iPhone 4手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

高西萍，曾 浩，程 瑤

(重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院，重慶 400065)

1 系統(tǒng)介紹

手機視頻監(jiān)控近幾年發(fā)展非常迅速，手機終端的發(fā)展也是非常迅猛，特別是隨著iPhone手機的推出，手機進入了一個新的時代，用iPhone手機已經(jīng)成為一種時尚。在這種趨勢下，基于iPhone的軟件開發(fā)具有很好的市場前景。

手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以分為4個層次:前端采集設(shè)備、服務(wù)器、移動通信網(wǎng)絡(luò)、手機終端(iPhone 4)。本文給出的基于iPhone 4的手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)模型，整體的框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

服務(wù)器端和客戶端之間采用TCP方式傳輸數(shù)據(jù)［1］。服務(wù)器端采用集群式服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)，根據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)的狀況加入子碼流傳輸和管理。iPhone手機客戶端主要有用戶登錄、權(quán)限管理和云臺控制等功能?？蛻舳嘶趇OS4.3及以上的操作系統(tǒng)，主要完成信令處理、解碼上屏等功能，其中在解碼方面客戶端會對所有H.264格式的視頻編碼流進行統(tǒng)一的解碼處理。

2 服務(wù)端的設(shè)計

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點是并發(fā)量大，會出現(xiàn)很多用戶同時通過移動網(wǎng)絡(luò)訪問某個交通要道的監(jiān)控點的情況。因此移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要存在兩個問題:服務(wù)器性能不足和網(wǎng)絡(luò)擁塞［2］。鑒于此，本設(shè)計服務(wù)器端采用多臺服務(wù)器組成的集群共同提供流媒體服務(wù)，其服務(wù)器端的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 集群式服務(wù)器端的架構(gòu)圖

服務(wù)器端由3G入口網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、認證服務(wù)器、3G流媒體服務(wù)器、通信服務(wù)器、云臺控制服務(wù)器等模塊組成。

1)3G入口網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。系統(tǒng)對外公布的入口地址是該服務(wù)器的IP地址。該服務(wù)器的主要功能是接收用戶的連接請求，調(diào)用認證服務(wù)器的認證功能對用戶進行身份驗證，同時取得當(dāng)前負載最低的流媒體服務(wù)器，并利用重定向功能將流媒體服務(wù)器的IP地址和端口號返回給用戶。引入入口網(wǎng)關(guān)服務(wù)器可以對外屏蔽認證服務(wù)器和流媒體服務(wù)器，使得這兩個服務(wù)器與外界完全隔絕，保證了系統(tǒng)的安全。主要負責(zé)用戶認證轉(zhuǎn)發(fā)、權(quán)限轉(zhuǎn)發(fā)信息以及壓力分配的處理。

2)認證服務(wù)器。功能包括維護當(dāng)前在線用戶列表、用戶權(quán)限認證等用戶管理。認證服務(wù)器對外提供各種用戶權(quán)限認證的功能，比如用戶登錄認證、流媒體訪問權(quán)限認證、云臺控制權(quán)限認證。

3)3G流媒體服務(wù)器。流媒體服務(wù)器是這個系統(tǒng)的核心，主要功能是為用戶提供流媒體的服務(wù)。由于一臺服務(wù)器無法支持大量用戶并發(fā)所需的計算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬，系統(tǒng)中設(shè)置了多臺媒體服務(wù)器為用戶提供服務(wù)。每臺流媒體服務(wù)器之間相互獨立，流媒體服務(wù)器與用戶之間形成一對多的關(guān)系，用戶在一次流媒體會話中不能在不同流媒體之間進行切換。

4)通信服務(wù)器。因為網(wǎng)絡(luò)攝像機不能滿足高并發(fā)，無法實現(xiàn)實時的視音頻數(shù)據(jù)的傳輸。因此通信服務(wù)器的功能是接收網(wǎng)絡(luò)攝像機的音視頻數(shù)據(jù)，然后發(fā)給3G流媒體服務(wù)器。

5)云臺控制服務(wù)器。云臺控制服務(wù)器的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)攝像機云臺控制服務(wù)的代理服務(wù)器。云臺控制服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的云臺控制后，轉(zhuǎn)換成標準的云臺控制指令，然后發(fā)動到前端采集設(shè)備。

3 客戶端的設(shè)計

從2007年發(fā)布至今，蘋果手機已經(jīng)從最早的iPhone一代升級到了iPhone 4。iPhone OS是由蘋果公司為iPhone開發(fā)的操作系統(tǒng)，iPhone 4采用蘋果最新的iPhone OS 4.0系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中手機客戶端主要完成解碼和上屏、云臺控制的功能［2］，由此設(shè)計出客戶端流媒體播放器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 流媒體播放器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)視頻編碼采用的是目前最流行的H.264編碼格式，它與現(xiàn)有的MPEG－2，MPEG－4及H.263相比，具有明顯的優(yōu)越性，特別是編碼效率上的提高，使之能用于許多新的領(lǐng)域［3］，該系統(tǒng)中的客戶端會對所有H.264格式的視頻編碼流進行統(tǒng)一的解碼處理。

目前PC平臺的H.264解碼器比較完善，其中開源的解碼器主要包括 JM decoder，T264 decoder，x264 decoder，F(xiàn)Fmpeg libavcodec，Intel IPP simple player等。但是在iPhone OS平臺還沒有可用的解碼器，所以必須對現(xiàn)有PC平臺上的解碼器進行修改，使之能夠在iPhone OS平臺上正確運行，即將解碼器由PC平臺移植至iPhone OS平臺［4］。

FFmpeg是一個集錄制、轉(zhuǎn)換、音視頻編碼解碼功能為一體的完整的開源解決方案。FFmpeg的解碼流程總的可以概括為［5］:打開一個文件后，讀取里面的視頻流，找到對應(yīng)的解碼器并打開，從流中讀取幀數(shù)據(jù)并解碼。具體的視頻解碼流程如圖4所示。

圖4 FFmpeg視頻解碼流程圖

1)初始化libavformat/libavcodec，實現(xiàn)代碼為:

這一步注冊庫中含有的所有可用的文件格式和編碼器，這樣當(dāng)打開一個文件時，它們才能夠自動選擇相應(yīng)的文件格式和編碼器。

2)打開文件，實現(xiàn)代碼為:

3)從AVFormatContext獲取Stream的信息。實現(xiàn)代碼為:

流中關(guān)于編解碼器的信息就是“codec context”(編解碼器上下文)。這里面包含了流中所使用的關(guān)于編解碼器的所有信息，現(xiàn)在有了一個指向它的指針，下面要找到真正的編解碼器并且打開它。

4)尋找視頻流的解碼器并打開它，實現(xiàn)代碼為:

5)為解碼幀分配內(nèi)存，實現(xiàn)代碼為:

6)不停地從碼流中提取出幀數(shù)據(jù)，判斷幀的類型，對于視頻幀調(diào)用avcodec_decode_video()解碼，實現(xiàn)代碼為:

7)轉(zhuǎn)換圖像格式，實現(xiàn)代碼為:

因為準備輸出保存24位RGB格式的JPEG文件，且iPhone只支持RGB格式，因此必須把解碼后的圖像格式從原來的YUV420轉(zhuǎn)換為RGB格式。

8)解碼完后，釋放解碼器，實現(xiàn)代碼為:

9)關(guān)閉輸入文件，實現(xiàn)代碼為:

4 測試

本文給出的基于iPhone 4的手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器端和客戶端的詳細設(shè)計，服務(wù)器端主要完成的是流媒體編碼和轉(zhuǎn)發(fā)，客戶端主要完成的是流媒體的解碼和上屏，還能對帶有云臺的攝像頭進行控制，如調(diào)焦距、上、下、左、右的控制。在MAC OS的模擬iPhone平臺上，測試中顯示的監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖5 測試中顯示的監(jiān)控畫面

該視頻圖像的技術(shù)參數(shù)是:分辨力為CIF 352×288，幀率為25 f/s，碼率為128 kbit/s。前端網(wǎng)絡(luò)攝像機的供應(yīng)商是大華，通過對前端設(shè)備的設(shè)置在監(jiān)控畫面上可以顯示視頻遮擋、時間、通道號等信息，能滿足用戶視頻查看、云臺控制的基本要求。

5 小結(jié)

本文給出了一套基于iPhone 4的手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并對系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端的模塊進行了設(shè)計說明。本文設(shè)計的基于iPhone 4的手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方案，能滿足手機用戶的視頻查看、云臺控制的基本需求，接下來的工作是對手機客戶端的功能做進一步的擴展，增加手動錄像、圖像抓幀、短信報警等功能。

［1］張萬芳，蘇鴻根.基于RTP/UDP/IP協(xié)議實時傳輸H.264流媒體文件［J］.計算機工程與設(shè)計，2009，17(7):31－35.

［2］王超.移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.

［3］馬杰，田金文，柳鍵.流媒體技術(shù)及其文件格式［J］.計算機工程與應(yīng)用，2003，9(13):49－52.

［4］杜傳贏.Symbian平臺移動流媒體播放器的實現(xiàn)與優(yōu)化［D］.廈門:廈門大學(xué)，2008.

［5］尹超超，龍昭華，謝顯中.H.264實時視頻通信終端的研究與實現(xiàn)［J］. 電視技術(shù)，2011，35(3):53－56.