基于Android平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

嚴(yán)張凌+代茂

摘 要隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的普及率也越來越高，使得視頻監(jiān)控技術(shù)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的前提下得到了更廣闊的發(fā)展空間，形成了監(jiān)控前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化的特點(diǎn)。本文介紹了一種基于Android平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并就其設(shè)計(jì)的主要思路和應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】Android 視頻監(jiān)控 系統(tǒng)設(shè)計(jì) H.264編碼 應(yīng)用

近年來，智能手機(jī)的快速發(fā)展推動(dòng)了Android手機(jī)操作系統(tǒng)的開發(fā)和利用，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于便于攜帶、系統(tǒng)小巧、功能全面，因此也使得基于Android平臺(tái)的視頻監(jiān)控技術(shù)得研發(fā)和應(yīng)用。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于受線纜或光纖的帶寬限制，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻信號(hào)傳輸，而Android平臺(tái)在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下成功的解決了一這問題，從而進(jìn)一步促進(jìn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、可視電話、電視會(huì)議等遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1 視頻監(jiān)控技術(shù)概述

視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間比較久遠(yuǎn)，以往在安防領(lǐng)域發(fā)揮了非常大的作用，是公安部門維持社會(huì)穩(wěn)定、打擊犯罪的重要技術(shù)手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等三個(gè)重要發(fā)展階段，隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)開始朝向以移動(dòng)流媒體技術(shù)為代表的移動(dòng)視頻監(jiān)控方向發(fā)展，手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備開始具備實(shí)時(shí)監(jiān)看遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)畫面的功能，由此也將視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用范圍拓展到了教育、政府、娛樂、醫(yī)療、酒店、運(yùn)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了“隨時(shí)隨地，自由掌控”的監(jiān)控，為人們的生產(chǎn)、生活提供了更簡(jiǎn)單、便利、及時(shí)的監(jiān)控解決方案。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

目前，基于Android平臺(tái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集模塊、編碼模塊、視頻傳輸模塊、解碼模塊、顯示模塊等五大模塊共同構(gòu)成，相關(guān)設(shè)計(jì)也是圍繞這五大模塊進(jìn)行的。

2.1 視頻采集模塊

基于Android平臺(tái)的視頻信號(hào)采集工作是由采集模塊完成的，通過手機(jī)攝像頭可以獲得YUV420格式的視頻流，而相關(guān)模塊則可通過對(duì)Android應(yīng)用層的代碼編寫實(shí)現(xiàn)。

2.2 編碼模塊

目前，Android平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種，一種是由MPEG制定的MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)；而另一種則是由ITU一T制定的H.261、H.263視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步促進(jìn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在多媒體通信方面的應(yīng)用，MPEG和VCEG聯(lián)手共同開發(fā)了當(dāng)今最先進(jìn)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.264。

雖然該標(biāo)準(zhǔn)依然采用了以往的壓縮標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，但是H.264在此基礎(chǔ)上增加了更多新的特性。比如，H.264標(biāo)準(zhǔn)包含了網(wǎng)絡(luò)抽象層（NAL）和視頻編碼層（VCL）兩層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)抽象層的功能是打包、傳輸數(shù)據(jù)，而視頻編碼層的功能是壓縮視頻編碼，這樣的分層結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的傳輸和編碼工作進(jìn)行了分離，使得H.264標(biāo)準(zhǔn)在面對(duì)復(fù)雜的通信環(huán)境時(shí)，依然可以利用不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸工作并保證良好的視頻數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.3 傳輸模塊

視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用主要受HTTP、RTSP、RTP、RTCP協(xié)議的約束。TCP和UDP協(xié)議主要作用于傳輸層，HTTP則是基于TCP（傳輸控制協(xié)議）的超文本傳輸協(xié)議。在一對(duì)一或一對(duì)多的情況下，RTP可以保證流媒體數(shù)據(jù)流與時(shí)間信息的同步正常工作。一般情況下，RTP需要使用UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此UDP是建立RTP的基礎(chǔ)。另外，RTP還需要供助RTCP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）彌補(bǔ)自身沒有可靠的傳送機(jī)制的弱點(diǎn)，因此只有讓RTP和RTCP共同協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)流量和擁塞的有效控制。同時(shí)，RTCP作為應(yīng)用層協(xié)議，其位置處于RTP和RTCP協(xié)議層之上，多媒體數(shù)據(jù)的傳輸則是通過IP網(wǎng)絡(luò)利用傳輸機(jī)制的TCP和RTP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。RTSP則用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)對(duì)音視頻流的遠(yuǎn)程控制，如對(duì)流媒體的播放、暫停、記錄等相關(guān)操作。SDP則用來描述RTSP的會(huì)話描述協(xié)議，用于說明會(huì)話的基本屬性。結(jié)合這些協(xié)議在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中起到的作用，本文設(shè)計(jì)的Android平臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要采用RTP、RTSP、RTCP、HTTP等四個(gè)協(xié)議構(gòu)建系統(tǒng)的傳輸模塊。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的流媒體系統(tǒng)需要由編碼器、流媒體服務(wù)器、客戶端播放器三個(gè)基本部件構(gòu)成。編碼器的作用在于將采集到的原始視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成流媒體格式文件，而這些編碼后的文件則由流媒體服務(wù)器進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)，客戶端播放器則將接收到的文件進(jìn)行解碼、播放。流媒體傳輸?shù)姆绞娇煞譃閮煞N：

（1）順序流式傳輸。這種方式是基于HTTP或FTP服務(wù)器進(jìn)行文件傳輸?shù)姆绞剑梢员ＷC完全無損的數(shù)據(jù)下載，可以有效保證視頻的質(zhì)量，也便于管理和用戶使用。但這種方式對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的要求較高，通常需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，不適用于實(shí)時(shí)性的隨機(jī)訪問。

（2）實(shí)時(shí)流式傳輸。這種方式是基于傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和專用的流媒體服務(wù)器進(jìn)行文件傳輸?shù)?，由于匹配了帶寬和無線網(wǎng)絡(luò)，可以支持實(shí)時(shí)性的現(xiàn)場(chǎng)直播，適用于用戶的隨機(jī)訪問和后退操作。傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要與防火墻進(jìn)行配置，在管理方面存在一定的復(fù)雜性。同時(shí)該方式必須與帶寬和無線網(wǎng)絡(luò)匹配，一旦網(wǎng)絡(luò)擁塞或設(shè)備出現(xiàn)低速連接狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)包括丟幀在內(nèi)的視頻質(zhì)量下降現(xiàn)象。

2.4 解碼模塊

解碼模塊的作用就是對(duì)編碼的過程進(jìn)行逆操作，因此解碼采用的標(biāo)準(zhǔn)也是編碼采用的H.264。解碼器一般由視頻數(shù)據(jù)的解碼部分和視頻的顯示部分兩個(gè)部分構(gòu)成。解碼部分主要是采用Android NDK+C機(jī)制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，顯示部分則利用Android SDK+Java機(jī)制由Android提供的組件實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)部分的通信則由java提供的jni機(jī)制實(shí)現(xiàn)。解碼的整體流程主要由前段碼流處理、H.264解碼和后段視頻顯示三個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)：前段碼流處理負(fù)責(zé)讀取文件，在分隔出NAL后將文件效由底層解碼；H.264解碼則負(fù)責(zé)圖像的重建工作，是解碼過程的核心部分；后端視頻顯示則將解碼后的文件通過客戶端進(jìn)行顯示。

2.5 顯示模塊

利用Android系統(tǒng)自帶的顯示器將解碼后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻顯示，并保證視頻顯示的效果。

3 結(jié)語

本文基于Android平臺(tái)的特點(diǎn)，利用移動(dòng)流媒體技術(shù)對(duì)移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采取了五個(gè)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分考慮到了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.四川大學(xué)錦城學(xué)院 四川省成都市 611731

2.四川大學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)院 四川省成都市 610024