UDP实时图像传输

2023-05-16

〇、写在前面

首先问个问题，为什么要用UDP传输图像，而不是TCP？

TCP是我们经常使用的通信协议，从认识它的第一天起，就应该知道，它非常稳，丢包率超低。但是一切都有双面性，稳定会影响传输的速度。与TCP不同，UDP没有反复确认这个环节，发送端向一个接收端甩一个数据包，不管接收端有没有接收到，所以相较于TCP，其丢包率比较大，但是它的速度就快多了。针对图像传输这种耗时但是不追求准确性的任务，采用UDP是再合适不过的了。目前许多网络直播都采用UDP来传输图像。

接下来描述一下主要内容，使用C#窗体在两台PC上分别创建一个图像发送端和一个图像接收端，发送端采集摄像头图像，压缩为JPEG格式后使用UDP发送至接收端，接收端接收图像并进行显示。
在这里插入图片描述
所以本项目主要有以下两部分：
 图像发送端的搭建
 图像接收端的搭建

另外这个项目还会用到TCP来确认双方是否都在线，如果接收方还没准备好，发送方就开始发图像了，那就是在做无用功了（虽然对这个项目来说影响不大）。具体的做法就是主机A（发送端）作为TCP服务端，创建一个套接字，绑定一个IP和端口Port，开启监听。主机B作为TCP客户端，连接到主机A创建的服务端。连接后，主机A打开摄像头，并开始向主机B发送图像。
在这里插入图片描述
TCP服务端（主机A）：

Thread threadWatch = null; //负责监听客户端的线程
Socket socketWatch = null;  //负责监听客户端的套接字
 
/****创建套接字*****/
//定义一个套接字用于监听客户端发来的信息  包含3个参数(IP4寻址协议,流式连接,TCP协议)
socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
//服务端发送信息 需要1个IP地址和端口号
IPAddress ipaddress = IPAddress.Parse(this.comboBox1.Text.Trim()); //获取文本框输入的IP地址
//将IP地址和端口号绑定到网络节点endpoint上 
IPEndPoint endpoint = new IPEndPoint(ipaddress, int.Parse(this.comboBox2.Text.Trim())); //获取文本框上输入的端口号
//监听绑定的网络节点
socketWatch.Bind(endpoint);
//将套接字的监听队列长度限制为20
socketWatch.Listen(20);
//创建一个监听线程 
threadWatch = new Thread(WatchConnecting);
//将窗体线程设置为与后台同步
threadWatch.IsBackground = true;
//启动线程
threadWatch.Start();

/****监听客户端发来的请求*****/
//创建一个负责和客户端通信的套接字 
Socket socConnection = null;
private void WatchConnecting()
{
    while (true)  //持续不断监听客户端发来的请求
    {
        socConnection = socketWatch.Accept();
	}
}

TCP客户端（主机B）：

private void startBtn_Click(object sender, EventArgs e)
{
        //Parse：将一个字符串的ip地址转换成一个IPAddress对象
        IPAddress ipaddress = IPAddress.Parse(comboBox1.Text);
        EndPoint point = new IPEndPoint(ipaddress, int.Parse(comboBox2.Text));
        Thread connect = new Thread(new ParameterizedThreadStart(Connect));
        connect.Start(point);
}
//连接线程
private static void Connect(object point)
{
    try
    {
        Socket tcpClient = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        tcpClient.Connect((EndPoint)point);//通过IP和端口号来定位一个所要连接的服务器端
    }
    catch (Exception ex)
    {
        MessageBox.Show(ex.Message);
    }
}

最后，两个项目都是用VS2017生成的，.NET框架为4.7.1.
接下来进入正文

一、图像发送端的搭建

首先需要获取摄像头图像，这里使用EmguCV来获取图像以及转码。

点击工具->NuGet包管理器->管理解决方案的NuGet程序包，在浏览那一栏查找Emgu.cv，选择第一个，在右侧选择要安装EmguCV的项目，点击安装即可。
在这里插入图片描述

因为这个项目只用到了EmguCV的读取摄像头功能，就不再赘述了，如果还想深入了解EmguCV，欢迎交流

EmguCV就这样安装好了。然后就可以调用EmguCV中的函数获取摄像头数据了

private VideoCapture capture = new VideoCapture();
Mat currentImage = capture.QueryFrame();

currentImage就是获取的摄像头图像，默认尺寸是640*480，可以通过以下代码更改设置

capture.SetCaptureProperty(CapProp.FrameWidth, 720);
capture.SetCaptureProperty(CapProp.FrameHeight, 1280);

接下来将图像转化成UDP发送的byte[]格式。一个UDP数据包只能发送64k字节数据，也就是65536字节，但是一帧图片就有640x480x3=921600byte=900k字节，所以需要进行图像压缩，这里采用jpeg压缩格式。

Image<Rgb,Byte> img = currentImage.ToImage<Rgb, Byte>();
byte[] bytes = img.ToJpegData(80);

最后使用UDP进行发送。

UdpClient udpClient = new UdpClient();
//接收端绑定的IPAddress、端口号
IPAddress ipaddress = IPAddress.Parse("10.128.14.249");
IPEndPoint endpoint = new IPEndPoint(ipaddress, int.Parse(this.comboBox2.Text.Trim()));
udpClient.Send(bytes, bytes.Length, endpoint);
udpClient.Close();

二、图像接收端的搭建

在设计面板上添加一个PictureBox控件，用来显示接收到的图像，添加一个Button，用来建立和发送端的连接。

接下来创建一个UDP的套接字，绑定本地IPv4地址，

Socket udpServer = null;

//创建套接字
udpServer = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Dgram, ProtocolType.Udp);
//绑定IP和端口
udpServer.Bind(new IPEndPoint(GetLocalIPv4Address(), 8090));
//开启接收数据线程
new Thread(ReceiveMessage)
{
    IsBackground = true
}.Start();

如果不知道本地IPv4地址，可以使用以下函数自动获取，这样也可以避免以后IPv4地址改变而报错

public IPAddress GetLocalIPv4Address()
{
    IPAddress localIpv4 = null;
    //获取本机所有的IP地址列表
    IPAddress[] IpList = Dns.GetHostAddresses(Dns.GetHostName());
    //循环遍历所有IP地址
    foreach (IPAddress IP in IpList)
    {
        //判断是否是IPv4地址
        if (IP.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork)
        {
            localIpv4 = IP;
        }
        else
        {
            continue;
        }
    }
    return localIpv4;
}

最后就可以开始接收图像了

void ReceiveMessage()
{
    while (true)
    {
        EndPoint remoteEndPoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);
        //设置一个64k的字节数组作为缓存
        byte[] data = new byte[65536];
        int length = udpServer.ReceiveFrom(data, ref remoteEndPoint);//此方法把数据来源ip、port放到第二个参数中

        MemoryStream ms = new MemoryStream(data, 0, length);
        pictureBox1.Image=Image.FromStream(ms);
    }
}

最终效果：
发送端
接收端

一些注意事项

需要在开头添加以下代码

//TCP、UDP
using System.Net;
using System.Net.Sockets;

//多线程
using System.Threading;

//使用EmguCV读取摄像头
using Emgu.CV;
using Emgu.CV.Structure;

//接收端读取图像
using System.IO;

项目都已上传至https://download.csdn.net/download/qq_42688495/11872026

----------- 2020.5.14更新 -----------
由于一个UDP数据包只能发送64k字节的数据，所以本文方法能传输的图像大小有限制，更高清晰度图像的传输见UDP实时图像传输进阶篇——1080P视频传输

----------- 2020.8.28更新 -----------
TCP对传输的数据大小没有限制，且能保证传输的可靠性，详见TCP实时图像传输

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