摘  要： 為了使視頻監控更加靈活方便，能夠隨時隨地地采集視頻，采用3G手機作為視頻客戶端和采集端，通過RTP協議在3G網絡下實時傳輸視頻流，采用先進的H.264壓縮算法對采集視頻進行壓縮以節省網絡流量，加快傳輸速度，在手機客戶端可以清楚地觀看視頻。
關鍵詞： 3G手機；視頻監控；H.264；Android

　視頻監控的廣泛應用，以及人們對移動視頻監控需求的增加，促使了3G手機移動視頻監控系統的出現。用3G手機作為視頻采集端擴大了視頻采集的范圍，使監控場地不再局限于一個固定的地方，從而使客戶端可觀察的范圍大大增加，真正達到一機在手處處監控的效果，給人們社區生活和工作帶來極大的方便。例如老人不方便外出，當兒女在外旅游時，可以把旅游時的歡樂情景實時發送給老人和他們共享此時的歡樂。此外，3G手機移動視頻監控還可以在遠程救助、遠程支援、遠程技術支持以及遠程醫療幫助等方面獲得廣泛應用。
　3G技術的快速發展使得3G網絡速度越來越快，從而在3G網絡下傳輸視頻成為可能。為了節省網絡帶寬、加快視頻傳輸速度，該系統采用H.264壓縮算法對采集的視頻進行壓縮編碼，網絡傳輸采用支持流媒體傳輸的RTP/RTCP協議以保證視頻流高效、穩定地實時傳輸。
1 系統的硬件組成及開發環境
　該系統分為視頻采集端、視頻服務器和視頻接收端3部分。該系統的硬件結構如圖1所示。

　采集端采用HTC的G13手機，主屏分辨率為480×320像素，3G網絡頻率為WCDMA 850 MHz/2 100 MHz，操作系統為Android 2.3，CPU頻率為600 MHz，RAM容量為512 MB，ROM容量為512 MB，攝像頭像素為500萬像素，自動對焦且支持觸控對焦，圖像尺寸最大支持2 592×1 944像素照片拍攝。視頻轉發服務器采用普通的PC即可。視頻接收端采用三星的GT-S5670手機，3G網絡頻率為WCDMA 900 MHz/2 100 MHz，操作系統為Android 2.2，內存容量為160 MB，分辨率為320×240，26萬色彩，視頻播放格式為MPEG4/H.263/H.264。
　為使用C/C++編寫的H.264編解碼函數，需要搭建Android的C/C++開發環境。搭建Android C/C++開發環境所需要用到的軟件為JDK+Eclipse+AndroidSDK+ADT+NDK，編譯Android的C/C++程序需要一個交叉編譯環境，本文選擇的是Cygwin。
2 視頻采集端設計
　視頻采集端顧名思義主要完成對監控現場的視頻采集工作，此外為了減輕視頻服務器的壓力，在視頻采集端將采集的視頻進行壓縮編碼，然后再通過網絡傳輸給視頻服務器，由視頻服務器將視頻轉發給視頻客戶端。視頻采集端軟件結構如圖2所示。

　（1）采集模塊。此模塊為視頻采集端的核心模塊，視頻采集端通過此模塊對監控現場進行視頻采集工作。該模塊包括視頻采集和視頻預覽兩部分。攝像頭應首先對監控現場進行視頻預覽，然后采集一幀圖像，每采集一幀圖像，都要先進行視頻預覽工作。因此，在程序中應首先進行視頻預覽工作，然后再采集視頻。在程序中實現對攝像頭的操作應該首先在AndroidManifest.xml中添加獲取操作攝像頭的語句。在主程序中對攝像頭進行初始化，配置攝像頭各種參數，如視頻圖像的高度、寬度、自動對焦等。基于Android的3G手機攝像頭采集的視頻圖像默認格式為YUV420sp，采集模塊采集完視頻后交給編碼模塊處理。
　（2）編碼模塊。此模塊的目的是在有限的網絡資源中傳輸更多的視頻流，同時減少視頻服務器的工作量。編碼模塊的主要工作就是把采集模塊采集的視頻進行壓縮編碼，該系統采用最新最先進的H.264壓縮方式對視頻流進行壓縮編碼，然后將壓縮好的視頻流交由網絡模塊進行網絡傳輸。在程序中通過調用C/C++的H.264編碼函數對采集的視頻進行編碼即可，這里的H.264編碼函數要使用JNI的函數命名格式，函數里的數據類型也要相應轉為JNI規定的格式，這樣在Java中才能被識別，編譯鏈接才能通過。
　由于網絡傳輸帶寬有限，同時為了節省上網流量，加快視頻傳輸速度，本文采用壓縮效率比較高的H.264視頻壓縮算法。H.264采用分層設計，在概念上分為視頻編碼層和網絡提取層兩層。其精度高，支持多模式運動估計，支持1/4或1/8像素精度的運動矢量；支持整數變換，在編碼器和解碼器中允許精度相同變換和反變換，便于使用簡單的定點運算方式。同時，H.264還采用統一的VLC和幀內預測技術，使視頻壓縮效率大大提高。在中國聯通3G HSDPA網絡覆蓋區域內，實際最高上網下載速率為5 Mb/s（620 kb/s），上行為2.8 Mb/s（350 kb/s），通常下載為450 kb/s，上傳280 kb/s，如果不采用壓縮算法，在450 kb/s的網速下傳輸實時視頻流是不可能的，視頻尺寸為480×320，視頻碼率為512 kb/s，采用H.264壓縮算法，一般壓縮比可以達到25：1，這樣就可以保證視頻流的實時傳輸了。
　（3）網絡傳輸模塊。此模塊完成視頻流的傳輸功能，將經過壓縮模塊編碼后的視頻流傳輸給視頻服務器。為保證實時傳輸，該系統采用RTP實時傳輸協議，由于RTP協議只保證視頻流的實時性，對傳送的視頻數據不提供可靠的傳送機制，因此，使用RTCP傳輸控制協議配合RTP協議一同使用，以保證視頻傳輸的質量。RTP下層使用UDP協議，真正意義上將視頻流傳輸給網絡層，通過網絡層將視頻流通過網絡傳輸給視頻服務器。在程序中同樣要在AndroidManifest.xml文件中添加獲取網絡權限的語句，否則，視頻流是無法通過網絡傳輸出去的。
　實時傳輸協議RTP（Real-Time Transport Protocol）是針對Internet上多媒體數據流的一個傳輸協議，由Internet工程任務組（IETF）作為RFC1889發布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協議之上工作。RTP本身只保證實時數據的傳輸，并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。實時傳輸控制協議RTCP（Real-Time Transport Control Protocol）負責管理傳輸質量在當前應用進程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發送的數據包的數量以及丟失的數據包的數量等統計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因此特別適合傳送網上的實時數據。
3 視頻服務端設計
　視頻服務器在該系統中起著橋梁的作用，承上啟下，將視頻采集端和視頻客戶端連接起來，只有通過視頻服務端，視頻采集端和視頻客戶端才能相互通信，整個系統才能正常運轉。每個視頻采集端和視頻客戶端通信都要通過視頻服務器，所以視頻服務器在該系統中承擔的工作量最大，任務最重，因此服務端的設計很重要。一個好的視頻服務端設計可以使視頻服務器高效穩定地運行，從而提高整個系統的工作效率。該系統服務端分為視頻接收模塊和視頻管理模塊兩大部分。其中，視頻管理模塊又分為網絡傳輸模塊、視頻存儲模塊、視頻解碼模塊和視頻播放模塊。服務端軟件結構如圖3所示。

　（1）接收模塊。該模塊主要完成視頻流的接收工作，相對管理模塊比較簡單，在程序中利用線程將視頻采集端傳來的視頻流進行接收即可。
管理模塊將接收的視頻流根據去向進行一一處理，保證在視頻服務端可以觀看視頻監控情況，將視頻流存儲備份，方便以后查看以及監聽視頻客戶端請求，并將視頻流轉發給視頻客戶端。
　（2）網絡傳輸模塊。該模塊負責監聽視頻客戶端的連接請求并將視頻采集端傳來的視頻流轉發給視頻客戶端。該模塊承載著整個系統的重心，是視頻采集端和視頻客戶端的連接紐帶，因此該模塊高效穩定地工作才能使整個系統高效穩定地運轉。接收模塊接收的視頻流是經過H.264壓縮算法壓縮過的，在此模塊直接轉發即可。在程序中對每個發送連接請求的視頻客戶端創建一個新的線程，用來專門為該視頻客戶端傳輸視頻流，各個線程之間互不影響。
　（3）視頻存儲模塊。該模塊主要完成將接收模塊接收的視頻流存儲在本地硬盤的工作，從而使得以后可以查詢歷史監控記錄。
　（4）視頻解碼模塊。該模塊主要完成對接收的視頻流進行解碼工作。因為視頻服務器接收到的視頻流是通過H.264壓縮算法壓縮過的，在視頻服務器上不能直接播放，所以在播放前首先需要對視頻流進行解碼，在程序中調用H.264解碼程序進行解碼即可。
　（5）視頻播放模塊。該模塊主要完成在視頻服務端將視頻播放顯示的功能，同時提供對播放視頻進行拍照功能，方便在觀察視頻監控情況時，如感覺某些畫面比較重要可以進行拍照保存。
4 視頻客戶端設計

　視頻客戶端負責將視頻服務器轉發來的視頻流在客戶手機上進行播放顯示，傳統的觀看監控方式必須坐在顯示器旁邊，大大限制了客戶的活動范圍，通過手機來觀看視頻監控可以不受地域的限制，使客戶觀看視頻監控更加靈活方便。該系統客戶端包括視頻接收模塊、視頻解碼模塊和視頻播放模塊。
　（1）接收模塊。該模塊和視頻服務端相似，主要完成視頻流的接收工作，在程序中創建一個線程接收視頻服務端傳來的視頻流并保存在一個數組中即可。
　（2）視頻解碼模塊。該模塊主要完成對視頻服務傳來的視頻流進行解碼的工作。因為接收到的視頻流是通過H.264壓縮算法進行壓縮過的，在視頻客戶端不能直接播放，所以在播放前首先需要對視頻流進行解碼。在程序中調用H.264解碼程序進行解碼即可。
　（3）視頻播放模塊。該模塊主要完成將視頻流在手機客戶端進行播放顯示的功能，同時提供對播放視頻進行拍照功能，方便在觀察視頻監控時可以對播放視頻進行拍照保存。
通過對該系統編碼測試，手機視頻采集端可以把監控視頻傳輸到視頻服務器，同時，視頻服務器也可以將視頻轉發到手機視頻客戶端，在視頻服務端和手機視頻客戶端都可以觀看到清晰的監控圖像。通過實驗證明，該3G手機移動視頻監控系統可以很好地運行。
　本文提出了一套通過3G手機隨時隨地進行遠程視頻監控的設計方案，基于Android操作系統的3G手機都可以使用該系統，普通的智能手機在Wi-Fi或WLAN下也可以使用該系統進行監控或接收視頻數據。在網絡傳輸中采用H.264壓縮編碼提高了傳輸效率。該系統采用3G手機作為視頻監控和接收端，從而使觀看監控更加靈活、方便，真正達到隨時隨地監控的效果。隨著遠程視頻監控應用越來越廣泛，該3G手機移動視頻監控系統將給人們的生活和工作帶來巨大的方便。
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