基于Android的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

李 昂，宋海聲，蘇小蕓

（西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、功能綜合化的方向不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多通過線纜或光纖將視頻信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，但由于網(wǎng)線的限制，不利于監(jiān)控系統(tǒng)的迅速搭建。隨著無線網(wǎng)絡(luò)特別是3G網(wǎng)絡(luò)的普及，視頻監(jiān)控系統(tǒng)面臨著更加廣闊和自由的空間[1]。

3G網(wǎng)絡(luò)在移動環(huán)境下支持的帶寬有限，而視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求盡可能清晰流暢地傳輸視頻信號，因此需要在保證視頻信號不失真的情況下，進行最大可能的壓縮。H.264標準采用了高精度、多模式預(yù)測技術(shù)提高壓縮比以降低碼流[2]，可廣泛應(yīng)用于遠程監(jiān)控、電視會議以及可視電話等領(lǐng)域。

本文介紹了一種基于Android系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用PDA結(jié)合H.264編碼技術(shù)和3G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)了對遠程視頻的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，硬件部分包括帶攝像頭的PDA、H.264編碼器和后臺監(jiān)控計算機。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是編碼器的設(shè)計，將拍攝到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過H.264編碼器進行編碼壓縮，最后利用3G無線網(wǎng)絡(luò)將壓縮后的數(shù)據(jù)傳送到后臺監(jiān)控計算機完成實時顯示。后臺計算機還可以通過3G網(wǎng)絡(luò)向PDA發(fā)送控制命令，實現(xiàn)云臺控制等相關(guān)操作。本文主要介紹PDA端的設(shè)計與實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 Android操作系統(tǒng)

Android是一種以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)，主要用于便攜設(shè)備。Android擁有一個提供Java編程語言功能的核心庫。每個Java編寫的應(yīng)用程序都擁有一個獨立的Dalvik虛擬機實例。Dalvik被設(shè)計成一個可以同時高效運行多個虛擬系統(tǒng)的設(shè)備，這樣的特點使得Android系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)手機特殊的運行環(huán)境。通過在Eclipse上安裝Android SDK插件,可以輕松搭建Android開發(fā)平臺，在該平臺編譯的代碼可自動生成APK文件，直接進行安裝使用[3]。

3 PDA端視頻處理的實現(xiàn)

基于Android的視頻監(jiān)控系統(tǒng)最重要的部分就是PDA以及外設(shè)的設(shè)計和視頻的處理。PDA有限的內(nèi)存要求這部分的實現(xiàn)盡量做到低功耗、高性能，達到算法和軟件的最優(yōu)化。

由于DSP芯片具有極強的可編程性，方便后期進行編碼的比較和優(yōu)化。因此編碼器采用ADI公司推出的DSP芯片Blackfin533。該芯片集成了大量的外設(shè)和存儲器接口，在結(jié)構(gòu)上對C/C++進行了優(yōu)化，能夠達到很高的代碼密度，可以滿足H.264編碼的實時要求。

3.1 H.264算法的優(yōu)化選擇

與以往的視頻編碼標準 (如H.263和 Mpeg系列)只采用一種或兩種宏塊編碼模式不同，H.264采用從16×16到4×4的七種宏塊編碼模式，使得H.264相比H.263節(jié)省了大約50%的碼率。但同時面臨著可觀的運算量消耗[4]。為了達到實時編碼，如何實現(xiàn)快速的模式選擇算法成為解決問題的關(guān)鍵[5-6]。H.264/AVC的宏塊編碼模式大量應(yīng)用了遍歷，使得運算量過大，適當(dāng)?shù)販p少遍歷的模式或者提前終止遍歷就可以提高編碼的速度[7]。而減少無效遍歷的關(guān)鍵在于限制遍歷的范圍和制定可靠的終止準則。

Curr為當(dāng)前待編碼的宏塊，A、B、C、D分別為四個方向的相鄰宏塊，A_cost、B_cost、C_cost和 D_cost分別為A、B、C、D的編碼代價，門限 T利用式(1)計算得出:

Curr分別按照4個相鄰宏塊和自身宏塊的模式編碼，比較其代價值得到最優(yōu)編碼。圖2所示為對宏塊A和B的優(yōu)化編碼流程圖(對宏塊C和D的編碼類似)。通過測試比較及優(yōu)化算法的處理，視頻在保真的情況下，有效地降低了壓縮比，提高了算法的運算速度。

3.2 軟件的設(shè)計

Android平臺實現(xiàn)主要包括通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

通信模塊采用了Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進行UDB通信。通信之前的準備工作是完成Socket的創(chuàng)建，同時綁定Socket和端口號，設(shè)置開始監(jiān)聽端口。監(jiān)聽開始后，主程序循環(huán)監(jiān)聽、接收請求信號，同時創(chuàng)建新的客戶連接Socket以及相應(yīng)的通信進程。

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對視頻流數(shù)據(jù)的提取和傳導(dǎo)。開啟攝像頭后，在視頻預(yù)覽時截取視頻流每一幀的數(shù)據(jù)。把截取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層進行圖像繪制，通過外設(shè)傳輸?shù)紻SP芯片進行視頻編碼，編碼后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)

傳送到后臺監(jiān)控室。Android應(yīng)用層[8]的核心代碼如下：

DSP芯片中軟件設(shè)計的主要目的是提高運算速度和效率。宏塊編碼采用不同位置獨立編碼，編程時盡可能地將判斷轉(zhuǎn)移到循環(huán)外，杜絕了大量幀內(nèi)和幀間宏塊的重復(fù)判斷。利用快速的模式選擇算法對宏塊進行編碼，進一步提高了編碼效率。使用Blackfin533芯片專用的視頻指令SAA求取絕對差值求和函數(shù)SAD()，在很大程度上提高了運算速度。具體SAA的使用代碼如下：

4 實現(xiàn)結(jié)果

圖3為系統(tǒng)在HTC G14手機和后臺計算機中利用聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)實驗的結(jié)果。手機拍攝預(yù)覽的視頻顯示在計算機上；后臺可選擇監(jiān)視某一臺手機的視野，還可以通過發(fā)送命令放大或縮小視野的范圍，整個過程不受距離限制。經(jīng)過多次測試，PDA端與后臺在同一幀的顯示僅存在3 s～5 s的延遲。

目前,基于Android的視頻監(jiān)控系統(tǒng)已在實驗室測試使用，基本完成了后臺計算機對PDA端攝像頭視野的實時監(jiān)控功能。系統(tǒng)利用了3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高傳輸速度中和Android系統(tǒng)開發(fā)便利的優(yōu)勢,優(yōu)化了H.264編碼方法和軟件編程。整個系統(tǒng)從軟件到硬件，開發(fā)成本低，實際使用方便。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻編碼技術(shù)的不斷發(fā)展，移動視頻監(jiān)控有望在未來成為監(jiān)控系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

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