基于Android平臺的音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

楊志勇 李衛(wèi)鋒 張 盛

(清華大學(xué)深圳研究生院 廣東 深圳 518055)

0 引 言

近年來人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，語音識別技術(shù)逐漸成熟，同時隨著Android智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們可以隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。如何通過手機實時查看家中的情況，以及家中出現(xiàn)各種狀況時能夠及時地通知到我們，成了大家迫切希望解決的問題。因此開發(fā)基于Android平臺的音視頻監(jiān)控系統(tǒng)對改善人們的居住條件具有重大意義，未來發(fā)展空間巨大。

本文介紹了一種基于Android平臺的音視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端和用戶手機APP監(jiān)控端。數(shù)據(jù)采集端可以安裝在各種帶有攝像頭和錄音功能的Android終端上，用戶能夠通過語音喚醒系統(tǒng)，然后控制攝像頭的打開與關(guān)閉，同時還可以接收其他語音指令并通過云端服務(wù)器發(fā)送到用戶手機APP監(jiān)控端。在用戶手機APP監(jiān)控端可以對收到的語音指令做出對應(yīng)的響應(yīng)，同時也可以發(fā)送消息給數(shù)據(jù)采集端。因此，本系統(tǒng)可以非常方便地在數(shù)據(jù)采集端與手機APP監(jiān)控端進行互動，大大增強了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，同時可以根據(jù)需要隨時打開和關(guān)閉視頻監(jiān)控，節(jié)約服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個非常好的解決方案，其主要具有以下幾個特點：

1) 數(shù)據(jù)采集端可以直接安裝在Android移動終端上，不需要專用設(shè)備，可以很好地利用家中的平板電腦、手機等設(shè)備，做到靈活使用，一機多用。

2) 支持語音識別功能，能夠在數(shù)據(jù)采集端與用戶APP端進行消息互動，可根據(jù)需要開關(guān)監(jiān)控設(shè)備。

3) 采用RTMP協(xié)議進行音視頻傳輸，Red5作為流媒體服務(wù)器，支持高清視頻，能夠動態(tài)設(shè)置是否在服務(wù)器上保存音視頻數(shù)據(jù)。

1 總體方案設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集端、云端服務(wù)器和手機APP組成。數(shù)據(jù)采集端主要負責音視頻數(shù)據(jù)的采集和語音指令的識別處理；云端服務(wù)器則負責音視頻流媒體的傳輸、各種控制指令的解析和轉(zhuǎn)發(fā)；手機APP負責UI展示、消息接收、音視頻的解碼播放等功能[2-3]，其總體框架如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

在數(shù)據(jù)采集端用戶通過語音與設(shè)備進行交互，設(shè)備檢測到人的聲音后會進行識別處理，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令，采集端可以是手機、平板電腦等Android設(shè)備，通過連接路由器的Wi-Fi熱點或4G網(wǎng)絡(luò)等接入Internet，然后與服務(wù)器進行通信。手機APP通過網(wǎng)絡(luò)獲取服務(wù)器中的音視頻和各種指令數(shù)據(jù)，同時也可以發(fā)送指令到服務(wù)器上，進而轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的采集端。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端和手機APP均采用Android系統(tǒng)開發(fā)，云端服務(wù)器采用Red5作為流媒體服務(wù)器，業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器使用Apache MINA網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架。

2.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端是監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，主要包括指令識別以及音視頻的采集和推送功能。指令識別包括文本指令和語音指令。文本指令主要是指用戶通過手機APP發(fā)送過來的操作指令。語音指令一般為采集端通過麥克風獲取到的語音，然后轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的文本指令，其功能主要分為：針對采集端的內(nèi)部指令和針對用戶APP的用戶指令。如果是內(nèi)部指令如打開、關(guān)閉攝像頭等，則采集終端會執(zhí)行相應(yīng)的動作；如果是外部指令則發(fā)送給服務(wù)器，進而轉(zhuǎn)發(fā)到APP端由用戶進行處理。本系統(tǒng)語音指令采用百度語音識別技術(shù)，其具有識別率高、基礎(chǔ)服務(wù)免費、接入流程簡單等優(yōu)勢。采集端指令識別的工作流程如圖2所示。

圖2 指令識別處理流程

采集終端上電啟動后，會檢查是否有接收到用戶的文本指令，如果有則首先執(zhí)行文本指令，如果沒有則初始化語音識別服務(wù)，等待喚醒。當檢測到特定的喚醒詞后，開啟指令識別功能，然后判斷指令是內(nèi)部指令還是針對用戶的外部指令，如果是內(nèi)部指令則直接執(zhí)行，否則就發(fā)送到服務(wù)器，進而轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的用戶APP端。

音視頻的采集主要是獲取麥克風和攝像頭的音視頻數(shù)據(jù)，使用H.264進行編碼，然后對其進行RTMP協(xié)議封裝，最終發(fā)送到Red5流媒體服務(wù)器。在Android系統(tǒng)上Mediacodec類封裝了H.264的各種硬編解碼功能，它是Android在4.1中加入的API，是一種低級別的API，可以非常方便地訪問設(shè)備的媒體編解碼器，因此系統(tǒng)采用Mediacodec將音視頻編碼為H.264格式。音視頻傳輸采用RTMP(Real Time Messaging Protocol) 即實時消息傳輸協(xié)議，它是Adobe公司開發(fā)的為Flash播放器和服務(wù)器之間進行音視頻傳輸?shù)囊环N開發(fā)協(xié)議，其運行在TCP協(xié)議之上，能夠支持點播、直播功能，并且具有低延遲的特點，其在視頻監(jiān)控領(lǐng)域被廣泛使用。

2.2 云端服務(wù)器

云端服務(wù)器包含業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器和流媒體服務(wù)器。業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器主要負責處理用戶的注冊登錄、設(shè)備的上線、指令消息的轉(zhuǎn)發(fā)、消息推送等功能。流媒體服務(wù)器主要是進行音視頻的保存和轉(zhuǎn)發(fā)。

業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器采用Apache MINA框架[4]，它是一種幫助用戶開發(fā)高性能和高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架，支持TCP和UDP傳輸，具有異步的、非阻塞的、事件驅(qū)動的API，同時還支持Java NIO特性，能夠非常方便地擴展各種功能的數(shù)據(jù)過濾特性，在整個網(wǎng)絡(luò)通信中能夠與應(yīng)用程序互相隔離開來，客戶端和服務(wù)器只需要處理相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯即可。

流媒體服務(wù)器使用Red5[5-6]，其為Java 語言開發(fā)、開放源代碼的Flash流媒體服務(wù)器，與Macromedia公司的Flash媒體服務(wù)器兼容，支持Linux、MacOS、Windows平臺。它的設(shè)計比較靈活，采用了插件的方式，可以非常方便的集成，能夠?qū)LV、MP3文件進行流化，目前已經(jīng)有成千上萬的公司開始使用RED5，包括亞馬遜和Facebook等。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集端和用戶APP監(jiān)控端與云端服務(wù)器的交互流程如圖3所示。

圖3 采集端、APP和服務(wù)端通信框架圖

數(shù)據(jù)采集端設(shè)備啟動后會通過業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器進行設(shè)備的上線注冊，獲取流媒體的RTMP地址和消息的發(fā)送與接收，然后打開攝像頭推送視頻流到流媒體服務(wù)器。手機APP用戶登錄后，可以綁定采集端設(shè)備并獲取設(shè)備信息，如設(shè)備ID、RTMP地址等，從而可以向流媒體服務(wù)器獲取視頻流數(shù)據(jù)，同理也可以與業(yè)務(wù)服務(wù)器進行消息的發(fā)送與接收。

2.3 用戶APP端

用戶APP監(jiān)控端的主要功能為實現(xiàn)用戶注冊登錄、獲取設(shè)備信息、查看數(shù)據(jù)采集端設(shè)備發(fā)送過來的監(jiān)控視頻等功能[7]。其操作流程如圖4所示。

圖4 用戶APP處理流程

用戶注冊登錄后會從服務(wù)器同步綁定的各種設(shè)備并展示在主界面上，如果沒有獲取到設(shè)備，則進入綁定設(shè)備列表進行綁定，綁定成功后會顯示設(shè)備圖標及名稱，點擊設(shè)備圖標會啟動一個新的Activity進入到設(shè)備的控制面板，從而可以執(zhí)行針對設(shè)備的各種控制操作。圖5為注冊登錄及設(shè)備控制面板界面。

圖5 用戶APP登錄及設(shè)備控制面板

在設(shè)備的控制面板可以查看從數(shù)據(jù)采集端接收到的各種指令消息，點擊“查看監(jiān)控畫面”即可打開流媒體播放器，播放采集端傳輸過來的音視頻數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)難點及解決方案

系統(tǒng)中語音的正確識別、解析、轉(zhuǎn)發(fā)和執(zhí)行是體現(xiàn)系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)采集端將獲取的音視頻數(shù)據(jù)進行編碼封裝并發(fā)送到流媒體服務(wù)器，以及如何在手機APP上進行播放給系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。

3.1 語音識別功能

語音識別功能主要是通過對語音信號進行采集、特征提取、模式匹配等技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文本消息，然后采用自然語言處理技術(shù)對文本消息進行語義解析[8-9]，最終轉(zhuǎn)換成能夠被機器識別和理解的文本指令。系統(tǒng)中采用百度語音SDK進行開發(fā)，它集成了語音采集、語音預(yù)處理等功能，并且支持離在線融合技術(shù)，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)自動判斷使用本地引擎還是云端引擎。其采用的自然語言處理技術(shù)支持三十多個領(lǐng)域的語義理解，可以滿足大部分的語音交互場景，目前的識別準確率可以達到97%以上。數(shù)據(jù)采集端通過語音SDK獲取文本指令，然后根據(jù)其內(nèi)容進行內(nèi)部處理或者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器進而推送到用戶APP端，同時用戶APP端也可以發(fā)送控制指令到服務(wù)器，然后推送到對應(yīng)的采集端設(shè)備，達到了雙向通信功能。其內(nèi)部實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 APP與數(shù)據(jù)采集端通信

服務(wù)器收到用戶APP端和數(shù)據(jù)采集端的指令后，都需要對指令進行解析、重組，并將信息同步到MySQL數(shù)據(jù)庫中進行保存記錄，然后再發(fā)送給對應(yīng)的接收方。

3.2 音視頻采集及播放

系統(tǒng)的音視頻編碼器分別采用AAC和H.264格式進行編碼。AAC是針對音頻數(shù)據(jù)而設(shè)計的一種壓縮格式，其具有非常高效的編碼算法，支持多聲道，具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中應(yīng)用非常普遍。H.264是MPEG4之后開發(fā)的新一代數(shù)字視頻壓縮算法，具有碼率低，支持高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，并且具有非常好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力和糾錯恢復(fù)功能，同時在大多數(shù)Android系統(tǒng)上能夠通過MediaCodec進行硬編碼。

在Android系統(tǒng)上音頻數(shù)據(jù)通過調(diào)用AudioRecord進行采集，采樣率使用44.1 kHz，音頻格式使用ENCODING_PCM_16BIT，音頻通道使用CHANNEL_CONFIGURATION_STEREO。在錄音之前首先調(diào)用new AudioRecord初始化AudioRecord。然后新建一個AudioRecordThread線程，在此線程中開啟錄音操作，然后把錄取的音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到回調(diào)函數(shù)onRecvAudioData中進行編碼處理，核心代碼如下：

//初始化AudioRecord

mAudioRecord=new

AudioRecord(MediaRecorder.AudioSource.MIC,sampleRate,audioChannel,audioFormat, buffsize);

//開啟錄音線程進行錄音

AudioRecordThread=new Thread(new Runnable() {

public void run() {

//開始錄音

mAudioRecord.startRecording();

audioData, 0, dataSize);

//獲取audioData音頻數(shù)據(jù)

……

//編碼音頻數(shù)據(jù)

onRecvAudioData(audioData)

}

});

視頻數(shù)據(jù)的采集通過調(diào)用Camera接口的回調(diào)函數(shù)onPreviewFrame獲取，其部分實現(xiàn)代碼如下：

Public Camera.PreviewCallback

getPreviewCallback() {

return new Camera.PreviewCallback() {

public void onPreviewFrame(final byte[] data, final Camera camera) {

//data為攝像頭圖像數(shù)據(jù)

}

};

}

RTMP協(xié)議主要用來在FLV(Flash Video)和服務(wù)器之間進行音視頻通信[10]，因此編碼后的音視頻數(shù)據(jù)需要封裝成FLV可以識別的數(shù)據(jù)格式。FLV格式分為Header和Body二部分，而Body則由一個個Tag組成，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要先發(fā)送Header。以下為RTMP初始化的部分代碼。

rtmp=RTMP_Alloc();

//分配RTMP實例

RTMP_Init(rtmp);

//進行RTMP初始化

//設(shè)置RTMP連接超時時間

rtmp->Link.timeout=timeOut;

//設(shè)置RTMP的URL

RTMP_SetupURL(rtmp,(char*)url.c_str());

//使能寫功能

RTMP_EnableWrite(rtmp);

//開始連接RTMP服務(wù)器

if (!RTMP_Connect(rtmp, NULL)) {

return -1;

}

//連接RTMP流

if (!RTMP_ConnectStream(rtmp, 0)) {

LOGI(″RTMP_ConnectStream error″);

return -1;

}

由于RTMP的流媒體服務(wù)器不對音視頻數(shù)據(jù)進行解碼和播放，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要將音視頻的編碼信息發(fā)送到流媒體服務(wù)器，因此首先需要獲取音視頻的編碼參數(shù)。而編碼參數(shù)SPS(序列參數(shù)集)、PPS(圖像參數(shù)集)正好包含在MediaCodec編碼后的前二幀視頻數(shù)據(jù)中，同時也是FLV視頻中Body數(shù)據(jù)的首個Tag，因此調(diào)用pushSpsPpsData函數(shù)先提取SPS和PPS進行發(fā)送。同理對于AAC音頻數(shù)據(jù)通過調(diào)用pushAudioInfo函數(shù)發(fā)送其編碼信息到流媒體服務(wù)器。最終都是調(diào)用RTMP_SendPacket(RTMP*r,RTMPPacket*packet,int queue)函數(shù)進行發(fā)送，其內(nèi)部基于TCP協(xié)議進行實現(xiàn)。

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要選擇是否在流媒體服務(wù)器上保存數(shù)據(jù)，因此在設(shè)備采集端RTMP初始化時可以選擇live、record、append三種模式，其中l(wèi)ive模式為不保存數(shù)據(jù)，record模式為保存數(shù)據(jù)，append為追加模式保存數(shù)據(jù)。如設(shè)置live模式則設(shè)置對應(yīng)的標志位rtmp->Link.lFlags |=0x40; record模式為0x80，append為0x100。

在用戶APP端視頻的播放采用Google開源的ExoPlayer播放器，其能夠支持HTTP動態(tài)自適應(yīng)流，能夠非常方便地自定義設(shè)計和擴展。整個音視頻的采集播放流程如圖7所示。

圖7 音視頻采集播放流程

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

系統(tǒng)的測試中，云端服務(wù)器采用阿里云的Linux平臺服務(wù)器，配置為CPU 1核，內(nèi)存1 GB，網(wǎng)絡(luò)為1 Mbps，數(shù)據(jù)采集端和用戶APP端分別在Wi-Fi和4G網(wǎng)絡(luò)的情況下，發(fā)送音視頻可以非常流暢的顯示，其數(shù)據(jù)采集端和用戶APP端的監(jiān)控畫面顯示如圖8所示，左邊手機為采集端，通過攝像頭獲取音視頻數(shù)據(jù)，右邊手機為用戶APP端，正常獲取到了采集端的音視頻。

圖8 采集端(左)和APP端(右)

5 結(jié) 語

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，語音識別、圖像分析技術(shù)變得越來越成熟，這些技術(shù)引入到視頻監(jiān)控領(lǐng)域會大大增強監(jiān)控系統(tǒng)的功能。通過增加語音識別功能，改變了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能單方面通信的功能，而引入云端服務(wù)器、用戶監(jiān)控端可以讓用戶隨時隨地查看監(jiān)控系統(tǒng)，增加了監(jiān)控系統(tǒng)的可用性，提供了一個非常有效的解決方案。