基于Android的SIP遠程視頻監控系統的設計

【摘要】本文利用SIP協議建立組呼來控制監控攝像頭，從而建立多路遠程視頻監控系統。論文介紹了基于Android系統的SIP協議棧JAIN-SIP和遠程視頻監控系統架構，闡述了利用SIP擴展消息完成組呼控制，從而實現監控中心對遠端監控攝像頭的呼叫控制。

【關鍵詞】AndroidSIP視頻監控組呼

視頻監控一直是人們關注的熱點之一，在經歷了本地模擬視頻監控、本地數字視頻監控、基于網絡的遠程數字視頻監控的發展歷程之后，現有的數字視頻監控系統在遠程監控、系統部署、管理維護以及歷史記錄存儲管理等方面有著不可比擬的優勢，以其直觀、方便、信息內容豐富詳實等特點被廣泛應用于公安、電信、金融、交通、水利等部門[1]。

目前的網絡監控系統多采用HTTP協議，視頻信息通過HTTP協議以流媒體方式進行傳輸，所有媒體信息和前端控制信息都采用同一個HTTP通道，不做信息通道的區別。隨著監控網絡規模的擴大，這種系統架構對于大規模的視頻監控運營和集中化管理帶來了極大的挑戰。將網絡視頻監控系統中的媒體通道和控制通道進行分離，能夠極大的幫助網絡監控系統的大規模部署、運營和管理[2]。此外，在控制通道采用統一的控制信令協議對于聯網平臺是非常關鍵的。在視頻監控中并沒有一種專門為其制定的信令控制協議，但可以借鑒類似應用中成熟的現有協議。SIP協議作為應用于IP網絡中建立、修改和終止多媒體會話的應用層協議，具備簡單靈活、可擴展和分布式控制等優點，不限于VoIP的使用，在視頻監控這個多媒體領域也能得到廣泛應用。

一、SIP協議及其JAIN-SIP協議棧

SIP（Session Initiation Protocol）是IETF提出的一種協議，基于HTTP，但可以使用UDP或者TCP作為傳輸協議。它使用SDP描述多媒體會話，同時它是基于文本的。SIP建立、調整和終止多媒體會話[3]。

SIP協議定義了兩類實體：用戶代理和網絡服務器。用戶代理（UA）是一個用于和用戶交互的SIP實體，即終端用戶設備。網絡服務器包括注冊服務器、代理服務器和重定向服務器。注冊服務器是指一個接受用戶注冊的SIP服務器，并將注冊信息保存在本地數據庫中；代理服務器用于轉發會話邀請信息給收件方的UA；重定向服務器則通過提供可選擇的位置幫助定位UA。

SIP消息[4]包含響應消息和請求消息，這兩種消息的格式都包括一個開始行，一個或多個頭域，一個空行和一個可選的消息體。響應消息以狀態行作為消息的第一行，狀態行包括協議版本號，狀態碼和原因說明，其間用空格隔開。狀態碼是一個從100到699的3位整數，代表對請求做出響應的狀態：1××Informational（通知）、2××Successful（成功）、3××Redirection（重定向）、4××Request Failure（請求失敗）、5××Server Failure（服務器失敗）以及6××Global Failure（全局錯誤）。請求消息包含六種，分別為INVITE（邀請）、ACK（確認）、OPTIONS（可選項）、BYE（再見）、CANCEL（取消）及REGISTER（注冊）。

SIP協議擴展主要有三種方式：方法擴展、頭部擴展、消息體擴展。SIP消息頭是對消息進行必要的描述，可以根據需要增加新的頭域以支持消息新的特性。

Google在2010年12月發布了Android 2.3系統，該版本提供了一套SIP協議棧供VOIP開發人員使用。該SIP協議框架是以Android的Binder機制和廣播（Broadcast）機制為基礎的一套IPC系統，并在內部部分移植了JAIN-SIP協議棧（javax.sip）[5]。我們不需要關心底層實現的細節，只要從應用層面的開發來看，只需獲取系統提供的SIP服務，并調用系統提供的方法即可，該框架的幾個重要的類位于android.net.sip包中。

二、監控系統設計與實現

2.1系統構成

監控系統由監控端、SIP服務器及監控管理平臺三部分構成，如圖1所示。

2.2視頻監控端模塊設計

監控端的硬件平臺采用采用ARM Cortex-A8處理器S5PV210，主頻1GHz，支持MPEG-4/MPEG2、H.264/H263、VC-1、DivX的視頻編解碼，支持JPEG硬件編解碼，最大支持8192×8192分辨率，內部集成4G bits DDR2、2G bits SLC NAND FLASH。監控端采用Android 2.3.1嵌入式源碼。

在Android系統中，要獲取視頻編碼數據，傳統的方法是將攝像頭捕獲的原始未經壓縮的數據通過軟編碼的方式形成發送碼流，在Android平臺上要實現這種方法需要先配置響應編碼器的makefile文件，然后利用Android NDK編譯器將編碼器提供的源文件編譯成Linux下可以使用的動態鏈接庫，再通過設計JNI接口供上層調用，這種方式成為Android平臺的庫移植。可以預見這種方式的開發效率低，開發周期長，因此本文不采取這種方式，而是利用硬件獲取編碼數據，通過Android的MediaRecorder方法回調硬件編碼芯片產生的編碼數據，這種方式的速度快，效率高。其中需要用到Android的MediaRecorder類，該類用于實現音視頻錄制功能，可以設置視頻的編碼格式、視頻文件的輸出格式以及視頻文件的輸出方式等。本文采用的輸出格式為MP4格式，可以直接從MediaRecorder里面已經生成好的視頻數據中提取出H.264的數據，這些數據都已經過相應的編碼。要獲取輸出流中的H.264編碼數據，首先定義一個LocalSocket作為輸出視頻數據的緩沖區，初始化并開啟MediaRecorder，向LocalSocket寫入MP4格式的H.264數據，最后開啟讀取線程，從緩沖區循環讀取H.264編碼數據。

2.3系統服務器

2.3.1SIP信令服務器

SIP信令服務器又可分為注冊服務器、代理服務器及位置服務器，相應完成注冊、代理及定位功能。在遠程監控系統中，監控管理平臺與監控端需要先向系統注冊；當監控管理平臺需要接入監控端視頻時，通過系統向該監控端發送INVITE請求。由于監控管理平臺中需要能夠同時接入多路的視頻，因此系統采用組呼請求的方式來建立連接。

由于在SIP協議的基本協議中并不支持組呼功能，為此，本系統采用SIP消息頭擴展方式，在組呼的INVITE請求的消息頭中加入了若干擴展參數，形成組呼請求信令。同時，本系統還考慮了對語音呼叫的支持。其INVITE請求消息的格式大致如下：

INVITE sip：GroupNum@SIPServerAddress： Port SIP/2.0 Via：SIP/2.0/UDP SIPServerIp：Port； branch=z9hG4bKxxxxxx；rport

From：“MonitorName”；tag=xxxx

To： sip：GroupNum@SIPServerAddress： Port Call-ID： CSeq： 1 INVITE Max-Fowards：70

組呼的大致流程如圖2所示：（1）監控中心向SIP服務器發送INVITE消息，請求建立組呼；（2）SIP服務器向監控中心發送100 TRYING消息，通知其正在等待處理；（3）SIP服務器獲取被叫組的用戶信息等，按照被叫組的信息判決是否能夠執行當前組呼業務，若能則向被叫監控端發送INVITE消息，被叫監控端向SIP服務器發送100 TRYING消息，等待后續處理；（4）監控端向SIP服務器發送200 OK消息，攜帶監控端的接收端口，響應組呼請求；（5）SIP服務器向被叫監控端發送ACK，確認組呼建立結果；（6）SIP服務器收到第一個被叫監控端的200 OK消息后，向監控中心發送200 OK消息，確認組呼建立應答；（7）監控中心向SIP服務器發送ACK消息，反饋組呼建立確認。

2.4監控管理平臺

監控管理平臺用于視頻監控連接的建立、視頻流的接收、解碼播放以及遠程控制等功能。監控管理平臺可以查看和管理多個監控端的視頻圖像，控制臺實時監控圖像畫面如圖3所示。

同時，本系統還可實現無人值守監控功能。利用圖像處理算法對比前后兩幅圖像是否發生變化來判斷指定區域是否有異常行為，一旦發生異常，監控中心即發出警報信息。同樣，在監控端也可實現遠程報警，一旦攝像頭探測到異常信號（如人臉識別等），監控端即向監控管理中心發送MESSAGE消息，監控管理中心以此判定有異常狀況，啟動報警裝置。

三、結束語

本文設計并實現了基于嵌入式Android平臺的SIP遠程視頻監控系統。系統使用SIP協議來進行傳輸的建立與控制，采用嵌入式終端來采集視頻，提高了系統的效率與穩定。在嵌入式平臺上采用Android系統，便利了對視頻的編碼與傳輸。通過對SIP信令擴展參數的設置，實現組呼接入多路視頻的功能，同時自主監控的設計使得系統更加智能化與人性化。由此可見，利用SIP協議的易擴展性，通過SIP協議的擴展能滿足更加多樣化的控制需求。