摘? 要: 介紹了專門用于智能交通系統(tǒng)(ITS)中的視頻疊加設備(VDM)的原理和特點,并通過一個收費軟件的實例討論了如何利用VDM設備最大程度地實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)效能。該收費監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成功地應用于公路收費系統(tǒng)" title="收費系統(tǒng)">收費系統(tǒng)中。
關鍵詞: 智能交通系統(tǒng)? 數(shù)字視頻疊加? 收費監(jiān)控系統(tǒng)
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“人工收費、檢測器校核、閉路電視監(jiān)視、計算機統(tǒng)計管理”的收費站人工收費方式,是根據(jù)我國國情確立的公路投資回收方法。在早期的收費系統(tǒng)中,閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)和計算機收費系統(tǒng)是相互脫節(jié)的,從閉路電視系統(tǒng)的錄像帶中無法看到過往車輛的收費金額等數(shù)據(jù)信息,從計算機收費報表中也無法看到所收的金額對應的車輛、車情等信息。只有將這兩套系統(tǒng)有機地結合起來,才能夠形成一套完整的監(jiān)督檢查機制[1]。
VDM(Video Digital Mixer)即數(shù)據(jù)視頻混合器,是受廣播電視設備中字幕機等技術的啟發(fā)而研制的一種數(shù)據(jù)視頻混合設備。將它接入到閉路電視系統(tǒng)中,可隨時從計算機管理系統(tǒng)中接收收費情況的數(shù)據(jù),動態(tài)地插入到帶有車輛圖像的視頻畫面中。這樣,收費站、車道、操作員工號、車型、收費情況等信息在監(jiān)控系統(tǒng)中一目了然,并可隨著收費操作員的操作實時刷新,達到了監(jiān)督檢查的目的。
一個好的收費監(jiān)控綜合系統(tǒng)除了能夠生成各種報表外,還能優(yōu)化各種車道設備的控制策略,使得整個系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài),確保系統(tǒng)具有實時性、準確性、可靠性、易用性、易稽查性等各種性能。在不同的設備配置下,VDM的信息顯示具有不同安排,VDM顯示信息安排得好壞直接影響到收費系統(tǒng)的易稽查性能。經(jīng)過深入分析VDM設備的原理與特點,筆者開發(fā)了一套充分發(fā)揮VDM功能的通用收費監(jiān)控綜合系統(tǒng)。
1 VDM設備的原理與特點
VDM主要應用于智能交通系統(tǒng)(ITS)中,它具有以下區(qū)別于其它視頻疊加設備的創(chuàng)新技術[2]:
(1)綜合運用了單片機控制技術及計算機通信技術,可與PC機的COM口進行數(shù)據(jù)通信,便于實現(xiàn)人機交互,可根據(jù)需要完成多種功能。
(2)透明陰影技術。在字符顯示區(qū)域設置了一塊矩形透明陰影,這樣既可以防止白天路面反射的日光及夜間車燈眩光對疊加字符亮度和清晰度產(chǎn)生影響,確保在高亮度背景下看清楚字符疊加信息,又不會影響背景圖像的識別。另外,可根據(jù)背景圖像亮度連續(xù)調(diào)節(jié)陰影的深淺。
(3)符合ITS需求的通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議。將用于監(jiān)控的視頻混合設備同ITS相結合,制定了專門的通信協(xié)議,非常適合于路橋收費、卡口監(jiān)控等場合。
設計的VDM由輸入模塊、輸出模塊、字符疊加模塊和通信模塊等四個模塊構成,原理框圖如圖1所示。其中,字符疊加模塊是VDM設備的核心。
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字符疊加模塊可以劃分為如圖1所示的四個模塊。其中,模擬開關" title="模擬開關">模擬開關是產(chǎn)生陰影和字符的關鍵器件,VDM采用了雙路模擬開關。第一個模擬開關的兩路輸入分別是源視頻信號及電位器" title="電位器">電位器衰減的視頻信號,由陰影控制邏輯電路(即陰影發(fā)生器)控制,輸出圖像具有矩形陰影,被送入第二路模擬開關的輸入端;第二路模擬開關的另外一路輸入為電平可調(diào)的直流信號,開關由字符控制邏輯電路(即字符發(fā)生器)控制,從而使輸出圖像疊加上字符。至于陰影明暗調(diào)節(jié)和字符亮度調(diào)節(jié),則是由電位器來實現(xiàn)的。
矩形陰影實際上就是經(jīng)過衰減的視頻信號,其亮度偏暗,但背景圖像仍然可以識別,因此矩形陰影具有透明屬性。在ITS中采用透明陰影技術是非常必需的,避免了有限的圖片空間信息量的損失和強光背景下疊加字符不可辨識的問題[3]。
陰影發(fā)生器、字符發(fā)生器對產(chǎn)生陰影、字符的時間難以定位,因此從輸入視頻中通過同步分離器件分離出場同步信號和行同步信號。同時,利用單穩(wěn)觸發(fā)器與電容、電位器組成的延時電路實現(xiàn)陰影字符的上下左右位置、陰影寬度的調(diào)節(jié)。另外,利用振蕩器產(chǎn)生單個象素的時鐘,實現(xiàn)字符形狀的產(chǎn)生,并且采用計數(shù)器對行同步、象素周期進行計數(shù)。
字符點陣信息是以字節(jié)為單位放在顯示RAM芯片中的。來自CPU的地址值和計數(shù)器產(chǎn)生的計數(shù)值經(jīng)數(shù)據(jù)選擇器選通后送至RAM的地址輸入端,讀出來的數(shù)據(jù)產(chǎn)生字符疊加控制信號,由這個信號去控制模擬開關,最終得到字符疊加的效果。256×32點陣陰影區(qū)域是由兩個計數(shù)器與分離出的行同步、場同步相配合來實現(xiàn)的。
VDM設備利用EEPROM作為字庫字符點陣的存儲器,每個字符占用32個字節(jié),4K的空間可以存放128個漢字,可以滿足路橋收費、卡口監(jiān)控等場合的需要。
VDM與計算機的通信基于RS-232通信接口[4],提供了常用信息編碼和直接字符尋址兩種通信協(xié)議。常用信息編碼是將VDM顯示內(nèi)容歸納整理而形成若干條命令,所有命令均不超過8字節(jié)。該編碼協(xié)議的特點是以最小的通信信息量滿足收費系統(tǒng)的簡單需求。直接字符尋址是直接將需要顯示的字符在VDM字庫中的地址發(fā)送給VDM,數(shù)據(jù)發(fā)送量最大時需要65字節(jié)。這種方式的特點是可以只修改字庫而不需要頻繁地修改程序來滿足較為復雜的字符顯示要求,從而降低了開發(fā)成本。
2 VDM設備在收費系統(tǒng)中的應用
由分析可知,VDM的兩種通信協(xié)議的差異體現(xiàn)了最簡化需求和個性化需求的差別。在TCS系列收費監(jiān)控軟件系統(tǒng)中采用了直接字符尋址方式,目的是為了充分利用有限的字符顯示空間(VDM可疊加顯示兩行共32個16×16點陣的漢字字符),最大限度地增加監(jiān)控信息量,提高準確性和監(jiān)控力度,凸現(xiàn)VDM設備使用優(yōu)勢,同時體現(xiàn)了系統(tǒng)的多樣化、個性化設計思想。
該系統(tǒng)是采用先收費后拍照的全自動拍照模式的收費系統(tǒng)[5]。視頻錄像中VDM的變化全部被錄制下來,可以準確無誤地稽查收費過程;計算機上方便的數(shù)據(jù)、圖像檢索功能及計算機系統(tǒng)的圖像捕捉功能提高了稽查效率。VDM顯示數(shù)據(jù)的變化流程圖見圖2。
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在關道狀態(tài)下,VDM顯示收費站全稱、車道號碼以及表明關道狀態(tài)的字樣。此時如有異常車輛進入該車道,即被檢測線圈捕獲車輛信號并拍照。此時照片上保留收費站全稱、車道號碼、關道字樣(圖中①)。
收費員上班登錄后,VDM的32個字符顯示區(qū)域被劃分為3個區(qū),每一行的最左邊兩個字位是logo區(qū),用來顯示收費站名(最多4個字,圖中XXXX位置);第一行是固定信息區(qū),始終顯示車道號碼和收費員工號;第二行是可變信息區(qū)。
車道空閑時,第二行信息區(qū)沒有文字顯示(圖中②)。當車輛接近收費站時,收費員目測判定車型并將其輸入,VDM顯示車型代碼和應繳費額(圖中④)。如果VDM文字顯示為②,車輛駛過收費區(qū),檢測線圈檢測到車輛信號,VDM在可變信息區(qū)疊加“闖道”字樣,捕捉到照片上,如圖中③。如果VDM文字顯示為④,車輛駛過收費區(qū),檢測線圈檢測到車輛信號,VDM在可變信息區(qū)疊加車型代碼和“闖道”字樣,捕捉到照片上,如圖中⑤。當收費員收費操作完成時,VDM在可變信息區(qū)疊加車型代碼、“收費”字樣和收費金額,攔道器打開,車輛正常通行,抓拍圖片信息,如圖中⑥;免費車輛免費操作完成,疊加車型代碼、“免費”字樣,攔道器打開,車輛正常通行,抓拍圖片信息,如圖中⑦;如為IC卡式月票,系統(tǒng)經(jīng)過查詢獲得通行車輛的車牌照號碼,VDM在可變信息區(qū)疊加車型代碼、“IC”字樣和車牌照號碼,攔道器打開,車輛正常通行,抓拍圖片信息,如圖中⑧。③、⑤、⑥、⑦、⑧狀態(tài)下拍照完成后,VDM顯示恢復為②狀態(tài)。
本系統(tǒng)具有如下的特點:
(1)可擴展性好。字庫里的字符和程序之間是相互獨立的關系,改寫字庫里的字符點陣,就可以滿足用戶對不同字符的需求;收費系統(tǒng)中也留有接口,除了正常收費類型外,還可實現(xiàn)具有傳統(tǒng)月票、IC月票、傳統(tǒng)免費、IC免費、免費車隊、收費車隊等各種通行特征的通行類型。
(2)圖片歸屬易識別。收費站上級管理部門管理多個站時,需要將多個收費站的圖片進行匯總,圖片匯總后,管理人員可以通過VDM顯示的Logo方便地知道圖片來自于哪個收費站。同時,Logo的使用還有助于保護軟件開發(fā)商的知識產(chǎn)權權益。
(3)軟件通用性好。編寫軟件時,首先創(chuàng)建一個與VDM設備通訊的OCX控件,功能包括進行顯示字符到地址編碼的轉換、VDM命令生成和命令發(fā)送。這個OCX控件實現(xiàn)了應用軟件對VDM的透明操作。當VDM更換了字庫時,軟件系統(tǒng)也只需要更換一下OCX讀取的字庫地址轉換編碼表,程序不需要進行VDM驅動OCX控件定制,就可以應用于不同的收費站。
(4)捕捉圖片與錄像便于稽查。收費過程中的每個狀態(tài)都有對應的VDM顯示界面和數(shù)據(jù)信息,圖片與錄像上不斷更新的VDM信息使得稽查收費員的違規(guī)行為、車輛闖道行為變得非常簡單。
VDM設備增強了監(jiān)控力度,正在收費系統(tǒng)工程中快速推廣。TCS系列收費監(jiān)控軟件也以多項優(yōu)異的性能被廣泛應用在石家莊、呼和浩特、包頭、赤峰等地的十余個收費站,可靠運行達一年以上,用戶評價較高,正在創(chuàng)造著良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
目前新型號(VDM-4)已研制成功[6],該技術獲得兩項國家專利局頒發(fā)的新型實用專利證書,并通過省級鑒定。它具有全屏幕范圍的字符疊加顯示,字庫擴大,點陣更細膩,且提供了字庫自定義、實時時鐘顯示等更新、更有利于監(jiān)控的新功能。
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參考文獻
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3 蔣雙梅,曹立進.一種按鈕式數(shù)字電位器在視頻數(shù)據(jù)混合器中的應用.微電子學,2001；31(1):74～75
4 鄭 江,都思丹,高敦堂.基于GENIE3.0的生產(chǎn)過程控制設計.數(shù)據(jù)采集與處理，2000；15(3):358～362
5 張鐵巖,曲 飛.高速公路收費站圖像多媒體自動抓拍技術的實現(xiàn).黑龍江電子技術,1999；(12)：4～5，28
6 袁 杰,沈慶宏.采用大規(guī)模專用OSDC芯片的數(shù)字視頻混合器研究.南京大學學報,2003；18(1)：39～42