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1、5 2 测绘通报 2 0 0 7年第2期 文章编号：0 4 9 4 0 9 1 1(2 0 0 7)O 2 0 0 5 1 0 3 中图分类号：P 2 2 8 4 文献标识码：B G P S车载移动视频监控系统的设计 丰江帆，张宏，沙月进(南京师范大学 地理信 息科学江苏省重点实验室，江苏 南京 2 1 0 0 9 7)De s i g n o f Mo b i l e Vi d e o Mo n i t o r S y s t e m o n Ve h i c l e s Ba s e d o n GP S F E N G J i a n g-f a n，Z HA N G Ho n g，S
2、HA Y u e-j i n 摘要：首先对目 前移动视频监控中所存在的问题进行深入分析，指出基于空间定位信息的移动视频监控是今后的发展方向。在此 基础上，构造一个基于 G P S 与 G I S 的车载移动视频监控系统。详细论述该系统的结构、工作原理以及主要功能，并对使用的关键 技术进行总结和分析。最后探讨系统目前存在的问题，并对发展前景作展望。关键词：G P S；G I S；智能交通；移动视频监控系统；视频通信；流媒体技术 一、引 言 移动视频监控是近年来数字视频监控领域的重 要研究课题。只要视频源或接收端设备具有移动能 力，就可称之为移动监控。它由前端影像取样装 置、影像传输接收装置、后端
3、影像资料库及处理系统 等三部分组成，广泛应用于安全管理 以及现场指挥 等领域。但是，目前一般的移动视频监控系统仅将 视频影像放在无线通信平台上传输，所以无法获取 移动终端的精确定位。而对于交通优化控制、管理 调度、快速反应和救援等方面的应用来说，必须依靠 移动目 标的位置以及相应的地理空间信息才能作出 正确决策。有鉴于此，本文以全球卫星定位系统、地理信息 系统和计算机网络为背景，结合现有移动通信平台，设计并实现了车载动态 G P S 视频监控系统。该系 统可应用于公路长途客运、安全运输管理 以及消防 部门火灾现场图像传输以及环境应急监测等方面。移动终端对现场图像进行实时捕获和数字化采集，采用
4、MP E G 4 标准对视频图像进行编码压缩，同时 将 G P S 信息以脚本的形式与视频实时融合。通过 G P R S C D MA移动通信平台传输到监控中心或目 的用户，使最终用户在获取移动视频的同时也能得 到移动终端在电子地 图上的实时位置显示，并可 以 利用 G I S的空间分析能力提供辅助决策功能。该 系统扩大了移动视频监控技术 的应用领域，具有广 阔的适用范围与发展前景。二、系统结构 1 系统架构 系统由视频车载移动终端、通信链路、中心服务 器及监控终端几个主要部分组成。系统总体结构如 图 1 所示。图 1 系统总体架构 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 0 6 基金项 目：国家
5、 8 6 3计划资助项 目(2 o o 3 AA 1 3 1 O 6 O)作者简介：丰江帆(1 9 8 0 一)，男，河南信阳人，博士生，主要从事地理信息系统理论与应用、We b G I S 开发。维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 2期 测绘通报 5 3 2 工作原理 车辆在运行过程中，车载终端通过蓝牙 G P S 接 收机获取定位卫星的定位数据，与摄像头采集的视 频实时融合，由无线视频传输器通过无线网络和 I n t e r n e t 与中心服务器进行连接。中心服务器在接 收到实时 G P S 视频后，一方面分时段进行存储，存 储后的视频作为历史资料由 We b 服务器、视频点播
6、 服务器来提供视频点播服务；另一方面，将 G P S 视 频以广播方式向监控终端推送。监控终端实时接收 中心服务器发来的数据，移动目标的信息经处理与 监控终端上的电子地 图匹配，并在地 图上显示移动 目标的正确位置，从 而使监控终端在观看移动视频 的同时，也能清楚和直 观地掌握移动 目标 的精确位 置。另外，还可以对移动 目 标的轨迹进行查询以及 空间分析操作，便于作出正确决策。3 系统主要功能(1)视频与 GP S实时融合与编码 为了使视频 源具有多 样性，采用 Mi c r o s o f t的 WME(Wi n d o ws Me d i a E n c o d e r)S D K进行移
7、动终 端的应用程序开发。WM E S D K提供 了丰 富的 A P I，可以使应用程序实现视频捕获、编辑及播放等 功能，并且支持面向 P D A开发。视频编码过程中我 们使用脚本命令来存储实时 G P S 信息。脚本命令(S c r i p t C o mma n d)包括索引、脚本类 型、脚本内容。形式如下：(i I n d e x，b s t r T y p e，b s t r D a t a)在 S D K的基础上进行二次开发，应用程序以嵌 入方式运行在 P D A之上，具有较强的可移植性。摄 像头采用新型的 F l y C AM S D，可以通过 S D扩展槽 与 P D A 建立
8、连接。应 用 程 序 将 视 频 信 息 进 行 MP E G-4编码，同时每接 收到一条 G P S信息，就在 编码中添加一条脚本命令。索引为 0，脚本类型为 Te x t。(2)无线视频 传输 无线视频传输器在一个体积小巧的机壳内集成 了视频采集、通讯协议控制、无线 Mo d e m模块、电源 等功能部件，所有运行软件都 已在板固化。通过透 明串口数据传输功能与 P D A连接，获取实时 G P S 视频数据。并通过 C D MA或 G P RS 无线方式接人 I n t e r n e t 网络，利用 I n t e r n e t 网络将现场的视频 图像 传输给远端的中心服务器(图2)
9、。(3)局域网流媒体服务 中心服务器在系统中起到信息中枢的作用，车 载终端与监控终端都通过中心服务器相互联系L 2 _2。实时G P S 视频D C g 图 2 无线视频传输器结构 中心服务器完成两方面的工作，其一为局域网 视频广播，本 系统使用 Wi n d o w s Me d i a S e r v e r 流媒 体技术实现这一功能。流媒体技术是 目前网络视频 播放领域 中采用较多 的新技术，将多媒体 的内容边 下载边播放，无论多媒体内容的容量大小，用户只需 等待很短的一段预下载时间即可开始观看，属于即 时播放的方式。在这样 的环境下，允许有多个监控 终端来实时接收 G P S 视频信息
10、，并可各自对接收到 的信息进行加工处理，便于进行分布式决策。另一 方面，中心服务器将 G P S视频分时段存储，并 自动 通过 We b 服务器与视频点播服务器发布，实现局域 网内部的视频点播服务。(4)信息处理与可视化表达 监控终端应用程序在接 收到视频流以后，将视 频在界面上显示，并解析同步的 G P S 信息。系统具有 以下功能模块：1 移动视频模块。显示所监控移动 目标所拍 摄 的实时视频。2 信息显示模块。移动 目标运动时，在状态栏 不断给出所处位置的相关信息，如速度、方向、时间 及连接状态等。3 卫星状态指示模块。用于指示对应提供 当 前 G P S信息的卫星位置以及信号强弱指示。
11、4 电子地图服务模块。显示 车辆在 电子地图 上的实时位置。以及地图缩放、漫游、图层控制、查 询、路径分析、鹰眼、测距窗监控等基本地图操作。5 车辆实时监控跟踪模块。定点定车行程跟 踪、点名、请求报位、车辆显示状态控制、跟踪频率设 置、道路模糊匹配等。6 历史行程跟踪模块。包括行程轨迹回放、定 点行程查询等。7 空间分析模块。包括最短路径分析 与缓 冲 区分析，为决策提供支持。维普资讯 http:/ 测绘通报 2 0 0 7 年第 2期 图 3为监控终端应用系统的一个运行界面。图 3 监控终端应用系统运行界面 三、关键技术 1 多线程技术 尽管 P D A具有体积小、携带方便、开机速度快、功耗
12、低以及操作简单等特点。但是就 目前来说，数 据处理能力和普通 P C还是有一定差距。由于在视 频编码过程中对计算资源的需求较大，而在传统采 用定时器来控制通信的方式中，需要花费大量时间 来测试 I O操作 以获取即时 G P S信息，对 C P U的 占用率高，不利于嵌入式环境下数据的实时处理，甚 至可能会导致数据丢失。另一方面，P D A操作系统 Wi n d o w s C E是基于线程 的抢先式多任务操作，多 线程给人的感觉就是计算机同时进行多项工作。在 Wi n d o w s 中，进程指的是一个应用程序的执行实例，每个进程拥有自己独占的虚拟地址空间、程序代码、数据和其他系统资源。线程
13、作为多任务操作系统的 产物，是进程中的一个执行路径，应用系统不停地在 多个线程之间切换，由于时间很短，犹如多个线程在 同时运行_ 3 l3。所以，本系统采用多线程 的方式进行 GP S 与视频 的实时编码。在 I O接 口测试 G P S信 息的同时，保持对摄像头视频的响应，提高 C P U的 利用效率，使编码过程具有可靠的效率和稳定性。2 差错控制 在车载终端与 中心服务器的通信过程 中，由于 移动信道具有易错、时变和带宽限制的特点，以及因 多径反射和衰落引入大量的随机误码和突发误码。同时，由于带宽的限制视频信息在传输前必须进行 高效的压缩编码，而 MP E G 4标准所采用 的时间和 空间
14、预测，使得编码的视频流对信道差错更加脆弱。为了减轻信道差错对解码质量的影响，必须结合实 际应用信道的传输特性，采用有效的差错处理机制。本系统采用基于解码器的差错隐藏技术来进行差错 控制。该隐藏技术完全是基于解码器 的，没有改变 采用的传输技术，而且对视频流也没有引入任何冗 余，因此称为零冗余差错隐藏技术。主要利用人眼 的差错遮蔽特性以及视频信号空间和时间上的相关 性，通过从先前接收到 的无差错视频信息中提取有 用信息，近似地恢复丢失或出错数据，提高解码后的 图像质量_ 4 J。3 组件式 G I s 监控终端 的应用系统需 要丰富的界面集成能 力，基于传统 G I S 平台的二次开发将难以胜任
15、，组 件式 G I S可以妥善解决这一问题。它基于组件对 象平台，具有标准接口，允许跨语言应用。在此基础 上开发的应用系统可被视为相互协 同工作对象的集 合，因此具备强大的自定义功能。在本系统使用 E S R I 公司的 A r c G I S E n g i n e 作为 G I S 开发工具，A r c G I S E n g i n e 是一组完备并且打包 的嵌入式 G I S 组件库和工具库，可用来创建新 的或扩展 已有的桌 面应用程序，能够很方便地将 G I S功能嵌入到已有 的应用系统 中，也利于定制实用的用户界面。此外，还能将应用程序与地图服务运行 时单独打包，极大 地方便了应用
16、系统的部署。四、存在的问题 G P S 应用于移动 目标定位虽具有非常好 的前 景，但是 G P S也有缺陷需改进，一些具体技术问题 仍需解决，例如城市的电磁干扰、信号反射、楼房遮 挡、树木对信号的减弱等。卫星信号被遮挡而导致 跟踪定位失准是 G P S 的致命弱点，尤其在城市高楼 区。然而要发挥出该系统 的实用价值，移动 目标需 要精确、连续的定位。目 前，解决车辆在卫星信号被 遮挡的“信号盲区”无法定位的问题主要采用相对推 断定位装置来完成，比如罗盘、速度表及里程表等，这些装置能够 以所行距离 的 1 2 的精确度确 定水平坐标。惯性系统能用来更准确地确定相对平 面坐标。但 目前其价格太昂
17、贵，因而难 以普及l L 5 l5。多次测量结果表明，该系统可以在 C DMA无线 网络(5 06 0 k b p s)和 1 0 0 Mb p s的宽带 网络之间 较好地实时传输 1 8帧 s 的 MP E G 4视频 图像，图 像质量达到 3 5级标准 以上。但是，这样 的视频 画 面仍然不够连续。另外，在无线 网络使用 的高峰时 段，时常会发生阻塞，尽管有相应的差错控制，但仍 然不能根本解决问题。五、结束语 随着 3 G移动网络的成熟以及下一代基于 I P v 6 协议的通信网络的建立，移动信息的传输速度和效(下转第 5 7页)维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 2期 测绘通报
18、5 7 由式(4)可知，若忽略精确距离 D的误差，误差 主要来源在于垂直角和斜距测量误差。此外，仪器 的对中 误差也是误差来源之一，采用精密整平对中 技术可使对 中误差优于 0 0 5 mm。对式(4)求导可得 dc=d 一d s 根据误差传播定律，c的中误差可表示为 m ：O(2。(。s i n y,)2、d ,，2 )2(5)mc L c o s 厂、，儿 A ，一 t l。1t 厂 I 。lI 舂c l ，。j 。9 Q I J 、y U、I 川，-图3 比对法 C值变化 由于精 密全站仪垂直 角误 差很小，D值 及 一般也不大，所以 m 主要由d s 决定。和两点法相 三、结束语 比，
19、本 方 法 的c 值 仅 受 一 次 距 离 误 差 影 响，所 以 精 测 距 仪 加 常 数、乘 常 数 问 题 是 精 密 光 电 测 距 必 度较尚。须面临的一个 问题，关于如何精确求解的文献很多 平 IJ用 光 跟 踪 仪 获 得 的 4 0 个 比 较 精 密 的 已 知 但 是 至 今 还 没 有 完 全 令 人 满 意 的 法。距 离 寰 做 实 验，这 些：架 设 仪 跫 的 间。距 从7 在 大 多 数 精 密 工 程 测 量 任 务 中，测 量 距 离 比 较 2 5 m之 间 范 围 i t-I t。站 仪 短，乘常数的影响可以忽略，因此仅讨论了加常数的 T D M 5
20、 0 0 5 设 置 于 其 中 一 亭，测 量 其 余 点，共 得 到3 9 测 定 方 法。所 介 绍 的 两 种 全 站 仪 加 常 数 测 定 方 法 均 组观测值。利用式(4)计算 c值，求得加常数平均 可获得 02 m m左右的测定精度，操作也比较简 值 4 9 m，均方 差为 0 l 5 mm。图 3 各 单。在可获得精密距离的前提下，比对法的精度要 c 值 皇 平 均 值 亭 差 的 分 布，从 图 3 中 可 看 出 偏 差 略 高 于 两 点 法，值 得 在 精 密 工 程 i贝 量 中 推 广。的特性。可见，比对法测H量i精度较高，和前面两点法 参考文献：实验中去掉几个离
21、群点之后的平均值吻合。1 杨德麟红外测距仪原理及检测 M 北京：测绘出版 为了统计分析，本次实验采用了较多 的点。对 社，1 9 9 5 于通常的加常数测定过程，可选择一组或几组点进 2 3 陈益茂，虞润身光电测距中仪器加常数和乘常数校准 行比对，即可获得高精度的测距加常数，因此，应用 比 对 J 同济大学学报，2 0 0 3，(1)：8 2 8 4 前景十分可观。3 L e i c a A x y z U s e r M a n u a l C D S w i t z e r l a n d：L e i c a (上接 第 5 4页)应用 J 安防科技，2 0 0 5，(5)：6 0 6 2
22、 率都会有很大的提升空间，在这样的无线网络环境 2 翟战强，蔡少华 基于G P R S G P S G I S 的车辆导航与 下，会很大程度上提升该系统的性能。下一步努力 监控系统 J _ 测绘通报，2 0 0 4，(2)：3 4-3 6 的 方 向 是 将 移 动 终 端 向 微 小 型 化 发 展。微 小 型 化 是 3 陈 小 辉，刘 心 松，享 粤 树，等 分 布 式 并 行 数 据 库 中 基 于 量 譬 草 提 ，篓 篇 60 4-6型 之08 研 究 口 小 型 微 型 计 算 机 系 所 耗 功 率 与 所 占 空 间 最 小。对 于 本 系 统 而 言，就 是 4 ；B，K
23、0 s s E N T I N I F H，2 6 3+：v id e o 将 目 前分离的 P D A、蓝牙 G P S、无线视频传输器集 C o n g t L o w B it R a t J 1I E EE Tr a n s a c t i o n s。C i r-成在一个体积不大的硬件设备上。这样能使移动终 it d s y t。m f0 r V id e o T e c h 。k g y，1 9 9 8，8(7)：端脱离车载的限制，把 G P S 移动视频监控系统推向8 4 9 8 6 6 更广泛的应用领域。5 乔 建刚，荣 建，任福田，等 G P S 和G I S 在智能交通 参考文献：科技大学学报 市科学版 5 4 3 2O2 3 4 O O O O O 一 一 一 一 维普资讯 http:/