Python树莓派学习笔记之UDP传输视频帧操作详解

本文实例讲述了Python树莓派学习笔记之UDP传输视频帧操作。分享给大家供大家参考，具体如下：

因为我在自己笔记本电脑上没能成功安装OpenCV-Contrib模块，因此不能使用人脸识别等高级功能，不过已经在树莓派上安装成功了，所以我想实现把树莓派上采集的视频帧传输到PC的功能，这样可以省去给树莓派配显示屏的麻烦，而且以后可能可以用在远程监控上。

1 UDP还是TCP

首先考虑用哪种传输方式，平常TCP用的非常多，但是像视频帧这种数据用TCP不是太合适，因为视频数据的传输最先要考虑的是速度而不是准确性，视频帧的数据量很大，帧间隔也非常短，需要尽量保证传输速度，同时丢失一些数据是无所谓的。TCP需要维护连接、保证数据包正确，会耗费一些时间，因此应该使用UDP，就像所有参考书上说的，UDP不在乎是否建立连接，也不管数据是否能被准确接收，只关心能否把数据发送出去而已。

在Python的socket代码中也可直观地看到UDP的特点，对于发送方，我们通过server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)创建UDP套接字对象，然后执行server.connect((HOST,PORT)) 指定发送方地址，但其实connect函数直接就返回了，不像TCP中的客户端会等待连接成功，接着就可直接在套接字对象上调用send函数发送数据了，这个过程根本没确立连接。

2 图像传输中的编解码

但是用UDP传输图像有一个很关键的问题需要考虑，就是图像的大小。根据UDP协议，单个包的数据大小最大只能65507个字节（去掉包头），而一般直接从摄像头采集的图像帧的大小比这个数要大得多，以我的逻辑C270为例，单幅图像的大小为480X640X3个字节，远大于65507，因此一个包是没法发送完的。解决方法有两种，一种是把图像拆成几次进行发送，相应的接收端用个循环多次接收，这种方法可以完整地接收数据，但是速度肯定受到影响，而且可能要添加一些自定义规则，徒增麻烦；另一种方法就是发送前先对图像进行编码压缩，接收后再解码，清晰度会有所下降，但是可以保持速度上的优势，这种方式比较合适。

OpenCV中的imencode和imdecode方法可分别用于图像的编码和解码。imencode根据指定的标识将图像数据编码并存入缓存区，函数原型为cv2.imencode(ext, img[, params]) → retval, buf，ext为文件扩展名，指定了存储格式，如'.jpg'；img为需要编码的图像数据； params为指定的编码标识，其形式为paramId_1, paramValue_1, paramId_2, paramValue_2, ... ，对于jpg格式，可以指定标识为CV_IMWRITE_JPEG_QUALITY ，其对应的值在0到100之间，表示了压缩质量，值越大压缩率越大，编码后的数据量越小，但解码后的图像质量也越差。

imdecode从缓存区读取图像数据，通过指定标识，可以实现指定的解码格式。imdecode的函数原型为cv2.imdecode(buf, flags) → retval ，其中flags指定图像的读取类型，实际上就是指定了以多少深度多少通道读取图像，比如CV_LOAD_IMAGE_ANYDEPTH（即整数2）表示单个通道，深度不变的灰度图；CV_LOAD_IMAGE_COLOR（即整数1）表示3通道、8位深度的彩色图。

3 树莓派程序

结合套接字对象和编解码函数，就可以编写发送端的代码了，不过还有一个需要注意的地方是发送和接收的数据格式问题，套接字的发送和接收都是字节流，或者说是byte数组，发送数据时需要以字节流格式发送，接收数据后需要把字节流类型转换成合适的数据类型。

从摄像头获取的图像是480X640X3的numpy.ndarray类型，通过imencode编码，得到？X1的numpy.ndarray对象，经测试，这个对象可以直接发送出去；在接收端，获得的是byte数组，这个数组直接做imdecode的参数会报错，经调试，发现还需要把数组转换成numpy.ndarray类型。树莓派作为发送端，其Python代码如下：

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对象
server.connect((HOST,PORT))
print('now starting to send frames...')
capture=cv2.VideoCapture(0) #VideoCapture对象，可获取摄像头设备的数据
try:
  while True:
    success,frame=capture.read()
    while not success and frame is None:
      success,frame=capture.read() #获取视频帧
  result,imgencode=cv2.imencode('.jpg',frame,[cv2.IMWRITE_JPEG_QUALITY,50]) #编码
  server.sendall(struct.pack('i',imgencode.shape[0])) #发送编码后的字节长度，这个值不是固定的
  server.sendall(imgencode) #发送视频帧数据
  print('have sent one frame')
except Exception as e:
  print(e)
  server.sendall(struct.pack('c',1)) #发送关闭消息
  capture.release()
  server.close()

在代码中，首先把编码后的字节长度发送了过去，目的是让接收端可以进行简单的校验，并且接收端可以据此判断是否应该关闭程序，相应的，自定义单字节的1为关闭消息。

4 PC端程序

自己的电脑作为接收端，为了解码数据，需要把原始字节流转成numpy.ndarray对象，代码如下：

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) #创建socket对象
server.bind((HOST,PORT))
print('now waiting for frames...')
while True:
  data,address=server.recvfrom(buffSize) #先接收的是字节长度
  if len(data)==1 and data[0]==1: #如果收到关闭消息则停止程序
    server.close()
    cv2.destroyAllWindows()
    exit()
  if len(data)!=4: #进行简单的校验，长度值是int类型，占四个字节
    length=0
  else:
    length=struct.unpack('i',data)[0] #长度值
  data,address=server.recvfrom(buffSize) #接收编码图像数据
  if length!=len(data): #进行简单的校验
    continue
  data=numpy.array(bytearray(data)) #格式转换
  imgdecode=cv2.imdecode(data,1) #解码
  print('have received one frame')
  cv2.imshow('frames',imgdecode) #窗口显示
  if cv2.waitKey(1)==27: #按下“ESC”退出
    break
server.close()
cv2.destroyAllWindows()

5 测试

因为我树莓派上的OpenCV只关联了Python2，因此以python2 UDP_Frame_Send.py 的命令启动发送程序（接好摄像头）；电脑上，在开始菜单中输入cmd进入Windows的控制台，进入程序文件目录，输入python UDP_Frame_Recv.py启动接收程序，结果表明可以比较流畅地窗口显示，不过有几个问题，一是在树莓派上，程序有时候打不开摄像头，需要重启几次程序，二是在电脑上，recvfrom这个函数是阻塞式的，在Windows系统的控制台中似乎没办法用键盘中断强制从这个函数退出，所以如果发送端出错接收端的程序就没法正常退出了，对此可以用TCP&UDP调试助手手动发送单个字节的1来终止程序。

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希望本文所述对大家Python程序设计有所帮助。