基于Android智能手機的遠程視頻監控的設計

　　摘要：為了實現移動視頻監控，提出了一種基于智能手機的遠程視頻監控系統。介紹了監控系統的體系結構和硬件平臺，闡述了嵌入式操作系統Android應用程序的開發方法，并結合實際的應用系統，重點論述了Android平臺上視頻監控客戶端的設計思路。移植了音視頻解碼庫FFmpeg進行H.264視頻解碼，并采用OpenGLES實現實時視頻顯示。在無線局域網絡的環境下對視頻監控終端進行測試，達到了利用手機進行移動視頻監控的目的。
　　
　　隨著多媒體技術、視頻壓縮技術以及網絡傳輸技術的發展，視頻監控正朝著數字化、網絡化、智能化方向持續發展，并越來越廣泛地滲透到政府、教育、娛樂、醫療等領域。目前大部分的網絡視頻監控系統是基于WEB服務器的，監控終端為PC機，用戶使用瀏覽器獲取監控服務。由于互聯網接入地點的限制，普通的網絡視頻監控無法滿足用戶在任何時間、任何地點獲取監控信息的需求。
　　
　　本文介紹了一種以Android智能手機為終端的視頻監控系統，該系統將傳統的視頻監控與移動多媒體技術相結合，真正實現了移動視頻監控。
　　
　　1、系統的結構
　　
　　本文中的視頻監控系統采用C/S體系結構。
　　
　　如圖1所示，該系統由視頻采集端（攝像頭），視頻服務器以及監控客戶端等構成。
　　
　　視頻服務器是整個系統的核心部分，它將攝像頭采集到的原始模擬信號轉換為數字信號，并對視頻數據進行編碼壓縮，zui后通過Internet將壓縮后的數據傳送至客戶端?？蛻舳送ㄟ^TCP/IP協議訪問服務器，通過對視頻數據的接收、解碼以及顯示，實現實時預覽功能?？蛻舳艘部梢愿鶕脩粜枨蟀l送控制命令，實現對前端設備的控制操作，如云臺控制等。
　　
　　服務器部分采用Hi3515處理器芯片為硬件平臺，并移植了嵌入式操作系統Linux作為整個系統運行的軟件環境。Hi3515是一款基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有H.264和MJPEG多協議編解碼能力。
　　
　　本文以基于Hi3515的遠程視頻監控系統為例，重點介紹了Android平臺上監控客戶端的設計過程。
　　
　　2、Android開發介紹
　　
　　Android是基于Linux開放性內核的操作系統，是Google公司在2007年11月5日公布的手機操作系統。Android采用軟件堆層的架構，主要分為三部分：底層以Linux核心為基礎，提供基本功能；中間層包括函數庫和虛擬機；zui上層是各種應用軟件。
　　
　　Android平臺顯著的開放性使其擁有眾多的，應用日益豐富，不僅應用于智能手機，也向平板電腦、智能MP4方面急速擴張。
　　
　　Android應用程序用Java語言編寫，每個應用程序都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例，這個實例駐留在一個由Linux內核管理的進程中。Dalvik支持JavaNativeInterface（JNI）編程方式，Android應用程序可以通過JNI調用C/C++開發的共享庫，實現"Java+C冶的編程方式。開發Android應用程序zui簡捷的方式是安裝AndroidSDK和EclipseIDE.
　　
　　Eclipse提供了一個豐富的Java環境，Java代碼通過編譯后，AndroidDeveloperTools會將它打包，用于安裝。
　　
　　3、監控客戶端的設計與實現
　　
　　基于Android平臺的監控客戶端的總體框架如圖2所示，分別由網絡通訊模塊、視頻解碼模塊以及視頻顯示模塊等構成。其中網絡通訊模塊接收來自服務器的所有數據，對數據進行解析，并將視頻數據存入到視頻緩沖區。視頻解碼模塊負責從視頻緩沖區中讀取數據并送入H.264解碼器進行解碼。zui后，采用OpenGL圖形庫將解碼后圖像繪制到屏幕上實現視頻播放。　　　　
　　3.1H.264視頻解碼器的實現
　　
　　在網絡視頻監控系統中，視頻的編碼壓縮是非常必要和關鍵的工作，沒有經過壓縮的海量數據對網絡傳輸系統來說是無法承受的[7].H.264是目前的視頻壓縮算法，它由視頻編碼層VCL和網絡提取層NAL兩部分組成。其中，VCL進行視頻編解碼，包括運動補償預測、變換編碼和熵編碼等；NAL采用適當的格式對VCL視頻數據進行封裝打包。H.264標準對編碼效率和圖像質量進行了諸多改進，且抗丟包性能和抗誤碼性能好，適應各種網絡環境，非常適合于對壓縮率要求高，網絡環境復雜的移動視頻監控。
　　
　　客戶端接收的數據是經過H.264編碼壓縮后的數據，需要經過H.264解碼還原視頻圖像后才能夠顯示，因此，H.264解碼器是客戶端的關鍵部分。這里移植了開源的音視頻解碼庫FFmpeg進行H.264解碼。在Android應用程序中使用FFmpeg的步驟如下：
　　
　?。?）在Linux環境下安裝Android原生開發工具包NDK.
　　
　?。?）創建jni文件夾，將FFmpeg工程復制到文件夾下。創建H264Decoder.c源文件，提供Android程序使用的接口函數，文件需要包括JNI的操作頭文件<jni.h>,且函數名有固定的形式，如com_ipcamera_PreView_H264Decoder表示com_ipcamera包下面PreView類中H264Decoder函數。
　　
　　（3）創建Android.mk文件，該文件包含正確構建和命名庫的MakeFile說明。分別在LOCAL_SRC_FILES和LOCAL_C_INCLUDES項中添加編譯模塊所需源文件和頭文件目錄。
　　
　?。?）執行NDK開發包中的ndk鄄build腳本，生成對應的。so共享庫，并復制到Android工程下的libs/armeabi目錄下。
　　
　?。?）在Android程序中通過System.loadLibrary（"庫名稱冶）加載所需要的庫，加載成功后，應用程序就可以使用H264Decoder函數進行H.264的解碼。
　　
　　3.2OpenGLES繪圖
　　
　　為了提高繪圖的效率，客戶端使用OpenGLES實現視頻圖像的顯示。OpenGLES是一個2D/3D輕量圖形庫，是跨平臺圖形庫OpenGL的簡化版。
　　
　　OpenGLES專門針對手機、PDA和游戲主機等嵌入式設備而設計，目的是為了充分利用硬件加速，適合復雜的、圖形密集的程序。
　　
　　Android中使用GLSurfaceView來顯示OpenGL視圖，該類繼承至SurfaceView并包含了一個專門用于渲染3D的接口Renderer,主要通過實現ON鄄DrawFrame、onSurfaceChanged以及onSurfaceCreated等方法構建所需的Renderer.解碼器解碼一幀圖像后，調用GLSurfaceView的requeSTRender方法通知OpenGLES完成視頻圖像的顯示。使用OpenGL繪圖的核心代碼如下：　　
　　3.3多線程設計
　　
　　視頻數據的接收和解碼都是復雜、持續的過程，如果其中一個過程出現阻塞會影響整個程序的運行，因此，客戶端使用多線程實現數據接收和視頻解碼的并行處理。在整個程序運行過程中，主線程響應用戶操作，負責屏幕刷新工作，并創建兩個子線程：數據接收和視頻解碼子線程，處理過程如圖3所示。　　　　
　　在Java中，多線程的實現有兩種方式：擴展java.lang.Thread類或實現java.lang.Runnable接口。這里通過繼承Thread類并覆寫run（）方法實現兩個子線程。在多線程的應用中關鍵是處理好線程之間的同步問題，以解決對共享存儲區的訪問沖突，避免引起線程甚至整個系統的死鎖。Java多線程主要利用synchronized關鍵字和wait（）、notify（）等方法實現線程間的同步。
　　
　　4、結束語
　　
　　目前，該系統已經在實驗室進行測試，服務器輸出15fpsCIF格式的H.264視頻數據，客戶端安裝在Android手機上，通過WIFI接入無線局域網中與服務器建立連接，用戶界面如圖4所示，可實現遠程視頻預覽、云臺控制等操作。　　　　
　　隨著3G時代的到來，數據傳輸速度有了大幅提升，為移動實時視頻業務的實現創造更好的條件。
　　
　　手機用戶可以直接接入3G網絡訪問視頻監控服務器，實現移動在線的實時視頻監控。由此可見，手機視頻監控市場潛力巨大，具有很好的發展前景。