高速路网视频信息支撑系统构建及其关键算法研究

发布时间：2020-06-26 21:45

【摘要】：目前,我国高速路网日趋形成,其重点已由传统通信、收费、监控三大系统的基础构建转向信息智能化建设。随着综合智能交通系统ITS的发展,反映路网信息的应用系统不断问世。视频资源因其直观、有效、信息丰富等特点,受到了密切关注。然而,路网视频资源管理和调用尚有不少亟待解决的问题:先后构建的应用系统异构,互不兼容,信息交互与共享困难;应用系统"各自为政",分别自底层获取视频资源加工处理,图像解析数据量大,重复复杂的计算,既耗费带宽,又效率低下;交通专网日趋复杂,网络传输拥塞波动,加之高清摄像、移动视频采集,以及外场气象条件的变化无常,视频质量参差不齐,单靠人工观看的主观感觉,无法有效地给出资源性能状态的实时统计;路网中各断面的视频源具有关联性,如能见度、交通流态势等呈现动态的区域分布等,若不能了解区域分布及产生原因,很难作出路网的信息发布、调控应对措施。因此,有必要从两个方面专题研究:高速路网视频信息支撑系统、所涉及视频信息处理系列算法。论文分析了国内外交通视频信息系统的概况,阐述了具有自主知识产权的信息汇聚立体网络架构LDM~3的分层模型及数据流程,并基于此构建高速路网视频信息支撑系统。该系统:改进传统TCP/IP架构,新增信息汇聚层,且与应用层并列为顶层,便于以居该层的视频信息支撑系统为媒介,进行信息交互,同时又便于兼容现有系统;摒弃应用系统自底层取图像数据进行一系列处理的过程,而改由视频支撑系统汇聚图像源数据、经细化加工为各应用系统所需的信息后,主动或自动专题推送;将视频处理像素层面的初加工(共性)和信息层面的精加工(个性)分离,统一进行运算复杂、耗时的初加工预处理,减少了云终端计算,提高了应用系统的运行效率;实现了对视频资源有效的智能化管理,可实时了解系统中视频质量的统计情况,及时采取相应处理措施,确保系统正常、高效运行。此外,论文对对路网视频信息支撑系统涉及的视频处理系列算法展开研究:图像质量的客观评价方面,提出了人眼视觉模型HVS与四元数理论相结合的彩色图像质量评价优化算法。仿真实验表明:所提算法获得了与主观评价更加一致的结果;针对路网视频系统中存在参考图像无法获取的情况,论文研究了基于变分的无参考图像质量评价算法,推导了总有界变分值与图像清晰度间的关系,实验表明:该方法较传统PSNR、MSE等客观评价方法更符合人眼感知效果。图像恢复增强方面,针对因高速公路PTZ摄像机散焦、抖动以及相对运动造成的图像模糊,采用带有空间自适应全变分正则化的图像半盲去卷积算法,有效降低平坦区域噪声的同时,又能保持边缘信息;针对路网中因雾霾造成的视频图像降质,在相关性更低的透射率三通道中进行暗原色先验去雾,将LIP模型扩展至彩色对数图像处理模型,进行自适应增强,明显提高了图像的可视性。视频图像信息挖掘方面,论文运用机器学习与模式识别技术,研究了视频图像车辆特征提取与分类的优化方法,详细描述了基于混合高斯模型的背景建模以及稀疏编码的特征提取。通过对实际获取的路侧监控视频图像的实验表明,该方法的识别准确性较之前的算法有了很大的提高。该算法在低分辨率视频图像,或者是车辆遮挡、视角变化等情况下,也能获得较好的识别效果。视频图像挖掘所得信息的路况展现方面,论文在基于地图界面宏观交通态势系统的基础上,构建了重点路段微观交通路况"虚拟现实"系统,将入口视频检测获取的车型、车速等数据,建立优化元胞自动机的微观交通流预测模型,通过虚拟现实技术予以展现,为监控盲区提供预测数据,通过视角变换,从而解决隧道、大桥等处的视角受限问题。综上,论文的专题研究,为《省域智能交通运输信息云服务平台示范工程》、《基于公路交通传感网信息检测·挖掘·汇聚、发布与辅助决策系统示范》等多个省部级项目的实施作出了贡献,为"宁淮高速信息化示范工程"的实现奠定了基础。论文的主要特点创新在于:●提出了 "基于LDM~3的高速路网视频信息支撑系统",丰富了信息汇聚层内涵,规范了大数据接口;提出了 "像素级初加工与信息级精加工分离"、"将视频数据源被动调用,变为专题信息主动推送"方式。除异构系统兼容、资源共享外,均衡中心服务器与云端负载,减少重复复杂运算,提高了各应用系统的运行效率和实时性。●优化了客观图像质量评价算法,综合HVS与四元素理论,避免割裂人眼特性间的相关性,提升了算法评价效果与主观感受的一致性,实现了对视频资源有效的实时在线管理。●优化了车型识别分类算法,引入深度学习及稀疏的思想,有效提高了车辆遮挡、图像质量较差时车型识别的准确率,进而提升了后续交通流参数检测的抗干扰性和精度。●给出了重点路段微观虚拟现实与路网宏观态势相结合的系统呈现方式,为公众服务和道路管控提供了多层次、多尺度、多方位的展现平台。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U495;TP391.41
【图文】：

机电系统,高速公路,组成框图

络图像传输保障，对网络负载均衡也作了专题研究。逡逑总之，由上可见，高速路网视频信息服务支撑技术研究及其系统的构建，具有意义和实际应用价值。逡逑氋速路网的信息系统及其进展逡逑纵观我国高速公路系统的发展，己由最初的通信、收费、监控Ｈ大系统，逐步用系统层出不穷的综合智能交通交通系统发展Ｗ，如先进交通信息系统（Ａｄｖａｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ邋Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＡＴＩＳ）、先进交通管理系统（Ａｄｖａｎｃｅｄ邋Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｇｅｍｅｎｔ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＡＴＭＳ）等。其中，W'网络技术进展，特别是网络业务与网络的理念，遂有了全ＩＰ化的高速公路。而随着视频图像处理技术的发展，Ｗ及大数据、深度学习等新技术涌现，交通视频监控系统也由最初单纯的视频监控逐步向信息智能化发展。如何深度挖掘路网视频信息，进行实时的交通状况智态势展现、路径诱导、预警、应急处理等应用，已列入研究的议事日程。逡逑氋速公路Ｈ大系统端倪逡逑

监控系统结构

图１－１所示为早期高速公路机电系统，由收费、通信和监控Ｈ大系统姐成。收费系逡逑统主要分为收费中也管理、收费站管理和车道收费Ｈ部分。通信系统由相关通信设备逡逑及沿路铺设的光纤与电缆信道组成，负责数据（监控视频图像、收费数据、车检器及气逡逑象站数据、话音等）、控制指令和发布信息的传输。监控系统主要分为数据采集、数据逡逑传输、中也控制和信息发布四部分，通过沿路布设的摄像机、车检器、气象站等，采集逡逑监控图像和数据，并进行相应处理和发布。早期模拟为主的视频监控系统存在许多不足；逡逑？外场监控视频图像的多级调用过程中将使得图像质量下降；逡逑？路段接入网通信容量浪费大，而外场图像传输带宽要求较高；逡逑？注重于路段的监控，对跨区域联网监控考虑不够，存在信息孤岛现象；逡逑？不支持多种业务的跨区联网，难Ｗ拓展其他增值业务。逡逑１．２．２基于Ｗ－ＤＭＤＵ的全ＩＰ化系统逡逑通过对视频监控图像的数字化处理，采用数字传输方式，构成了数字视频监控系统。逡逑而巧网络技术的进展，促成了全ＩＰ化网络系统。逡逑逦邋逦Ｉ百巧交换机逡逑ｎ￣￣￣

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