一种基于Android智能手机的远程视频监控的设计[图]



摘要：为了实现移动视频监控，提出了一种基于智能手机的远程视频监控系统。介绍了监控系统的体系结构和硬件平台，阐述了嵌入式操作系统Android 应用程序的开发方法，并结合实际的应用系统，重点论述了Android 平台上视频监控客户端的设计思路。移植了音视频解码库FFmpeg 进行H. 264 视频解码，并采用OpenGL ES 实现实时视频显示。在无线局域网络的环境下对视频监控终端进行测试，达到了利用手机进行移动视频监控的目的。

随着多媒体技术、视频压缩技术以及网络传输技术的发展，视频监控正朝着数字化、网络化、智能化方向持续发展，并越来越广泛地渗透到政府、教育、娱乐、医疗等领域。目前大部分的网络视频监控系统是基于WEB服务器的， 监控终端为PC机，用户使用浏览器获取监控服务。由于互联网接入地点的限制，普通的网络视频监控无法满足用户在任何时间、任何地点获取监控信息的需求。

本文介绍了一种以Android 智能手机为终端的视频监控系统，该系统将传统的视频监控与移动多媒体技术相结合，真正实现了移动视频监控。

1 系统的结构

本文中的视频监控系统采用C/S 体系结构。

如图1 所示，该系统由视频采集端（ 摄像头），视频服务器以及监控客户端等构成。


图1视频监控系统总体结构

视频服务器是整个系统的核心部分，它将摄像头采集到的原始模拟信号转换为数字信号，并对视频数据进行编码压缩，最后通过Internet 将压缩后的数据传送至客户端。客户端通过TCP/IP协议访问服务器，通过对视频数据的接收、解码以及显示，实现实时预览功能。客户端也可以根据用户需求发送控制命令，实现对前端设备的控制操作，如云台控制等。

服务器部分采用Hi3515 处理器芯片为硬件平台，并移植了嵌入式操作系统Linux 作为整个系统运行的软件环境。Hi3515 是一款基于ARM9 处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，具有H. 264 和MJPEG 多协议编解码能力。

本文以基于Hi3515 的远程视频监控系统为例，重点介绍了Android 平台上监控客户端的设计过程。

2 Android 开发介绍

Android 是基于Linux 开放性内核的操作系统，是Google公司在2007 年11 月5 日公布的手机操作系统。Android 采用软件堆层的架构，主要分为三部分：底层以Linux 核心为基础，提供基本功能；中间层包括函数库和虚拟机；最上层是各种应用软件。

Android 平台显着的开放性使其拥有众多的开发者，应用日益丰富，不仅应用于智能手机，也向平板电脑、智能MP4 方面急速扩张。

Android 应用程序用Java 语言编写，每个应用程序都拥有一个独立的Dalvik 虚拟机实例，这个实例驻留在一个由Linux 内核管理的进程中。Dalvik支持Java Native Interface（JNI）编程方式，Android 应用程序可以通过JNI 调用C/ C++开发的共享库，实现"Java+C冶的编程方式。开发Android 应用程序最简捷的方式是安装Android SDK 和Eclipse IDE.

Eclipse 提供了一个丰富的Java 环境，Java 代码通过编译后，Android Developer Tools 会将它打包，用于安装。

3 监控客户端的设计与实现

基于Android 平台的监控客户端的总体框架如图2 所示，分别由网络通讯模块、视频解码模块以及视频显示模块等构成。其中网络通讯模块接收来自服务器的所有数据，对数据进行解析，并将视频数据存入到视频缓冲区。视频解码模块负责从视频缓冲区中读取数据并送入H. 264 解码器进行解码。最后，采用OpenGL 图形库将解码后图像绘制到屏幕上实现视频播放。


图2客户端总体框架。

3. 1 H. 264 视频解码器的实现

在网络视频监控系统中，视频的编码压缩是非常必要和关键的工作，没有经过压缩的海量数据对网络传输系统来说是无法承受的[7] .H.264是目前最先进的视频压缩算法，它由视频编码层VCL 和网络提取层NAL 两部分组成。其中，VCL 进行视频编解码，包括运动补偿预测、变换编码和熵编码等；NAL 采用适当的格式对VCL 视频数据进行封装打包。H.264 标准对编码效率和图像质量进行了诸多改进，且抗丢包性能和抗误码性能好，适应各种网络环境，非常适合于对压缩率要求高，网络环境复杂的移动视频监控。

客户端接收的数据是经过H.264 编码压缩后的数据，需要经过H.264 解码还原视频图像后才能够显示，因此，H.264 解码器是客户端的关键部分。这里移植了开源的音视频解码库FFmpeg 进行H.264 解码。在Android 应用程序中使用FFmpeg 的步骤如下：

（1）在Linux 环境下安装Android 原生开发工具包NDK.

（2） 创建jni 文件夹，将FFmpeg 工程复制到文件夹下。创建H264Decoder. c 源文件，提供Android程序使用的接口函数，文件需要包括JNI 的操作头文件<jni. h >, 且函数名有固定的形式， 如com_ipcamera_PreView_H264Decoder 表示com_ipcamera包下面PreView 类中H264Decoder 函数。

（3）创建Android. mk 文件，该文件包含正确构建和命名库的MakeFile 说明。分别在LOCAL_SRC_FILES 和LOCAL_C_INCLUDES 项中添加编译模块所需源文件和头文件目录。

（4）执行NDK 开发包中的ndk鄄build 脚本，生成对应的。 so 共享库，并复制到Android 工程下的libs/armeabi 目录下。

（5） 在Android 程序中通过System. loadLibrary（"库名称冶）加载所需要的库，加载成功后，应用程序就可以使用H264Decoder 函数进行H.264 的解码。

3. 2 OpenGL ES 绘图

为了提高绘图的效率，客户端使用OpenGL ES实现视频图像的显示。OpenGL ES 是一个2D/3D轻量图形库，是跨平台图形库OpenGL 的简化版。

OpenGL ES 专门针对手机、PDA 和游戏主机等嵌入式设备而设计，目的是为了充分利用硬件加速，适合复杂的、图形密集的程序。

Android 中使用GLSurfaceView 来显示OpenGL视图，该类继承至SurfaceView 并包含了一个专门用于渲染3D 的接口Renderer,主要通过实现ON鄄DrawFrame、onSurfaceChanged 以及onSurfaceCreated等方法构建所需的Renderer.解码器解码一帧图像后，调用GLSurfaceView 的requeSTRender 方法通知OpenGL ES 完成视频图像的显示。使用OpenGL 绘图的核心代码如下：

3. 3多线程设计

视频数据的接收和解码都是复杂、持续的过程，如果其中一个过程出现阻塞会影响整个程序的运行，因此，客户端使用多线程实现数据接收和视频解码的并行处理。在整个程序运行过程中，主线程响应用户操作，负责屏幕刷新工作，并创建两个子线程：数据接收和视频解码子线程，处理过程如图3 所示。


图3子线程处理流程。

在Java 中， 多线程的实现有两种方式： 扩展java. lang. Thread 类或实现java. lang. Runnable 接口。这里通过继承Thread 类并覆写run（）方法实现两个子线程。在多线程的应用中关键是处理好线程之间的同步问题，以解决对共享存储区的访问冲突，避免引起线程甚至整个系统的死锁。Java 多线程主要利用synchronized 关键字和wait（ ）、notify（ ） 等方法实现线程间的同步。

4 结束语

目前，该系统已经在实验室进行测试，服务器输出15fps CIF 格式的H. 264 视频数据，客户端安装在Android 手机上，通过WIFI接入无线局域网中与服务器建立连接，用户界面如图4 所示，可实现远程视频预览、云台控制等操作。


图4 监控客户端

随着3G时代的到来，数据传输速度有了大幅提升，为移动实时视频业务的实现创造更好的条件。

手机用户可以直接接入3G 网络访问视频监控服务器，实现移动在线的实时视频监控。由此可见，手机视频监控市场潜力巨大，具有很好的发展前景。