0010第三章交通信息处理技术

第三章交通信息处理技术主要内容：1、数据压缩处理技术2、交通信息融合处理技术3、交通流与行程时间预测技术第一节数据压缩处理技术一、数据压缩的必要性1、数据压缩的必要性原始采集的数据，特别是视频检测数据非常大，若不进行数据压缩，将严重影响传输效率。例如一帧640×480像素、24比特颜色编码的画面，在650M容量的CD－ROM光盘上能存储多长的活动图像？第一节数据压缩处理技术2、数据压缩的目的采用各种方法去除冗余，以尽量少的数据量来表示和重建图像。（1）冗余冗余是指信息所具有的各种性质中多余的无用空间，其多余的程度叫做“冗余度”。信息量、数据量和冗余量之间的关系式：I=D-duI代表信息量D表示数据量du是冗余量第一节数据压缩处理技术（2）冗余的分类知识冗余、结构冗余、空间冗余、时间冗余、信息熵冗余等。知识冗余：人类一旦掌握了知识，凭借经验就可辨别事物，无须进行全面的比较和辨别。结构冗余：在数字化图像中，具有规则纹理的表面、大面积相互重叠的相同图案，规则有序排列的图形等结构，都存在数据冗余，这种结构上的冗余叫做“结构冗余”。空间冗余：在同一幅图像中，规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性，这些相关的光成像结构在数字化图像中就表现为数据冗余。第一节数据压缩处理技术时间冗余：这是序列图像和语音数据中所经常包含的冗余。序列图像一般是位于一时间轴区间的一组连续画面，前后帧之间具有很强的相关性。当播放该图象序列时，随着时间的推移，若干帧画面的某些地方发生了变化，但有的部位却没有变化，这就形成了时间冗余。信息熵冗余：是指数据所携带的信息量少于数据本身所反映出来的数据冗余。例如若信号｛a1，a2｝的概率分别为P(a1)=0.9,P(a2)=0.1,则信号的平均信息量为H(x)=－(0.9×log20.9+0.1×log20.1)=0.467(bit)用二进制数据表示这两个信号时需用1bit显然出现了数据冗余。第一节数据压缩处理技术3、数据压缩的评价数据压缩方法的优劣主要由所能达到的压缩倍数、从压缩后的数据所能恢复（或称重建）的图像（或声音）质量、以及压缩和解压缩的速度等几方面来评价。压缩的倍数也称压缩率，通常有两种衡量的方法（1）由压缩前与压缩后的总的数据量之比来表示例如，一幅1024×768像素点组成的黑白图像，每像素具有8bit，通过使其分辨率降低为512×384，又经数据压缩使每个像素平均仅用0.5bit，则压缩倍数为64倍，或称其压缩率为1:64。（2）用压缩后的比特流中每个显示像素的平均比特数bpdp（bitperdisplayedpixel）来表示例如，以15000字节存储一幅256×240的图像，则压缩率为（15000×8）/（256×240）=2比特/像素第一节数据压缩处理技术4、数据压缩的分类数据压缩也称为数据编码。（1）无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而不引起任何失真，但压缩率受到数据统计冗余度的理论限制，一般为2:1到5:1。应用范围：文本数据、程序、特殊场合的图像数据（如指纹图像、医学图像等）。第一节数据压缩处理技术（2）有损压缩利用人类视觉对图像中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息，所损失的信息不影响对原始图像的理解。应用范围：语言、图像、视频数据。第一节数据压缩处理技术二、静态图像的压缩标准JPEG1、JPEG标准JPEG（jointphotographicexpertsgroup）是一个负责制定静态数字图像数据压缩编码标准的专家组，他们开发的算法称为JPEG算法，又称为JPEG标准。JPEG标准主要用于静态图像数据压缩，例如电子抓拍图像。JPEG文件的扩展名为.jpg或.jpeg，它用有损压缩方式去除冗余的图像和彩色数据，获取得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。第一节数据压缩处理技术2、JPEG包括两种基本压缩算法采用以离散余弦变换(DCTdiscretecosinetransform)为基础的有损压缩算法例如在压缩比为1:25的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别。采用以预测技术为基础的无损压缩算法第一节数据压缩处理技术3、JPEG原理JPEG有损压缩利用人视觉系统特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息。第一节数据压缩处理技术（1）DCT变换离散余弦变换DCT是数码率压缩需要常用的一个变换编码方法。DCT是先将整体图像分成N*N像素块，然后对N*N像素块逐一进行DCT变换。由于大多数图像的高频分量较小，相应于图像高频分量的系数经常为零，加上人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，传送变换系数的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值，虽然会有一定的失真，但人眼是可以接受的。第一节数据压缩处理技术DCT变换公式正变换10100,0,),(1)0,0(NxNyvuyxfNF10101,,2,10,,)12(2cos),(2)0,(NxNyNuvuxNyxfNuF10101,,2,10,,)12(2cos),(2),0(NxNyNvuvyNyxfNvF1,,2,1,)12(2cos)12(2cos),(2),(1010NvuvyNuxNyxfNvuFNxNyF(0,0)F(u,0)F(0,v)F(u,v)第一节数据压缩处理技术DCT反变换11111111)12(2cos)12(2cos),(2)12(2cos),0(2)12(2cos)0,(2)0,0(1),(NuNvNvNuvyNuxNvuFNvyNvFNuxNuFNFNyxf第一节数据压缩处理技术DCT变换过程由图像内取出一个区块，分成8×8个像素的64格阵列，即由图(a)转变为图(b)。经过对逐个像素的亮度（或讨论色度）数值取样，并将像素的亮度数值列成矩阵形表格，见图（C）。然后利用离散余弦变换（DCT）可将各空间取样值转变为频率域的数值，这里称为DCT系数。可得到64个DCT系数，转换为图（d）矩形阵列表格。第一节数据压缩处理技术DCT变换的结果：大体上，沿左上到右下的方向DCT系数（绝对值）是依次递减的。所以，也就是说一个图像的DCT低频系数分布在DCT系数矩阵的左上角，高频系数分布在右下角。第一节数据压缩处理技术（2）量化表对于前面得到的64个空间频率振幅值,将对它们作幅度分层量化操作，方法就是分别除以量化表里对应值并四舍五入。基于事实上人眼对高频率远没有低频敏感的情况，JPEG给出了量度和色度量化值表，见表3-1，p53。亮度量化值色度量化值第一节数据压缩处理技术（3）Z字形编排量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的“0”系数的个数，就是“0”的游程长度，方法是按照Z字形的式样编排，如下图所示。这样就把一个8*8的矩阵变成一个1*64的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。第一节数据压缩处理技术（4）直流系数的编码8*8图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二是相邻8*8图像块的DC系数值变化不大（具有一定的相关性）。根据这个特点，JPEG算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值(Delta)进行编码，Delta＝DC(0,0)i-DC(0,0)i-1DCi-1DCiblocki-1blocki差=DCi-DCi-1第一节数据压缩处理技术（5）交流系数编码量化AC系数的特点是1*64矢量中包含有许多“0”系数，并且许多“0”是连续的，因此使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)对它们进行编码。第一节数据压缩处理技术（6）熵编码为了进一步压缩数据,需对DC码和AC行程编码的码字再做基于统计特性的熵编码。JPEG建议的熵编码是Huffman编码和自适应二进制算术编码。（7）把各种标记代码和编码后的图像数据组成一帧一帧的数据，以便存储、传输和译码，称为JPEG数据流。第一节数据压缩处理技术三、MPEG编码1、MPEG(MovingPicturesExpertsGroup，运动图像专家组)是目前视频压缩的重要技术之一，它利用运动补偿帧间压缩编码技术以减小时间冗余度，利用DCT技术减小图像的空间冗余度，利用熵编码减小了统计冗余度。例如：高速公路图像传输处理，VCD节目制作MPEG数字编码标准–MPEG-1支持1.5Mbps传输率的视频图像和声音–MPEG-2针对高清电视(HDTV)，支持10Mbps传输率–MPEG-4适用于音频视频服务及远程监控，是一个有交互性的动态图像标准第三节微波采集检测技术2、MPEG-1基本任务：是将图像（包括伴音）转换成计算机数据，与已有的数据（如文字、绘图等数据）在计算机内兼容，并且能在计算机网络和广播电视等通信网络中兼容传输。组成部分：MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统解决的问题：视频压缩、音频压缩和多种压缩数据流的复合和同步第一节数据压缩处理技术编码和解码过程第一节数据压缩处理技术3、MPEG-2是MPEG-1标准的扩展，主要针对高清电视HDTV，传输速率10Mbps。4、MPEG-4适用于音频视频服务及远程监控，是一个有交互性的动态图像标准基本思想：根据图像的内容将图像分割成不同的视频对象VO（VideoObject），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，则尽可能的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。应用场合：数字电视、交互式的图形应用（内容合成技术）、交互式多媒体（例如监控系统）。第一节数据压缩处理技术四、音频压缩编码语音信号的传输在交通信息领域的应用主要表现：调度电话、交通广播信息。音频压缩编码标准主要：波形编码，参数编码，混合编码。1、波形编码–特点：将信号的时域波形进行抽样量化编码–模数转换过程：•取样：在时间轴上对信号离散化•量化：在幅度轴上对信号数字化•编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据第一节数据压缩处理技术（1）脉冲编码调制（PCM编码）原理：第一节数据压缩处理技术（2）差分脉冲编码（DPCM，differentialpulsecodemodulation）利用样本与样本之间存在的信息冗余度来进行编码的一种数据压缩技术；思路：根据过去的样本去估算(estimate)下一个样本信号的幅度大小，称为预测值，然后对实际信号值与预测值之差进行量化编码，由于差值的取值的动态范围小了很多，因此就减少了表示每个样本信号的位数。第一节数据压缩处理技术（3）AdaptiveDifferentialPCM核心思想–利用自适应的思想改变量化阶的大小，即使用小的量化阶去编码小的差值，使用大的量化阶去编码大的差值：variablequantizationlevels–使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值，使实际样本值和预测值之间的差值总是最小：variablepredictorcoefficients第二节交通信息融合处理技术一、信息融合的相关概念1、信息融合的背景利用多个传感器获得的多种信息，得出对环境或对象特征的全面、正确认识，克服了单一传感器给系统带来的误报风险大、可靠性和容错性低的缺点。•多传感器之间的冗余数据增强了系统的可靠性•传感器之间的互补数据扩展了单一传感器的性能2、信息融合的目标基于各种传感器分离观测信息，通过对信息的优化组合导出更多的有效信息，得到最佳协同作用的结果。3、信息融合的目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势来提高整个系统的有效性。第二节交通信息融合处理技术4、信息融合的定义通过中心数据处理器把来自多个传感器的数据进行综合，把各种