基于視頻影像的道路信息系統(tǒng)采集前端設(shè)計(jì)(張斌)

1、基于視頻影像的道路信息系統(tǒng)采集前端設(shè)計(jì)張斌摘 要本文分析和總結(jié)了GIS（Geographic Information System 地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合高速公路管理的業(yè)務(wù)需要和GIS技術(shù)的特點(diǎn)。建立在GIS基礎(chǔ)上的視頻高速公路管理信息系統(tǒng)使用微軟的桌面操作系統(tǒng)WINXP為系統(tǒng)平臺(tái)，可以為決策者提供視頻數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、路徑分析、專題制圖、樁號(hào)定位等功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、并為其提供了對(duì)勞碌狀況的評(píng)估和病害分析進(jìn)行輔助決策的依據(jù)。關(guān)鍵詞：高速公路，視頻，地理信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集一、系統(tǒng)構(gòu)成 1、采集存儲(chǔ)部分系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要有攝像機(jī)、圖像采集卡、GPS接收器、PC機(jī)等。采集系統(tǒng)的

2、任務(wù)就是通過編寫軟件控制這些設(shè)備完成圖像數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)信息如GPS坐標(biāo)、里程、時(shí)間等信息的采集與簡單處理，并將數(shù)據(jù)有序的存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里。并且應(yīng)保證數(shù)據(jù)采集的精確與數(shù)據(jù)的質(zhì)量。2、圖像數(shù)據(jù)壓縮部分由于采集到的數(shù)據(jù)是YUL格式。非常占用空間，所以必須進(jìn)行壓縮處理。本系統(tǒng)中選用JPEG有損壓縮算法，該方法雖然是有損壓縮，但是壓縮后的圖像質(zhì)量與壓縮前差別并不大，并且可以大大減少文件的大小，非常適合本系統(tǒng)的要求。3、用戶界面部分系統(tǒng)最終的目的是要能夠得心應(yīng)手的對(duì)采集和處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看與管理供用戶使用。用戶界面部分的任務(wù)是將現(xiàn)有的電子地圖與采集處理后的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來，使的用戶可以非常方便和直觀的使用電

3、子地圖和用戶播放界面來查看采集處理過的數(shù)據(jù)。二、系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)中攝像機(jī)通過同軸電纜與PC相連接，GPS接收器通過串口與PC相連，圖像采集卡插在PC機(jī)的PCI插槽上進(jìn)行連接。實(shí)際采集數(shù)據(jù)時(shí)，由攝像機(jī)拍到的畫面?zhèn)魉椭翀D像采集卡，此時(shí)使用軟件控制圖像采集卡采集數(shù)據(jù)到內(nèi)存。并同步附加GPS坐標(biāo)等重要信息。完成采集后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理和里程與GPS坐標(biāo)信息對(duì)應(yīng)與校正工作。此工作主要使采集到的數(shù)據(jù)與電子地圖的現(xiàn)有GPS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，否則使用電子地圖時(shí)無法獲得某地段的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)圖像及其它信息。完成校正后可以用戶界面軟件，直接使用電子地圖上的坐標(biāo)來查看對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。三、采集系統(tǒng)1、系統(tǒng)的功能采集系統(tǒng)的任務(wù)就

4、是通過編寫軟件控制攝像機(jī)、圖像采集卡等設(shè)備完成圖像的采集與簡單處理，并將數(shù)據(jù)有序的存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里。并且應(yīng)保證數(shù)據(jù)采集的精確與數(shù)據(jù)的質(zhì)量。2、采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)因?yàn)橐髷?shù)據(jù)有GPS地理位置參照，如何將GPS坐標(biāo)與采集到的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)是采集系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，即視頻流數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的無縫連接。采集圖像是以每秒鐘25幀的速度進(jìn)行采集的。而我們所使用的GR-212GPS接收器每秒發(fā)送一次GPS數(shù)據(jù)。因此，這25幀中只有一個(gè)關(guān)鍵幀與GPS坐標(biāo)對(duì)應(yīng)。換而言之，如何精確的將GPS數(shù)據(jù)與關(guān)鍵幀實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)是采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。四、 采集系統(tǒng)硬件1、采集系統(tǒng)硬件選擇1）GPS接收器GPS接收器選用內(nèi)置衛(wèi)星接受天線，具備全方位功

5、能。使用的基本需求為面對(duì)天空并有穩(wěn)定電源供應(yīng)。藉由RS-232或TTL兼容接口，可與其它電子設(shè)備溝通，內(nèi)部有充電電池，可存儲(chǔ)衛(wèi)星資料如衛(wèi)星訊號(hào)狀態(tài)、上次使用的最后位置、日期及時(shí)間。2） CCD攝像機(jī)現(xiàn)在交通圖像信息采集系統(tǒng)中用到的攝像機(jī)一般都是CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）攝像機(jī)。攝像機(jī)通過鏡頭把所監(jiān)視場(chǎng)所的畫面成像在CCD片子（靶面）上。通過CCD本身的電子掃描（即CCD電荷轉(zhuǎn)移），把成像的光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過放大、整形等一系列信號(hào)處理，最后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電視信號(hào)輸出。CCD攝像機(jī)特點(diǎn)是體積小、靈敏度高、壽命長。理論上CCD器件本身壽命相當(dāng)長而不會(huì)老化。這是

6、它比以前攝像管式攝像機(jī)具有的最大優(yōu)點(diǎn)。3）圖像采集卡圖像采集卡應(yīng)具有使用靈活集成度高功耗低等特點(diǎn)，采用PCI 總線所采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸基本不占用CPU 時(shí)間并可將圖像直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或顯存。2、系統(tǒng)的硬件工作流程 首先，將各硬件連接至PC，啟動(dòng)程序，初始化各硬件設(shè)備。待初始化完成后開始采集，車載CCD高分辨率攝像機(jī)拍攝到的圖像數(shù)據(jù)傳送至圖像采集卡，然后采集系統(tǒng)利用圖像采集卡將圖像以每秒25幀的速度將圖片有序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)從串口收到GPS接收器傳來的GPS信息和里程信息時(shí)，將GPS坐標(biāo)和里程信息加入當(dāng)前幀數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。五、 采集系統(tǒng)軟件1、實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)軟件1）程序運(yùn)行環(huán)境與程序主要模塊介

7、紹采集存儲(chǔ)軟件采用MSC模板，VC+6.0中的MFC類庫和以前版本中相比沒有太大的改進(jìn)，但VC+集成開發(fā)環(huán)境中做了一些改進(jìn)，增加了一些新特性，使其更易于使用。各個(gè)模塊的主要功能為:(1)系統(tǒng)主循環(huán)模塊主要完成各硬件設(shè)備的初始化以及連接各功能模塊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。(2)數(shù)據(jù)傳輸模塊主要完成數(shù)據(jù)從外部輸入緩沖單元輸出緩沖單元至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有序存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸。 (3)中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)接收視頻同步的中斷信號(hào)，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸模塊和圖像處理模塊的運(yùn)行。2、軟件流程介紹1）打開圖像采集卡主要是開始指定圖像卡操作，初始化圖像卡，獲得其設(shè)備句柄，分配相應(yīng)的資源。2）初始化各重要參數(shù)進(jìn)行圖像采集卡參數(shù)初始

8、化設(shè)置。包括設(shè)置圖像卡視頻信號(hào)制式、設(shè)置圖像卡輸出的圖像數(shù)據(jù)格式、設(shè)置視頻信號(hào)的掃描方式（幀/場(chǎng)掃描）、設(shè)置視頻采集輸入（Input）窗口和設(shè)置圖像顯示輸出（Output）窗口等。3）將圖像采集到內(nèi)存圖像卡將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的內(nèi)存中，用戶可以對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以利用位圖函數(shù)將圖像顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。采集圖像到內(nèi)存時(shí)，不占用主機(jī)CPU 的時(shí)間。圖像卡使用計(jì)算機(jī)內(nèi)存采集圖像數(shù)據(jù)，這段內(nèi)存是物理連續(xù)的，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)分配、預(yù)留出來，供圖像卡使用，用戶訪問，并且內(nèi)存在系統(tǒng)運(yùn)行過程中一直存在，直到系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)才被釋放。4）將采集到的數(shù)據(jù)連接GPS坐標(biāo)和里程時(shí)間等信息并將其有序的存

9、儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫里。這一步非常重要，路產(chǎn)管理系統(tǒng)中，這些信息都是非常重要的。5）關(guān)閉圖像采集卡采集結(jié)束后應(yīng)關(guān)閉圖像卡，釋放圖像卡內(nèi)部資源并回收?qǐng)D像緩沖區(qū)。六、國內(nèi)外研究狀況公路地理信息系統(tǒng)是為研究和解決公路管理中的問題而開發(fā)的地理信息系統(tǒng),是GIS 技術(shù)在公路領(lǐng)域中的延伸,其主要根據(jù)公路網(wǎng)規(guī)劃和養(yǎng)路管理的需要，以計(jì)算機(jī)、GPS和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，按照一定的空間方式合理組織公路信息流，從而能以地圖形式向用戶提供定性和定量的各種信息。美國等發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)六、七十年代,由開始系統(tǒng)地利用計(jì)算機(jī)技術(shù),建立公路信息系統(tǒng)。在發(fā)展初期,使用的是文件系統(tǒng),以后運(yùn)用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)

10、,并與CAD 相結(jié)合,開發(fā)了一些簡單的圖形功能。隨著GIS 技術(shù)的發(fā)展成熟,公路數(shù)據(jù)庫不失時(shí)機(jī)地引入了GIS ,將公路數(shù)據(jù)庫的開發(fā)推向了一個(gè)新的階段。GIS 在圖形方面不亞于CAD ,某些功能CAD 還不具備。同時(shí),GIS 在屬性數(shù)據(jù)管理方面比CAD 強(qiáng)大得多。從目前使用情況來看, GIS已成為公路數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不可缺少的核心成分, GIS 與公路數(shù)據(jù)的結(jié)合是公路地理信息系統(tǒng)當(dāng)前公路數(shù)據(jù)庫開發(fā)的潮流,不僅促進(jìn)了公路數(shù)據(jù)庫的發(fā)展,也促進(jìn)了GIS的發(fā)展。目前，加拿大、美國、日本、瑞士等國家都把在公路的養(yǎng)護(hù)管理方面大力引進(jìn)GIS技術(shù)并獲得了可喜的成效。將GIS技術(shù)應(yīng)用于我國的公路建設(shè)和管理中，是高效建設(shè)

11、我國公路國道主干線的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工程，是推進(jìn)公路建設(shè)和管理現(xiàn)代化的重要手段之一。目前成功開發(fā)的公路地理信息系統(tǒng)有北京市公路管理信息系統(tǒng)、四川省公路地理信息系統(tǒng)、陜西省公路地理信息系統(tǒng)、國道主干線管理信息系統(tǒng)、廣深高速公路養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)和河南公路地理信息系統(tǒng)等。七、結(jié)束語本文對(duì)于基于視頻影像的道路信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了基于GIS與視頻影像的道路信息管理系統(tǒng)的組成、功能及發(fā)展趨勢(shì)，明確了人機(jī)分工，具備了輔助公路管理者分析和決策的功能。本文中設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，建立了合理的軟件結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了實(shí)用性的基于視頻影像的道路信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端，完成了高畫質(zhì)圖像信息的采集工作，使得該系統(tǒng)解決了原有路面管理系統(tǒng)（PMS）的公路信息不直觀、不形象的缺點(diǎn)。并且利用GPS接收器和汽車?yán)锍瘫硗ㄟ^串口與PC連接并編程予以控制，解決了在視頻數(shù)據(jù)采集的同時(shí)自