OpenHD改造实现廉价高清数字图传(树莓派+PC)—（一）概述

OpenHD改造实现廉价高清数字图传（树莓派zero + ubuntu PC ）——（一）概述

hoopertsau

11285人浏览 · 2022-08-04 23:10:23

hoopertsau · 2022-08-04 23:10:23 发布

一、缘由

数字图传网上有开源的解决方案，最为出名的应该就是OpenHD了。如果按照官方网站的内容，构建起来也不是很复杂，直接可以烧录两个TF卡就能完成。但是，你需要用到两个树莓派板卡，而且地面站用的树莓派板块还要配单独的显示屏和电源。官方网站提供的这个，确实是一个比较独立完整的解决方案，适合直接上手使用。

但是我在想：为什么不能用普通的linux PC作为地面站的显示呢？这样我就带个笔记本电脑就能出去了，既简单，成本又低。树莓派现在涨价非常厉害，所以如果直接抛开树莓派，使用普通的ubuntu笔记本电脑显示图传画面，岂不是很方便么？

基于这个目的，我准备开始研究一下，将OpenHD的代码直接移植到我的ubuntu电脑上，直接在地面站上显示视频画面。

注意：这篇文章不是介绍OpenHD如何使用和配置的（网上已经有很多），主要是介绍如何将OpenHD进行改造，深入OpenHD内部探索一下软件实现机理，并且将它进一步的简化和移植，变成几个独立的可执行的linux程序，不需要地面站树莓派，而是直接使用普通电脑直接接收视频和OSD信息，便于部署和使用。

二、改造内容

基于OpenHD的现有解决方案，我主要改造两个方面：

一是将原OpenHD的地面端进行了深度改造和替换。实现在普通ubuntu电脑上显示图传视频和osd信息；

二是将空中端软件进行轻量化改造。不用烧写整个镜像，可以在现有的树莓派上运行图传程序即可。只保留最简单的软件功能，多余的一概不要，确保最精最简。

三、价格成本

基于廉价原则，尽可能缩短一切开支。

特别是将地面显示换成了普通的ubuntu笔记本电脑。相比原来的解决方案，可以至少节省下一个树莓派4B、一个显示屏、相关地面供电设备等（当然，如果你要说你没有ubuntu笔记本电脑，那我也就没办法了...）。同时，wifi模块可以在淘宝上淘一个比较便宜的，只要是相关能用的芯片即可。主要材料清单和价格如下。

1、树莓派zero w，1套（含TF卡、散热片等小件），276元，用于天空端。（PS: 这是2021年8月的价格，2022年8月貌似已经涨到500元了！后续考虑使用其他的国产的其他 PI 进行替代，价格只要100多）

2、树莓派摄像头500W像素 CameraV1.3，1个，17元（不带支架），用于采集视频图像

3、RTL8812AU千兆USB无线网卡(TX-AC88)，2个（含8dB天线），53元*2=106元，用于发送图像和飞行数据。如果要效果好，推荐用华硕的华硕的ac56（RTL8812AU），但价格贵。

4、1800mah锂电池，1个，90元，用于给航模上的树莓派供电

5、5V 3A 低纹波稳压电源（77RC），1个，15元，用于将锂电池电压转换为树莓派可用的电压

6、笔记本电脑，1台，0元（默认你有，不用买了。。），用于在地面显示视频和飞行信息

7、天线（可选），可以先用网卡自带的天线，后面可以再升级。

总价格：504元！

四、连接关系

OpenHD数字图传使用普通的linux板卡作为机载电脑，一般使用树莓派zero或者3b mini作为机载端，主要考虑是体积、重量和供电等原因。在机载电脑上连接摄像头获取高清的数字图像，再通过wifi网卡将数据广播到地面设备上；地面站原先的方案使用的也是树莓派板卡，考虑到显示等原因，使用3B+或者4B以上的版本更加合适。

本方案基本原理和OpenHD保持一致，但需要进行移植改造。具体连接如图所示。

硬件连接示意图

天空端设备连接实物图（缺飞控）

这里有几个注意点。

1、关于图传供电

由于飞控涉及飞行的安全，电源最好与树莓派分开供电。因此，这里飞控可以认为是单独的一套系统，就不此详细描述。飞控串口与树莓派串口连接的时候，注意要共地。

2、关于网卡供电

由于网卡的功耗比较大，树莓派USB的口可能不足以给网卡提供充足的电流，因此就需要将网卡的USB线进行改造，数据口还是接到树莓派板卡，但是供电直接接到稳压模块上进行供电。

其实这也不是最优的，官方网站不推荐使用USB接口接网卡，因为飞行中的震动容易将USB接口脱落，这是很危险的！因此，如果可以，将USB几根线先单独焊接在树莓派上，确保万无一失。

建议按照官网的示意图进行改造，我这里只是在地面测试，所以就没有这样改。

官网的示意图

3、关于地面接收

官方网站推荐的是两个网卡来接收，这也可以达到最好的接收效果。

4、关于稳压模块

官网上说的是要低纹波的稳压模块，这样可以防止对树莓派的损伤。

5、关于天线和USB线等

官方网站说天线要原理网卡的USB线，防止干扰；

其他各个线都要短一些，能焊死的都焊死。

五、主要软件

主要涉及到以下几个软件模块。

1、wifibroadcast

在天空端和地面端都有这个软件，用于提供底层的通信。该通信模式并非wifi方式，不使用TCP或UDP协议，不使用IP协议，而是直接将数据打包成MAC层数据帧，使用rawsocket进行广播发送，可以认为将网卡作为无线电台直接使用。接收方只要在相同的频率就可以接收数据帧。

这样做的好处就是，类似模拟信号传输，不用建立连接，也不用基于复杂的TCP/IP等协议栈，底层不存在发送、回执等，丢掉一两个数据帧不会重传，效率很高。因为在空中，有时候会被干扰或者丢包，如果这个时候发生连接断开，则图传会立刻没有内容，并需要建立wifi连接、建立tcp连接、链路层还会可能重传等，这期间可能图像一点都看不到，这显然不符合使用场景。我们需要的就像模拟图传一样的广播模式，接收到什么就显示什么。这里有一些自己自定义的协议，甚至还可以加密。

此外，因为我们使用的是特殊的模式，底层的网卡驱动也是需要单独编译的，这也才能支持我们直接使用rawsocket进行数据注入和发送。

后面会详细展开讨论原理，以及如何将这些程序从OpenHD中剥离处理，实现数据的收发，如何编译网卡驱动，以及部分程序脚本的编写等。

OpenHD改造实现廉价高清数字图传(树莓派+PC)—（二）Wifibroadcast Wifi广播通信_hoopertsau的博客-CSDN博客_openhd

WiFibroadcast发送程序

2、OpenVG和libshape库

官方的OpenHD显示飞控回传的数据，底层使用的是OpenVG进行绘制。OpenVG类似与OpenGL，主要是在嵌入式设备上用于显示矢量图形和绘图的，它只是一个标准接口，依赖各厂商基于不同的硬件进行实现。如果是用树莓派，系统会自带一个OpenVG的实现，可以直接使用，比较方便。但是如果是ubuntu普通电脑，必须要找一个合适的实现，这里我用的是AmanithVG，是一个商业软件。

实际上，OpenHD实际上并不是直接调用OpenVG接口的，因为OpenVG的接口还是比较复杂的，直接在上面绘制图形会比较费劲。因此，有人在OpenVG上封装了一个图形库libshape，简化了接口调用细节，让程序员可以集中精力开发上层图形显示应用。这个库是基于树莓派硬件环境的，因此要移植到PC上，后面将重点讨论如何移植。

OpenHD改造实现廉价高清数字图传（树莓派+PC ）—（三）OpenVG和libshapes在PC上的移植_hoopertsau的博客-CSDN博客

使用OpenVG和libshape绘制的太阳、地球和其他星球

3、OSD数据发送和显示软件

我的飞控硬件是pixhawk，飞控软件是PX4，通过飞控的串口输出OSD数据，串口和树莓派连接，这样天空端的树莓派就可以得到osd数据了，使用的是mavlink协议。

随后，树莓派通过wifibroadcast程序，将osd数据直接透传，向地面广播。地面站PC使用WiFibroadcast接收到后，数据也是mavlink协议的。解析后，就可以调用libshape进行绘图了。

OSD显示软件也是需要简单改造。另外值得一说的是，我们看到的OSD画面里面的那些元素，实际上不是直接绘制出来的，而是一些特殊字符，这些字符是通过自定义的字体文件icon.tff来定义，绘制时直接调用的是文字绘制函数，让我感到很惊讶，不过这也确实比较简洁。因为大量的元素都是字符，所以在在移植的时候，对于自定义字体的加载和显示问题卡住了好久，后面将重点展开讨论。

OpenHD改造实现廉价高清数字图传（树莓派+PC ）—（四）OSD数据传输和画面显示_hoopertsau的博客-CSDN博客