智能手機視頻監控系統的設計與實現

吳雅琴+魯張依嬋+張紅娜+王威+朱劉凱+鄭天昊

摘 要：近年來，隨著移動通信網絡的飛速發展，智能手機的功能日益強大，移動視頻監控為視頻監控提供了一個重要的研究方向。將智能手機作為監控客戶端，可為人們隨時隨地根據需求進行實時監控提供一個十分便捷的操作平臺。文中設計了一種以攝像頭為視頻采集端，以混合編碼技術為視頻壓縮編碼，以智能手機為移動視頻客戶端的視頻監控系統，實現了監控視頻的實時傳輸，并保證在客戶端流暢播放。

關鍵詞：Android平臺；混合編碼技術；云存儲；移動視頻監控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

隨著互聯網技術的迅速發展，傳統的監控系統已無法滿足人們對準確性、適用性和方便性的要求。同時，智能手機更新換代，處理能力日益變強，成為了人們日常生活中不可或缺的一部分。為滿足人們對監控區域進行隨時隨地實時監控的需要，本文研究設計了一種智能手機視頻監控系統，將手機端作為視頻監控客戶端，結合混合編碼技術，實現了對監控區域的實時監控與監控視頻的存儲。

1 移動視頻監控系統的設計

本文設計的視頻監控系統、移動視頻客戶端均基于Android系統，有效結合了混合編碼技術與云存儲技術[1]，可在客戶端隨時隨地觀看鎖定的攝像視頻，若視頻圖像發生異常，能在第一時間報告給鎖定的主人，主人可通過App遠程控制攝像頭。

2 移動視頻系統的關鍵技術

2.1 混合編碼技術

為了使高質量通信成為可能，并盡可能減少數據損失，故使用主流的視頻編解碼標準H.264。視頻編碼的目的在于減少表示數據的比特。由于視頻圖像數據的相關性強，在幀內以及幀間具有大量空域和時域冗余信息，因此可以通過去除這些冗余信息來實現對視頻數據的壓縮[2]。其中，在數據壓縮方面最受歡迎的是基于統計特性的運動補償+變換編碼的混合編碼框架。國內外通用的視頻壓縮標準均基于此框架，如廣泛使用的MPEG系列及H.26X系列標準。

MPEG-4不僅針對在一定比特率下的視頻編碼，更注重多媒體系統的交互性和靈活性。主要應用于視頻電話、視像電子郵件等，其傳輸速度要求較低，為4 800～6 400 bit/s，分辨率為176×144。利用較窄的寬帶，通過幀重建技術壓縮和傳輸數據，力求以最少的數據獲得最佳的圖像質量[3]。

H.264技術具有比MPEG-4更為高效的編碼效率，比后者節約50%的碼率。可提供連續且流暢的高質量圖像，并且在較低碼率的情況下依舊能提供較高質量的視頻圖像[4]。

就單張圖像來說，MPEG-4對視頻數據的處理更優秀；而就整體視頻傳輸來說，H.264更勝一籌。

預測編碼：建立一個模型，通過數據的相關性，利用之前的樣本對下一個新樣本值進行預測，并將預測值和實際值的殘差值編碼傳輸到接收端，同時在接收端建立一個相同的模型，按此模型進行解碼操作。

運動估計：從當前幀中提取視頻序列的運動趨勢和走向過程。

一個完整的編碼過程基本可以概括為視頻源通過濾波器得到波形圖，量化得到初始的完整碼流，通過幀間、幀內編碼和熵編碼技術得到最終壓縮后的碼流。

視頻編解碼部分采用JM編解碼器。在實驗中，視頻源將收集到的視頻數據改變格式后輸入到JM編碼器的工作目錄中，在Visual Studio 2013平臺上運行。通過編碼器采樣獲取預測數據，并與實際值相減得到殘差，使用幀內、幀間技術對殘差進行量化操作/變換，對編碼語法元素進行熵編碼，然后在編碼器的工作目錄下得到壓縮后的碼流。

當碼流傳輸到接收端后，同樣會被輸入到解碼器的工作目錄中，通過一系列相反的操作后得到壓縮前的視頻數據。

2.2 客戶端實現

2.2.1 平臺選擇和開發語言

服務器端采用Windows操作系統與Java語言；客戶端包括Android操作系統，Java語言，Android編程。

Java是一門面向對象編程的語言，較好地實現了面向對象編程理論，同時也是一種不受限于特定平臺的語言，具有可移植性[5]。此外，Java還具有穩健、安全、高性能等特征，是一種功能豐富的開發語言。

2.2.2 客戶端UI設計

用戶界面（UI）是系統和用戶之間進行交互與信息交換的重要媒介，使得用戶能夠方便、有效地操作硬件以達成雙向交互，完成工作。

本文采用Android Studio進行Android編程。Android Studio具有非常豐富的可視化編程功能，可以在編程的同時看到其被應用在不同尺寸屏幕中的情況。Android操作系統的用戶界面都以View與ViewGroup為基礎。View是用戶界面的基本組成單元，ViewGroup是其子類， ViewGroup的子類稱為“Layout（布局）”。View與ViewGroup在布局中的層次結構如圖1所示。

Android編程中有多種布局方式，分別為線性布局（LinerLayout），相對布局（RelativeLayout），幀布局（FrameLayout），絕對布局（AbsoluteLayout）等。本文編程主要用到線性布局（LinearLayout），該布局有horizontal和vertical兩個方向。Android Studio在創建布局方式上分為兩種：其一，在XML配置文件中聲明布局方式；其二，在應用程序中直接通過代碼實例化布局及其組件。

2.2.3 視頻的播放顯示

對于獲取的視頻文件首先要經過解碼，之后再通過Android客戶端播放。Android操作系統提供的VideoView和MediaPlayer可播放視頻[6]。

MediaPlayer在播放視頻時需要自己準備顯示視頻的組件、播放時的控制按鈕等。首先創建一個MediaPlayer對象，再通過setDataSource（）設置數據源，可以是文件、文件路徑或URL。調用MediaPlayer.setDisplay（holder）設置 SurfaceHolder，surfaceHolder可以通過surfaceview的getHolder（）獲得，調用MediaPlayer.prepare（）準備、調用MediaPlayer.start（）播放視頻。endprint

VideoView是Android提供的較為好用的播放視頻組件，不僅內建了顯示視頻的功能，還可以直接加入MediaController對象作為播放控制接口。VideoView提供的setVideoURI（）可以設置視頻的URI，start（）可以開始播放視頻，pause（）可以暫停播放視頻，stopPlayback（）可以停止播放視頻。VideoView視頻播放框架如圖2所示。

從圖2可以看出，VideoView組件進行視頻播放的過程可以分為三步：

（1）Java Framework層。應用程序進入VideoView，再經過Surface；

（2）Native Framework層。先到SurfaceFlinger，然后借助PVPlayer到OverlayHal；

（3）Driver層。利用Main framebuffer和Video Plane進行播放。

2.3 視頻數據的存儲

在視頻監控系統中，對已經采集的視頻數據進行妥善存儲，便于之后回調查看。目前可行的存儲方式有SD卡存儲與云存儲。云存儲是一個以數據和管理為核心的云計算系統[2]。相對于傳統的SD卡存儲，云存儲的優勢較為明顯，隨著系統數據量的增加，沒有性能上的瓶頸。使用ownCloud可以在私有服務器上搭建私有云存儲服務器節點，由中心管理服務器信息管理模塊統一管理[7]，以優化整個服務器系統的運作。

使用ownCloud時，需在云存儲服務器節點上創建并配置Apache環境、PHP環境、MySQL環境等。由于ownCloud通過抽象層訪問數據庫，因此支持Oracle、MySQL、SQLite等數據庫。服務子節點環境搭建完成后，可以選擇連接到本地存儲作為存儲服務器提供點，在修改了ownCloud的存儲路徑配置后，ownCloud的存儲文件動作就會立刻發生在該存儲器上。使用ownCloud建立私有服務器可以更好地保證數據的安全性。

2.4 軟硬件連接

客戶端分為安卓端和iOS端，根據對場景的認知，對安卓App客戶端進行了深層次的研究。安卓系統采用軟件棧形式管理系統的功能層次結構，主要分為5層，由高到低分別是應用程序層、應用程序架構層、C++/C本地庫、Android運行時庫、Linux內核驅動層。

安卓客戶端開發四大組件的運用貫穿整個應用軟件的開發過程，其以組件的形式封裝各抽象功能模塊，使得應用與系統中其余軟件的書庫交互變得更為敏捷。

基于海思Hi3518E能夠實現多種碼流和多選分辨率及JPEG圖片抓拍，支持圖像3D去噪、圖像增強、邊緣增強等預處理功能，利于監控系統的運行。

本文針對Windows系統進行開發，依賴于其兩大功能：一是完成與硬件的交互；二是為在微處理器上運行的應用程序提供可執行的環境。著重進行設備驅動程序的封裝對攝像頭端硬件資源的訪問。針對客戶端軟件進行的需求分析，大致有以下三個步驟：

（1）網絡攝像頭要有一個設備的入網操作，并且該操作簡單易行，穩定可靠。

（2）連接設備后，需要獲取音頻、視頻數據。此步驟是對圖像、網絡傳輸、顯示等技術提出的一項挑戰。

（3）將移動智能手機作為移動客戶端軟件的載體。

使用由含有多幀環形緩存結構、DMA控制器、異步FIFO及從控制接口的軟硬件接口來連接軟件App和硬件攝像頭，實現了從原始同步視頻信號輸入緩存到內存中再由VGA接口顯示的預覽鏈路，完成了視頻壓縮鏈路，實現了從原始同步視頻轉換成YUV三通道分量[2]。

3 結 語

本系統使用攝像頭作為移動視頻采集端，采用混合編碼技術，并以智能手機作為移動視頻客戶端進行遠程視頻實時監控。在4G/5G時代以及智能手機不斷更新換代的情況下，本監控系統將會擁有廣闊的應用前景[8]。

參考文獻

[1] 陳通.云存儲手機視頻監控系統設計[D].北京：北京工業大學，2016.

[2] 賈克斌，劉鵬宇，呂卓逸，等.基于H.264的視頻編碼處理技術與應用[M].北京：科學出版社，2013.

[3] 陳靖，劉京，曹喜信.深入理解視頻編解碼技術——基于H.264標準及參考模型[M].中國.北京航空航天大學出版社，2012.

[4] 柳春，廉東本.H.264編解碼算法在視頻會議中的應用[J].計算機系統應用，2015，24（4）：144-147.

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[9] 田甜.基于云存儲的Android手機視頻監控系統應用設計[D].北京：北京工業大學，2015.

[10] 趙云洋.軟硬件接口設計實現及其在視頻系統中應用[D].西安：西安電子科技大學，2015.endprint