视频GIS数据采集系统的设计与实现.pdf

2 0 0 8年 4月 第 6卷 第 2 期 地理空间信息 GEOS PATI AL I NFORMATI ON Ap r 2 0 08 Vo 1 6 No 2 视频 G I S数据采集系统的设计与实现 郭 浩 孔云峰 河南 大学 中澳地理信息分析与应用研究所 河南 开封 4 7 5 0 0 4 摘 要 视频 G I S数据采集 系统是将地理信息与视频影像 实时 自动 集成 生成空间位 置与视 频影像相融合的超视 频信息 在视频 G I S数据模型原理的基础上提 出了在视频采集的 同时 按 照一 定的时间或空间间隔 记 录地理 坐标 速度和相对应 的视 频帧数 通过建 立视 频时间或视频 帧与其地理位置 坐标 速度的对 照表 来实现视频数据 与空间地理数据 的有机 集 成 并详 细的阐述 了该 系统的设计和 实现 关键 词 地理信 息 系统 视频 G I S 视频采集 G P S VF w 中图分类号 P 2 0 8 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 2 4 6 2 3 2 0 0 8 0 2 0 0 8 1 0 3 De s i g n a n d I mpl e m e n t a t i o n o f Vi d e o GI S Da t a Ca pt ur e S ys t e m GU0 Ha o K ONG Yu n f e n g C h i n a A u s t r a l i a C o o p e r a t i v e R e s e a r c h C e n t e r f o r G e o g r a p h i c I n fo r m a t i o n A n a l y s i s a n d A p p l i c a t i o n s H e n a n U n i v e r s i t y K a i f e n g 4 7 5 0 0 4 C h i n a Abs t r a c t A v i d e o c a pt u r e s y s t e m i n Vi d e o GI S a i ms a t c o mb i n i n g g e o r e f e r e n c e d v i d e o i n for ma t i o n wi t h t r a d i t i o n a l g e o g r a p hi c i nfor ma t i o n a n d e s t a b l i s h i n t r i n s i c l i n k b e t we e n v i d e o s p a c e a n d ma p s p a c e i n o r d e r t o p r o v i d e a mo r e c o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n g o v e r s p a t i a l o b j e c t a n d s p a t i a l p h e n o m e n o n A w a y o f i n t e g r a t i n g v i d e o d a t a w i t h s p a t i a l d a t a i s d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r t h a t wh i l e c a p t u r i n g v i d e o t he y a r e b e i n g r e c o r d e d o f g e o g r a p h i c c o o r di na t e s s p e e d a n d t h e c o r r e s p o nd i n g v i d e o f r a me c o un t i n a c e r t a i n i n t e r v a l o f t i me o r s p a c e a n d t h e n t h e c h a r t i s e s t a b l i s he d o f v i d e o t i me o r vi d e o f r a me wi t h l o c a t i o n c o o r d i n a t e s a n d s p e e d I t wa s i n t r o d u c e d d e s i g n a n d i mp l e me nt a t i o n o f t he s y s t e m i n d e t a i l Ke y wo r ds GI S Vi d e o GI S v i d e o c a p t u r e GPS VFW 视频 G I S是一个新兴的多媒体 G I S 研究视频信 息与地理空间信息的综合与交互应用 常规 的多媒 体 G 1 S是将视频数据当作地理实体的特殊属性 通过 空 间链接 的方 式播放 视频信 息 而视 频 G I S建 立 空 间位 置和视 频 帧像 空间之 间 内在 关联 支持 地 图与视 频之 间 的交互操 作 可 应用 于公 路 铁 路 河流 等线 性设施 的管理 考 虑空 间位 置和视频数 据 建立视 频 G I S数 据模 型的研 究国内外尚不多见 但也有一些研究取得 了成 果 3 7 K y o n g H o K i m提 出 了 G e o V i d e c的概念 即把 视频本身作为一个 G I S系统 基于视频本身进行地图 浏 览 查询 编辑 空 间分析 等地 理操 作 il l B e r r y 2 0 0 0 提 出了视频地图系统框架 即在视频的一个声道 中记录精确的位置和时间数据 并提 出了数据的外业采 集 内业处理与 实际应用 方案 3 1 N a v a r r e t e 2 0 0 2 将 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 0 5 项 目来源 河南省高等学校创 新人才基 金资助项 目 视频影像和地理信息相结合 即建立视频片断的地理索 引 生成 能在地理 环境 中调用 的超视 频 h y p e r v i d e o S e u n g Y o n g L e e 2 0 0 3 2 0 0 6 提 出 了移 动 制 图 系统 4 S V a n的设计 国内武汉大学开发的移动测量系统 MMS 综合用 GP S 全 球定位 系统 CC D 视频 系 统 I NS 惯 性 导航 系统 或航 位推 算 系统 等技 术 快速 采 集道路及 道路 两旁地物 的空间位 置数据 和属性 数 据 孔 云峰 2 0 0 7 在应 用 项 目中完成 了一 个公路 视 频 G I S 实现 了视 频和地 图的同步播放和 交互 查询 综合 地理信 息的视 频数据模 型是视频 GI S 的核 心 数 据 采 集 编辑 和 交互操 作是 其 关键 技 术 本 文尝试 利 用 G P S 和数码视 频技 术 设 计视频 数据 采集 系统 提 出 系统 的 实现 方法和程序 设计技 巧 为视 频 GI S应 用 奠定基础 维普资讯 8 2 地 理 空 间信 息 第 6 卷第 2期 1 数据采集 系统的总体 方案设计 视 频 G I S数据模 型原 理是在视 频数据 中加 入地理 位 置和其他 辅助信 息 同时 在地理 数据 中加 入视频 数据 的位 置或线路 信 息 并设 计元数 据 对 视 频数据 作概要 描述 方便 超视频 数据 的 查询 和检 索 本文提 出在视频采集的同时 按照一定的时间或空间间隔 记 录地 理 坐标 速度 和相对 应 的视 频 帧数 并将 它们保 存在一个独立的文件中 通过建立关键视频帧与其地 理位置坐标 速度的对照表 实现视频数据与空间地 理数据 的交互式查询 本 系统分 为 两个模 块 视 频影像 采 集模 块 和 空间 信息采集模块 视频影像采集模块接收从摄像头或其 他视 频输入设 备输 入 的连续视 频 图像 实时显 示并记 录视频帧数 然后存入计算机硬盘中 形成地物的视 频数据 空间信 息采 集模 块主 要是 通过 G P S接 收机采 集地物 的地 理 坐标 记录摄 像 头的位 移速度 并 同时 记 录与 当前视 频采 集 的视 频 帧数 通 过 简单 插值 方法 对 地理 坐标 进行插值 生成 包含 空 问地 理信 息 的视 频 索 引文本 文件 数据 采集流程 图如 图 1 所 示 视频采集 模块 1 lJ 息采 模映 l J j 始 七 C c D摄像机 初始 L GP S 接收机 I 一 一 一一 i一 视频采集参数设 读 j I S 到缓 l l lx 一一 捕 捉 每 帧 视 频 数 lfj 经 纬 堕 述 1一 一 r 度 1 衙 的 r l l l 频 帧 数 C cd e c 史 州 jK 视 频 频 I rJt l 一一 一 生 一 一 一 流 e 划地理嫩标进行 值计算 l 一 A v I n m 屯 地娜 n t 数批 I 1 磁 船艾什 V i d e o I t I 妞 税频索0 J Vid e o A VI 文f 小 史件 图 1 数 据 采 集 流 程 图 2 数据采集系统的软硬件组成 2 1 系统硬件组成 系统的硬件部 分主要 包括 C C D数 字摄像 头 G P S 接 收机 便携 式 电脑 C C D数 字摄 像 头和 GP S 接 收机 通 过 US B接 口和便携 式 电脑相 连 C C D数 字摄像 头把 图像转化为数字视频信号通过 U S B接 1 3 存储在计算机 硬盘中 同时计算机通过 串口通信技术记录 G P S接收 机上 的 G P S数 字信息 2 2 系统软件部分 系统 的软 件部 分是一个基 于 V F W V i d e o f o r Wi n d o w 和 MS C o mm控件 的多线程应 用程序 用 V C 6 0 编 写 VF w 是 Mi c r o s o f t 公 司推 出的 关于数字视 频开发 的一个软 件 包 包含 一整 套 关于视 频采 集 编码 解 码 回放和 编辑的应 用程 序接 口 VF w 不依 赖 于硬 件 提供 的接 口可 以被 大多数 的视频 采 集卡所 支持 vF w 的 A V I C a p窗口类能够直接访 问视频缓冲区 而不需要 生成 中间文件 具有很 强的 实时性 MS C o mm控件 是 Mi c r o s o f t公司开发 的专门用于串口通讯的控件 利用 MS C o m m控件编程原理上比较简单 实现容易 不必 了解 细节 3 数据采集 系统的实现 3 1 视频 影像数据 的采集 视 频采集 系统软件 部分 的核 心是 对 V F w 函数 的一 系列操作 其 主要 实现 流程如 图 2 图 2 视 频捕捉流 程图 首先必须使用A VI C a p 窗口类创建一个与视频硬件 相 连 的捕获 窗 它是 所有 的视 频捕获 操作 及其他 设 置 的基础 其 次设 置视 频 格 式 预 览模 式 预 览模 式 的 显示速率等参数 再次设置必要 的系统回调函数 如 出错处理 流捕获或帧捕获等回调函数 并通过相应 的宏 注 册 回调 函数 视 频数 据 的采集是 整 个应用 的 关 键 根据应 用 的 不同可 以将视频 帧存储 到 的文件 或采 集到缓存 直接 加 以处理 系统对 视频数 据 进行 实时压 缩后 再存 入硬 盘 最后 终止捕捉 断开连接 释放 系 统 资源 如何把视频帧数传递给 G P S数据采集线程 在视 频采 集 系统 中 自定 义 了全局 变量 i n t n f a me 用 于记录 写入视频文件 中的当前帧数 n ff a me在系统中有多个 线程 共 享 可 能被 同时访 问 必须 定 义一个 临界 区对 象C C r i t i c a l S e c t i o n c r i t i c a l s e c t i o n 解决资源的访问冲突 实现与 G P S数据采集模块线程的通信 在视频捕捉过 程中并非所有的捕捉的视频帧都被写入视频文件中 视 频捕捉存在丢失帧的现象 在 C A P S T A T U S数据结构 维普资讯 第 6卷第 2期 郭浩 等 视频 GI S数据 采集 系统 的设 计与 实现 8 3 中的d w C u r r e n t V i d e o F r a me 参数表示捕捉的当前所捕捉 的视频帧数 d w C u r r e n t V i d e o F r a me s D r o p p e d参数表示 当前丢失的帧数 两者相减即为记录到视频文件 中的 当前视频帧数 在 G P S数据采集的同时记录这个变量 c r i t i c a l s e c t i o n Lo c k nf r a me d wCu r r e n t Vi d e o F r a me d wCu r r e n t Vi d e o F r a me s Dr o p pe d c r i t i c a l s e c t i o n Un l o c k 另外 没有 经过压缩 的原始 A VI 格 式数据 R a w D a t a 的数 据 量是相 当大的 因此数据 的 实时压 缩是 视频 采集 系统 必须要解 决的 问题 为解决这 一 问题 我 们可 以使用 Wi n d o w s自带 C o d e c C o mp r e s s o r De c o m p r e s s o r 编解码 器 也可 以使 用第三 方厂 商给我们 提 供的各种通用和专用的 C o d e c 综合考虑本系统最终采 用 I n t e l I n d e o V i d e o 5 1 0编解码 器进行 A V I 文件压 缩 满足 实时压缩 的需求 3 2空间信息 的采集 U S B接 口的 G P S接收机把 G P S模块 天线和 串 口 U S B片集成在一起 通过串口 US B接 口转换 器 并 安装驱动程序可以把 US B接 口模拟成串口 因此 G P S 数据接 收程序应用串口编程具有可移植性 系统使用 微软公 司开发 MS C o mm控 件 实现 串 12 1 通信 在进行 串口通信 时 必须先打开 串口并初始化 然后 才 能开 始数据 的发 送 和接 收 通信 完成后 应及 时 关闭串口 串口初始化主要用 C MS C o m m 类提供的方 法完成对 串1 2 1 的参数的设置 包括使用的端口 通信 波特率 数据位数 奇偶校检 停止位数等参数 参 数 设置后 就可 以打开 串口开始接 收数 据 G P S数据 的读取 主要 使用 C MS C o mm 类成 员函数 Ge t I n p u t 在 O n C o mm 事件 中来完成对缓冲区数据流的 接 收操作 从 G e t I n p u t 函数 返 回的值 是 V A R I A NT类型 数 据 因此 对二进 制数据 与 V AR I ANT类型 数据 的转换 是主要难 点 C O l e S a f e A r r a y类可 以直接接 受 V A R I A NT 类型 的变量 因此 引入一 个 C O l e S a f e A r r a y类 的对 象 先把 V A RIA N T 类型 的值 存入 到该对 象中 然后调 用 C O l e S a f e A r r a y 类的 G e t E l e me n t 方法把数据存 入缓 冲 区 最后把缓冲区的数据传给字符 串对 象 为下一步数据 分析做 准备 串口通信遵 守一 定的通 信协议 进行 传输 要 获 取 GP S中的所需数据 必须对 G P S数据进行解译 对遵 循NME A0 1 8 3 协议 的读取 G P S 数据 的分析 处理方法为 先分析 G P S语句的结束标志 C R和 L F以找出最新的 G P S 语 句 再根 据 G P S数据 格 式规 定 的数 据顺序 位 数以及数据分割符等特征提取各个字段 由于 GP S 的数据 读入 是一秒 中处理 一次 因此要用 S e t T i me r函 数设置一个定时器 每秒发送一次 WM T I ME R消息 在 O n T i me r函数 中响应 wM T I ME R消息 分析处理 G P S数据 同时记下相对应的视频帧数 最后经纬度 速度 和对 应 帧数等 写入 与视 频 文件相 对应 的 同名 文本 文件 中 形成 包含地 理 空 间信 息 的原始 索 引文件 退 出系统 时 调用 Ki l l T i me r函数 关闭定时 器 3 3 视 频索引文件的生成 视 频采 集频率和 G P S接 收机频 率不 同导致视 频 帧 数 多于 G P S数据 接 收次数 视 频 帧不能和 空间位置一 一 对 应 因此在 空间采 集模块 生成 的原始 索 引文件 的 基础上 通过线性 内插的方法计算 出每一视频帧所对 应 的地理 位 置 坐标 重新 写入 新 的文本 文件 中 完成 视频 索引文件 的生 成 实现视 频帧 与空 间位置 的一一 对应 拍摄过程 中车速的变化影响 必须根据车速的变 化采取 不 同的插值 方法 对地 理位置 的插值 方法如下 设 当前 帧号 为 介 于 关键 帧号 和 之 间 州和 分别 为关键 帧 号知 和 啦的速度 Y 和 X k e y y k y 2 为视 频帧 和知 多对 应 的空 间坐标 当工程车 匀速运 动时 孕 一 砺 J k e y 2 J r c 研 c u r k e y l z 当工程 车 匀变速运 动 启动 刹 车停 止的 过程在 短 时间 内可看 成 匀变速 运动 时 X k ey 2 X f 魁 2一 4结语 本 系统的创新之 处是 建立一个 G I S 基本数据模 型 即对视 频数 据 和地理 空 间信 息进行 了有机 集成 生成 了适合视频 G I S的元数据 实践表明 本系统提 出的 基本思想和技术方案是可行的 系统具有文件结构简 单 采集获得的每个视频文件只对应一个索引文件 采 集过程中无需人 为干涉等特点 在公路 养护 河流整 治 城市管理等领域 中有极 高的应用价值 同时需要 指出 本 系统还是一个实验 系统 尚需进一步完善 以 形成 完善 实用的数据 采集 系统 本 系统仅 仅是视 频 G I S 的一个 开端 展 望 未来 还有很多工作 其主要有 1 对于系统本身需利用动 维普资讯 2 0 0 8年 4月 第 6卷 第 2 期 地理空间信息 GE OS P AT I AL I NF 0RMAT 1 0N Ap r 2 0 0 8 Vo 1 6 No 2 基于 A r c S D E的人防地理信息系统数据库设计 李 国慧 潍坊学院 山东 潍坊 2 6 1 0 6 1 摘 要 根据某市人防空间和属性数据 的特 点 阐述 了人 防地理信 息系统数据 库的设计 原则 介 绍了基 于A r c S D E的人 防 地理信息 系统数据 库的体 系结构 建库总体 方案和 建库 总体 流程 数 据库的建立为城市防空指挥 自动化 建设提供 了有 力的 技术支持 关键词 地理 信息系统 人 防地理信 息 系统 A r c S D E g e o d a t a b a s e 数据库 中图分类号 P 2 0 8 文献标志码 B 文章编号 l 6 7 2 4 6 2 3 2 0 0 8 0 2 0 0 8 4 0 3 De s i g n o f GI S Da t a ba s e f o r Ci vi l Ai r De f e ns e Ba s e d o n Ar c SDE L I Gu o h u i We i f a n g U n i v e r s i t y We i f a n g 2 6 1 0 6 1 C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s p a c e a n d a t t r i b u t e d a t a f o r u r b a n a i r d e f e n s e t h i s p a pe r de s c r i be d d e s i g n p r i n c i p l e s o f t h e a i r d e f e n s e GI S d a t a b a s e i n t r o d u c e d a r c h i t e c t u r e p l a n a n d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s 0 f t h e d a t a b a s e b a s e d o n Ar c S D E B u i l d i n g t h e d a t a b a s e p r o v i d e s a s t r o n g t e c h n i c a l s u p p o a f o r t h e u r b a n air d e f e n s e c o mma n d K e y wo r ds GI S GI S for c i v i l a i r d e f e ns e Ar c S DE g e o d a t a b a s e d a t a ba s e 具有一定规模的城市通常是一定地 区范围内的政 治 经济 文化 军事 中心和交通枢纽 既是人 类生 产和生活的空间场所 也是军事活动的重要载体 所 以 现代城市是重要的军事 目标 是战争实力和潜力 的标志 必将成为战争争夺的焦点 更是决定战局的 重要战场 川 一旦爆发局部战争 敌我双方将不可避 免的围绕一些重要城市展开一系列的争夺战 因此研 究城市人 防地 理信 息 系统 加 强人 防指挥 自动化 建设 具有 重要 的现 实意 义 2 3 1 收稿 日期 2 0 0 7 0 3 2 7 已 j 已 j C一 已j 已j C j I 已 态差分 G P S 技术提高数据精度 2 基于 G I S线性参照 模型 采用 E S R I S h a p e F i l e数据格式 建立视频影像 索引图层 实现从地图到视频影像查询 3 对于视频 G I S应 用 还 需要开发 专 门的 交互查询 与动 态播 放 系 统 用于公路 街道 河流等设施的管理 参 考文献 1 Ki m K H Ki m S S Le e S H Th e I n t e r a c t i v e Ge o g r a p h i c Vi d e o I GARS S 0 3 P r o c e e d i n g s C T o u l o u s e F r a n c e I EE E I n t e r n a t i o na 1 2 0 0 3 5 9 6 1 2 C