Python实现局域网内屏幕广播的技术要点分析

更好地保证教学质量和提高学生的学习积极性，我使用Python开发了一套课堂教学管理系统，具有在线点名、在线答疑、随机提问、在线作业管理、在线自测、在线考试、数据汇总、试卷生成、屏幕广播等功能，教师端运行界面如下图所示：

学生端运行界面如下图所示：

该系统投入使用已有4个学期，效果非常好，不仅可以满足上课的各种需要，还可以作为“Python程序设计”课程的一个完整教学案例讲给学生，适用教材包括《Python程序设计基础》（董付国编著，清华大学出版社）、《Python程序设计（第2版）》（董付国编著，清华大学出版社）、《Python可以这样学》（董付国著，清华大学出版社）。本文重点介绍屏幕广播功能的技术要点，本系统界面使用tkinter编写，使用扩展库pillow实现屏幕截图，使用socket实现屏幕截图的传送，使用多线程技术实现多客户端的数据传输，文中略去了有关标准库和扩展库的导入代码。

1、学生端启动之后，监听UDP端口1000，等待教师端发送屏幕广播指令，代码如下：

def udpListen():

    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    # 监听本机10000端口

    sock.bind(('',10000))

    while True:        

        data, addr = sock.recvfrom(100)

        # 收到服务器发来的广播指令

        if data == b'startBroadCast':

            threading.Thread(target=receiveBroadCast).start()

    sock.close()

threading.Thread(target=udpListen).start()

2、教师端通过界面上的按钮“开始屏幕广播”给局域网内所有学生端发送指令，同时监听TCP端口10001，等待学生端的连接，然后给每一个学生端连接发送本机屏幕截图，每0.5秒刷新一次。代码如下：

broadcasting = False

def broadcast(conn):

    global broadcasting

    while broadcasting:

        time.sleep(0.8)

        image = ImageGrab.grab()

        size = image.size

        

        imageBytes = image.tobytes()

        length = len(imageBytes)

        # 通知将要开始发送截图

        conn.send(b'*****')

        

        fhead = struct.pack('I32sI',

                            length,

                            str(size).encode(),

                            len(str(size).encode()))

        conn.send(fhead)

        conn.send(imageBytes)

    else:

        conn.send(b'#####')

        conn.close()

def broadcastMain():

    '''广播屏幕截图的主线程函数'''

    global sockBroadCast

    sockBroadCast = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    sockBroadCast.bind(('', 10001))

    sockBroadCast.listen(150)

    while broadcasting:

        try:

            conn, addr = sockBroadCast.accept()

        except:

            return

        threading.Thread(target=broadcast, args=(conn,)).start()

    else:

        sockBroadCast.close()

    

def onbuttonStartBroadCastClick():

    global broadcasting

    broadcasting = True

    # 启动服务器广播线程

    threading.Thread(target=broadcastMain).start()

    

    # 通知客户端开始接收广播

    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

    IP = socket.gethostbyname(socket.gethostname())

    IP = IP[:IP.rindex('.')]+'.255'

    sock.sendto(b'startBroadCast', (IP, 10000))

    buttonStopBroadCast['state'] = 'normal'

    buttonStartBroadCast['state'] = 'disabled'

buttonStartBroadCast = tkinter.Button(root, text='开始屏幕广播', command=onbuttonStartBroadCastClick)

buttonStartBroadCast.place(x=20, y=380, width=100, height=30)

def onbuttonStopBroadCastClick():

    global broadcasting

    broadcasting = False

    sockBroadCast.close()

    buttonStopBroadCast['state'] = 'disabled'

    buttonStartBroadCast['state'] = 'normal'

buttonStopBroadCast = tkinter.Button(root, text='结束屏幕广播', command=onbuttonStopBroadCastClick)

buttonStopBroadCast['state'] = 'disabled'

buttonStopBroadCast.place(x=130, y=380, width=100, height=30)

3、学生端收到教师端通过UDP广播发送的屏幕广播指令之后，创建TCP Socket，连接教师端，并接收教师端发来的屏幕截图，然后使用创建顶端显示的tkinter界面用来显示屏幕截图。主要功能代码如下：

# 使用TCP接收广播

def receiveBroadCast():

    # 获取屏幕尺寸，创建顶端显示的无标题栏窗体

    screenWidth = 640

    screenHeight = 480

    top = tkinter.Toplevel(root,

                           width=screenWidth,

                           height=screenHeight)

    top.overrideredirect(True)

    # 顶端显示

    top.attributes('-topmost', 1)

    # 创建画布，用来显示图像

    canvas = tkinter.Canvas(top,

                            bg='white',

                            width=screenWidth,

                            height=screenHeight)

    canvas.pack(fill=tkinter.BOTH, expand=tkinter.YES)

    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    serverIP = entryServerIP.get()

    # 连接服务器10001端口，失败直接返回

    try:

        sock.connect((serverIP, 10001))

    except:

        print('error')

        top.destroy()

        return

    

    # 接收服务器指令

    # *****表示开始传输一个新的截图

    # #####表示本次广播结束

    while True:

        data = sock.recv(5)

        if data == b'*****':

            # 接收服务器发来的一屏图像

            # 图像大小，字节总数量

            len_head = struct.calcsize('I32sI')

            data = sock.recv(len_head)

            length, size, sizeLength = struct.unpack('I32sI', data)

            length = int(length)

            size = eval(size[:int(sizeLength)])

            rest = length

            image = []

            while True:

                if rest == 0:

                    break

                elif rest > 40960:

                    temp = sock.recv(40960)

                    rest -= len(temp)

                    image.append(temp)

                else:

                    temp = sock.recv(rest)

                    rest -= len(temp)

                    image.append(temp)

            image = b''.join(image)

            # 更新显示

            image = Image.frombytes('RGB', size, image)

            image = image.resize((screenWidth, screenHeight))

            image = ImageTk.PhotoImage(image)

            try:

                canvas.delete(imageId)

            except:

                pass

            imageId = canvas.create_image(screenWidth//2, screenHeight//2, image=image)

            

        elif data == b'#####':

            # 广播结束

            break

    # 本次广播结束，关闭窗口

    sock.close()

    top.destroy()