智能手机视频监控系统的设计与实现

引 言

随着互联网技术的迅速发展，传统的监控系统已无法满足人们对准确性、适用性和方便性的要求。同时，智能手机更新换代，处理能力日益变强，成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。为满足人们对监控区域进行随时随地实时监控的需要，本文研究设计了一种智能手机视频监控系统，将手机端作为视频监控客户端，结合混合编码技术，实现了对监控区域的实时监控与监控视频的存储。

1 移动视频监控系统的设计

本文设计的视频监控系统、移动视频客户端均基于Android 系统，有效结合了混合编码技术与云存储技术[1]，可在客户端随时随地观看锁定的摄像视频，若视频图像发生异常，能在第一时间报告给锁定的主人，主人可通过App 远程控制摄像头。

2 移动视频系统的关键技术

2.1 混合编码技术

为了使高质量通信成为可能，并尽可能减少数据损失，故使用主流的视频编解码标准H.264。视频编码的目的在于减少表示数据的比特。由于视频图像数据的相关性强，在帧内以及帧间具有大量空域和时域冗余信息，因此可以通过去除这些冗余信息来实现对视频数据的压缩[2]。其中，在数据压缩方面最受欢迎的是基于统计特性的运动补偿+ 变换编码的混合编码框架。国内外通用的视频压缩标准均基于此框架，如广泛使用的MPEG 系列及H.26X 系列标准。

MPEG-4 不仅针对在一定比特率下的视频编码，更注重多媒体系统的交互性和灵活性。主要应用于视频电话、视像电子邮件等，其传输速度要求较低，为 4 800 ～6 400 bit/s，分辨率为176 144。利用较窄的宽带，通过帧重建技术压缩和传输数据，力求以最少的数据获得最佳的图像质量[3]。

H.264 技术具有比 MPEG-4 更为高效的编码效率，比后者节约 50% 的码率。可提供连续且流畅的高质量图像，并且在较低码率的情况下依旧能提供较高质量的视频图像[4]。

就单张图像来说，MPEG-4 对视频数据的处理更优秀； 而就整体视频传输来说，H.264 更胜一筹。

预测编码：建立一个模型，通过数据的相关性，利用之前的样本对下一个新样本值进行预测，并将预测值和实际值的残差值编码传输到接收端，同时在接收端建立一个相同的模型，按此模型进行解码操作。

运动估计：从当前帧中提取视频序列的运动趋势和走向过程。

一个完整的编码过程基本可以概括为视频源通过滤波器得到波形图，量化得到初始的完整码流，通过帧间、帧内编码和熵编码技术得到最终压缩后的码流。

视频编解码部分采用JM 编解码器。在实验中，视频源将收集到的视频数据改变格式后输入到JM 编码器的工作目录中，在 Visual Studio 2013 平台上运行。通过编码器采样获取预测数据，并与实际值相减得到残差，使用帧内、帧间技术对残差进行量化操作 / 变换，对编码语法元素进行熵编码，然后在编码器的工作目录下得到压缩后的码流。

当码流传输到接收端后，同样会被输入到解码器的工作目录中，通过一系列相反的操作后得到压缩前的视频数据。

2.2 客户端实现

2.2.1 平台选择和开发语言

服务器端采用Windows 操作系统与Java 语言；客户端包括Android 操作系统，Java 语言，Android 编程。

Java 是一门面向对象编程的语言，较好地实现了面向对象编程理论，同时也是一种不受限于特定平台的语言，具有可移植性[5]。此外，Java 还具有稳健、安全、高性能等特征， 是一种功能丰富的开发语言。

2.2.2 客户端 UI设计

用户界面（UI）是系统和用户之间进行交互与信息交换的重要媒介，使得用户能够方便、有效地操作硬件以达成双向交互，完成工作。

本文 采用 Android Studio 进行 Android 编 程。Android Studio 具有非常丰富的可视化编程功能，可以在编程的同时看 到其被应用在不同尺寸屏幕中的情况。Android 操作系统的用 户界面都以 View 与 ViewGroup 为基础。View 是用户界面的 基本组成单元，ViewGroup 是其子类，ViewGroup 的子类称为 “Layout（布局）”。View 与 ViewGroup 在布局中的层次结构如 图 1 所示。

Android 编程中有多种 布局方 式， 分别为线 性布局（LinerLayout）， 相 对 布 局（RelativeLayout）， 帧 布 局（FrameLayout）， 绝对布局（AbsoluteLayout） 等。本文编程主要用到线性布局（LinearLayout）， 该布局有 horizontal 和 vertical 两个方向。Android Studio 在创建布局方式上分为两种： 其一，在XML 配置文件中声明布局方式；其二，在应用程序中直接通过代码实例化布局及其组件。

2.3 视频的播放显示

对于获取的视频文件首先要经过解码， 之后再通过Android客户端播放。Android操作系统提供的VideoView和MediaPlayer可播放视频[6]。

MediaPlayer 在播放视频时需要自己准备显示视频的组件、播放时的控制按钮等。首先创建一个 MediaPlayer 对象，再通过setDataSource（）设置数据源，可以是文件、文件 路 径 或 URL。 调 用 MediaPlayer.setDisplay（holder） 设置 SurfaceHolder，surfaceHolder 可 以 通 过 surfaceview 的getHolder（）获得，调用 MediaPlayer.prepare（）准备、调用MediaPlayer.start（）播放视频。

VideoView是Android提供的较为好用的播放视频组件， 不仅内建了显示视频的功能，还可以直接加入 MediaController 对象作为播放控制接口。VideoView提供的 setVideoURI（） 可以设置视频的 URI，start（） 可以开始播放视频，pause（）可以暂停播放视频，stopPlayback（）可以停止播放视频。

VideoView 视频播放框架如图 2 所示。

从图 2 可以看出，VideoView 组件进行视频播放的过程可以分为三步：

(1) JavaFramework层。应用程序进入VideoView， 再经过Surface；

(2) NativeFramework层。先到SurfaceFlinger，然后借助PVPlayer到OverlayHal；

(3) Driver层。利用Mainframebuffer和VideoPlane进行播放。

2.3 视频数据的存储

在视频监控系统中，对已经采集的视频数据进行妥善存储，便于之后回调查看。目前可行的存储方式有SD 卡存储与云存储。云存储是一个以数据和管理为核心的云计算系统 [2]。相对于传统的SD 卡存储，云存储的优势较为明显，随着系统数据量的增加，没有性能上的瓶颈。使用ownCloud 可以在私有服务器上搭建私有云存储服务器节点，由中心管理服务器信息管理模块统一管理[7]，以优化整个服务器系统的运作。

使用ownCloud 时，需在云存储服务器节点上创建并配置Apache 环境、PHP 环境、MySQL 环境等。由于 ownCloud 通过抽象层访问数据库，因此支持 Oracle、MySQL、SQLite 等数据库。服务子节点环境搭建完成后，可以选择连接到本地存储作为存储服务器提供点，在修改了ownCloud 的存储路径配置后，ownCloud 的存储文件动作就会立刻发生在该存储器上。使用ownCloud 建立私有服务器可以更好地保证数据的安全性。

2.4 软硬件连接

客户端分为安卓端和iOS 端，根据对场景的认知，对安卓 App 客户端进行了深层次的研究。安卓系统采用软件栈形式管理系统的功能层次结构，主要分为 5 层，由高到低分别是应用程序层、应用程序架构层、C++/C 本地库、Android 运行时库、Linux 内核驱动层。

安卓客户端开发四大组件的运用贯穿整个应用软件的开发过程，其以组件的形式封装各抽象功能模块，使得应用与系统中其余软件的书库交互变得更为敏捷。

基于海思 Hi3518E 能够实现多种码流和多选分辨率及JPEG 图片抓拍，支持图像 3D 去噪、图像增强、边缘增强等预处理功能，利于监控系统的运行。

本文针对Windows 系统进行开发，依赖于其两大功能： 一是完成与硬件的交互；二是为在微处理器上运行的应用程序提供可执行的环境。着重进行设备驱动程序的封装对摄像头端硬件资源的访问。针对客户端软件进行的需求分析，大致有以下三个步骤：

(1) 网络摄像头要有一个设备的入网操作，并且该操作简单易行，稳定可靠。

(2) 连接设备后，需要获取音频、视频数据。此步骤是对图像、网络传输、显示等技术提出的一项挑战。

(3) 将移动智能手机作为移动客户端软件的载体。

使用由含有多帧环形缓存结构、DMA 控制器、异步FIFO 及从控制接口的软硬件接口来连接软件App 和硬件摄像头，实现了从原始同步视频信号输入缓存到内存中再由VGA 接口显示的预览链路，完成了视频压缩链路，实现了从原始同步视频转换成YUV 三通道分量[2]。

3 结 语

本系统使用摄像头作为移动视频采集端，采用混合编码技术，并以智能手机作为移动视频客户端进行远程视频实时监控。在 4G/5G 时代以及智能手机不断更新换代的情况下， 本监控系统将会拥有广阔的应用前景[8]。