Qt音视频开发46-视频传输UDP版

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一、前言

上篇文章写道采用的TCP传输视频，优缺点很明显，优点就是不丢包，缺点就是速度慢，后面换成UDP通信，速度快了很多，少了3次握手，而且在局域网中基本上不丢包，就算偶尔丢包，对于一秒钟25-30张图片来说，偶尔一张图片丢失，基本上看不出来，所以忽略，但是放到广域网或者互联网比如阿里云平台上测试的话，UDP惨不忍睹，丢包蛮多的，毕竟包数据特别多。

Qt的网络通信类，我们平时常用的就是三个：QTcpSocket客户端类、QTcpServer服务端类、QUdpSocket通信类，为啥没有QUdpServer类？其实UDP是无连接的通信，占用资源很小，他既可以是客户端也可以是服务端，如果要作为服务端则指定端口调用bind方法即可。本程序同时支持了TCP模式和UDP模式，实际测试下来，还是建议使用TCP模式，UDP模式由于无连接在短时间内发送大量的数据包发现会丢包，而且包的大小有限制，是65507字节，大约64K，所以UDP模式下实时传输的图片分辨率不能太大，实测640*480的视频文件还是挺好的，720P基本上有点惨，丢包好多，可能后期还需要从协议上改进处理。

本程序和协议约定的图片采用base64编码传输，接收到以后将base64字符串解码出来生成图片，QByteArray内置类toBase64方法转成base64编码的字符串，QByteArray::fromBase64方法将base64字符串还原成数据。在经过多次的实验以后统计的数据显示，编码解码的速度还可以，其中720P图片编码25ms-30ms、解码15ms-20ms，1080P图片编码35ms-40ms、解码25ms-30ms。总体上来说一秒钟传输25-30张图片和解码25-30张图片，还是没有什么问题的，只是走的CPU编码解码，如果开的通道数比较多的话，还是很耗CPU的，但是应付一些简单的应用场景还是如鱼得水毫无压力。

通信协议：

1. 采用TCP长连接和UDP协议可选，默认通信端口6000。
2. 采用自定义的xml通信协议。
3. 所有传输加20个字节头部：IIMAGE:0000000000000，IIMAGE:为固定头部，后面接13个字节的 内容的长度（含20个头部长度） 字符串。
4. 下面协议部分省略了头部字节。
5. 服务端返回的数据中的uuid是对应接收到的消息的uuid。
6. 服务端每次返回的时候都带了当前时间，可用于客户端校时。

客户端发送心跳
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ImageClient Uuid="8AF12208-0356-434C-8A49-69A2170D9B5A" Flag="SHJC00000001">
    <ClientHeart/>
</ImageClient>

服务器收到心跳返回
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ImageServer Uuid="8AF12208-0356-434C-8A49-69A2170D9B5A" NowTime="2019-12-05 16:37:47">
    Ok
</ImageServer>

客户端发送图片
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ImageClient Uuid="66BCB44A-B567-48ED-8889-36B8FA6C4363" Flag="SHJC00000001">
    <ClientImage>图片base64编码后的字符串/9j/4AAQSkZJRgABAQEAYABgAAD/2wBDAAgGBgcGBQgHBwcJCQgKDBQNDAsLDBkSEw8UHRofHh0aHBwgJC4nICIsIxwcKDcpLDAxNDQ0Hyc5PTgyPC4zNDL/2wBDAQkJCQwLDBgNDRgyIRwhMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjIyMjL/wAARCAJAAtADASIAAhEBAxEB/8QAHwAAAQUBAQEB...nvWsQRlXA61mTjmtWcdazLgcmrQ0U2plSMKjpDE7UtFFAwxRRRQAUuKWigQlFFFLcD//2Q==</ClientImage>
</ImageClient>

服务端收到图片返回
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ImageServer Uuid="66BCB44A-B567-48ED-8889-36B8FA6C4363" NowTime="2019-12-05 16:38:47">
    Ack
</ImageServer>

二、功能特点

1. 多线程收发图片数据和解析图片数据，不卡主界面。
2. 同时支持TCP和UDP两种模式，封装了TCP模式以及UDP模式的客户端类和服务端类。
3. 图片传输客户端同时支持发送到多个服务端，可以作为一个教师机同屏发送到多个学生机的应用场景。
4. 同时支持多个客户端同时往服务端发送图片，服务端每个连接都会自动开辟线程收发和解析图片数据。
5. 自定义label控件信号槽机制绘制图片，不卡主界面。
6. 自带心跳机制判断离线，自动重连服务器，可设置超时时间。
7. 每个消息都有唯一的消息标识uuid，服务端收到以后会返回对应的uuid消息表示收到，客户端可以根据此返回消息判断服务端解析成功，不用再发，这样可以确保发出去的数据服务器接收到了并解析成功。
8. 每个消息都有唯一的图片标识flag，相当于ID号，根据此标识判断需要解析显示到哪个界面。
9. 图片以base64的字符串格式发送，接收端接收到base64字符串的图片数据解码后重新生成图片。
10. 所有数据的收发都有信号发出去，方便输出查看。
11. 都提供单例类，方便只有一个的时候直接使用无需new。
12. 采用自定义的xml协议，可以自由拓展其他属性字段比如带上图片内容等。

三、效果图

四、相关站点

1. 国内站点：https://gitee.com/feiyangqingyun/QWidgetDemo
2. 国际站点：https://github.com/feiyangqingyun/QWidgetDemo
3. 个人主页：https://blog.csdn.net/feiyangqingyun
4. 知乎主页：https://www.zhihu.com/people/feiyangqingyun/
5. 体验地址：https://blog.csdn.net/feiyangqingyun/article/details/97565652

五、核心代码

#include "udpimageclient.h"
#include "devicefun.h"

QScopedPointer<UdpImageClient> UdpImageClient::self;
UdpImageClient *UdpImageClient::Instance()
{
    if (self.isNull()) {
        static QMutex mutex;
        QMutexLocker locker(&mutex);
        if (self.isNull()) {
            self.reset(new UdpImageClient);
        }
    }

    return self.data();
}

UdpImageClient::UdpImageClient(QObject *parent) : QThread(parent)
{
    //如果是外网请自行调整这个值的大小,外网需要调小
    packageSize = 10000;
    flag = "SHJC00000001";
    serverIP = "127.0.0.1";
    serverPort = 6000;

    stopped = false;

    //UDP通信对象
    udpSocket = new QUdpSocket(this);
    connect(udpSocket, SIGNAL(readyRead()), this, SLOT(readData()));

    //定时器解析收到的数据,可以自行调整间隔
    timerData = new QTimer(this);
    connect(timerData, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(checkData()));
    timerData->setInterval(100);

    //绑定信号启动后启动定时器
    connect(this, SIGNAL(started()), this, SLOT(started()));
    //绑定发送数据信号槽
    connect(this, SIGNAL(readyWrite(QString)), this, SLOT(sendImage(QString)));
}

UdpImageClient::~UdpImageClient()
{
    this->stop();
}

void UdpImageClient::run()
{
    while (!stopped) {
        //这里采用线程去处理,其实完全可以用定时器搞定,毕竟tcp的write是异步的,操作系统自动调度
        //为了后期的拓展性,比如需要判断是否发送成功之类的,需要同步处理,所以改成的线程去处理
        //图片数据转成base64编码的数据也需要时间的,主要的耗时在转码
        //取出数据发送,这里需要加锁,避免正在插入数据
        if (images.count() > 0) {
            QMutexLocker locker(&mutexImage);
            QImage image = images.takeFirst();
            QString imageData = DeviceFun::getImageData(image);
            emit readyWrite(imageData);
        }

        //要稍微休息下,否则CPU会被一直占用
        msleep(1);
    }

    stopped = false;
}

void UdpImageClient::readData()
{
    QHostAddress host;
    quint16 port;
    QByteArray data;

    while (udpSocket->hasPendingDatagrams()) {
        data.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
        udpSocket->readDatagram(data.data(), data.size(), &host, &port);

        //接收的数据存入buffer需要加锁
        QMutexLocker locker(&mutexData);
        buffer.append(data);
        emit receiveData(data);
    }
}

void UdpImageClient::checkData()
{
    if (buffer.length() == 0) {
        return;
    }

    //取出数据处理需要加锁,防止此时正在插入数据
    QMutexLocker locker(&mutexData);
    QDomDocument dom;
    if (!DeviceFun::getReceiveXmlData(buffer, dom, "IIMAGE:", 11, true)) {
        return;
    }

    //逐个取出节点判断数据
    QDomElement element = dom.documentElement();
    if (element.tagName() == "ImageServer") {
        QString uuid = element.attribute("Uuid");
        QDomNode childNode = element.firstChild();
        QString name = childNode.nodeName();
        QString value = element.text();
        //qDebug() << uuid << name << value;
        //这里可以根据收到的数据自行增加自己的处理
    }
}

void UdpImageClient::started()
{
    if (!timerData->isActive()) {
        timerData->start();
    }
}

void UdpImageClient::stop()
{
    buffer.clear();
    images.clear();
    stopped = true;
    this->wait();
    udpSocket->disconnectFromHost();

    if (timerData->isActive()) {
        timerData->stop();
    }
}

void UdpImageClient::setPackageSize(int packageSize)
{
    if (packageSize <= 65507) {
        this->packageSize = packageSize;
    }
}

void UdpImageClient::setFlag(const QString &flag)
{
    this->flag = flag;
}

void UdpImageClient::setServerIP(const QString &serverIP)
{
    this->serverIP = serverIP;
}

void UdpImageClient::setServerPort(int serverPort)
{
    this->serverPort = serverPort;
}

void UdpImageClient::writeData(const QString &body)
{
    //构建xml字符串
    QStringList list;
    list.append(QString("<ImageClient Uuid=\"%1\" Flag=\"%2\">").arg(DeviceFun::getUuid()).arg(flag));
    list.append(body);
    list.append("</ImageClient>");

    //调用通用方法根据协议组成完整数据
    QString data = DeviceFun::getSendXmlData(list.join(""), "IIMAGE:");
    QByteArray buffer = data.toUtf8();

    //udp最大只能发送65507字节的数据=64K 超过的话都会发送失败
    //所以这里需要手动分包,外网的话包还要小一点
    if (packageSize == 65500) {
        udpSocket->writeDatagram(buffer, QHostAddress(serverIP), serverPort);
    } else {
        int len = buffer.length();
        int count = len / packageSize + 1;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            QByteArray temp = buffer.mid(i * packageSize, packageSize);
            udpSocket->writeDatagram(temp, QHostAddress(serverIP), serverPort);
        }
    }

    emit sendData(buffer);
}

void UdpImageClient::sendImage(const QString &body)
{
    writeData(QString("<ClientImage>%1</ClientImage>").arg(body));
}

void UdpImageClient::append(const QImage &image)
{
    //这里需要加锁,避免正在取出数据
    QMutexLocker locker(&mutexImage);
    //限制队列中最大消息数,避免离线的时候疯狂插入
    if (this->isRunning() && images.count() < 10) {
        images << image;
    }
}

void UdpImageClient::clear()
{
    QMutexLocker locker(&mutexImage);
    images.clear();
}