摘要 提出了基于Android平臺的H．264視頻壓縮技術設計方案，該方案終端設計是基于S3C6410處理器的硬件和Android 2．3版本的軟件平臺，通過終端USB攝像頭的驅動移植、視頻圖像的H．264標準壓縮以及Socket網絡編程，實現(xiàn)網絡視頻監(jiān)控的實時顯示。
關鍵詞 Android；USB驅動；H．264．壓縮算法

    視頻服務器在目前視頻領域中的應用，主要是利用網絡視頻服務器構建遠程監(jiān)控系統(tǒng)?；诰W絡視頻服務器的多通道數字傳播技術，具有傳統(tǒng)的模擬視頻輸出系統(tǒng)無可比擬的諸多優(yōu)勢。但要使網絡視頻監(jiān)控得到普及還有待于解決以下問題：盡快提高視頻壓縮的技術水平，目前先進的壓縮標準H．264可以部分解決視頻質量和網絡帶寬占用這個矛盾。
    H．264／AVC標準是一種高性能的視頻編解碼技術，相比以前的標準，具有更高的壓縮率、高質量圖像、容錯功能、并有很強的網絡適應性。
    隨著Android技術的迅猛發(fā)展和日趨成熟，其開放性、便攜性、良好的兼容性、無縫結合網絡通信等特點將使Android操作系統(tǒng)在未來工業(yè)領域中有廣泛的應用。

1 系統(tǒng)概述
    基于Android平臺的視頻服務器監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控前端、監(jiān)控終端和網絡3部分組成。監(jiān)控前端是一個嵌入式Android系統(tǒng)，通過S3C6410的USB攝像頭采集視頻數據，并傳送給Android應用層的編解碼模塊，應用層通過調用JNI接口鏈接Android底層封裝的動態(tài)庫，實現(xiàn)基于H．264標準視頻壓縮，將壓縮數據打包發(fā)送到IP網絡上，監(jiān)控終端通過網絡接收數據包，最后解碼進行實時播放?；贏ndroid平臺的H．264視頻壓縮技術的總體框架圖，如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計
    基于Android視頻服務器系統(tǒng)包括視頻信息采集模塊、視頻信息編解碼模塊、視頻數據傳輸和顯示模塊組成。視頻信息采集和編碼模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的前端，主要由USB攝像頭和Android底層的系統(tǒng)庫實現(xiàn)；視頻數據傳輸模塊是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中繼，負責監(jiān)控前端和監(jiān)控終端視頻數據的交互工作；監(jiān)控終端主要由LCD顯示模塊和電源模塊組成，LCD顯示模塊實時查看視頻，電源模塊為系統(tǒng)提供運行所需的能量。
    該技術設計采用Samsung公司的ARM11 S3C6410嵌入式處理器為核心，其主頻為533 MHz／667 MHz，S3C6410是基于16／32-bitRISC內核的低成本、低功耗、高性能微處理器解決方案，內部集成多個功能強大的硬件加速器，結合外部極佳的接口設備，能夠滿足Android程序開發(fā)的需求。其外接存儲設備包括256 M的DDR-SDRAM、2MB的NOR Flash、2 GB的NAND Flash。外圍接口包括串行口、JTAG調試接口和USB接口，其中USB接口連接攝像頭負責視頻數據的采集，LCD進行實時顯示。視頻采集設備硬件結構如圖2所示。

3 軟件設計概述
    Android的系統(tǒng)構架分為應用層、應用框架層、系統(tǒng)運行庫和IJnux內核層，Android應用程序的開發(fā)通過應用框架與Android底層進行交互。技術實現(xiàn)設計采用模塊化設計方案，主要包括底層驅動移植模塊、視頻采集模塊、視頻壓縮傳輸模塊和視頻顯示模塊。
    基于Android的視頻服務器系統(tǒng)主要包括監(jiān)控前端、中間網絡和監(jiān)控終端。監(jiān)控前端的USB攝像頭采集視頻數據，Android應用層調用封裝的JNI庫進行標準的H．264壓縮，經過網絡打包發(fā)送給監(jiān)控終端，終端通過解碼實時查看視頻。其中流媒體服務器主要由3層結構組成：服務器、網絡服務接口和驅動模塊，如圖3所示。

3．1 操作系統(tǒng)結構
    Android作為終端操作系統(tǒng)，其軟件層次自下而上分為：基于Linux內核的操作系統(tǒng)層，各種庫和Android運行環(huán)境，應用程序框架和應用程序。結構圖如圖4所示。
    (1)應用程序。應用程序包括Email客戶端，SMS短消息程序，日歷，地圖，瀏覽器，聯(lián)系人管理程序等。所有應用程序均使用Java語言編寫。
    (2)應用程序框架。應用程序架構設計簡化了組件的重用；任一個應用程序都可以發(fā)布功能塊并且其它應用程序都可以使用其所發(fā)布的功能塊。
    (3)系統(tǒng)運行庫。當使用Android應用框架時，Android系統(tǒng)會通過一些C／C++庫來支持使用的各個組件，使其能更好地服務。其中包括Bionic系統(tǒng)C庫，多媒體庫，關系數據庫SQLite，Web瀏覽器引擎Webkit等。
    (4)Linux內核。Android的核心系統(tǒng)依賴于Linux 2．6內核，它同時也是硬件和軟件之間的抽象層。此外Android對其做了部分修改，主要涉及兩部分。Binder(IPC)：提供有效的進程間通信，實現(xiàn)了自己的功能；電源管理：主要為省電，作為手持終端設備低耗電是追求目標。
3．2 底層驅動移植模塊設計
    Android系統(tǒng)本身是一個龐大的系統(tǒng)，移植需要考慮Android系統(tǒng)的硬件抽象層(HAL)和Linux中的相關設備驅動程序。移植的目的就是為了改動較小的內容，支撐較為龐大的上層系統(tǒng)。該系統(tǒng)驅動的移植主要為滿足上層應用層的USB攝像頭視頻采集需求。
    Android系統(tǒng)驅動移植首先要熟悉硬件抽象層的接口，其次要集成和復用已有的驅動程序，主要的工作量在硬件抽象層的實現(xiàn)中。移植的主要工作有兩方面：Linux驅動、Android系統(tǒng)硬件抽象層。
    USB攝像頭驅動程序介于視頻采集應用程序與Linux內核中USB核心的中間層。其一，USB攝像頭驅動向USB核心注冊本身的信息，并調用USB核心提供的API函數為上層服務；其二，應用程序通過調用USB攝像頭驅動的一套接口函數進行視頻采集和調整攝像頭參數等操作，如圖5所示。

3．3 視頻采集模塊設計
    基于Android系統(tǒng)的H．264壓縮技術的視頻采集部分包括Android視頻流的提取以及Android界面設計兩部分。Android可以在拍照視頻預覽時截取視頻流的數據。每獲得一幀調用相應的接口函數。其中在Android的上層界面中定義了一個SurfaceView類，主要用于顯示采集到的圖像。Android通過USB攝像頭采集格式為YUV的視頻數據，通過SurfaceView類接口傳輸到應用層通過圖像繪制進行顯示。
    應用程序界面設計具體步驟：打開Android項目里的res＼layout目錄，用xml語言來編輯設計程序界面。首先確定界面的布局，嵌套ViewGroup的Linear-Layout和RelativeLayou進行布局，調整android：layout_width、android：layout_height、android：back-ground、android：padding等參數值，達到滿意的整體布局效果。然后在ViewGrotrp布局中添加View控件：textview、button根據實際需要調整各控件的android：id、android：layout_heigllt、android：layout_width等參數值，最終完成對Android應用程序UI的布局。
3．4 H．264視頻壓縮模塊設計
    H．264是由ITU-T的VCEG和ISO／IEC的MPEG聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組提出的一個新數字視頻編碼標準。它由VCL層和NAL層組成，VCL層主要負責編解碼，主要包括運動補償、變換編碼、熵編碼等；NAL層主要為VCL提供與網絡無關的統(tǒng)一接口，負責將視頻數據封裝打包后傳遞給網絡。
    H．264標準視頻壓縮算法包括5個環(huán)節(jié)：幀間幀內預測編碼、正反變換編碼、量化反量化編碼、環(huán)路濾波和熵編碼。算法流程如圖6所示。

    技術實現(xiàn)是在Android操作系統(tǒng)上封裝編譯生成Android底層Library的JNI動態(tài)鏈接庫，進而實現(xiàn)H．264標準編解碼。具體實現(xiàn)步驟：選擇合適的編碼器，系統(tǒng)采用X264的編碼器。X264省去了部分復雜增益，編碼速度非?？欤梢詫IF格式圖像實時編碼。H．264壓縮畫面以及分辨率：支持CIF／QCIF；圖像分辨率：352×288；壓縮格式H．264、MPEG-4壓縮格式；壓縮幀率：1～25幀可調；壓縮碼率：64 kbit·s-1～2 Mbit·s-1：碼流控制方式：變碼流、動碼流、混合碼流。H．264的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在下面幾個方面：(1)精確匹配解碼，避免錯誤累積；(2)更簡單的規(guī)范實施；(3)強大的容錯能力；(4)高效壓縮，比其他視頻壓縮能力高50％以上；(5)時延級差，以適應更多應用環(huán)境等。
3．5 主程序流程設計
    基于Android視頻服務器系統(tǒng)終端要接受來自監(jiān)控前端的視頻數據，必須采用Socket網絡通信技術。
    在進行Socket通信前必須對Socket初始化包括：創(chuàng)建Socket、綁定Socket和端口號、開始監(jiān)聽端口等步驟。創(chuàng)建Socket服務線程。當監(jiān)聽產生后，主進程負責不斷循環(huán)地監(jiān)聽接收到的請求并建立新的客戶連接Socket，創(chuàng)建針對此Socket的通信進程。

3．6 顯示模塊設計
    Android平臺的視頻服務器監(jiān)控系統(tǒng)終端顯示需要對視頻數據進行解碼，通過LCD液晶顯示屏實時觀看。解碼過程是編碼的反變換，其中包括獲取視頻流，視頻流信息的配置，視頻流的幀解壓，以及圖像處理過程。該系統(tǒng)選擇4．3寸(10．92 cm)LCD顯示屏在進行顯示端實時查看視頻圖像。

4 結束語
    基于Android系統(tǒng)的視頻客戶控制界面，無需專用監(jiān)控軟件、使用方便、成本低。系統(tǒng)通過Arm11CPU直接進行視頻處理和傳輸，在提供高性能的同時，也允許在性能和功耗間做權衡滿足某些特殊的應用需求。鑒于Android視頻服務器的高性能和前沿性，基于Android平臺的視頻服務器可以在安全性要求高的各種場合得到應用，同時結合實際的應用再可以進行功能擴展，可應用到眾多的有線或無線視頻監(jiān)控領域。