（测试计量技术及仪器专业论文）机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统.pdf

摘要 随着机动车检测站的社会化，车管部门对检验机构要实施监管工作，保证检验结果的 真实性、准确性、合法性。为满足社会发展的需要，在机动车检测站建立机动车检测线实 时监控及车辆身份认证系统，是我们深入研究并急需解决的重要课题。 本文首先论述了建立机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统的重要性，然后根据 机动车检测线的具体要求，提出了一种设计方案，随后论述了设计方案所涉及的系统理论， 接着重点讨论了方案的实现，最后详细介绍了实施效果。 本文提供了一个具有实时监管功能的机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统，主 要功能是为用户提供多路在线的实时视频监视和记录，用于机动车检测场管理机关对于不 同检测场的工作状态进行实时监督和检查。同时该系统对被检车辆实时拍照，进行车辆身 份认证，确认检测车辆的真伪。 该系统由服务器端和客户端组成。 服务器端的主要功能是为检测场提供多路在线的实时视频监控和基于m p e g 一4 图像压 缩技术，并对检测车辆进行实时拍照，同时向车辆管理机关提供视频压缩编码。 客户端的主要功能是接收检测站服务器端发出的视频压缩编码，提供车辆管理机关对 检测场的工作状态进行实时监督和检查，并实时对被检车辆进行拍照，以核对身份。 关键词：机动车检测线，实时监管，身份认证 t h er e a l t i m ev e h i c l em o n i t o r i n ga n d r e c o g n i t i o ns y s t e m a b s t r a c t a sm ev e l l i c l e i i l s p e c t i o ns t a t i o n sa r eg e n e r a l l ys e tu p ，t h ed e p a m l l e n to ft h ev e l l i c l e m a n a g e m e mr e q u i l e s 1 et n j e ，a c c u r a t ea n dl e g a ld a t a 丘i o mm es t a t i o i l s t bs a t i s 母t ：h e r e q u i r e m e m ，s e t t i n gu par e a l - t i m ev e h i c l em o l l i t o r i n ga n dr e c o g i l i t i o ns y s t e mb e c o m e sa n i 1 1 1 p o r t a r l tr e s e a r c ht o p i c i n l i sm e s i s ，w ei n t r o d u c e 廿l ei m p o r t 鲫l c eo ft h er e a l - t i m ev e l l i c l em o l l i t o r i n g 龇l d r e c o g m t i o ns y s t e ma tf i r s t t h e n 、v ep r o p o s eas o l u t i o nt 0m e e tt h er e q u i r e m e m s ，d i s c u s st 1 1 e r e l a t e dm e o r y ，a n dp r e s e n t 让l ei r r i p l e m e n t a t i o no ft h ep r o p o s e ds o l u t i o n t h ee x p e r 洫e n t a l r e s u l t sa r es h o w na tl a s t t 1 1 i sm e s i sp r e s e n t sar e a l t i i n ev e k c l em o l l i t o r m ga n dr e c o g n i t i o ns y s t e m t h es y s t e mi s m a “yu s e dt op r o v i d em u l t i p l eo n l i n es u r v e i l l a n c ev i d e oa j l dr e c o r d s i tc a l lb eu s e db ym e d e p a r t l l l e n to ft h ev e m c l em a j l a g e m e n tm r e a l t 曲es u r 、，e i l l a i l c ea n d c h e c k i n go nw o 尚i 培s t a t u s o fd i 仃e r e n tw o r k s t a t i o n s t h es y s t e mc a n 切【1 ( ep h o t o so ft 1 1 ev e m c l ei 1 1t 1 1 er e a l - t i m e 锄d i d e n t i 鸟t h ev e h i c l e sb ya n a l y z i l l gt h ep h o t o so ft l l ev e l l i c l e t 1 1 i ss y s t e mi sc o m p o s e do fas e e re n da 1 1 dac l i e n te n d t h es e e re n dm a i l l l yp r o v i d e s 廿l em u l t i p l e0 1 1 l i n es u r v e i l l a n c ev i d e o sa i l dam p e g 4 b a s e dv i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h l l i q u e ，t a k e sp h o t o so fv e l l i c l e si nt h e r e a l 一t i m e ，a 1 1 d p r o v i d e st h ev i d e oc o d i n gt or e l a t e da u t h o r i t i e s t h ec l i e me n dm a i n l yr e c e i v e st h ev i d e oc o m p r e s s i o nc o d i n gs e n tb yt h es e r v e re i l d ， m o i l i t o r sa n dc h e c k sm ew i d r k i n gs t a t u so ft l l ec h e c k i n gs t 撕o n s ，t a k ep h o t o so fv e m c l e ，a 1 1 d r e c o g i l i z et 1 1 ev e m c l e s k e y w o r d s ：v e h i c l ei n s p e c t i o nu n e ，r e a l - t 洫em o n i t o r i n g ，r e c o g i t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是拳人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外j 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由苓人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 壤巍巍潲年b 月t f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 月if 日 月l 厂日肼耐 巍钐 健 燃水 致谢 三年的研究生学习生活即将结束，过去的三年中，得到过许多老师、同学和朋友无私 的关怀和帮助。在这里我要向所有帮助、支持过我的人们致以最真挚的谢意。 感谢我的导师刘云飞教授。导师不仅在学习上对我严格要求，而且在生活上给了我无 限关心和帮助。他学识渊博、思维敏捷、治学严谨、为人真诚，使我在三年学习过程中不 但获得了许多新的知识，而且学会了许多为人处事的道理，将使我在今后的道路上得到很 大的帮助。我为有这样的导师而感到非常的骄傲，作为导师的学生，我又感到非常的自豪 和幸运。 感谢中国科学院力学研究所刘云卿教授，感谢您对我课题研究给予的无私帮助，正是 在您的帮助下，才使我能够顺利地完成论文。感谢力学所的王老师、朱老师、陈老师、晶 晶和小孟，感谢你们的帮助和陪伴。 感谢实验室中与我朝夕相处的王芳、王玉红、周昀、袁哲、卢红伟、陈彬、张瑛等同 学给与我的支持和帮助，在此向他们表达我深深的感激之情。 感谢父母对我的辛勤培育和默默支持，他们的恩情和期望将伴我终生。 最后，谨向所有关心和帮助过我的人致以衷心的谢意! 濮巍巍 二零零八年六月 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国汽车工业的高速发展，机动车辆不断增加，在给我们带来工作、生活方便的 同时，也带来了交通公害日益严重的新问题。截止2 0 0 3 年底，全球机动车保有量已达 9 6 4 9 9 6 万辆，其中中国汽车为2 4 2 1 2 万辆。2 0 0 3 年，中国的严重交通事故约有6 6 7 5 万起，造成1 0 4 4 万人死亡，另有4 9 4 2 万人伤残。据统计，这些事故中与车辆安全技术 相关的因素占2 0 ，而由于汽车机械故障造成的死亡事故占5 以上n 1 。因此，为了有效地 保障车辆的正常运行，减少车辆使用公害，必须加强汽车安全检测工作。通过汽车安全检 测，监督驾驶员正确使用车辆，提高车辆的安全性能，减少车辆恶性事故，降低一般事故 及噪声、尾气污染，保护国家、集体利益和人民的生命财产，降低车辆肇事率，减少车辆 及财物事故损失，减少无谓的车材、油料损耗，具有重大的经济和社会意义。 机动车尤其是汽车，其本身是一个复杂的系统集成，共有上万个零部件组成。在机动 车使用过程中，随着行驶里程的增加和使用时间的延续，其技术状况将不断恶化。通过科 学的机动车检测手段，通过维护和维修，尽可能恢复其原有技术状态非常有必要。 机动车检测技术是指在机动车出厂、使用、维护和修理过程中对机动车的技术状况进 行测试和检验的一门综合技术。机动车运行的安全性能是指汽车行驶的可靠性和稳定性， 以及噪声振动与排放气体污染等。国家先后制定和颁布了一系列的法律法规及技术规范， 以加强机动车安全运行的管理。我国2 0 0 4 年实施的国家标准g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行 安全技术条件，明确规定了机动车安全运行的技术要求。为了保证机动车能在良好的技 术状态下运行，其中最重要的措施之一，就是对在用车辆进行安全检测。机动车安全检测 主要包括汽车制动、轴重、侧滑、速度、灯光、尾气、烟度、声级( 噪声) 八个项目。机动 车综合性能技术检测项目除包含机动车安全技术检测的八个项目外，还含有发动机诊断、 底盘测功、四轮定位、悬挂测试、转向角测试、转向力矩测试等3 0 余项检测项目盥1 。 1 2 研究现状 1 2 1 国外机动车检测技术发展状况 早在5 0 年代，一些发达工业国家就形成了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技 术和生产单项检测设备。例如美国的发动机分析仪，英国的发动机点火系故障诊断仪等1 。 6 0 年代后期，国外机动车检测技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相 结合的光机电一体化检测技术。例如：非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪等。 进入7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，出现了机动车检测、数据采集处理自动化、 检测结果直接打印等功能的机动车性能检测仪器设备。在此基础上，为了加强机动车管理， 各工业发达国家相继建立机动车安全检测站和检测线，使机动车检测制度化、标准化和智 能化。概括地讲，工业发达国家的机动车检测在管理上已经实现了“制度化”；在检测结 果的判别方面已实现了“标准化”；在检测技术上向“智能化、自动化检测”方向发展h ，。 1 1 2 2 国内机动车检测技术发展状况 我国的机动车检测技术研究始于2 0 世纪6 0 年代，由交通部主持了发动机汽缸漏气量 检测仪、点火正时灯等较简单的检测仪器研究和开发。 改革开放以来，国家经济实力不断增强，科学技术的各个领域都有了较快的发展，机 动车安全检测技术也随之得到快速发展，加之我国的机动车制造业和公路运输业发展迅 猛，对机动车安全检测诊断技术和设备的需求也与日俱增。我国机动车保有量迅速增加， 随之而来的是交通安全和环境保护等社会问题。如何保证车辆快速、经济、灵活发展，并 尽可能不造成社会公害等问题，已经逐步被提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽 车安全检测和诊断技术的发展，为我国进行交通管理研究奠定了有力的物质基础。随着国 民经济的高速增长和科学技术特别是计算机技术的突飞猛进，我国的机动车检测技术在标 准化、科学化、智能化和网络化方面均取得了前所未有的发展。 我国的机动车检测主要分布于机动车安全技术检测、汽车综合性能技术检测、汽车厂 新车出厂质量保证检测、军队系统的机动车检测、机动车维修保养行业的机动车检测、教 学用机动车检测六大领域。 至今，机动车检测技术在我国已有3 0 余年的发展历史，我们的检测技术虽然已经取 得了很大的进步，但与世界先进水平相比，还有一定的距离。我国机动车检测技术要赶超 世界先进水平，还应该在机动车检测技术基础、机动车检测设备智能化和机动车检测管理 网络化等方面进行研究和发展。 1 3 研究意义 1 3 1s cie n c e b c j 型机动车检测网络系统简介 本文论述的系统应用于机动车检测线上，是基于s c i e n c e b c j 型全电脑化机动车检测 网络系统上的子系统。s c i e n c e b c j 型机动车检测网络系统是一个具有监管功能的检测网 络系统，是以机动车安全、尾气排放检测为主的机动车检测网络系统，它由机动车检测设 备，机动车自动检测控制系统及检测场网络系统三部分组成。其创新点如下： ( 1 ) 、检测控制系统使用自行发明的一种新型控制法一复合推进式控制法。 ( 2 ) 、检测场网络系统设计为一种具有监管功能的机动车检测网络系统。 ( 3 ) 、工艺布局设计合理化，提高检测线的检测能力，能同时检测五辆车。 ( 4 ) 、检测控制系统具有图像采集接口，便于对被检车辆进行身份认证和实时图像监控。 检测线全部采用汉字显示，检测数据全部由电脑自动采集、处理、判定和打印存档， 能进行单项复检，并具有设备标定及设备诊断等功能。 检测场网络系统除带有网络数据库外，还增设了网络监管功能，使车辆管理部门通过 网络实时监管检测线运转状况和设备的好坏。网络软件丰富，具有实时监管、数据录入、 数据删除、综合查询、统计报表、司机统计、设备数据、总检民警、修改密码等功能。 该检测网络系统经过了有关专家、车管部门的论证，取得了计量部门的认证，通过了 中国科学院成果定鉴定，鉴定意见：系统为国内外首创，技术水平处于国际领先地位。2 0 0 0 2 年被国家科技部评为国家重点成果推广项目。该网络系统已在首都北京的4 3 个年检检测 场和北京市车管所投入运行，受到了用户的好评畸3 。 该系统检测现场如图1 1 所示： 图1 1s c i e n c e - b c j 型机动车检测网络系统 1 3 2 现有机动车检测系统的不足及解决方案 在中国境内的在用车辆，每二年必须年检一次，而检测是由检测线完成的。由于现行 检测线的检车管理模式，使检测线存在着诸多弊端，从而影响了交通管理部门对车辆的管 理。 ( 1 ) 人为因素 机动车在检测过程中，虽然检测是由全自动检测系统完成的，但检车的全过程却需 要人工辅助来完成，由于操作员人员和引车员的操作失误，造成了检测数据不准，以至于误 判，不能保证公平、公正和公开。 ( 2 ) 检测车辆的真实性 机动车在检测过程中，检测数据储存在一台主服务器中，检测完毕后打印出相应的 检测数据报表。由于报表没有相应的车辆身份认证，不能完全保证被检车辆的真实性。图 1 2 是目前检测数据报表： ( 3 ) 交通管理部门的管理 由于目前车管和车检是分开的，交通管理部门需要派出警力对检测过程监督。过多 的人工因素，不利于办公人员的廉洁奉公，不利于业务准确高效的管理。 图1 2 机动车检测记录单 有鉴于此，采用国家标准，结合客户服务器数据通信模式的机动车检测线实时监控 及车辆身份认证系统应运而生。 机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统在中国科学院力学研究所自主研发的 s c i e n c e - b c j 型汽车检测系统的基础上，对检测线实行区域化的实时监管，保证车辆检测 的公平、公正、公开化。该系统在车辆检测过程中，对整体车辆外型和车辆车牌号实时拍 照，以保证检测车辆的真实可靠性，达到车辆身份认证的效果。 1 4 本章小结 本章在探讨机动车检测线系统发展状况下，分析现有机动车检测线系统并指出其不 足。由于现行的检测线的检车管理模式，使检测线存在着过多的人为因素、检测车辆是否 真实、交通管理部门较低的工作效率等诸多弊端，从而影响交通管理部门对车辆的管理。 有鉴于此，机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统在中国科学院力学研究所自主研发 的s c i e n c e b c j 型汽车检测系统的基础上应运而生。 4 2 1 系统要求 第二章系统方案设计 机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统的主要功能是为用户提供多路在线的实 时视频监视和记录，用于机动车检测场管理机关对于不同检测场的工作状态进行实时监督 和检查。同时该系统对检测车辆实时拍照，确认检测车辆的真实可靠性。 该系统由服务器端和客户端组成。服务器端的主要功能是为检测场提供多路在线的实 时视频监控，并对检测车辆进行实时拍照，同时向车辆管理机关提供视频压缩编码。 客户端的主要功能是接收检测站服务器端发出的视频压缩编码，提供车辆管理机关对 检测场的工作状态的实时监督和检查，并实时对被检车辆进行拍照，以核对身份。 该系统为了实现检测场区域化管理，应用于联网的铺有宽带的广域网( 比如：光纤骨干 网) 。 该系统框架图如图2 1 所示： 2 2 硬件选取 图2 1 机动车检测场实时监控及车辆身份认证系统框架图 视频卡选用天敏v c 4 0 0 0 p c i ， 多个摄像头、云台、解码器、 2 3 服务器端的设计 2 3 1 服务器端身份认证功能设计 支持一机多卡，一卡四路。 转换器、多台主机、打印机。 引车员驾驶机动车通过检测线系统时，安装好的摄像头实时跟踪监控，对检测车辆实 时拍照并存储到相应的服务器上。当检测工作完成时，检测结果报告单和所拍照片通过打 印机打印出相应的记录单。整个框架图如图2 2 所示： 图2 2 服务器端身份认证框架图 2 3 2 服务器端实时监控功能设计 机动车在检测过程中，安装好的摄像头实时跟踪监控，并采集到视频流压缩编码，实 时传输给客户端。整个框架图如图2 3 所示： 硷剃线1 屹 n 授1 癍线3c 1 _ _ - _ _ - _ - 。_ _ - _ _ - - 。- _ 。 一i 一7 戮 一咏一：、潮 盈【 蚤： 蚓 遽i 乙： 一l 丁 辨蒯刽田掣 图2 3 服务器端实时监控框架图 2 3 3 视频捕获功能设计 服务器端的实时监控是通过对视频流的处理来实现。视频的捕获如图2 4 所示： 图2 4 视频捕获功能框架图 2 3 4 服务器端程序设计 服务器端的程序功能设计如图2 5 所示： 图2 5 服务器端的程序功能设计图 7 2 4 客户端的设计 客户端的设计秉承着简化用户操作的理念，客户直接安装运行程序即可。 2 4 1 客户端整体设计 车辆交通管理部门安装客户端程序后，连接某一检测场服务器，便可监控该检测场检 测情况，并可对监控画面做相应处理( 如：拍照、控制摄像头、画面回放等) 。整个框架图 如图2 6 所示： 检 监控画面 测 场 列 监控画面处理 表拍照全屏显示 回放控制摄像头 2 4 2 客户端程序设计 图2 6 客户端整体框架图 客户端的程序功能设计如图2 7 所示： 2 5 本章小结 图2 7 客户端程序功能设计图 本章重点描述机动车检测线实时监控及车辆身份认证系统的功能要求，即系统的服务 器端是为检测场提供多路在线实时视频监控，并对检测车辆进行实时拍照，同时向车辆管 理机关提供视频压缩编码；系统的客户端是接收检测站服务器端发出的视频压缩编码，提 供车辆管理机关对检测场的工作状态的实时监督和检查，并实时对被检车辆进行拍照，以 核对身份。同时本章也提出了整个系统框架的设计，并分别设计服务器端和客户端的功能 框架图。 9 3 1m p e g 一4 压缩技术 3 1 1m p e g 的介绍 第三章系统理论弟二早糸现璀i 匕 机动车检测场实时监控及检测车辆身份认证系统的一个主要功能是：实时监控。在实 现这一功能的过程中，通过采集卡捕获视频图像。为了保证系统的实时性，由于i n t e m e t 的无连接转发机制不适用于对连续媒体流的传输，为了在i 矗t e m e t 上有效的、高质量的传 输视频流，需要多种技术的支持，其中数字视频的压缩编码技术是i r l t e m e t 视频传输中的 关键技术之一6 l 。 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t l l r ee x p o r t sg r o u p ) 的缩写，于1 9 8 8 年成立，是 为数字视音频制定压缩标准的专家组，目前已拥有3 0 0 多名成员，包括i b m 、s u n 、b b c 、 n e c 、i n t e l 、a t & t 等世界知名公司。m p e g 组织最初得到的授权是制定用于“活动图 像”编码的各种标准，随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。后来针对不同的应 用需求，解除了“用于数字存储媒体”的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标 准的组织口3 。m p e g 标准阐明了声音和电视图像的编码和解码过程，严格规定了声音和图 像数据编码后组成比特数据流的句法，提供了解码器的测试方法等，但没有对所有内容都 作严格规定，尤其是对压缩和解压缩的算法，这样既保证了解码器能对符合m p e g 标准 的声音数据和电视图像数据进行正确解码，又给m p e g 标准的具体实现留有很大余地。 人们可以不断改进编码和解码算法，提高声音和电视图像的质量以及编码效率。m p e g 组织制定的各个标准都有不同的目标和应用，目前已提出m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、 m p e g 7 和m p e g 2 1 标准8 i 。 3 1 2m p e g 一4 的介绍 3 1 2 1m p e g 4 的概念 m p e g 4 标准运动图像专家组m p e g 于1 9 9 9 年2 月正式公布了m p e g 4 ( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 标准第一版本。同年年底m p e g 4 第二版亦公布，且于2 0 0 0 年年初正 式成为国际标准呻1 。 m p e g 4 的标准名是v e 巧一l o wb i tr a t ea u d i o - v i s u a lc o d i n g ( 甚低速率视听编码) 。 m p e g 4 主要由以下构成： i s o1 4 4 9 6 1 ( s y s t e m s ) 一系统标准，标准名是i s 0 i e cd i s1 4 4 9 6 1v e 巧- l o wb i t r a t ea u d i o v i s u a lc o d i n g ； i s 01 4 4 9 6 2 ( v i d e o ) 一电视图像标准，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 2v e 巧l o wb i t r a t ea u d i o v i s u a lc o d i n g ； i s o1 4 4 9 6 3 ( a u d i o ) 一声音标准，标准名是i s o i e cd i s1 4 4 9 6 3v e 巧l o wb i tr a t e a u d i o v i s u a lc o d i n g ； i s o1 4 4 9 6 1 0 ( d e o ) 一a d v a n c e d d e oc o d i n g ( a 、，c ) ，就是h 2 6 4 ； 1 0 i s o1 4 4 9 6 1 4 ( c o m a i n e r ) 一文件格式，后缀名为m p 4 。这个m p 4 规格唯一官方指定 的格式； i s o1 4 4 9 6 17 ( s u b t i t l e s ) 一字幕1 0 1 。 3 1 2 2m p e g 4 的编码思想 m p e g 4 编解码的基本思想是基于图像内容的第二代视频编解码方案，并将基于合成 的编码方案也结合在标准中。它根据图像的内容将图像分割成不同的视频对象v o ( d e o o b j e c t ) ，在编码过程中对前景对象和后景对象采用不同的编码策略，对于人们所关心的 前景对象，则尽可能地保持对象的细节及平滑，而对不大关心的后景对象采用大压缩比的 编码策略u 。 3 1 2 3m p e g 4 的编码数据结构 m p e g 4 按照如下五个层次组织要编码的图像，从上至下依次为：视频段v s ( d e o s e s s i o n ) 、视频对象v o ( d e oo b j e c t ) 、视频对象层v o l ( d e oo b j e c tl a y e r ) 、视频对 象组层g o v ( g m u po f d e oo b j e c tp l a n e ) 、视频对象平面v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 。 在m p e g - 4 中，v o 主要被定义为画面中分割出来的不同物体，每个v o 有三类信息 来描述：运动信息、形状信息、纹理信息。v o 的构成依赖于具体应用和系统实际所处环 境，在要求超低比特率的情况下，v o 可以是一个矩形帧( 即传统m p e g 一1 中的矩形帧) ， 从而与原来的标准兼容；对于基于内容的表示要求较高的应用来说，v o 可能是场景中的 某一物体或某一层面，如新闻节目中的解说员的头肩像；v 0 也可能是计算机产生的二 维、三维图形等n 副。 3 1 2 4m p e g - 4 的编码流程及框架 m p e g 一4 的编码流程：第一步是v o 的形成( v of o m a t i o n ) ，先要从原始视频流中分 割出v o ，之后由编码控制( c o d i n gc o n 仃0 1 ) 机制为不同的v o 以及各个v o 的三类信息 分配码率，之后各个v o 分别独立编码，最后将各个v o 的码流复合成一个位流。其中， 在编码控制和复合阶段可以加入用户的交互控制或由智能化的算法进行控制n 引。现在的 m p e g 一4 包含了基于网格模型的编码和s p r i t e 技术。在进行图像分析后，先考察每个v o 是否符合一个模型，典型的如人头肩像，如是就按模型编码；再考虑背景能否采用s p r i t e 技术，如是则将背景生产一幅大图，为每帧产生一个仿射变换和一个位置信息即可；最后 才对其余的v o 按上述流程编码。m p e g - 4 的解码流程则基本上为编码器的反过程n 劓。如 图3 1 为编码流程图： 图3 1m p e g 4 编码流程图 3 1 2 5m p e g 一4 的优越性 m p e g 4 与m p e g 1 和m p e g 2 有很大的不同。m p e g 4 不只是具体压缩算法，它是 针对数字电视、交互式绘图应用( 影音合成内容) 、交互式多媒体( w w w 、资料撷取与 分散) 等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。m p e g 4 标准将众多的多媒体应用集 成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，从而建立 起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。 m p e g 4 标准同以前标准的最显著的差别在于它是采用基于对象的编码理念，即在 编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频对象，分别编码后，再经 过复用传输到接收端，然后再对不同的对象分别解码，从而组合成所需要的视频和音频。 这样既方便我们对不同的对象采用不同的编码方法和表示方法，又有利于不同数据类型间 的融合，并且这样也可以方便地实现对于各种对象的操作及编辑。例如，我们可以将一个 卡通人物放在真实的场景中，或者将真人置于一个虚拟的演播室里，还可以在互联网上方 便地实现交互，根据自己的需要有选择地组合各种视频音频以及图形文本对象。 m p e g 4 是对自然或合成的视听内容的表示；是对视听内容数据流的管理，如多点、 同步、缓冲管理等；是对灵活性的支持和对系统不同部分的配置u 引。 与m p e g 1 、m p e g 2 相比，m p e g - 4 具有如下独特的优点： ( 1 ) 基于内容的交互性 m p e g - 4 提供了基于内容的多媒体数据访问工具，如索引、超级链接、上下载、删 除等。利用这些工具，用户可以方便地从多媒体数据库中有选择地获取自己所需的与对象 有关的内容，并提供了内容的操作和位流编辑功能，可应用于交互式家庭购物，淡入淡出 1 2 的数字化效果等。m p e g 4 提供了高效的自然或合成的多媒体数据编码方法。它可以把自 然场景或对象组合起来成为合成的多媒体数据。 ( 2 ) 高效的压缩性 m p e g 4 基于更高的编码效率。同已有的或即将形成的其它标准相比，在相同的比特 率下，它基于更高的视觉听觉质量，这就使得在低带宽的信道上传送视频、音频成为可能。 同时m p e g - 4 还能对同时发生的数据流进行编码。一个场景的多视角或多声道数据流可 以高效、同步地合成为最终数据流。这可用于虚拟三维游戏、三维电影、飞行仿真练习等。 ( 3 ) 通用的访问性 m p e g 4 提供了易出错环境的鲁棒性，来保证其在许多无线和有线网络以及存储介质 中的应用，此外，m p e g 4 还支持基于内容的可分级性，即把内容、质量、复杂性分成许 多小块来满足不同用户的不同需求，支持具有不同带宽，不同存储容量的传输信道和接收 端。这些特点无疑会加速多媒体应用的发展，从中受益的应用领域有：因特网多媒体应用； 广播电视；交互式视频游戏；实时可视通信；交互式存储媒体应用；演播室技术及电视后 期制作；采用面部动画技术的虚拟会议；多媒体邮件；移动通信条件下的多媒体应用；远 程视频监控；通过删网络等进行的远程数据库业务等。 m p e g 4 主要应用如下： ( 1 ) 应用于因特网视音频广播 由于上网人数与日俱增，传统电视广播的观众逐渐减少，随之而来的便是广告收入的 减少，所以现在的固定式电视广播最终将转向基于t c p i p 的因特网广播，观众的收看方 式也由简单的遥控器选择频道转为网上视频点播。视频点播的概念不是先把节目下载到硬 盘，然后再播放，而是流媒体视频( s 仃e 锄i n gv i d e o ) ，点击即观看，边传输边播放。 现在因特网中播放视音频的有：r e a ln e t w o r k s 公司的r e a lm e d i a ，微软公司的 w i n d o w sm e d i a ，苹果公司的q u i c k t i m e ，它们定义的视音频格式互不兼容，有可能导致 媒体流中难以控制的混乱，而e g 4 为因特网视频应用提供了一系列的标准工具，使 视音频码流具有规范一致性。因此在因特网播放视音频采用m p e g 4 ，应该说是一个安全 的选择。 ( 2 ) 应用于无线通信 m p e g - 4 高效的码率压缩，交互和分级特性尤其适合于在窄带移动网上实现多媒体通 信，未来的手机将变成多媒体移动接收机，不仅可以打移动电视电话、移动上网，还可以 移动接收多媒体广播和收看电视。 ( 3 ) 应用于静止图像压缩 静止图像( 图片) 在因特网中大量使用，现在网上的图片压缩多采用j p e g 技术。 m p e g - 4 中的静止图像( 纹理) 压缩是基于小波变换的，在同样质量条件下，压缩后的文 件大小约是口e g 压缩文件的十分之一。将因特网上使用的口e g 图片转换成m p e g 4 格 式，可以大幅度提高图片在网络中的传输速度。 ( 4 ) 应用于电视电话 传统用于窄带电视电话业务的压缩编码标准，如h 2 6 1 ，采用帧内压缩、帧问压缩、 减少象素和抽帧等办法来降低码率，但编码效率和图像质量都难以令人满意。m p e g 4 的 压缩编码可以做到以极低码率传送质量可以接受的声像信号，使电视电话业务可以在窄带 的公用电话网上实现。 ( 5 ) 应用于计算机图形、动画与仿真 m p e g 一4 特殊的编码方式和强大的交互能力，使得基于m p e g 4 的计算机图形和动画 可以从各种来源的多媒体数据库中获取素材，并实时组合出所需要的结果。因而未来的计 算机图形可以在m p e g 4 语法所允许的范围内向所希望的方向无限发展，产生出今天无 法想象的动画及仿真效果。 ( 6 ) 应用于电子游戏 m p e g 4 可以进行自然图像与声音同人工合成的图像与声音的混合编码，在编码方式 上具有前所未有的灵活性，并且能及时从各种来源的多媒体数据库中调用素材。这可以在 将来产生像电影一样的电子游戏，实现极高自由度的交互式操作。 3 2l d p c 码的介绍 本系统采用的m p e g 4 压缩引擎，对多路视频图像进行压缩。但由于网络上存在的 随机噪声干扰，监控图像通过网络传送时存在数据丢失和出错，如果采用超时重传的方式 又无法满足实时的需要，因此需要通过编码方式纠正网络传输中产生的错误，从而保证网 络监控系统的正常工作。在各类编码技术中，l d p c 码技术特别适合于对网络上的大规模 数据流进行编码。 l d p c 码即低密度奇偶校验码( l o wd e n s 时p a r i t ) rc h e c kc o d e ，l d p c ) ，它由r o b e n g g a l l a g e r 博士于1 9 6 3 年提出的一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，不仅有逼近 s h a n n o n 限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，是近年信道编码领域的研究热 点，目前已广泛应用于航空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域n 刮。l d p c 码已成为第四代通信系统( 4 g ) 强有力的竞争者，而基于l d p c 码的编码方案已经被下一 代卫星数字视频广播标准d v b s 2 采纳。 l d p c 码最早在2 0 世纪6 0 年代由g a l l a g e r 在他的博士论文中提出，但限于当时的技 术条件，缺乏可行的译码算法，此后的3 5 年间基本上被人们忽略，其间由t a n i l e r 在1 9 8 1 年推广了l d p c 码并给出了l d p c 码的图表示，即后来所称的t a l l i l e r 图。1 9 9 3 年b e 玎0 u 等人发现了t u r b o 码，在此基础上，1 9 9 5 年前后m a c k a y 和n e a l 等人对l d p c 码重新进 行了研究，提出了可行的译码算法，从而进一步发现了l d p c 码所具有的良好性能，迅 速引起强烈反响和极大关注n 。经过十几年来的研究和发展，研究人员在各方面都取得了 突破性的进展，l d p c 码的相关技术也日趋成熟，甚至已经开始有了商业化的应用成果， 并进入了无线通信等相关领域的标准。 l d p c 码是通过校验矩阵定义的一类线性码，为使译码可行，在码长较长时需要校验 矩阵满足“稀疏性”，即校验矩阵中1 的密度比较低，也就是要求校验矩阵中1 的个数远 小于0 的个数，并且码长越长，密度就要越低。 由于l d p c 码本质上属于线性码，因此l d p c 码的编码需要定义生成矩阵g 和校验矩 1 4 阵日，编码过程和普通线性码相同。根据线性码的性质，生成矩阵g 与校验矩阵日满足 式础12 0 ，因此只需要构造出校验矩阵日就可以计算出生成矩阵g 1 8 。l d p c 码校验 矩阵的构造方法有很多种，其中g a l l a g a r 提出了基于随机交换和组合思想的构造方法， 由于根据该方法构造的l d p c 码字位于一个完整的线性子空间，因此本文采用上述方法， 具体过程如下： ( 1 )首先选定l p d c 码的码长为刀，有效信息长度为后，校验信息长度为m l 垅2 珂一尼j ， 校验矩阵列重量为f ( f 3 ，朋f - 0 ) 、行重量为歹( 歹i ，力j f = o ) 。 ( 2 ) 构造规模为( 聊7 ) 胛的矩阵风，岛每行含有连续出现的，个l ，其它位置为0 ，且 每行中为1 的列位置与其它行均不相同。 ( 3 ) 将矩阵风各列进行随机交换然后重新排列组成岛，仍，以，_ m f 一1 个同样规模的 矩阵，最后将所有的矩阵组合起来构成校验矩阵日。 l d p c 码的译码算法主要有和积迭代译码算法、位翻转译码算法等算法，其中和积迭代译 码算法( s u m _ p r o d u c t ) 由于译码效率较高，因此得到了广泛应用。该算法属于人工智能中 一类非常重要的概率推理算法，在贝叶斯网上应用局部的消息传递和更新规则，实现最大 后验概率( m a p ) 译码 1 9 。 3 3s o c k e t 编程技术 w i n d o w s 下网络编程的规范w i n d o w ss o c k e t s 是在、聃n d o w s 下得到广泛应用的、开放 的、支持多种协议的网络编程接口。它不仅包含了人们所熟悉的b e r k e l e ys o c k e t 风格的 库函数，也包含了一组针对w i n d o w s 的扩展库函数，以使程序员能充分利用、阢n d o w s 消 息驱动机制进行编程口引。 s o c k e t 接口最初是美国加州的b e r k e l e y 大学的研究人员为了在l 丌x 操作系统下实 现t c p i p 协议而为t c p i p 网络通信开发的一个a p i ，因此又被称为b e r k e l e y s o c k e t 接 口。s o c k e t 接口定义了许多函数和例程，程序员可以用它来开发t c p i p 网络的应用程序， 现在s o c k e t 接口已经成为t c p i p 网络中最为通用的a p i 之一。最初s o c k e t 接口是应用 在l 丌x 系统中，随着w i l l d o w s 操作系统的普及，微软、s u n 公司联合其他计算机软硬 件厂商，开发了w i n d o w s 下的网络编程接口w i n d o w ss o c k e t ，使程序员可以在w i n d o w s 环境下方便的编写基于图形界面的网络程序乜。 s o c k e t 又称为套接字，是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元。它提供了不 同主机间进程通信的端点，这些进程在通信前各自建立一个s o c k e t ，通过调用s o c k e t 的 a p i 实现相互之间通信，而s o c k e t 利用下层的网络通信协议和操作系统的调用完成网络 通信口别。这样就隐藏了网络底层复杂的结构和协议，使操作人员能抽象而简单的对网络进 行操作。 s o c k e t 接口示意图如图3 2 所示： 攀1 h 峄 工王 b a r k e l e y s o c k 日( 套接字) 上。千 嘲络通信协议服务界面( t c p ，i p ) 0千 系统内拨 i 广 i l物理介质( 双绞线) 图3 2s o c k e t 接口示意图 s o c k e t 实质上提供了进程通信的端点，进程通信之前，双方首先必须各自创建一个端 点，否则是没有办法建立联系并相互通信的。正如打电话之前，双方必须各自拥有一台电 话机一样。每一个s o c k e t 都用一个半相关描述： 协议，本地地址，本地端口) 。 一个完整的s o c k e t 则用一个相关描述： 协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口) 。 每一个s o c k e t 有一个本地的唯一s o c k e t 号，由操作系统分配，最重要的是s o c k e t 是 面向客户一服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的s o c k e t 系统调用。客 户随机申请一个s o c k e t 号( 相当于一个想打电话的人可以在任何一台入网的电话上拨叫呼 叫) ；服务器拥有全局公认的s o c k e t ，任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求( 相当 于一个被呼叫的电话拥有一个呼叫方知道的电话号码) 心引。 3 3 1 套接字( s o c k e t ) 分类 套接字有三种类型：流式套接字( s o c ks t r e 气m ) ，数据报套接字( s o c kd g ra m ) 及原始套接字。 ( 1 ) 流式套接字( s o c ks t i 砸蝴) 数据流套接字是最常用的套接字类型，是t c p i p 协议族中t c p 协议使用的接口。它 提供面向连接的、无