羅 敏 李 輝 羅亞東

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 崇州 611230)(2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)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(shè)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(xué)院信息工程系 崇州 611230)(2.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)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(yīng)用于數(shù)碼影像的拍攝、傳輸和應(yīng)用領(lǐng)域。提出了基于H264和IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xué)生實踐操作的信心，達(dá)到即便在擴(kuò)大學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種無線技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼影像的拍攝、傳輸和應(yīng)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(xué)”等問題進(jìn)行深入思考，積極提高攝影課程的教學(xué)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(xué)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(jìn)行比較，就會缺少信心[2]；其二，對于每學(xué)期都承擔(dān)1000名以上學(xué)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(fù)擔(dān)；其三，攝影實驗室要求除了投影機與顯示幕布外，所有的設(shè)備都需要能移動，若運用定位布線方式及有線影音傳輸設(shè)備搭建系統(tǒng)傳統(tǒng)多媒體教室建設(shè)手段顯然無法滿足建設(shè)需求。因此，無線高清傳輸設(shè)備成了實現(xiàn)這種模式建設(shè)的核心，基于H264和IEEE802.11無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)碼攝影棚中的視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(dāng)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(xué)劉學(xué)勇老師在攝影實踐教學(xué)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(xué)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(dāng)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)。基于對以上現(xiàn)狀的分析，筆者認(rèn)為利用無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)碼攝影有效教學(xué)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(jìn)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(lán)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、易于維護(hù)管理、建設(shè)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)主要有MPEG-4和H.264。這兩種編解碼標(biāo)準(zhǔn)的碼率都較低，占用帶寬資源小[6～7]。兩種主流視頻標(biāo)準(zhǔn)特點與應(yīng)用見表2。

表2 MPEG-4與H.264特點與應(yīng)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(luò)適應(yīng)性強，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(shè)計與 實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)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(jìn)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(jìn)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(luò)傳輸模塊和教學(xué)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(fù)責(zé)采集外部輸入的模擬視頻信號，將其作模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)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(fù)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(xué)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(shè)備中有著獨有的優(yōu)勢。教學(xué)系統(tǒng)的 PC 機提供了現(xiàn)成的 PCI 接口，在保證教學(xué)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(shè)計應(yīng)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(shè)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(fù)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(yù)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(yù)測值P和當(dāng)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(luò)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(xué)屏幕上，并提供教學(xué)演示、圖像視頻處理功能。該模塊對應(yīng)IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)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(luò)傳輸模塊如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

5) 教學(xué)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(jìn)行解碼并在終端顯示出來，提供教學(xué)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(yīng)用

數(shù)碼攝影無線傳輸系統(tǒng)已應(yīng)用于數(shù)碼攝影教學(xué)和學(xué)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(yīng)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(luò)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(yīng)用主要有以下步驟：

1) 配置通信設(shè)置

圖4 配置通信設(shè)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(wù)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(hù)工作量，提高了設(shè)備的可靠性。合理利用無線傳輸技術(shù)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的確能實現(xiàn)即便在擴(kuò)大學(xué)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(xué)生的專業(yè)能力和促進(jìn)教師的信息化教學(xué)能力。今后工作中，將進(jìn)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(xué)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(xué)項目(編號：16ZB0417);四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)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(luò)。

TN702

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.036