摘 要： 提出了一种基于Android智能手机的视频监控系统视频上传客户端软件设计方案，介绍了整个系统的框架和客户端软件开发过程。基于Android操作系统平台，通过扩展会话初始化协议（SIP）实现信令控制，采用系统多媒体框架实现视频采集与编码，使用LocalSocket本地映射获取编码视频数据，并以实时传输协议（RTP）实现数据传输。
关键词： Android；视频上传；会话初始化协议；LocalSocket；实时传输协议
视频监控[1]以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。国内外很多公司都投入了很大的精力在视频监控系统的研究上，如国外的博世、松下，国内的海康和大华等，他们研发供应监控产品，并提供解决方案。近年来Android操作系统[2-3]发展迅速，拥有广大的用户群体。当前市场上基于Android的视频上传软件，通过调用第三方库实现视频数据编码，由CPU实现编码数据算法，资源占用率高。本文设计了一种基于Android智能手机的视频上传客户端软件，以SIP[4]协议作为控制信令，采用手机自带摄像头录制视频，基于系统多媒体框架实现视频数据编码，并上传数据到服务器。
1 视频监控系统框架
系统由视频播放客户端、服务器和视频上传设备端3部分组成。视频播放客户端包括手机客户端和PC客户端，播放设备端上传的视频；服务器由一个SIP服务器和一个媒体转发服务器组成，SIP服务器负责对设备端和播放客户端的管理，媒体转发服务器实现媒体数据转发，将设备端的视频数据转发给播放客户端；设备端通过WiFi或者3G连接网络，登录到SIP服务器，可以接收播放客户端的视频邀请并与媒体转发服务器建立连接，上传视频到媒体转发服务器。系统框架图如图1所示，实线为SIP信令流，虚线为RTP媒体流。
2 客户端软件设计
客户端设计包括顶层用户界面设计和底层的功能模块设计。用户界面用于实现人机交互；功能模块主要有信令控制模块、视频采集编码模块和视频上传模块，分别实现客户端与SIP服务器间交互、视频数据采集编码和将视频上传到媒体转发服务器的功能。
2.1 界面设计
用户界面主要有登录界面、等待视频邀请界面和视频采集界面，是通过调用应用程序框架层的API接口和View组件，配合XML布局文件实现的Activity。在登录界面输入账号和密码，登录成功后跳转到等待视频邀请界面；在等待视频邀请界面，用户可以选择登出服务器；若收到视频邀请消息，可以跳转到视频采集界面；在视频采集界面进行视频采集、编码与上传；若收到结束邀请消息，则断开与媒体转发服务器的连接，回到等待视频邀请界面，等待下一次的视频邀请。
2.2 信令控制模块
Android手机客户端与SIP服务器之间的信息控制采用SIP协议，采用XML扩展SIP消息体。SIP消息实现的功能有设备注册、设备保活、邀请视频和结束邀请，如图2所示。
设备注册时，客户端向服务器发送两次REGISTER消息，第一次客户端向服务器发送REGISTER消息，服务器回复带有密文消息体的200 OK消息；客户端解析密文，通过REGISTER将解析后的密文发回服务器，服务器回复200 OK表明注册成功。注册成功后，客户端需要向服务器发送保活信息。客户端发送REGISTER消息，消息体中是保活请求信息；服务器回复带有保活响应消息体的200 OK消息。视频邀请时，服务器向客户端发送INVITE消息，消息体中有媒体转发服务器的IP和数据接收端口号；客户端回复200 OK，并在消息体中设置上传视频的相关信息；服务器准备就绪后，向客户端发送ACK消息；客户端回复200 OK表示客户端准备就绪，可以进行视频上传。结束视频邀请时，服务器向客户端发送BYE消息，客户端回复200 OK消息表示收到结束视频请求。
2.3 采集编码模块
由于网络传输带宽的限制，视频需经过编码发送，本文采用H.264编码标准[5]。Android系统MediaRecorder类支持的文件封装格式有AAC ADTS、AMR NB、AMR WB、MP4、RAW_AMR、3GPP，本文采用MP4封装格式进行研究。MP4封装格式[6]基于QuickTime容器格式定义，媒体描述与媒体数据分开，目前被广泛应用于封装H.264视频和ACC音频，是高清视频的代表。
本文采用MediaRecorder录制视频，基于Android系统的多媒体框架进行视频H.264编码，将录制的视频流映射到本地LocalSocket上，获取编码数据。为了获取H.264码流，通过启动两次MediaRecorder实现。第一次启动，设置视频录制相关参数，并将录制视频以MP4格式保存到当前应用目录下，从MP4文件的尾部找到SPS、 PPS和视频数据存放起始位置；第二次启动后将录制的视频映射到LocalSocket的发送端，在LocalSocket的接收端获取视频流，并通过之前第一次启动MediaRecorder得到的视频存放位置从视频流中截取H.264码流，每次提取一帧数据，由视频上传模块发送给媒体转发服务器。H.264码流获取流程如图3所示。
2.4 视频上传模块
为了拥有较好的实时性，视频数据基于RTP协议传输，根据RFC3984协议进行操作。手机底层硬件是按照相同速率进行视频采集的，故每一帧的停留时间是相同的。如果采用编码后直接打包发送的策略，数据大的帧其分片包多，此期间发包速率高；数据小的帧分片包少，此期间发包速率低。可见此种发包机制的发包速率不稳定，包发送速率是由帧的大小决定，这样会出现发包高峰期，造成网络阻塞，从而导致丢包率升高，影响了接收端的图像质量。
针对这一情况，本文设计了一种平稳发包策略，通过开辟相应的发送缓存，以较平稳的速率来发送视频数据包。缓存模仿队列进行设计，采用先进先出的原则，实现了一个缓存链表。开启两个线程，一个线程负责将分片后的数据包从缓存尾部放入缓存，另一个线程负责从缓存头部提取数据包进行发送。缓存通过设计两个类实现：StreamBufNode.java类和StreamBuf.java类。其中StreamBufNode.java类定义了缓存链表节点的数据类型和相关操作方法；StreamBuf.java类定义了整个缓存链表的数据结构、加入节点到链表和从链表取出节点等操作方法。发包的缓存示意图如图4所示。
本文设计实现了一种基于Android智能手机的视频监控系统视频上传客户端软件，并介绍了视频监控系统的整体框架和视频上传客户端软件设计方案。主要介绍了客户端软件的用户界面和功能模块设计，包括信令控制模块、采集编码模块和视频上传模块。软件基于日常使用的Android智能手机开发，移动性强，成本低。未来是移动的世界，基于智能手机设备端视频监控软件的设计和实现具有一定的现实意义。
参考文献
[1] 周毅．基于Android系统的视频监控客户端软件的设计与实现[D]．浙江：浙江工业大学，2012．
[2] 杨丰盛．Android应用开发揭秘[M]．北京：机械工业出版社，2010．
[3] 金仙力，陈晶晶．Android平台上的实时图像采集与远程存储系统设计[J]．无线互联科技，2012（10）：64-65．
[4] IETF.RFC 3261 SIP: Session initiation protocol[EB/OL].[2002-07-19].http://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt.
[5] 周恒．H.264的研究与软件实现[D]．南京：南京邮电学院，2004．
[6] 周瑾，支琤，宋利．流媒体应用中TS和MP4格式分析[J]．信息技术，2007，31（7）：16-19．