［侯杰 劉雙廣］

基于Android的實(shí)時(shí)警用視頻監(jiān)控系統(tǒng)

［侯杰 劉雙廣］

目前，智能移動(dòng)設(shè)備的不斷普及和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對(duì)視頻監(jiān)控的要求越來越高，手機(jī)視頻監(jiān)控不受空間上的制約，滿足多元化的要求。文章基于實(shí)際項(xiàng)目，提出了一種基于Android平臺(tái)的警用移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程視頻采集端、視頻流服務(wù)器及移動(dòng)監(jiān)控終端構(gòu)成，采用開源的多媒體框架FFmpeg對(duì)視頻進(jìn)行H.264編解碼，采用RTP/RTCP協(xié)議來傳輸視頻數(shù)據(jù)，并添加人臉、車牌識(shí)別等模塊。經(jīng)過測(cè)試證明該平臺(tái)能很好地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)視頻監(jiān)控的功能，滿足項(xiàng)目需求，服務(wù)公安警用實(shí)戰(zhàn)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控 Android平臺(tái) 移動(dòng)終端 視頻編解碼

侯杰

重慶郵電大學(xué)光通信和網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生。主要研究方向：通信新技術(shù)應(yīng)用。

劉雙廣

重慶郵電大學(xué)光通信和網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高新興科技集團(tuán)股份有限公司研發(fā)中心，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：通信新技術(shù)應(yīng)用。

引言

隨著4G時(shí)代的到來，移動(dòng)終端設(shè)備的高速智能化發(fā)展，各類智能手機(jī)操作系統(tǒng)性能不斷提高。由Google開發(fā)的Android操作系統(tǒng)基于開源Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其中底層采用C語言設(shè)計(jì)，而應(yīng)用層采用簡(jiǎn)便的Java語言進(jìn)行開發(fā)［1］。其免費(fèi)開源特性促進(jìn)了智能手機(jī)以及平板電腦的快速發(fā)展［2］，也為無線視頻監(jiān)控提供了很好的軟、硬件平臺(tái)。傳統(tǒng)的基于PC終端的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏一定的靈活性，不能滿足用戶的移動(dòng)監(jiān)控等多元化需要［3］。本文在Android平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可運(yùn)行于多種移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在不同無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下均獲得了較好的實(shí)時(shí)監(jiān)控性能，可用于警用監(jiān)控以及無人值守等領(lǐng)域。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)和主要模塊

基于Android平臺(tái)的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以Android智能手機(jī)作為視頻監(jiān)控客戶端，借助于Android手機(jī)的便攜性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在時(shí)間和空間上的諸多限制［4］，本系統(tǒng)將主要應(yīng)用于公安系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地進(jìn)行視頻監(jiān)控的目標(biāo)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻采集設(shè)備（帶云臺(tái)的的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）、視頻流服務(wù)器以及基于Android的移動(dòng)智能終端（手機(jī)、平板）構(gòu)成，如圖1。視頻采集設(shè)備用來完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻的采集與視頻H.246壓縮編碼，然后采用網(wǎng)絡(luò)接入到Internet，把經(jīng)過壓縮后的視頻數(shù)據(jù)存放于視頻流服務(wù)器。視頻流服務(wù)器通過JMF類庫(kù)（Java媒體框架API）捕獲視頻，并通過實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP打包，最后利用Socket通信將壓縮后的視頻發(fā)送出去。視頻流服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)建立獨(dú)立的IP地址，便于移動(dòng)視頻監(jiān)控終端通過Socket請(qǐng)求獲取視頻數(shù)據(jù)。移動(dòng)視頻監(jiān)控終端主要是向遠(yuǎn)程視頻流服務(wù)器發(fā)送監(jiān)控請(qǐng)求、視頻解壓、視頻播放及圖片保存等功能。客戶端在接收到壓縮后的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)后，對(duì)RTP包進(jìn)行解析，然后調(diào)用FFmpeg音視頻解碼庫(kù)，實(shí)現(xiàn)H.264解碼，并將解碼后得到的視頻顯示在智能終端界面上，供用戶查看。

圖1　基于Android的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型

（1）視頻采集端

全部采用有線的IP攝像頭，并通過局域網(wǎng)與當(dāng)?shù)氐淖臃?wù)器連接。攝像頭的類型主要分為云臺(tái)攝像頭和普通攝像頭，云臺(tái)攝像就是帶有云臺(tái)功能的攝像頭，可通過遠(yuǎn)程終端控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、焦距等，此模塊主要由鏡頭和感光元件組成，目前，根據(jù)不同的感光元件可以分為CCD和CMOS兩種。

（2）流媒體服務(wù)器

通過調(diào)用第三方SDK的方式獲取子服務(wù)器上的視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)傳輸過來的原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，對(duì)處理后的視頻信息使用流媒體技術(shù)進(jìn)行串流化處理。其主要完成H.264數(shù)據(jù)的RTP封包工作、與客戶端的RTSP會(huì)話鏈接與實(shí)時(shí)的傳輸、控制工作。同時(shí)該部分還要完成用戶信息管理，以及視頻的存儲(chǔ)和周期性清除等工作。

（3）網(wǎng)絡(luò)傳輸

此模塊負(fù)責(zé)將流媒體數(shù)據(jù)包和控制信息通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，本文用的無線網(wǎng)絡(luò)為WiFi網(wǎng)絡(luò)。

（4）移動(dòng)終端

采用Android系統(tǒng)的移動(dòng)終端部分主要實(shí)現(xiàn)用戶的登錄，視頻數(shù)據(jù)的接收、解析、解碼、播放等工作，同時(shí)支持?jǐn)z像頭的云臺(tái)控制。

移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框架可分為視頻巡邏、電子地圖、即拍即傳、人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、移動(dòng)案件、語音對(duì)講、圖像瀏覽、告警查看等部分如圖2。主要的功能模塊需要滿足的需求如下：

視頻巡邏：是該系統(tǒng)最重要的功能模塊，將所有可進(jìn)行監(jiān)控信息查看的設(shè)備以列表形式展現(xiàn)，用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行查看，對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

電子地圖：在地圖中對(duì)攝像機(jī)位置進(jìn)行定位，便于快速查看。

人臉、車牌識(shí)別：通過融入智能算法，可以對(duì)手機(jī)拍攝的人臉和車牌進(jìn)行快速識(shí)別。

移動(dòng)案件：通過移動(dòng)端快速記錄案件詳情。

圖像瀏覽：系統(tǒng)不僅支持實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控，而且提供了對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看的功能。用戶可通過歷史數(shù)據(jù)查看模塊對(duì)歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)查看。

圖2　系統(tǒng)框架

2　服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)的處理，存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)文件和視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送，在服務(wù)器端視頻得處理模塊和視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送模塊以緩沖區(qū)為紐帶，當(dāng)服務(wù)器通過攝像頭采集到視頻信息，交給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工編碼，然后直接進(jìn)入緩沖區(qū)，在緩沖中的視頻數(shù)據(jù)，當(dāng)接到來自客戶端的請(qǐng)求指令，通過視頻發(fā)送模塊向客戶端程序發(fā)送。同時(shí)關(guān)于用戶的數(shù)據(jù)信息也存放在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中。整個(gè)流程如圖3。

圖3　服務(wù)器功能模塊流程

2.1視頻編碼模塊

由于攝像頭廠商提供的是高清攝像頭設(shè)備，因此視頻采集端采集到的視頻數(shù)據(jù)往往非常大，在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，更是不便于傳輸。所以，為了視頻數(shù)據(jù)更好地傳輸，需要將采集端得到的原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼［5］。

編碼模塊流程如下：首先利用攝像頭廠商提供的SDK，調(diào)用相關(guān)API，獲得原始視頻數(shù)據(jù)。然后對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分辨率、碼率、幀率的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)化后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼，服務(wù)器端對(duì)視頻數(shù)據(jù)的H.264編碼使用了X.264開源庫(kù)函數(shù)，編碼的過程和函數(shù)的作用描述如下：

小學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)還是處于一個(gè)很朦朧的狀態(tài)，這時(shí)就應(yīng)該培養(yǎng)他們對(duì)于學(xué)習(xí)的興趣。在小學(xué)階段，一切都是從零開始，在教師眼里都具有很強(qiáng)的可塑性，小學(xué)生的接受能力、學(xué)習(xí)能力、模仿能力都很強(qiáng)，這時(shí)，教師一定要傳遞一些正能量讓他們往積極的方向發(fā)展。

x264_param_default_preset（Param，"fast"，zerolatency）用于設(shè)置參數(shù)初始化，使用zerolatency選項(xiàng)使編碼不存在延時(shí)。Param-〉i_threads = X264_SYNC_ LOOKAHEAD_AUTO是設(shè)置當(dāng)取到緩沖區(qū)為空時(shí)，繼續(xù)使用不會(huì)造成死鎖。Param-〉i_width和Param-〉i_height是設(shè)置編碼圖像的寬度和高度。Param-〉i_bframe設(shè)置流參數(shù)等。

x264_picture_alloc（pPicIn，X264_CSP_I420，Param-〉i_ width，Param-〉i_heigh）被用來分配編碼所需的內(nèi)存空間。

Handle = x264_encoder_open（Param）是打開編碼器句柄，通過X264_encoder_parameters得到設(shè)置給X264的參數(shù)，通過X264_encoder_reconfig更新X264的參數(shù)。

read_frame_y4mpPicIn，（hnd_t*）y4m_hnd，i）是讀取一幀數(shù)據(jù)，并將其存入內(nèi)存中。

x264_encoder_encode（Handle，＆pNals，＆iNal，pPicIn ，pPicOut）是用來獲取一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264編碼。

2.2 流媒體模塊

該模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行RTP封包實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流媒體傳輸?shù)娇蛻舳耸种械腁ndroid平臺(tái)設(shè)備［6］。軟件程序通過調(diào)用socket套接字的listen（）方法等待客戶端Android平臺(tái)設(shè)備的連接，其間客戶端請(qǐng)求獲取PC的IP地址與端口號(hào)。成功接收到客戶端連接請(qǐng)求后，通過IP地址與端口號(hào)進(jìn)行連接，連接成功之后程序提取M-JPEG格式下RTP封包中的單一JPEG幀，計(jì)算單一JPEG幀的長(zhǎng)度，并保存在Length中。之后對(duì)單一JPEG幀的長(zhǎng)度進(jìn)行判斷，如果長(zhǎng)度小于RTP包長(zhǎng)，則進(jìn)行單一JPEG幀的RTP封包；如果長(zhǎng)度大于RTP包長(zhǎng)，則進(jìn)行JPEG幀的分片模式RTP封包。完成JPEG視頻幀的RTP封包之后，程序?qū)Ψ庋b好的RTP數(shù)據(jù)包進(jìn)行連續(xù)的UDP協(xié)議形式的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成。

3　Android客戶端的設(shè)計(jì)

圖4　客戶端軟件架構(gòu)

3.1 視頻解碼模塊

對(duì)于Android移動(dòng)終端的解碼，無論是通過硬件方式還是軟件方式，都很少有支持實(shí)時(shí)H.264格式視頻的解碼器［8］。因此為了完成系統(tǒng)的解碼工作，首先需要在移動(dòng)終端移植一個(gè)FFmpeg解碼庫(kù)，然后再利用JNI （Java Native Interface）調(diào)用解碼動(dòng)態(tài)庫(kù)庫(kù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理。目前，開源的H.264標(biāo)準(zhǔn)解碼庫(kù)主要有：JM decoder、T264 decoder、X264 decoder、FFmpeg libavcodec、Intel IPP simple player。其中FFmpeg庫(kù)的解碼速度最快，且兼容性和實(shí)時(shí)性也較好，因此本系統(tǒng)選擇移植FFmpeg庫(kù)作為客戶端解碼器。FFmpeg支持MPEG、FLV等40多種編碼以及AVI、MPEG等90多種解碼。移動(dòng)終端的硬件資源有限，而且客戶端視頻解碼也只需要H.264格式基礎(chǔ)檔次的解碼庫(kù)，因此本文從FFmpeg解碼庫(kù)中精簡(jiǎn)出H.264解碼部進(jìn)行編譯，然后將解碼庫(kù)移植到客戶端，如圖5。

圖5　解碼庫(kù)移植流程

3.2 播放實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的視頻播放采用RGB565格式，但解碼后的數(shù)據(jù)為YUV格式，所以在播放前需要進(jìn)行YUV格式到RGB格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)存入播放緩沖區(qū)中。然后通過設(shè)置定時(shí)器（Time類）的方式，使播放線程以固定的頻率從播放緩沖區(qū)中取出圖像，并利用on Draw（）方法將圖像上屏顯示。最后調(diào)用canvas.draw Bitmap（）函數(shù)，自動(dòng)完成屏幕的刷新。

4　系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中使用?？低暪尽⒋笕A公司的球形攝像機(jī)，客戶端采用三部Android 智能手機(jī)。

（1）用戶登錄

客戶端的功能測(cè)試首先測(cè)試用戶登錄功能，輸入正確的服務(wù)器的IP地址、用戶名和密碼之后點(diǎn)擊登錄按鈕，移動(dòng)設(shè)備則向服務(wù)器發(fā)出登錄請(qǐng)求的相關(guān)信息，若用戶認(rèn)證通過，則登錄成功。當(dāng)輸入的用戶名不存在或密碼錯(cuò)誤時(shí)，用戶認(rèn)證不能通過。登陸成功后，如圖6。

圖6　用戶登錄界面

（2）監(jiān)控畫面

選擇攝像機(jī)后進(jìn)入監(jiān)控畫面，如圖7。屏幕中部為監(jiān)控畫面，畫面兩邊顯示一些實(shí)時(shí)的視頻參數(shù)以及播放控制按鍵。

圖7　監(jiān)控畫面

圖8　云臺(tái)控制

（3）云臺(tái)控制

點(diǎn)擊屏幕右上方的菜單，進(jìn)行云臺(tái)控制測(cè)試。監(jiān)控畫面下方設(shè)置了8個(gè)云臺(tái)控制按鈕，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程云臺(tái)控制功能，測(cè)試過程中按住按鈕，攝像頭則會(huì)做出相應(yīng)移動(dòng)，松開按鈕則停止移動(dòng)，如圖8。

5　結(jié)束語

隨著智能城市、智能家居等應(yīng)用的推廣，人們對(duì)于視頻監(jiān)控的關(guān)注和要求越來越高，目前廣泛使用的二、三代監(jiān)控系統(tǒng)在布線成本和靈活性方面的不足已經(jīng)體現(xiàn)了出來，因此移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的發(fā)展條件和市場(chǎng)價(jià)值。本文研究了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信號(hào)采集、視頻壓縮、與視頻數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，并對(duì)視頻數(shù)據(jù)在Android平臺(tái)的解析與播放做了深入研究。由于系統(tǒng)涉及的技術(shù)眾多，加上水平和時(shí)間限制，因此，在功能拓展、性能優(yōu)化、視頻編解碼上還有待改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的實(shí)用性和整體性能。

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