基于H264的数码摄影无线传输系统的设计与实现*

罗 敏 李 辉 罗亚东

(1.四川水利职业技术学院信息工程系 崇州 611230)(2.成都农业科技职业学院信息技术分院 成都 611130)



基于H264的数码摄影无线传输系统的设计与实现*

罗 敏1李 辉2罗亚东1

(1.四川水利职业技术学院信息工程系 崇州 611230)(2.成都农业科技职业学院信息技术分院 成都 611130)

随着技术的发展，各种无线技术已经开始被广泛地应用于数码影像的拍摄、传输和应用领域。提出了基于H264和IEEE802.11无线网络的数码摄影棚中的视频传输系统架构。利用数码单反相机、无线传输器、计算机和无线网络技术，建立图片信息传输回路，实现计算机等终端遥控拍摄照相机，并通过显示器和投影仪，观看教师用数码相机拍摄画面的实验效果，短时间内输送大批量的高清照片。无线传输系统可以实现实时拍摄画面比对效果，提高学生实践操作的信心，达到即便在扩大学生规模的情况下更好地培养数字媒体技术专业人才的目的。

无线视频传输; 数码摄影; IEEE802.11; H.264视频压缩编码

Class Number TN702

1 引言

随着科学技术的发展，各种无线技术已经开始被广泛地应用于数码影像的拍摄、传输和应用领域。无线传输技术的加入，迫使高校摄影工作者必须就“深化数字化教改”、“有效教学”等问题进行深入思考，积极提高摄影课程的教学的效率[1]。首先，数码相机的取景区较小，无法使多数学生在听教师讲解的同时观摩规范操作示范，并在短时间内观看到室内布光、实景构图、调整焦点等相关实验的取景和拍摄效果,不能将自己直接拍摄的效果与教师示范拍摄效果进行比较，就会缺少信心[2]；其二，对于每学期都承担1000名以上学生的照片拍摄采集工作的摄影棚，短时间内输送大量照片显然是一个巨大的负担；其三，摄影实验室要求除了投影机与显示幕布外，所有的设备都需要能移动，若运用定位布线方式及有线影音传输设备搭建系统传统多媒体教室建设手段显然无法满足建设需求。因此，无线高清传输设备成了实现这种模式建设的核心，基于H264和IEEE802.11无线网络的数码摄影棚中的视频传输网络架构，解决了实时遥控拍摄演示，高清照片快速传输等问题。

随着无线技术的发展，在影楼和摄影工作室，摄影师们主要利用无线传输技术来传输拍摄的高清照片，也有摄影爱好者在智能手机里安装与数码相机相匹配的APP，然后利用手机对相机遥控拍摄。

在国内高校摄影课程依托无线传输技术实现实时遥控拍摄和实时传输照片较少。一方面是基于购置相关设备需要成本，另一方面构建环境需要教师对无线传输技术有相当熟练的运用能力[3]。笔者查阅到的典型案例是新疆师范大学刘学勇老师在摄影实践教学中利用有线电视技术(CATV)建立图片信息传输回路，实现了学生通过显示器和电视,观看到教师用数码相机对摄影用光和构图等取景和拍摄画面的实验效果的实时演示[4]。但是，相比几年前的有线传输，当下有线传输与无线传输在成本上的差异几乎可以忽略，无线传输技术日趋成熟，并因其更具有自由性和使用方便性，在很多场合可能更希望使用无线传输技术。基于对以上现状的分析，笔者认为利用无线传输技术实现数码摄影有效教学具有很好的现实意义。

2 无线视频传输系统的关键技术

2.1 无线视频传输技术

无线视频传输技术属于视频图像录制系统中的一个组成部分，目的是将影音信号进行无线传输。为了满足这一功能的实现，就需要借助无线视频传输技术的运用。目前近距离数据无线传输根据所使用的传输协议的不同分为几类：红外线传输、蓝牙传输、WiFi无线传输技术[5]。三种传输技术的优缺点详见表1。

由表可知，WiFi无线局域网具有快捷方便的无线接入、灵活多变的拓扑结构、易于维护管理、建设成本低廉等优点，是构建数码摄影棚无线局域网络系统有效的无线通信平台。

表1 三种传输技术的优缺点

2.2 视频编码技术

目前国内采用的视频编码标准主要有MPEG-4和H.264。这两种编解码标准的码率都较低，占用带宽资源小[6～7]。两种主流视频标准特点与应用见表2。

表2 MPEG-4与H.264特点与应用

由于H.264 具有超高的压缩率，其压缩率为MPEG-4的1.5倍，能够在较低带宽(2M以内)情况下提供高质量(类似DVD画质)的图像传输。此外，H.264 码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应无线网络的应用。在校园网带宽相对短缺的情况下，选择H.264是比较理想的。

3 数码摄影无线传输系统的设计与 实现

3.1 系统总体方案设计

本系统利用数码单反相机、采集外部图像信号，经相机数字影像处理器DIGIC 5+芯片里的H.264硬件编码器完成对图像的一系列处理和编码，封装成MOV视频格式，之后利用无线传输器WFT-E7C将已编码的视频图像数据送到WIFi模块里进行传输，通过摄影棚的无线接入点把数据传送到教师PC机上并利用相机配套软件Eos Unity进行解码播放，同时将已编码的视频图像数据打包，通过上传到投影系统，建立图片信息传输回路，实现计算机等终端遥控拍摄照相机，并通过显示器和投影仪，实时观看教师用数码相机拍摄的画面效果，并实现短时间内输送大批量照片等功能[8]。

数码摄影无线传输系统总体框架图如图1所示。

图1 数码摄影无线传输系统总体框架图

3.2 数码摄影无线传输系统的实现

本系统主要由五大模块组成：图像视频信号采集模块、PCI总线数据交互模块、视频信号编码数据处理模块、网络传输模块和教学显示模块。

1) 视频信号采集模块

视频信号采集是本系统的一个重要部分，它负责采集外部输入的模拟视频信号，将其作模数转换，并进行抽样、量化和编码，转换成数字视频信号。系统采用Canon公司的数码单反相机完成视频信号的采集，其特点是一个芯片便可完成视频信号和同步信号的分离，接收并解码来自自身拍摄的 PAL/NTSC 制的复合视频或Y/C信号，输出 ITU-656 YUV 4:2:2 数字视频信号，采集的视频质量好，通用性强[9]。

2) PCI 总线数据交互模块

针对教学系统中提出的大流量实时数据处理的问题，采用基于 PCI 总线接口的数据交换技术，在视频采集高传输带宽要求的设备中有着独有的优势。教学系统的 PC 机提供了现成的 PCI 接口，在保证教学功能的前提下，使得成本更加低廉。从而避免了使用嵌入式系统开发所带来的研发成本高和周期长等问题。

3) 视频信号编码数据处理模块

本设计应用程序EOS Utility的开发主要集中在视频数据的以太网传输和视频数据的捕获、编解码、存储和回放等方面。利用该软件，不需要在处理硬件设备和数据格式差异上花费大量的精力，其程序代码具有复用性。内部集成了多媒体加速内核(Multimedia Acceleration)，内含 H.264 编译码器，可以实现对视频文件的硬件解码。

图2是 H.264 编码器的框架结构，编码器处理的最小单位是宏块。其中输入的Fn以宏块为单位，其预测值P是通过已编码的参考图像，经运动补偿(MC)后得到。uFn代表参考图像。预测值P和当前块相减，得到残差块Dn，经块变换和量化后，得到变换系数X，经熵编码后，与解码所需的一些边信息组成一个压缩后的码流[10～11]。

图2 H.264编码器的框架结构

视频解码器部分软件代码如下：

void alloc_encoder( EncoderParams **p_Enc)//分配编码器

void init_encoder(VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//初始化编码器

void encode_sequence(VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//编码一个序列

int encode_one_frame (VideoParameters *p_Vid, InputParameters *p_Inp)//编码一帧void perform_encode_frame(VideoParameters *p_Vid)//执行一帧的编码工作

void code_a_picture(VideoParameters *p_Vid, Picture *pic)//编码一个图像

int encode_one_slice (VideoParameters *p_Vid, int SliceGroupId, int TotalCodedMBs)//编码一个slice

encode_one_macroblock(Macroblock *currMB)//编码一个宏块void free_encoder (EncoderParams *p_Enc)// 释放编码器

int OpenDecoder(InputParameters *p_Inp)//打开解码器

int Decode_One_Frame(DecodedPicList **ppDecPicList)//解码一帧的外层循环

int decode_one_frame(DecoderParams *pDecoder)//解码一帧

void decode_slice(Slice *currSlice, int current_header)//解码一个slice

int decode_one_macroblock(Macroblock *currMB, StorablePicture *dec_picture)//解码一个宏块

int CloseDecoder()//关闭解码器

4) 网络传输模块

该系统可将相机拍摄内容以无线方式实时传输并显示到教学屏幕上，并提供教学演示、图像视频处理功能。该模块对应IEEE802.11n标准，传输速度较快。具备自动再发送功能，即使发生通信障碍也能在恢复连接时自动发送之前未发送文件[2]。系统主要包含无线发射模块和接收模块，可支持EOS 5D Mark III的接口匹配；传输速率：IEEE 802.11N-HT20:最大72MBPS，IEEE 802.11N-HT40:最大150MBPS。无线网络传输模块如图3所示。

图3 无线网络传输模块

5) 教学显示模块

这其实是一个信息接收处理平台，就是将接收到的视频数据进行解码并在终端显示出来，提供教学演示、图像视频处理功能。视频信号处理终端：视频分配，VGA接口，至少支持两路输出。

4 数码摄影无线传输系统的应用

数码摄影无线传输系统已应用于数码摄影教学和学生电子照片信息采集批量传输中。

4.1 遥控拍摄系统的应用

利用Canon数码单反相机、EOS Utility软件、WFT无线传输器、计算机和无线网络技术，建立图片信息传输回路，实现计算机、智能手机等终端遥控拍摄照相机，并通过显示器和投影仪，观看教师用数码相机拍摄画面的实验效果。实际应用主要有以下步骤：

1) 配置通信设置

图4 配置通信设置

2) 启动网页浏览器输入网址，然后在登录界面输入登录名和密码

3) WFT配对软件

图5 配对软件

4) 使用EOS Utility软件和WFT服务器遥控拍摄

图6 遥控拍摄实时界面及按钮

4.2 数码照片批量无线传输系统的应用

拍摄图像后，可以选择多个想要的图像并一次性地传输这些图像。可以传输未发送的图像或之前传输失败的图像。在传输图像期间可以继续静止图像的拍摄。实际应用主要有以下方式和步骤：

1) 在菜单中选择【图像传输】；2) 选择【图像选择/传输】； 3) 选择【选择图像】/【选择】/【全部图像】；4) 选择需要传输的照片图像；5) 传输图像；6) 检查传输历史记录。

图7 遥控拍摄实时界面及按钮

5 结语

本文介绍了一种新型的数码摄影无线视频传输系统，其特点就是传输速度快、抗干扰性强、便捷易用。此项技术采用无线传输，节省了各实验设备之间的电缆连接，避免了支架在移动过程中对电缆的损伤，减少了维护工作量，提高了设备的可靠性。合理利用无线传输技术和相应的网络技术的确能实现即便在扩大学生规模的情况下更好地培养数字媒体技术专业人才的目的。以此提升学生的专业能力和促进教师的信息化教学能力。今后工作中，将进一步研究如何利用无线传输技术以及物联网技术建立一个智慧型的信息化教学环境。

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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

四川省教育厅自然科学项目(编号：16ZB0417);四川水利职业技术学院2016年教改项目(编号:YJG1604)资助。

罗敏,女,硕士,讲师,研究方向：数字媒体技术。李辉,女,硕士，讲师，研究方向：数字媒体技术。罗亚东,男,副教授,研究方向：计算机网络。

TN702

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.036