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基于Android智能手機的遠程視頻監控的設計

   2012年03月21日 16:56  
  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。
  
  圖1視頻監控系統總體結構
  
  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。客戶端通過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。客戶端也可以根據用戶需求發送控制命令,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。
  
  圖2客戶端總體框架。
  
  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:
  
  (1)在Linux環境下安裝Android原生開發工具包NDK.
  
  (2)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。
  
  (4)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。
  
  (5)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。
  
  圖3子線程處理流程。
  
  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。
  
  圖4監控客戶端
  
  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。

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