基于Android終端的移動視頻監控客戶端設計

王艷

(西安航空職業技術學院 計算機工程學院， 西安 710089)

0 引言

無線通訊技術及智能手機的迅速發展和完善，為視頻監控技術提供了強大的技術支撐，隨著移動視頻監控的不斷發展，視頻監控系統在各領域得到普遍應用，受到PC機不易移動的局限性，視頻數據通過PC端獲取的方式已經難以滿足監控的移動需求，且傳統視頻監控還存在布線復雜程度較高、可拓展性較低等缺點，為使傳統視頻監控系統的問題得以有效解決，對移動視頻監控系統的研究成為重要方向之一，實現通過遠程視頻圖像監控。

1 關鍵技術研究

1.1 流媒體(Media Stream)傳輸技術

該技術具備高效的壓縮編碼功能，音視頻多媒體數據經其處理后以媒體流形式通過網絡完成傳輸，移動客戶端邊播放邊下載，無需下載完整文件，縮短了用戶等待時間，并且已制定了相關標準。相比于PC機，移動視頻監控終端設備的硬件資源有限但對實時性的要求較高，考慮到Android系統的CPU運算速度、緩存的局限，因此本文在設計移動視頻監控系統時使用了流媒體實時傳輸協議(RTP)，降低延遲，提高控制傳輸流的能力及系統的實時性，同時具備較強的自適應網絡帶寬資源能力[1]。

1.2 H.264視頻編解碼技術

該技術主要由視頻編碼(規定了H.264 的編解碼算法)和網絡提取兩層構成，具體的編碼原理如圖1所示。

圖1 H.264視頻編碼器框圖

具備較高的編碼效率和網絡友好性，視頻編碼層可有效描述視頻內容，對原始視頻中冗余時間、空間及統計通過使用離散余弦編碼、運動估計等多種方法實現有效壓縮。H.264使用了包括靈活宏塊排序、多尺寸運動估計、環路去塊效應濾波器，像素運動補償等先進的輔助技術，以使壓縮效率得以進一步提高；網絡提取層對傳輸時的H.264 碼流所需遵循的規范(在各種網絡情況下)進行了詳細規定，結合網絡資源情況，依據視頻的使用特征打包傳送數據[1]。

2 系統整體架構設計

2.1 總體架構

本文采用Client/Server 架構完成移動視頻監控系統總體架構的設計，在客戶端、服務器端需分別對相應的軟件功能進行開發，系統總體架構如圖2所示。

圖2 遠程視頻監控系統架構

主要由視頻監控設備、視頻服務器、監控客戶終端三部分構成，各部分間的通信連接通過網絡完成，采用攝像頭完成監控視頻采集端的原始視頻數據的采集過程，攝像頭通過云臺的使用完成對旋轉的控制，CMOS視頻采集模塊采集圖像，AD轉換模塊完成所采集圖像到數字圖像的轉換，并傳送至終端服務器[2]。

2.2 移植FFMPEG和JNI接口

在解碼H.264 標準的視頻時需先完成解碼軟件的移植，考慮到運算量較大的H.264解碼算法復雜，本文采用軟件包FFMPEG(C語言編碼)來實現，作為一種音視頻解碼包，FFMPEG具備跨平臺、源代碼開放的優勢，提高了錄制、編碼和流化音視頻能力，從而實現了Linux及Android的高效兼容。通過將FFMPEG 代碼包移植到Android操作系統即可對由H.264編碼的視頻數據進行解碼，為對其他本地語言編寫的代碼進行調用，移植過程中由于是采用C語言編寫的FFMPEG 軟件包，Android 系統中C 程序的調用需使用Java 本地接口(JNI)，本文通過JNI接口的使用完成了Java 虛擬機同應用程序間的相互調用，實現Java能夠同本地代碼間的互操作；為實現Android系統對C/C++程序的調用，JNI 可在基于Java的Android系統中被提供，這些接口由本地代碼(其他語言編寫)實現，需在Android系統中進行注冊，Android系統JN I接口具體如圖3所示。

圖3 Android 系統 JNI接口

使用 FFMPEG前需先將FFMPEG代碼編譯成動態庫，在通過JNI 技術完成 FFMPEG函數的調用[3]。

3 移動視頻監控客戶端的實現

3.1 視頻采集過程的實現

系統的核心在于基于Linux 系統的服務器，主要負責對視頻進行捕獲、通過H.264進行編碼、進行RTP分包及云臺控制等，對前端采集設備和后端用戶的管理通過 SIP信令的轉發完成， 攝像頭采集到視頻數據后，服務器會對 FFMPEG 音視頻解碼包進行調用，并在此基礎上完成H.264 壓縮編碼，接下來的RTP打包則通過 JRTPLIB 庫完成，實現用戶客戶端到服務器端的 RTP 連接的創建及通過Socket 接口進行的發送環節，確保了數據的實時傳輸功能的順利實現；Android客戶端通過服務器的訪問，完成流媒體 RTP 數據包的接收，再通過JRTPLIB 庫的使用完成拆包處理后存放至接收緩沖區，接下來完成 H.264 解碼(提高調用 FFMPEG)，最終視頻播放、保存等通過調用Mediawork 庫完成(視頻播放數據格式為QCIF 或 CIF)，幀速率超過20幀/秒、碼率大于64kps[4]。

3.2 客戶端功能的實現

采用具備Android 系統的設備作為本文移動視頻監控的終端設備，作為同用戶進行交互的對象，客戶端需確保具備基本的美觀易于操作的界面的同時具備穩定的相關功能，軟件系統功能構成具體如圖4所示。

圖4 軟件系統構成

(1) 客戶端界面的實現

應用程序用戶界面的創建通過Android 操作系統提供的多個常見UI 控件實現，本文客戶端UI 界面主要由四個界面構成(包括登陸認證、選擇通道、設置參數、播放視頻)，具體的界面流程如圖5所示。

圖5 UI界面流程框圖

Android系統中的 UI 控件基于兩個類：View 和 ViewGroup，以Android 界面開發方法為依據，各界面需完成對應的 XML 布局文件的編寫[5]。

(2) H.264 視頻解碼器的實現

作為移動監控客戶終端的核心部分，視頻播放主要通過接收RTP 數據包、H.264 解碼及畫面顯示等過程完成，通過Android 系統采用軟件方式對H.264 碼流進行解碼，SIP 會話通過無線網絡傳輸到Android 系統(在移植完音視頻編解碼包后)，Android 系統將有效的 RTP 數據包從中分揀出來，在此基礎上拆包 RTP 完成有效負載的分解，實現 H.264標準編碼過程(按照時間戳排序)，即可獲取最終的視頻數據，經解碼的 H.264 數據通過應用程序不斷向視頻播放界面傳遞，通過畫面的不斷刷新即可在移動客戶端實現流暢視頻的獲取[5]。

(3) 播放功能的實現

在手機屏幕的視頻播放界面播放并顯示解碼后的視頻幀，本文播放功能的實現主要通過onDraw()函數的設計實現，在畫面的顯示需調用Android 系統自帶的Canvason(一種函數Draw的參數是寫圖元素類的)，在onDraw類中完成屏幕的分辨率的設置(通過屏幕寬、高度的獲取)；在一個buffer 字節類中傳入經解碼的數據完成圖像的輸出，再將這個字節類通過 onDraw函數的調用完成圖像的顯示，視頻數據的解碼通過調用DecoderNal()函數完成，有新的視頻數據解碼成功后則此函數解碼后返回的數值大于 0 時，此時通過對屏幕進行刷新，從而顯示新畫面[6]。

(4) 控制系統的實現

使用 TCP/IP 協議完成傳輸過程以確保控制指令的可靠性，視頻采集端云臺設備通過客戶端對應的功能按鈕即可完成控制過程，Android 操作系統的TCP/IP 協議棧相對完整，通過 Socket網絡即可完成應用程序的編程，從而實現系統控制指令的傳輸。基于Android的移動視頻監控客戶端播放的畫面有較高的清晰流暢度，沒有出現長時間的卡頓現象，能夠滿足遠程移動監控需要。

4 總結

本文在研究整個監控系統關鍵技術的基礎上(包括視頻編解碼、移動流媒體、實時傳輸等)，依據視頻監控系統的體系結構，結合JNI 技術，完成了基于Android 智能終端的移動視頻監控系統客戶端的設計，通過在Android系統中設計H.264 視頻解碼器，實現監控終端到手持設備上的移植過程，該無線視頻監控系統客戶端的功能主要通過移動流媒體實現，彌補了傳統的視頻監控終端移動性較差的不足，用戶通過網絡即可接入網絡實現移動實時的視頻監控過程，不受時空限制，能夠提供高效的遠程移動視頻監控服務。