摘 要： 為方便企業(yè)移動辦公，研究基于Android移動終端的視頻通信，構(gòu)建了實現(xiàn)視頻通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對SIP協(xié)議、H.264視頻編解碼、RTC/RTCP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)進行研究，在Android平臺上進行了設(shè)計實現(xiàn)。結(jié)果顯示視頻通信效果良好，達到了預(yù)期目的，可作為進一步研究企業(yè)通信的參考。

關(guān)鍵詞： 視頻通信； Android系統(tǒng)； SIP； RTC/RTCP

中圖分類號： TN926?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0046?04

0 引 言

自2007年Android系統(tǒng)誕生以來，經(jīng)過短短幾年時間，Android已經(jīng)逐步占據(jù)了智能移動終端市場的大量份額，成為最廣為使用的移動操作系統(tǒng)。通信網(wǎng)絡(luò)近幾年的高速發(fā)展和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，使得移動終端可以隨時接入網(wǎng)絡(luò)，享受互聯(lián)網(wǎng)帶來的豐富內(nèi)容。Windows和Linux平臺上的視頻通信功能已經(jīng)得到很好的實現(xiàn)和應(yīng)用，Android平臺可以通過接入WiFi網(wǎng)絡(luò)進行視頻通信，已經(jīng)開始成為熱門研究。尤其是在企業(yè)通信領(lǐng)域，企業(yè)一般構(gòu)建了自己的內(nèi)部通信環(huán)境，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)隨時可用，軟交換平臺和IP電話為企業(yè)辦公帶來極大便利，基于移動終端的視頻通信成為新的趨勢[1]。

為方便企業(yè)移動辦公，本文基于Android系統(tǒng)平臺，對在企業(yè)WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)實時視頻通信的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并在此基礎(chǔ)上對Android平臺實時視頻通信進行設(shè)計實現(xiàn)。

1 視頻通信系統(tǒng)構(gòu)成

雖然目前移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以支持一些設(shè)備進行多媒體通信，但是由于通信帶寬、通信費用、穩(wěn)定性等原因，應(yīng)用范圍十分有限。隨著IP網(wǎng)絡(luò)的普及，在企業(yè)內(nèi)部擁有了高帶寬高穩(wěn)定高速率的局域網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置WiFi熱點提供無線連接，部署應(yīng)用服務(wù)器，通過軟交換設(shè)備實現(xiàn)和PSTN網(wǎng)絡(luò)通信互連，除了解決上述問題之外，還有許多數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不可比擬的優(yōu)點[2]。所以本文以企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為背景，研究構(gòu)建Android視頻通信應(yīng)用系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Android的實時視頻通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。

其中視頻通信軟件安裝在Android移動終端上，其通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)連接SIP服務(wù)器及與其他Android終端或裝有SIP通話軟件的PC終端進行通信。視頻通信的實現(xiàn)依賴于WiFi網(wǎng)絡(luò)、SIP服務(wù)器等外部條件[3]。移動終端用戶可以對系統(tǒng)個性化的配置，根據(jù)自己的需求和偏好選擇需要的功能；移動終端用戶向服務(wù)器發(fā)出請求并完成注冊；移動終端用戶對語音視頻數(shù)據(jù)進行采集和編碼，并通過RTP/RTCP（實時傳輸協(xié)議/傳輸控制協(xié)議）進行傳輸和控制，對端用戶進行解碼和播放；SIP服務(wù)器完成對會話的控制，包括會話的注冊、發(fā)起、維護與結(jié)束、注銷等功能。

圖1 視頻通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 視頻通信流程

實現(xiàn)視頻通信的基本流程如圖2所示。

圖2 視頻通信基本流程

在經(jīng)過SIP服務(wù)器對IP地址進行連接成功后，視頻通信的基本流程就變得相對簡單，如視頻采集直接調(diào)用Android移動終端攝像頭，再將采集到的圖像幀進行編碼、打包、發(fā)送等一系列的處理，到對端設(shè)備解碼播放就可以了。

2 關(guān)鍵技術(shù)

從圖1及圖2中就可以看出，要想在Android平臺上實現(xiàn)實時視頻通信，必須進行可靠連接、對視頻進行處理、傳輸?shù)龋湎鄬?yīng)的技術(shù)就是SIP協(xié)議、視頻編解碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/p>

2.1 SIP協(xié)議

SIP協(xié)議（Session Initiation Protocol，會話初始協(xié)議）是由IETF（互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）于2001年提出的IP電話信令協(xié)議（RFC3261）[4]，用于在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)起、建立、結(jié)束多媒體會話。SIP能夠使用互聯(lián)網(wǎng)的端點（用戶代理）來發(fā)現(xiàn)參與者，并且協(xié)商它們共享會話的特性。SIP獨立運行于底層的通信協(xié)議之上，并且不依賴于所建立的會話類型。SIP協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層，與其他應(yīng)用層協(xié)議一樣，可以利用TCP或UDP來傳輸SIP消息。SIP會話使用四個主要組件：SIP用戶代理、SIP注冊服務(wù)器、SIP代理服務(wù)器和SIP重定向服務(wù)器。這些系統(tǒng)通過傳輸包括了SDP協(xié)議（用于定義消息的內(nèi)容和特點）的消息來完成SIP會話。

用SIP實現(xiàn)通信一般分為六個步驟：

（1） 注冊，發(fā)起和定位用戶；

（2） 進行媒體協(xié)商——通常采用SDP（Session Description Protocol，會話描述協(xié)議）方式來攜帶媒體參數(shù)；

（3） 由被叫方來決定是否接納該呼叫；

（4） 呼叫媒體流建立并交互；

（5） 呼叫更改或處理；

（6） 呼叫終止。

目前已經(jīng)有很多的開源SIP協(xié)議?？梢允褂茫鏜jsip，PJSIP，oSIP等。Android從2.3版本開始也加入了對SIP的支持[5]。

2.2 編解碼技術(shù)

Android支持的視頻格式有H.263、H.264、MPEG?4 SP等，其中對M4V_H263、AVC_H264等提供了編碼支持。

H.264編碼技術(shù)是繼MPEG?4之后的最新國際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，由ITU?T和ISO/IEC的開發(fā)組共同進行開發(fā)。H.264標(biāo)準(zhǔn)是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)，相比之前的標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的壓縮率、高質(zhì)量圖像、容錯功能，并有很強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，更適合于移動終端進行傳輸[6]。

為便于適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，H.264協(xié)議定義了兩個層，即視頻編碼層VCL（Video Coding Layer）與網(wǎng)絡(luò)提取層NAL（Network Abstraction Layer）[7]。VCL包含了VCL編解碼和VCL解碼器，VCL編解碼用來進行視頻數(shù)據(jù)的壓縮，VCL解碼器用來對視頻數(shù)據(jù)進行解碼；NAL主要為VCL提供了一個與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的統(tǒng)一接口，負責(zé)對視頻數(shù)據(jù)進行封裝，這使得封裝數(shù)據(jù)包在傳送過程中具有了很好的健壯性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

實時傳輸協(xié)議（RTP）通常運行在用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）層之上，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步。RTP一般與UDP一起配合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋DP只是用來傳輸數(shù)據(jù)包，不能對數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間順序進行干預(yù)。RTP的數(shù)據(jù)用UDP分組進行承載。在對RTP數(shù)據(jù)包進行承載時，若一幀的數(shù)據(jù)量很大，將被分割成幾個具有相同時間標(biāo)簽的包進行傳輸，而UDP多路復(fù)用技術(shù)可以讓RTP包進行多點傳輸，方便進行多媒體多點會話。在RTP中規(guī)定使用5%的帶寬傳輸實時傳輸控制協(xié)議（RTCP），RTCP可以監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，提供數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的反饋信息[8]。RTP和RTCP配合使用，共同提供流量控制和擁塞控制服務(wù)，不僅可以得到最小的網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷，而且可以對傳輸情況實現(xiàn)有效地反饋。

經(jīng)過編碼的H.264視頻碼流分別被封裝上RTP包頭、UDP包頭和IP包頭，封裝之后的數(shù)據(jù)包通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給接收顯示端。當(dāng)接收端收到數(shù)據(jù)包后將按照與封包順序相反的順序進行解包，把RTP包頭和視頻數(shù)據(jù)取出，然后根據(jù)RTP包頭的序列號進行排序，將視頻數(shù)據(jù)依次送到解碼器接口，解碼器完成對數(shù)據(jù)的解碼，最終進行播放顯示。

3 視頻通信的實現(xiàn)

使用Android終端的攝像頭作為視頻采集設(shè)備，在于SIP服務(wù)器進行成功通信建立連接之后，經(jīng)過編碼壓縮并進行RTP打包后進行傳輸，到達對端進行解碼播放。

3.1 獲取Android許可

SIP功能的實現(xiàn)通過JNI（Java本地編程接口）調(diào)用開源SIP協(xié)議棧PJSIP實現(xiàn)，具體方法可見參考文獻[9]。

首先，在AndroidManifest.xml文件中，要做允許使用SIP、Camera和WiFi的聲明：

android：name=\"android.permission.USE_SIP\"/> 允許使用SIP

android：name=\"android.permission.CONFIGURE_SIP\"/>

允許對SIP進行配置

android：name=\"android.permission.CAMERA\"/>

允許使用Camera

android：name=\"android.permission.ACCESS_WIFI_STATE\"/>

允許使用WiFi

聲明之后才可以在Android上使用相關(guān)的功能。

3.2 視頻采集

視頻采集部分包括攝像頭開啟、初始化以及關(guān)閉，通過調(diào)用Android系統(tǒng)的Camera來實現(xiàn)。攝像頭的參數(shù)主要有以下兩種：

（1） 幀率：攝像頭每秒圖像包含的幀數(shù)。

（2） 分辨率：采集圖像的分辨率。

實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)采集功能的主要代碼如下：

mCamera = Camera.open（）； //獲取設(shè)備的 Camera

Camera.Parameters parameters=camera.getParameters（）

//獲取攝像頭參數(shù)

parameters.setPreviewSize（currentCapability.width，

currentCapability.height）

//根據(jù)當(dāng)前視頻大小設(shè)置預(yù)覽窗口大小

camera.setParameters（parameters）； //設(shè)置攝像頭服務(wù)

視頻采集實現(xiàn)過程如圖3所示。

3.3 視頻編碼與傳送

采集獲得的視頻數(shù)據(jù)送入編碼庫進行編碼。編碼庫提供的編碼參數(shù)主要包括：視頻寬度，視頻高度，幀率。為了提高編解碼效率，使用NDK生成一個可以在Android平臺上調(diào)用的動態(tài)庫.SO，繼而調(diào)用由C語言實現(xiàn)的H.264算法[10]。

圖3 視頻采集實現(xiàn)過程

為便于在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，將對編碼結(jié)果分片[11]。因為最終得到的H.264視頻編碼信息為NAL（網(wǎng)絡(luò)提取層），往往是比網(wǎng)絡(luò)的MTU（網(wǎng)絡(luò)傳輸最大包大?。┐蠛芏嗟模虼?，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)之前，應(yīng)該進行數(shù)據(jù)分片操作，將每個發(fā)送的包控制在MTU大小之下。之后就可以進行RTP傳輸。RTP傳輸?shù)倪^程如圖4所示。

圖4 RTP視頻傳輸過程

收到開始指令后，首先獲取經(jīng)過編碼的H.264視頻數(shù)據(jù)，進行RTP打包，生成數(shù)據(jù)包頭。數(shù)據(jù)包頭中提供了時間戳、包序列號、視頻類型等信息，添加完數(shù)據(jù)包頭進行發(fā)送。發(fā)送時建立發(fā)送端與接收端之間的RTP會話，設(shè)置好端口，之后根據(jù)RTP協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行分包傳輸[12]。

3.4 視頻通信測試

搭建測試環(huán)境，使用基于Windows系統(tǒng)以及Kubuntu/Linux系統(tǒng)的專業(yè)SIP服務(wù)器miniSipServer作為SIP服務(wù)器軟件，設(shè)置好分機號碼。在電腦端使用免費的軟電話X?Lite作為101賬號終端；在手機端使用102賬號。兩個終端在miniSipServer上注冊成功，如圖5所示。

視頻通信移動終端使用ZTE U985手機，Android系統(tǒng)為4.0，CPU頻率為1 536 MHz，內(nèi)存1 GB。視頻連接成功后，壓縮分辨率為CIF（352×288），幀率為14.99 f/s。視頻表現(xiàn)清晰、流暢。截取的X?Lite端視頻畫面如圖6所示。其中大屏為從手機端傳送過來的畫面，小屏為X?Lite端采集的視頻。

圖5 SIP注冊成功

圖6 視頻通信效果

4 結(jié) 語

通過對SIP協(xié)議、H.264視頻編解碼、RTC/RTCP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫曨l通信相關(guān)技術(shù)的分析研究，成功地在Android平臺上實現(xiàn)了視頻通信，測試結(jié)果表明效果良好。隨著Android移動終端軟硬件配置越來越高，會實現(xiàn)更高質(zhì)量的視頻通信。通過企業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)并借助于Android移動終端，企業(yè)只需以十分小的成本就可以改善通信條件，實現(xiàn)更加靈活方便的辦公。因而，基于Android的實時視頻通信值得進一步深入研究，在操作界面、與其他功能融合等方面做出改進。

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