牛刀 —— 汨罗网络屏幕投影软件的技术实现_gxdi截屏

将电脑显示通过网络，特别是WIFI连接到另外一个显示器显示出来，又叫网络投屏，无线投屏，WIFI Display，Miracast，镜屏、转屏、切屏、同屏等等，一个典型的应用，就是无线投影，笔记本电脑通过WIFI无线，直接投影，不需要接线。
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　　主流的技术实现方式就是：在电脑发送端，通过软件将屏幕捕捉下来（就是截屏），压缩后，通过网络传输到另外一个电脑接收后显示。另外这个设备可以是Windows、Linux或者Android等系统的电脑，或者定制的嵌入式接收解码设备，其实也是个电脑。原理说起来非常简单，但是实现起来却不简单，看看是哪些些企业在做这个，就应当明白这不是牛刀杀鸡。
　　原来有一些专业厂商，比如Display  Link 的USB显示器，还有比如华为等一些硬件厂商生产销售的无线同屏器等，还有一些纯粹做软件的比如台湾的 MirrorOp等等，后来intel专门开发了WIDI无线投屏技术（Windows8.1以后，已经合并到微软的Miracast中），苹果有所谓airplay，谷歌有Miracast，微软也在Win8.1开始专门开发了所谓的WIFI Miracast，至此，这群顶尖的科技大腕基本到齐，来折腾这个网络投屏的东西。
　　实现技术就是两个3步曲，发送端：截屏→压缩→传输，接收端：接收→解压→显示。
　　在Windows系统里面，最简单的截屏函数，由微软提供GDI API，使用超级简单也可靠，但是速度比较慢，消耗系统资源较多；原来微软也提供了Mirror Driver就是，就是所谓镜像驱动方式，在XP下，可以明显提高截屏速度，减少CPU占用，虽然Win7也支持，但是在Win7下，速度和CPU占用没有什么优势。Win8以后，微软抛弃了镜像驱动方式，新支持GXDI方式，截屏速度和CPU占用比GDI有压倒性优势，但是也有些问题，比如有些窗口系统栏不能捕捉，有时引起鼠标闪烁，双显示卡使用ＮＶ显示不支持等等。
　　按常理来想象，毕竟最终是显示卡显示，因此在显示卡直接拦截捕捉显示数据应当是个好办法。果然，intel和NVIDIA确有这种想法。intel在Media SDK中提供了屏幕捕捉插件，按照其说明，可以直接快速将显示卡的数据捕捉出来，但是文档说的清楚，在Windows 8.1以上，也是由系统的SDK实现的，我只能理解为由GXDI接口实现的。NVIDIA提供了Screen Capture SDK，看样子明显不是采用windows系统截屏SDK实现，应当是直接捕捉显示卡里面的数据，并且就一个函数，就可以直接压缩为H264数据，可惜，Screen Capture SDK只能在专业显示卡支持，普通市面销售的显示卡却不支持。AMD显示卡没有发现有类似SDK放出来。因此，在本软件中采用的是GXDI和GDI二种捕屏技术，在Win8.1以上的时候，优先采用GXDI，不支持时自动采用GDI方式，但是用户也可以强制指定GDI方式。
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　　捕捉屏幕后，如果不压缩，直接传输，当然效果最好，并且延迟也最小，但是数据量太大。按照1920*1080的屏幕，捕捉屏幕的数据是RGBA，这样，一个屏幕的数据量就是：1920*1080*4=8309760bytes，根据经验，每秒25帧是流畅的基本要求，如果要实时显示效果好，应当要到30帧以上，如果按照30帧，则30*8309760 = 249292800bytes，网络速度是安装bps计算的，也就是每个bytes要8个bps，这样就要求网络带宽249292800*8=1994342400，大约是1900G/s，这个要万兆以太网才可能，普通的WIFI网络实际网络速度一般都在5MBbytes/s以下，因此压缩是必须的。H265是最热门的压缩技术，目前大家都看好，但是，经过实践检验，需要占用CPU资源太大，虽然可以节省网络带宽，但是容易导致发送端CPU过高占用，引起卡顿。H264是目前最成熟的压缩方式，特别是在GPU支持时，还可以明显降低CPU这要求。本软件会自动检测，在支持Intel Media SDK的GPU时，就默认采用GPU压缩，当前主流的Intel CPU包含主流低档的凌动CPU都已经支持，因此压缩屏幕占用的CPU非常低，一般是在15%以下。不过随着软、硬件发展，相信将来是H265的天下，本软件默认采用H264，但用户可以手动选择H265压缩方式。
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　　传统以太网是一个没有优先级别的网络，但是目前的以太网，也支持优先级别。人耳朵对于声音最敏感，本软件采用了声音传输最高，其次是视频的网络QOS API。目前常规的标准方式投屏是，捕捉屏幕后，按照一定的标准压制成为H264或者H265的标准流格式，这样符合某种标准的接收终端就可以接收、解压并且播放了。但是，实践中发现，以太网，特别是WIFI网络是个非常不稳定的网络，电脑的CPU等，也是非常不同的，如果采用这种流的方式，往往难以保证好效果。本软件采用一对一的方式，每一帧图片压缩和解压播放都是全部自动适应的结果，这样保证了发送端，接收端系统、CPU、网络全部安装尽量优化自动适应，实际证明，这种做法效果良好，可以在300K左右，普通i3电脑流畅投屏高清电影，用户无明显感觉延迟，发送端CPU占用20%左右，效果非常理想。
　　XP下捕捉声音比较复杂，该系统已经退出主流，因此本软件只支持Win7以上声音发送，当然XP作为接受端可以播放声音。WASAPI捕捉声音占用CPU少，速度快，通用性强，效果良好。采用aac压缩，开初打算采用100%质量，但是个人仔细听多个场景，感觉85%质量和100%听不出什么区别，因此采用85%aac压缩音频质量。人耳对延迟的敏感程度比眼睛要高多了，因此声音和屏幕是分别2个SOCKET端口发送，分别是4568和4567，发送声音的优先级别高于发送屏幕。
　　作为声音捕捉发送，声音延迟是不可能彻底避免的，如果延迟不多，感觉不大，比如我个人感觉，声音延迟300ms（毫秒）以内，没有明显感觉，如果大于300毫秒，逐渐感觉明显起来；本软件在640ms左右的时候，就会强制同步。如果开始就缓存一定声音再播放，效果会更加顺滑些，但是就会引起延迟，本软件采取的策略是实时性优先，不缓存，立即播放，允许一定延迟积累。软件会实时显示投屏和投音的的网络和延迟情况：
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　　网络投屏，如果效果不好，2个方面的原因多见，一个是电脑配置或者系统运行太多任务问题，导致CPU占用太高，如果发现CPU老是占在100%，这样效果就差了。AMD的CPU容易出现这些情况，好在目前AMD CPU的笔记本少见了。Intel CPU目前大都支持GPU的H264硬件压缩，CPU占用就低了。另外一个主要问题是网络问题了。
　　本软件一般速度有300K/S就可以流畅投屏，这样相当于网络速度2.4Mbps，是一个非常容易满足的要求，我采用一个10年前购买恐龙级别的磊科AP，穿过一堵墙，网络速度测试只有300K/S,也可以流畅投屏。但是在WIFI环境下，有些一些效果很差的AP，还有些网络复杂网络环境，导致超烂的ＷＩＦＩ网络状况，为了帮助用户诊断投屏问题，本软件专门实现了网络速度测试，只需要一个按钮，就一目了然，如果发现网络不能满足时，方便查找解决。一般正常WIFI连接时，在一个AP下的2台电脑，速度超过1MB/S，这样可以保证1920(1080流畅投屏，但是，有时在网络通过多个AP路由，或者信号条件不好时，WIFI网络速度下降到100~200K/S或者更低，投屏将明显卡顿。
　　因为有些网络设备会对重复的数据进行压缩或者优化，因此本网速度测试是通过每个数据都是产生随机数字发送，避免这种压缩优化的影响。当网络速度很快时，比如高速有线网络，因为CPU产生随机数字速度制约，可能会不能发挥出高速网络速度，因而测得网速可能偏低，但是对于比较低速的WIFI网络，这个影响应当不大。
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　　本软件分为发送端和接收端，分部在不同电脑执行。执行发送端后，会自动通过UDP广播查找同一局域网的接收端，并填充到“投屏到”按钮右边的多选输入框中。由于UDP广播不能过路由，因此不能自动查找跨局域网电脑。但投屏可以跨局域网，用户可以直接填入接收端的IP地址或者主机名称，再按“投屏到”按钮即可。本软件只会在软件启动和IP地址变化时才发送UDP查询广播，避免轮询发送UDP广播导致网络负担。
　　上次投屏成功的IP地址或者主机名称，会保存到注册表中，最多缓存3个，下次发送端软件会读取这个值。如果是上次缓存中的地址，同时UDP广播查找发现了，就会直接出现在输入框中，否则，下次软件启动时，输入框最上面一行是空，下面依次填入UDP广播发现的接收端IP地址，最底部是上次投屏成功缓存的IP或者主机名称。
　　要发送成功，一个必要条件是发送端可以通过TCP/IP连接到接收端，如果垮网段，必须保证接收端可以访问。比如要通过互联网将屏幕投影到接收端，则接收端应当有公网IP地址或者设置端口映射的方式，这个可以发通过送端ping接收端来进行测试验证。
　　如果没有AP，需要直连，可以直接将发送端或者接收端作为AP（微软叫做承载网络），这样也可以无需AP，直接点对点连接。
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　　WIFI Miracast，，仅限于WIFI直连使用，不能通过联网；毕竟电脑通常是联入网络使用的，这是常态，几乎相当要接电一样，因此，采用本软件这种自动发发现接收端，并且一键转屏的方式最直接和方便。
　　采用本软件发送屏幕到投影仪，屏幕的自动适应比直接连接显示线材要强多了，不需要改变发送电脑本身屏幕分辨率，接收端完全自动适应。默认是保持发送端屏幕显示长宽比例，用户也可以指定全屏显示，有如下3个选项：
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　　在发送端和接收端显示比例是一样的时候，则接收端总是满屏显示。
　　在发送端投屏到接收端如果屏幕比例不相同情况下，接收端有2种显示方式：
　　一是接收端保持发送端的显示比例，不拉伸或者缩小，这样，图像就不失真，但是也就不满屏；该情况下，又分2种技术实现方式，一种是采用CPU计算，软件拉伸，这样兼容性最好，适合各种情况，因此是默认选项。另外一种，是由显示卡和显示器固件实现拉伸，等于就是调整屏幕分辨率实现，这样效果很好，速度最快，不占用CPU，目前测试电脑显示器基本没有问题，但是，某些硬件，比如某些品种康佳电视机做显示设备，可能会不满屏，硬件拉伸兼容性比软件拉伸稍差。
　　在发送端和接收端协商发送屏幕尺寸时，本软件确定尺寸是最小的一端，理由很简单，发送更大尺寸屏幕图像不会提高最终显示效果，但是却会消耗更多的网络和计算资源。如果发送端和接收端屏幕尺寸一样，当然就不会发生缩放。
　　每秒帧数，这是投屏最终显示流畅效果最终的指标，每个环节都有影响，包括屏幕捕捉，压缩，传输，解压缩，缩放拉伸，显示。其中，显示分辨率是直接影响到每个环节的指标，如果需要提高每秒帧数，改进流畅程度，缩小显示分辨率效果直接而明显。
　　接收端在运行是，会阻止电脑进入休眠和屏幕保护，未接收时，显示接收端主机名称和IP地址：
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　　如果1分钟没有接收发送者，也没有鼠标键盘动作，会进入一个特定的屏幕保护程序，也就是10秒钟随机切换位置显示接收端主机和IP地址，如下：
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　　接收端默认是先来占住的策略，就是接收者正在接收时，另外一个发送者发送将会失败，并且会提示是具体哪个发送者正在发送。用户也可以设置接收者为抢来抢去的策略。由于局域网是内网，WIFI链接本身就可以设置密码，因此没有必要再在这个上面增加密码设置。
　　汨罗是单词Mirror（镜像）的近音，也是一个地名，听说地名不能注册商标。原来去申请过2个商标，耗费若干钱财，但是也不成功。取地名不保护，也就免得别人反而申请商标来指责我侵权了，这种教训也是有的。
　　2012年的时候，本人从事嵌入式系统开发的时候，曾经在飞思卡尔IMX53和RTL8511上面开发，初步实现了电脑传屏接收端的原型，嵌入式系统是linux，在ubuntu 12.04上面开发和编译，后来为了开发调试方便，将客户端改到Windows下，之后，也曾经编译开发过Andriod的版本，Andriod下有可以使用的版本，但是目前没有公开发布，现在总算搞出一个Windows发送端和接收端的成品出来，投屏效果已经感觉很理想了。
　　本软件完全免费下载安装使用，如果不注册，会在投屏显示为注册版字样，除此之外没有其他限制。
    软件下载地址（新手只需要下载一个网络屏幕投影安装程序的文件即可）：
    http://pan.baidu.com/s/1dFh2EFf