基于H264的數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

羅 敏 李 輝 羅亞東

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院信息工程系 崇州 611230)(2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院信息技術(shù)分院 成都 611130)

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基于H264的數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

羅 敏1李 輝2羅亞東1

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院信息工程系 崇州 611230)(2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院信息技術(shù)分院 成都 611130)

隨著技術(shù)的發(fā)展，各種無線技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛地應用于數(shù)碼影像的拍攝、傳輸和應用領(lǐng)域。提出了基于H264和IEEE802.11無線網(wǎng)絡的數(shù)碼攝影棚中的視頻傳輸系統(tǒng)架構(gòu)。利用數(shù)碼單反相機、無線傳輸器、計算機和無線網(wǎng)絡技術(shù)，建立圖片信息傳輸回路，實現(xiàn)計算機等終端遙控拍攝照相機，并通過顯示器和投影儀，觀看教師用數(shù)碼相機拍攝畫面的實驗效果，短時間內(nèi)輸送大批量的高清照片。無線傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時拍攝畫面比對效果，提高學生實踐操作的信心，達到即便在擴大學生規(guī)模的情況下更好地培養(yǎng)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)人才的目的。

無線視頻傳輸; 數(shù)碼攝影; IEEE802.11; H.264視頻壓縮編碼

Class Number TN702

1 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種無線技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛地應用于數(shù)碼影像的拍攝、傳輸和應用領(lǐng)域。無線傳輸技術(shù)的加入，迫使高校攝影工作者必須就“深化數(shù)字化教改”、“有效教學”等問題進行深入思考，積極提高攝影課程的教學的效率[1]。首先，數(shù)碼相機的取景區(qū)較小，無法使多數(shù)學生在聽教師講解的同時觀摩規(guī)范操作示范，并在短時間內(nèi)觀看到室內(nèi)布光、實景構(gòu)圖、調(diào)整焦點等相關(guān)實驗的取景和拍攝效果,不能將自己直接拍攝的效果與教師示范拍攝效果進行比較，就會缺少信心[2]；其二，對于每學期都承擔1000名以上學生的照片拍攝采集工作的攝影棚，短時間內(nèi)輸送大量照片顯然是一個巨大的負擔；其三，攝影實驗室要求除了投影機與顯示幕布外，所有的設備都需要能移動，若運用定位布線方式及有線影音傳輸設備搭建系統(tǒng)傳統(tǒng)多媒體教室建設手段顯然無法滿足建設需求。因此，無線高清傳輸設備成了實現(xiàn)這種模式建設的核心，基于H264和IEEE802.11無線網(wǎng)絡的數(shù)碼攝影棚中的視頻傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)，解決了實時遙控拍攝演示，高清照片快速傳輸?shù)葐栴}。

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，在影樓和攝影工作室，攝影師們主要利用無線傳輸技術(shù)來傳輸拍攝的高清照片，也有攝影愛好者在智能手機里安裝與數(shù)碼相機相匹配的APP，然后利用手機對相機遙控拍攝。

在國內(nèi)高校攝影課程依托無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)實時遙控拍攝和實時傳輸照片較少。一方面是基于購置相關(guān)設備需要成本，另一方面構(gòu)建環(huán)境需要教師對無線傳輸技術(shù)有相當熟練的運用能力[3]。筆者查閱到的典型案例是新疆師范大學劉學勇老師在攝影實踐教學中利用有線電視技術(shù)(CATV)建立圖片信息傳輸回路，實現(xiàn)了學生通過顯示器和電視,觀看到教師用數(shù)碼相機對攝影用光和構(gòu)圖等取景和拍攝畫面的實驗效果的實時演示[4]。但是，相比幾年前的有線傳輸，當下有線傳輸與無線傳輸在成本上的差異幾乎可以忽略，無線傳輸技術(shù)日趨成熟，并因其更具有自由性和使用方便性，在很多場合可能更希望使用無線傳輸技術(shù)?；趯σ陨犀F(xiàn)狀的分析，筆者認為利用無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)碼攝影有效教學具有很好的現(xiàn)實意義。

2 無線視頻傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線視頻傳輸技術(shù)

無線視頻傳輸技術(shù)屬于視頻圖像錄制系統(tǒng)中的一個組成部分，目的是將影音信號進行無線傳輸。為了滿足這一功能的實現(xiàn)，就需要借助無線視頻傳輸技術(shù)的運用。目前近距離數(shù)據(jù)無線傳輸根據(jù)所使用的傳輸協(xié)議的不同分為幾類：紅外線傳輸、藍牙傳輸、WiFi無線傳輸技術(shù)[5]。三種傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點詳見表1。

由表可知，WiFi無線局域網(wǎng)具有快捷方便的無線接入、靈活多變的拓撲結(jié)構(gòu)、易于維護管理、建設成本低廉等優(yōu)點，是構(gòu)建數(shù)碼攝影棚無線局域網(wǎng)絡系統(tǒng)有效的無線通信平臺。

表1 三種傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點

2.2 視頻編碼技術(shù)

目前國內(nèi)采用的視頻編碼標準主要有MPEG-4和H.264。這兩種編解碼標準的碼率都較低，占用帶寬資源小[6～7]。兩種主流視頻標準特點與應用見表2。

表2 MPEG-4與H.264特點與應用

由于H.264 具有超高的壓縮率，其壓縮率為MPEG-4的1.5倍，能夠在較低帶寬(2M以內(nèi))情況下提供高質(zhì)量(類似DVD畫質(zhì))的圖像傳輸。此外，H.264 碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應無線網(wǎng)絡的應用。在校園網(wǎng)帶寬相對短缺的情況下，選擇H.264是比較理想的。

3 數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)的設計與 實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)利用數(shù)碼單反相機、采集外部圖像信號，經(jīng)相機數(shù)字影像處理器DIGIC 5+芯片里的H.264硬件編碼器完成對圖像的一系列處理和編碼，封裝成MOV視頻格式，之后利用無線傳輸器WFT-E7C將已編碼的視頻圖像數(shù)據(jù)送到WIFi模塊里進行傳輸，通過攝影棚的無線接入點把數(shù)據(jù)傳送到教師PC機上并利用相機配套軟件Eos Unity進行解碼播放，同時將已編碼的視頻圖像數(shù)據(jù)打包，通過上傳到投影系統(tǒng)，建立圖片信息傳輸回路，實現(xiàn)計算機等終端遙控拍攝照相機，并通過顯示器和投影儀，實時觀看教師用數(shù)碼相機拍攝的畫面效果，并實現(xiàn)短時間內(nèi)輸送大批量照片等功能[8]。

數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)總體框架圖

3.2 數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由五大模塊組成：圖像視頻信號采集模塊、PCI總線數(shù)據(jù)交互模塊、視頻信號編碼數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊和教學顯示模塊。

1) 視頻信號采集模塊

視頻信號采集是本系統(tǒng)的一個重要部分，它負責采集外部輸入的模擬視頻信號，將其作模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進行抽樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。系統(tǒng)采用Canon公司的數(shù)碼單反相機完成視頻信號的采集，其特點是一個芯片便可完成視頻信號和同步信號的分離，接收并解碼來自自身拍攝的 PAL/NTSC 制的復合視頻或Y/C信號，輸出 ITU-656 YUV 4:2:2 數(shù)字視頻信號，采集的視頻質(zhì)量好，通用性強[9]。

2) PCI 總線數(shù)據(jù)交互模塊

針對教學系統(tǒng)中提出的大流量實時數(shù)據(jù)處理的問題，采用基于 PCI 總線接口的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，在視頻采集高傳輸帶寬要求的設備中有著獨有的優(yōu)勢。教學系統(tǒng)的 PC 機提供了現(xiàn)成的 PCI 接口，在保證教學功能的前提下，使得成本更加低廉。從而避免了使用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所帶來的研發(fā)成本高和周期長等問題。

3) 視頻信號編碼數(shù)據(jù)處理模塊

本設計應用程序EOS Utility的開發(fā)主要集中在視頻數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸和視頻數(shù)據(jù)的捕獲、編解碼、存儲和回放等方面。利用該軟件，不需要在處理硬件設備和數(shù)據(jù)格式差異上花費大量的精力，其程序代碼具有復用性。內(nèi)部集成了多媒體加速內(nèi)核(Multimedia Acceleration)，內(nèi)含 H.264 編譯碼器，可以實現(xiàn)對視頻文件的硬件解碼。

圖2是 H.264 編碼器的框架結(jié)構(gòu)，編碼器處理的最小單位是宏塊。其中輸入的Fn以宏塊為單位，其預測值P是通過已編碼的參考圖像，經(jīng)運動補償(MC)后得到。uFn代表參考圖像。預測值P和當前塊相減，得到殘差塊Dn，經(jīng)塊變換和量化后，得到變換系數(shù)X，經(jīng)熵編碼后，與解碼所需的一些邊信息組成一個壓縮后的碼流[10～11]。

圖2 H.264編碼器的框架結(jié)構(gòu)

視頻解碼器部分軟件代碼如下：

void alloc_encoder( EncoderParams **p_Enc)//分配編碼器

void init_encoder(VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//初始化編碼器

void encode_sequence(VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//編碼一個序列

int encode_one_frame (VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//編碼一幀void perform_encode_frame(VideoParameters *p_Vid)//執(zhí)行一幀的編碼工作

void code_a_picture(VideoParameters *p_Vid, Picture *pic)//編碼一個圖像

int encode_one_slice (VideoParameters *p_Vid, int SliceGroupId, int TotalCodedMBs)//編碼一個slice

encode_one_macroblock(Macroblock *currMB)//編碼一個宏塊void free_encoder (EncoderParams *p_Enc)// 釋放編碼器

int OpenDecoder(InputParameters *p_Inp)//打開解碼器

int Decode_One_Frame(DecodedPicList **ppDecPicList)//解碼一幀的外層循環(huán)

int decode_one_frame(DecoderParams *pDecoder)//解碼一幀

void decode_slice(Slice *currSlice, int current_header)//解碼一個slice

int decode_one_macroblock(Macroblock *currMB, StorablePicture *dec_picture)//解碼一個宏塊

int CloseDecoder()//關(guān)閉解碼器

4) 網(wǎng)絡傳輸模塊

該系統(tǒng)可將相機拍攝內(nèi)容以無線方式實時傳輸并顯示到教學屏幕上，并提供教學演示、圖像視頻處理功能。該模塊對應IEEE802.11n標準，傳輸速度較快。具備自動再發(fā)送功能，即使發(fā)生通信障礙也能在恢復連接時自動發(fā)送之前未發(fā)送文件[2]。系統(tǒng)主要包含無線發(fā)射模塊和接收模塊，可支持EOS 5D Mark III的接口匹配；傳輸速率：IEEE 802.11N-HT20:最大72MBPS，IEEE 802.11N-HT40:最大150MBPS。無線網(wǎng)絡傳輸模塊如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)絡傳輸模塊

5) 教學顯示模塊

這其實是一個信息接收處理平臺，就是將接收到的視頻數(shù)據(jù)進行解碼并在終端顯示出來，提供教學演示、圖像視頻處理功能。視頻信號處理終端：視頻分配，VGA接口，至少支持兩路輸出。

4 數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)的應用

數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)已應用于數(shù)碼攝影教學和學生電子照片信息采集批量傳輸中。

4.1 遙控拍攝系統(tǒng)的應用

利用Canon數(shù)碼單反相機、EOS Utility軟件、WFT無線傳輸器、計算機和無線網(wǎng)絡技術(shù)，建立圖片信息傳輸回路，實現(xiàn)計算機、智能手機等終端遙控拍攝照相機，并通過顯示器和投影儀，觀看教師用數(shù)碼相機拍攝畫面的實驗效果。實際應用主要有以下步驟：

1) 配置通信設置

圖4 配置通信設置

2) 啟動網(wǎng)頁瀏覽器輸入網(wǎng)址，然后在登錄界面輸入登錄名和密碼

3) WFT配對軟件

圖5 配對軟件

4) 使用EOS Utility軟件和WFT服務器遙控拍攝

圖6 遙控拍攝實時界面及按鈕

4.2 數(shù)碼照片批量無線傳輸系統(tǒng)的應用

拍攝圖像后，可以選擇多個想要的圖像并一次性地傳輸這些圖像?？梢詡鬏斘窗l(fā)送的圖像或之前傳輸失敗的圖像。在傳輸圖像期間可以繼續(xù)靜止圖像的拍攝。實際應用主要有以下方式和步驟：

1) 在菜單中選擇【圖像傳輸】；2) 選擇【圖像選擇/傳輸】； 3) 選擇【選擇圖像】/【選擇】/【全部圖像】；4) 選擇需要傳輸?shù)恼掌瑘D像；5) 傳輸圖像；6) 檢查傳輸歷史記錄。

圖7 遙控拍攝實時界面及按鈕

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型的數(shù)碼攝影無線視頻傳輸系統(tǒng)，其特點就是傳輸速度快、抗干擾性強、便捷易用。此項技術(shù)采用無線傳輸，節(jié)省了各實驗設備之間的電纜連接，避免了支架在移動過程中對電纜的損傷，減少了維護工作量，提高了設備的可靠性。合理利用無線傳輸技術(shù)和相應的網(wǎng)絡技術(shù)的確能實現(xiàn)即便在擴大學生規(guī)模的情況下更好地培養(yǎng)數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)人才的目的。以此提升學生的專業(yè)能力和促進教師的信息化教學能力。今后工作中，將進一步研究如何利用無線傳輸技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立一個智慧型的信息化教學環(huán)境。

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Design and Construction of Digital Photography Wireless Transmission System Based on the H264 Video Compression Encoding

LUO Min1LI Hui2LUO Yadong1

(1.Department of Information Engineering,Sichuan Water Conservancy Vocational College, Chongzhou 611230) (2.Department of Information Technology, Chengdu Agricultural College, Chengdu 611130)

With the development of technology, various kinds of wireless technology has been widely used in the fields of digital imaging video, transmission and application. The video transmission system architecture of the digital studio has been proposed based on the H264 and IEEE802.11 wireless network. Digital single-lens reflex camera, wireless transmitter, computer and wireless network technology are used to establish image information transmission circuits to achieve the remote control film camera by the computer. Then, people can watch the experiment effect taken by teacher with the digital camera and transport large quantities of high-definition pictures in a short time. The wireless transmission system could achieve the goal of real-time footage comparison, improve the practical operation confidence of the students, and achieve the purpose of better to training specialists in the field of digital media technology even in the case of enlarging the students scale.

wireless video transmission, digital photography, IEEE802.11, H.264 video compression encoding

2016年5月8日,

2016年6月28日

四川省教育廳自然科學項目(編號：16ZB0417);四川水利職業(yè)技術(shù)學院2016年教改項目(編號:YJG1604)資助。

羅敏,女,碩士,講師,研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。李輝,女,碩士，講師，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。羅亞東,男,副教授,研究方向：計算機網(wǎng)絡。

TN702

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.036