基于gps與gis的車載移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于gps與gis的車載移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

一、車載gps視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)視頻監(jiān)控是近年來數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。只要視頻源或接收端設(shè)備具有移動(dòng)能力,就可稱之為移動(dòng)監(jiān)控。它由前端影像取樣裝置、影像傳輸接收裝置、后端影像資料庫及處理系統(tǒng)等三部分組成,廣泛應(yīng)用于安全管理以及現(xiàn)場(chǎng)指揮等領(lǐng)域。但是,目前一般的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅將視頻影像放在無線通信平臺(tái)上傳輸,所以無法獲取移動(dòng)終端的精確定位。而對(duì)于交通優(yōu)化控制、管理調(diào)度、快速反應(yīng)和救援等方面的應(yīng)用來說,必須依靠移動(dòng)目標(biāo)的位置以及相應(yīng)的地理空間信息才能作出正確決策。有鑒于此,本文以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為背景,結(jié)合現(xiàn)有移動(dòng)通信平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車載動(dòng)態(tài)GPS視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于公路長途客運(yùn)、安全運(yùn)輸管理以及消防部門火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸以及環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)等方面。移動(dòng)終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲和數(shù)字化采集,采用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻圖像進(jìn)行編碼壓縮,同時(shí)將GPS信息以腳本的形式與視頻實(shí)時(shí)融合。通過GPRS/CDMA移動(dòng)通信平臺(tái)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心或目的用戶,使最終用戶在獲取移動(dòng)視頻的同時(shí)也能得到移動(dòng)終端在電子地圖上的實(shí)時(shí)位置顯示,并可以利用GIS的空間分析能力提供輔助決策功能。該系統(tǒng)擴(kuò)大了移動(dòng)視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,具有廣闊的適用范圍與發(fā)展前景。二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)由視頻車載移動(dòng)終端、通信鏈路、中心服務(wù)器及監(jiān)控終端幾個(gè)主要部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.中心服務(wù)器的視頻存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)終端的添加車輛在運(yùn)行過程中,車載終端通過藍(lán)牙GPS接收機(jī)獲取定位衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù),與攝像頭采集的視頻實(shí)時(shí)融合,由無線視頻傳輸器通過無線網(wǎng)絡(luò)和Internet與中心服務(wù)器進(jìn)行連接。中心服務(wù)器在接收到實(shí)時(shí)GPS視頻后,一方面分時(shí)段進(jìn)行存儲(chǔ),存儲(chǔ)后的視頻作為歷史資料由Web服務(wù)器、視頻點(diǎn)播服務(wù)器來提供視頻點(diǎn)播服務(wù);另一方面,將GPS視頻以廣播方式向監(jiān)控終端推送。監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收中心服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù),移動(dòng)目標(biāo)的信息經(jīng)處理與監(jiān)控終端上的電子地圖匹配,并在地圖上顯示移動(dòng)目標(biāo)的正確位置,從而使監(jiān)控終端在觀看移動(dòng)視頻的同時(shí),也能清楚和直觀地掌握移動(dòng)目標(biāo)的精確位置。另外,還可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行查詢以及空間分析操作,便于作出正確決策。3.該系統(tǒng)的主要功能(1)視頻編碼及gps信息存儲(chǔ)為了使視頻源具有多樣性,采用Microsoft的WME(WindowsMediaEncoder)SDK進(jìn)行移動(dòng)終端的應(yīng)用程序開發(fā)。WMESDK提供了豐富的API,可以使應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)視頻捕獲、編輯及播放等功能,并且支持面向PDA開發(fā)。視頻編碼過程中我們使用腳本命令來存儲(chǔ)實(shí)時(shí)GPS信息。腳本命令(ScriptCommand)包括索引、腳本類型、腳本內(nèi)容。形式如下:(iIndex,bstrType,bstrData)在SDK的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),應(yīng)用程序以嵌入方式運(yùn)行在PDA之上,具有較強(qiáng)的可移植性。攝像頭采用新型的FlyCAM-SD,可以通過SD擴(kuò)展槽與PDA建立連接。應(yīng)用程序?qū)⒁曨l信息進(jìn)行MPEG-4編碼,同時(shí)每接收到一條GPS信息,就在編碼中添加一條腳本命令。索引為0,腳本類型為Text。(2)實(shí)時(shí)gps視頻數(shù)據(jù)傳輸無線視頻傳輸器在一個(gè)體積小巧的機(jī)殼內(nèi)集成了視頻采集、通訊協(xié)議控制、無線Modem模塊、電源等功能部件,所有運(yùn)行軟件都已在板固化。通過透明串口數(shù)據(jù)傳輸功能與PDA連接,獲取實(shí)時(shí)GPS視頻數(shù)據(jù)。并通過CDMA或GPRS無線方式接入Internet網(wǎng)絡(luò),利用Internet網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像傳輸給遠(yuǎn)端的中心服務(wù)器(圖2)。(3)流媒體技術(shù)系統(tǒng)中心服務(wù)器在系統(tǒng)中起到信息中樞的作用,車載終端與監(jiān)控終端都通過中心服務(wù)器相互聯(lián)系。中心服務(wù)器完成兩方面的工作,其一為局域網(wǎng)視頻廣播,本系統(tǒng)使用WindowsMediaServer流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一功能。流媒體技術(shù)是目前網(wǎng)絡(luò)視頻播放領(lǐng)域中采用較多的新技術(shù),將多媒體的內(nèi)容邊下載邊播放,無論多媒體內(nèi)容的容量大小,用戶只需等待很短的一段預(yù)下載時(shí)間即可開始觀看,屬于即時(shí)播放的方式。在這樣的環(huán)境下,允許有多個(gè)監(jiān)控終端來實(shí)時(shí)接收GPS視頻信息,并可各自對(duì)接收到的信息進(jìn)行加工處理,便于進(jìn)行分布式?jīng)Q策。另一方面,中心服務(wù)器將GPS視頻分時(shí)段存儲(chǔ),并自動(dòng)通過Web服務(wù)器與視頻點(diǎn)播服務(wù)器發(fā)布,實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)部的視頻點(diǎn)播服務(wù)。(4)信息處理和可視化監(jiān)控終端應(yīng)用程序在接收到視頻流以后,將視頻在界面上顯示,并解析同步的GPS信息。系統(tǒng)具有以下功能模塊:1.移動(dòng)視頻模塊顯示所監(jiān)控移動(dòng)目標(biāo)所拍攝的實(shí)時(shí)視頻。2.信息顯示模塊移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí),在狀態(tài)欄不斷給出所處位置的相關(guān)信息,如速度、方向、時(shí)間及連接狀態(tài)等。3.衛(wèi)星狀態(tài)指標(biāo)模塊用于指示對(duì)應(yīng)提供當(dāng)前GPS信息的衛(wèi)星位置以及信號(hào)強(qiáng)弱指示。4.電子地圖服務(wù)模塊顯示車輛在電子地圖上的實(shí)時(shí)位置。以及地圖縮放、漫游、圖層控制、查詢、路徑分析、鷹眼、測(cè)距窗監(jiān)控等基本地圖操作。5.車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊定點(diǎn)定車行程跟蹤、點(diǎn)名、請(qǐng)求報(bào)位、車輛顯示狀態(tài)控制、跟蹤頻率設(shè)置、道路模糊匹配等。6.跟蹤課程包括行程軌跡回放、定點(diǎn)行程查詢等。7.空間分析模塊包括最短路徑分析與緩沖區(qū)分析,為決策提供支持。圖3為監(jiān)控終端應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)運(yùn)行界面。三、關(guān)鍵技術(shù)1.gps與視頻編碼盡管PDA具有體積小、攜帶方便、開機(jī)速度快、功耗低以及操作簡單等特點(diǎn)。但是就目前來說,數(shù)據(jù)處理能力和普通PC還是有一定差距。由于在視頻編碼過程中對(duì)計(jì)算資源的需求較大,而在傳統(tǒng)采用定時(shí)器來控制通信的方式中,需要花費(fèi)大量時(shí)間來測(cè)試I/O操作以獲取即時(shí)GPS信息,對(duì)CPU的占用率高,不利于嵌入式環(huán)境下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,甚至可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。另一方面,PDA操作系統(tǒng)WindowsCE是基于線程的搶先式多任務(wù)操作,多線程給人的感覺就是計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)工作。在Windows中,進(jìn)程指的是一個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行實(shí)例,每個(gè)進(jìn)程擁有自己獨(dú)占的虛擬地址空間、程序代碼、數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)資源。線程作為多任務(wù)操作系統(tǒng)的產(chǎn)物,是進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行路徑,應(yīng)用系統(tǒng)不停地在多個(gè)線程之間切換,由于時(shí)間很短,猶如多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行。所以,本系統(tǒng)采用多線程的方式進(jìn)行GPS與視頻的實(shí)時(shí)編碼。在I/O接口測(cè)試GPS信息的同時(shí),保持對(duì)攝像頭視頻的響應(yīng),提高CPU的利用效率,使編碼過程具有可靠的效率和穩(wěn)定性。2.零冗余差錯(cuò)隱藏技術(shù)在車載終端與中心服務(wù)器的通信過程中,由于移動(dòng)信道具有易錯(cuò)、時(shí)變和帶寬限制的特點(diǎn),以及因多徑反射和衰落引入大量的隨機(jī)誤碼和突發(fā)誤碼。同時(shí),由于帶寬的限制視頻信息在傳輸前必須進(jìn)行高效的壓縮編碼,而MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)所采用的時(shí)間和空間預(yù)測(cè),使得編碼的視頻流對(duì)信道差錯(cuò)更加脆弱。為了減輕信道差錯(cuò)對(duì)解碼質(zhì)量的影響,必須結(jié)合實(shí)際應(yīng)用信道的傳輸特性,采用有效的差錯(cuò)處理機(jī)制。本系統(tǒng)采用基于解碼器的差錯(cuò)隱藏技術(shù)來進(jìn)行差錯(cuò)控制。該隱藏技術(shù)完全是基于解碼器的,沒有改變采用的傳輸技術(shù),而且對(duì)視頻流也沒有引入任何冗余,因此稱為零冗余差錯(cuò)隱藏技術(shù)。主要利用人眼的差錯(cuò)遮蔽特性以及視頻信號(hào)空間和時(shí)間上的相關(guān)性,通過從先前接收到的無差錯(cuò)視頻信息中提取有用信息,近似地恢復(fù)丟失或出錯(cuò)數(shù)據(jù),提高解碼后的圖像質(zhì)量。3.實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)的配置監(jiān)控終端的應(yīng)用系統(tǒng)需要豐富的界面集成能力,基于傳統(tǒng)GIS平臺(tái)的二次開發(fā)將難以勝任,組件式GIS可以妥善解決這一問題。它基于組件對(duì)象平臺(tái),具有標(biāo)準(zhǔn)接口,允許跨語言應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)可被視為相互協(xié)同工作對(duì)象的集合,因此具備強(qiáng)大的自定義功能。在本系統(tǒng)使用ESRI公司的ArcGISEngine作為GIS開發(fā)工具,ArcGISEngine是一組完備并且打包的嵌入式GIS組件庫和工具庫,可用來創(chuàng)建新的或擴(kuò)展已有的桌面應(yīng)用程序,能夠很方便地將GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用系統(tǒng)中,也利于定制實(shí)用的用戶界面。此外,還能將應(yīng)用程序與地圖服務(wù)運(yùn)行時(shí)單獨(dú)打包,極大地方便了應(yīng)用系統(tǒng)的部署。四、移動(dòng)目標(biāo)定位GPS應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)定位雖具有非常好的前景,但是GPS也有缺陷需改進(jìn),一些具體技術(shù)問題仍需解決,例如城市的電磁干擾、信號(hào)反射、樓房遮擋、樹木對(duì)信號(hào)的減弱等。衛(wèi)星信號(hào)被遮擋而導(dǎo)致跟蹤定位失準(zhǔn)是GPS的致命弱點(diǎn),尤其在城市高樓區(qū)。然而要發(fā)揮出該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值,移動(dòng)目標(biāo)需要精確、連續(xù)的定位。目前,解決車輛在衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的“信號(hào)盲區(qū)”無法定位的問題主要采用相對(duì)推斷定位裝置來完成,比如羅盤、速度表及里程表等,這些裝置能夠以所行距離的1%~2%的精確度確定水平坐標(biāo)。慣性系統(tǒng)能用來更準(zhǔn)確地確定相對(duì)平面坐標(biāo)。但目前其價(jià)格太昂貴,因而難以普及。多次測(cè)量結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以在CDMA無線網(wǎng)絡(luò)(50~60kbps)和10.0Mbps的寬帶網(wǎng)絡(luò)之間較好地實(shí)時(shí)傳輸18幀/s的MPEG-4視頻圖像,圖像質(zhì)量達(dá)到3.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上。但是,這樣的視頻畫面仍然不夠連續(xù)。另外,在無線網(wǎng)絡(luò)使用的高峰時(shí)段,時(shí)常會(huì)發(fā)生阻塞,盡管有相應(yīng)的差錯(cuò)控制,但仍然不能根本解決問題。五、移動(dòng)終端的應(yīng)用和發(fā)展方向隨著3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的成熟以及下一代基于IPv6協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)的建立,