Android Wi-Fi Display（Miracast）介绍

2012年11月中旬，Google发布了Android 4.2。虽然它和Android 4.1同属Jelly Bean系列，但却添加了很多新的功能。其中，在显示部分，Android 4.2在Project Butter基础上再接再厉，新增了对Wi-Fi Display功能的支持。由此也导致整个显示架构发生了较大的变化。

本文首先介绍Wi-Fi Display的背景知识，然后再结合代码对Android 4.2中Wi-Fi Display的实现进行介绍。

一背景知识介绍

Wi-Fi Display经常和Miracast联系在一起。实际上，Miracast是Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）对支持Wi-Fi Display功能的设备的认证名称。通过Miracast认证的设备将在最大程度内保持对Wi-Fi Display功能的支持和兼容。由此可知，Miracast考察的就是Wi-Fi Display（本文后续将不再区分Miracast和Wi-Fi Display）。而Wi-Fi Display的核心功能就是让设备之间通过Wi-Fi无线网络来分享视音频数据。以一个简单的应用场景为例：有了Wi-Fi Display后，手机和电视机之间可以直接借助Wi-Fi，而无需硬连线（如HDMI）就可将手机中的视频投递到TV上去显示[①]。以目前智能设备的发展趋势来看，Wi-Fi Display极有可能在较短时间内帮助我们真正实现多屏互动。

从技术角度来说，Wi-Fi Display并非另起炉灶，而是充分利用了现有的Wi-Fi技术。图1所示为Wi-Fi Display中使用的其他Wi-Fi技术项。

图1 Miracast的支撑体系结构

由图1可知，Miracast依赖的Wi-Fi技术项[②]有：

Wi-Fi Direct，也就是Wi-Fi P2P。它支持在没有AP（Access Point）的情况下，两个Wi-Fi设备直连并通信。
Wi-Fi Protected Setup：用于帮助用户自动配置Wi-Fi网络、添加Wi-Fi设备等。
11n/WMM/WPA2：其中，11n就是802.11n协议，它将11a和11g提供的Wi-Fi传输速率从56Mbps提升到300甚至600Mbps。WMM是Wi-Fi Multimedia的缩写，是一种针对实时视音频数据的QoS服务。而WPA2意为Wi-Fi Protected Acess第二版，主要用来给传输的数据进行加密保护。

上述的Wi-Fi技术中，绝大部分功能由硬件厂商实现。而在Android中，对Miracast来说最重要的是两个基础技术：

Wi-Fi Direct：该功能由Android中的WifiP2pService来管理和控制。
Wi-Fi Multimedia：为了支持Miracast，Android 4.2对MultiMedia系统也进行了修改。

下边我们对Miracast几个重要知识点进行介绍，首先是拓扑结构和视音频格式方面的内容。

Miracast一个重要功能就是支持Wi-Fi Direct。但它也考虑了无线网络环境中存在AP设备的情况下，设备之间的互联问题。读者可参考如图2所示的四种拓扑结构。

图2 Miracast的四种拓扑结构

图2所示内容比较简单，此处就不再详述。另外，在Wi-Fi Display规范中，还存在着Source将Video和Audio内容分别传送给不同Render Device的情况。感兴趣的读者可参考Wi-Fi Display技术规范。

另外，Miracast对所支持的视音频格式也进行了规定，如表1所示。

表1 Miracast 视音频格式支持

分辨率

17种 CEA格式，分辨率从640*480到1920*1080，帧率从24到60

29种VESA格式，分辨率从800*600到1920*1200，帧率从30到60

12种手持设备格式，分辨率从640*360到960*540，帧率从30到60

视频

H.264高清

音频

必选：LPCM 16bits，48kHz采样率，双声道

可选：

LPCM 16bits，44.1kHz采样率，双声道

Advanced Audio coding

Dolby Advanced Codec 3

最后，我们简单介绍一下Miracast的大体工作流程。Miracast以session为单位来管理两个设备之间的交互的工作，主要步骤包括（按顺序）：

Device Discovery：通过Wi-Fi P2P来查找附近的支持Wi-Fi P2P的设备。
Device Selection：当设备A发现设备B后，A设备需要提示用户。用户可根据需要选择是否和设备B配对。
Connection Setup：Source和Display设备之间通过Wi-Fi P2P建立连接。根据Wi-Fi Direct技术规范，这个步骤包括建立一个Group Owner和一个Client。此后，这两个设备将建立一个TCP连接，同时一个用于RTSP协议的端口将被创建用于后续的Session管理和控制工作。
Capability Negotiation：在正式传输视音频数据前，Source和Display设备需要交换一些Miracast参数信息，例如双方所支持的视音频格式等。二者协商成功后，才能继续后面的流程。
Session Establishment and streaming：上一步工作完成后，Source和Display设备将建立一个Miracast Session。而后就可以开始传输视音频数据。Source端的视音频数据将经由MPEG2TS编码后通过RTP协议传给Display设备。Display设备将解码收到的数据，并最终显示出来。
User Input back channel setup：这是一个可选步骤。主要用于在传输过程中处理用户发起的一些控制操作。这些控制数据将通过TCP在Source和Display设备之间传递。
Payload Control：传输过程中，设备可根据无线信号的强弱，甚至设备的电量状况来动态调整传输数据和格式。可调整的内容包括压缩率，视音频格式，分辨率等内容。
Session teardown：停止整个Session。

通过对上面背景知识的介绍，读者可以发现：

Miracast本质就是一个基于Wi-Fi的网络应用。这个应用包括服务端和客户端。
服务端和客户端必须支持RTP/RTSP等网络协议和相应的编解码技术。

二 Android 4.2 Miracast功能实现介绍

Miracast的Android实现涉及到系统的多个模块，包括：

MediaPlayerService及相关模块：原因很明显，因为Miracast本身就牵扯到RTP/RTSP及相应的编解码技术。
SurfaceFlinger及相关模块：SurfaceFlinger的作用是将各层UI数据混屏并投递到显示设备中去显示。现在，SurfaceFlinger将支持多个显示设备。而支持Miracast的远端设备也做为一个独立的显示设备存在于系统中。
WindowManagerService及相关模块：WindowManagerService用于管理系统中各个UI层的位置和属性。由于并非所有的UI层都会通过Miracast投递到远端设备上。例如手机中的视频可投递到远端设备上去显示，但假如在播放过程中，突然弹出一个密码输入框（可能是某个后台应用程序发起的），则这个密码输入框就不能投递到远端设备上去显示。所以，WindowManagerService也需要修改以适应Miracast的需要。
DisplayManagerService及相关模块：DisplayManagerService服务是Android 4.2新增的，用于管理系统中所有的Display设备。

由于篇幅原因，本文将重点关注SurfaceFlinger和DisplayManagerService以及Miracast的动态工作流程。

三总结

本文对Miracast的背景知识以及Android系统中Miracast的实现进行了一番简单介绍。从笔者个人角度来看，有以下几个点值得感兴趣的读者注意：

一定要结合Wi-Fi的相关协议去理解Miracast。重点关注的协议包括Wi-Fi P2p和WMM。
Android Miracast的实现中，需要重点理解SurfaceFlinger和RemoteDisplay模块。这部分的实现不仅代码量大，而且类之间，以及线程之间关系复杂。
其他需要注意的点就是DisplayManagerService及相关模块。这部分内容在SDK中有相关API。应用开发者应关注这些新API是否能帮助自己开发出更有新意的应用程序。

另外，Android的进化速度非常快，尤其在几个重要的功能点上。作者在此也希望国内的手机厂商或那些感兴趣的移动互联网厂商能真正投入力量做一些更有深度和价值的研发工作。

[①]苹果公司的Air Play技术和DLNA技术也实现了类似的应用场景。对它们感兴趣的读者可参考作者的一篇博文http://blog.csdn.net/innost/article/details/7078539。

[②]其他可选技术项还有TDLS和WMM Power Save。本文不讨论这两项内容

[③]这部分内容和WifiP2pService结合紧密，感兴趣的读者可自行研究。