发送的帧，保证一旦网络恢复时，发送最新的压缩帧。当然要保证一旦有一帧开始发送，就要将其完全发出。

　　按照这样的“停等”策略进行实时视频传输，只会带来一个问题：当网络质量差时，接收端画面中的移动目标会出现瞬间移动的现象。但是这种策略会保证不会出现重影，抖动，花屏等现象。

　　结论

　　本文提出的实时视频传输方案在100M的局域网、10M局域网和11M无线局域网中进行了测试。测试时让一个目标在镜头前（发送端）移动，观察接收端视频的显示。在不同的局域网中进行了多次测试，每次测试时间从10分钟到30分钟不等，并且改变目标的运动速度进行实验。最后将数据汇总，得出统计结果。测试结果如表1所示。

　　表1 不同局域网下的测试结果

	剧烈运动	正常运动	缓慢运动
100M局域网	图像清晰，很流畅	图像清晰，很流畅	图像清晰，很流畅
10M局域网	偶尔出现停顿，丢帧率1%左右	图像清晰，人眼感觉流畅	图像清晰，很流畅
11M无线局域网	经常出现停顿，丢帧率5%-6%	经常出现停顿，丢帧率2%-3%	偶尔出现停顿，丢帧率1%左右