摘  要: 介绍了专门用于智能交通系统(ITS)中的视频叠加设备(VDM)的原理和特点,并通过一个收费软件的实例讨论了如何利用VDM设备最大程度地实现监控系统" title="监控系统">监控系统效能。该收费监控系统现已成功地应用于公路收费系统" title="收费系统">收费系统中。

　　关键词: 智能交通系统  数字视频叠加  收费监控系统

　　“人工收费、检测器校核、闭路电视监视、计算机统计管理”的收费站人工收费方式,是根据我国国情确立的公路投资回收方法。在早期的收费系统中,闭路电视监视系统和计算机收费系统是相互脱节的,从闭路电视系统的录像带中无法看到过往车辆的收费金额等数据信息,从计算机收费报表中也无法看到所收的金额对应的车辆、车情等信息。只有将这两套系统有机地结合起来,才能够形成一套完整的监督检查机制^[1]。

　　VDM(Video Digital Mixer)即数据视频混合器,是受广播电视设备中字幕机等技术的启发而研制的一种数据视频混合设备。将它接入到闭路电视系统中,可随时从计算机管理系统中接收收费情况的数据,动态地插入到带有车辆图像的视频画面中。这样,收费站、车道、操作员工号、车型、收费情况等信息在监控系统中一目了然,并可随着收费操作员的操作实时刷新,达到了监督检查的目的。

　　一个好的收费监控综合系统除了能够生成各种报表外,还能优化各种车道设备的控制策略,使得整个系统处于最佳的工作状态,确保系统具有实时性、准确性、可靠性、易用性、易稽查性等各种性能。在不同的设备配置下,VDM的信息显示具有不同安排,VDM显示信息安排得好坏直接影响到收费系统的易稽查性能。经过深入分析VDM设备的原理与特点,笔者开发了一套充分发挥VDM功能的通用收费监控综合系统。

1 VDM设备的原理与特点

　　VDM主要应用于智能交通系统(ITS)中,它具有以下区别于其它视频叠加设备的创新技术^[2]:

　　(1)综合运用了单片机控制技术及计算机通信技术,可与PC机的COM口进行数据通信,便于实现人机交互,可根据需要完成多种功能。

　　(2)透明阴影技术。在字符显示区域设置了一块矩形透明阴影,这样既可以防止白天路面反射的日光及夜间车灯眩光对叠加字符亮度和清晰度产生影响,确保在高亮度背景下看清楚字符叠加信息,又不会影响背景图像的识别。另外,可根据背景图像亮度连续调节阴影的深浅。

　　(3)符合ITS需求的通信协议" title="通信协议">通信协议。将用于监控的视频混合设备同ITS相结合,制定了专门的通信协议,非常适合于路桥收费、卡口监控等场合。

　　设计的VDM由输入模块、输出模块、字符叠加模块和通信模块等四个模块构成,原理框图如图1所示。其中,字符叠加模块是VDM设备的核心。

　　字符叠加模块可以划分为如图1所示的四个模块。其中,模拟开关" title="模拟开关">模拟开关是产生阴影和字符的关键器件,VDM采用了双路模拟开关。第一个模拟开关的两路输入分别是源视频信号及电位器" title="电位器">电位器衰减的视频信号,由阴影控制逻辑电路(即阴影发生器)控制,输出图像具有矩形阴影,被送入第二路模拟开关的输入端;第二路模拟开关的另外一路输入为电平可调的直流信号,开关由字符控制逻辑电路(即字符发生器)控制,从而使输出图像叠加上字符。至于阴影明暗调节和字符亮度调节,则是由电位器来实现的。

矩形阴影实际上就是经过衰减的视频信号,其亮度偏暗,但背景图像仍然可以识别,因此矩形阴影具有透明属性。在ITS中采用透明阴影技术是非常必需的,避免了有限的图片空间信息量的损失和强光背景下叠加字符不可辨识的问题^[3]。

　　阴影发生器、字符发生器对产生阴影、字符的时间难以定位,因此从输入视频中通过同步分离器件分离出场同步信号和行同步信号。同时,利用单稳触发器与电容、电位器组成的延时电路实现阴影字符的上下左右位置、阴影宽度的调节。另外,利用振荡器产生单个象素的时钟,实现字符形状的产生,并且采用计数器对行同步、象素周期进行计数。

　　字符点阵信息是以字节为单位放在显示RAM芯片中的。来自CPU的地址值和计数器产生的计数值经数据选择器选通后送至RAM的地址输入端,读出来的数据产生字符叠加控制信号,由这个信号去控制模拟开关,最终得到字符叠加的效果。256×32点阵阴影区域是由两个计数器与分离出的行同步、场同步相配合来实现的。

　　VDM设备利用EEPROM作为字库字符点阵的存储器,每个字符占用32个字节,4K的空间可以存放128个汉字,可以满足路桥收费、卡口监控等场合的需要。

　　VDM与计算机的通信基于RS-232通信接口^[4],提供了常用信息编码和直接字符寻址两种通信协议。常用信息编码是将VDM显示内容归纳整理而形成若干条命令,所有命令均不超过8字节。该编码协议的特点是以最小的通信信息量满足收费系统的简单需求。直接字符寻址是直接将需要显示的字符在VDM字库中的地址发送给VDM,数据发送量最大时需要65字节。这种方式的特点是可以只修改字库而不需要频繁地修改程序来满足较为复杂的字符显示要求,从而降低了开发成本。

2 VDM设备在收费系统中的应用

　　由分析可知,VDM的两种通信协议的差异体现了最简化需求和个性化需求的差别。在TCS系列收费监控软件系统中采用了直接字符寻址方式,目的是为了充分利用有限的字符显示空间(VDM可叠加显示两行共32个16×16点阵的汉字字符),最大限度地增加监控信息量,提高准确性和监控力度,凸现VDM设备使用优势,同时体现了系统的多样化、个性化设计思想。

　　该系统是采用先收费后拍照的全自动拍照模式的收费系统^[5]。视频录像中VDM的变化全部被录制下来,可以准确无误地稽查收费过程;计算机上方便的数据、图像检索功能及计算机系统的图像捕捉功能提高了稽查效率。VDM显示数据的变化流程图见图2。

　　在关道状态下,VDM显示收费站全称、车道号码以及表明关道状态的字样。此时如有异常车辆进入该车道,即被检测线圈捕获车辆信号并拍照。此时照片上保留收费站全称、车道号码、关道字样(图中①)。

　　收费员上班登录后,VDM的32个字符显示区域被划分为3个区,每一行的最左边两个字位是logo区,用来显示收费站名(最多4个字,图中XXXX位置);第一行是固定信息区,始终显示车道号码和收费员工号;第二行是可变信息区。

　　车道空闲时,第二行信息区没有文字显示(图中②)。当车辆接近收费站时,收费员目测判定车型并将其输入,VDM显示车型代码和应缴费额(图中④)。如果VDM文字显示为②,车辆驶过收费区,检测线圈检测到车辆信号,VDM在可变信息区叠加“闯道”字样,捕捉到照片上,如图中③。如果VDM文字显示为④,车辆驶过收费区,检测线圈检测到车辆信号,VDM在可变信息区叠加车型代码和“闯道”字样,捕捉到照片上,如图中⑤。当收费员收费操作完成时,VDM在可变信息区叠加车型代码、“收费”字样和收费金额,拦道器打开,车辆正常通行,抓拍图片信息,如图中⑥;免费车辆免费操作完成,叠加车型代码、“免费”字样,拦道器打开,车辆正常通行,抓拍图片信息,如图中⑦;如为IC卡式月票,系统经过查询获得通行车辆的车牌照号码,VDM在可变信息区叠加车型代码、“IC”字样和车牌照号码,拦道器打开,车辆正常通行,抓拍图片信息,如图中⑧。③、⑤、⑥、⑦、⑧状态下拍照完成后,VDM显示恢复为②状态。

　　本系统具有如下的特点:

　　(1)可扩展性好。字库里的字符和程序之间是相互独立的关系,改写字库里的字符点阵,就可以满足用户对不同字符的需求;收费系统中也留有接口,除了正常收费类型外,还可实现具有传统月票、IC月票、传统免费、IC免费、免费车队、收费车队等各种通行特征的通行类型。

　　(2)图片归属易识别。收费站上级管理部门管理多个站时,需要将多个收费站的图片进行汇总,图片汇总后,管理人员可以通过VDM显示的Logo方便地知道图片来自于哪个收费站。同时,Logo的使用还有助于保护软件开发商的知识产权权益。

　　(3)软件通用性好。编写软件时,首先创建一个与VDM设备通讯的OCX控件,功能包括进行显示字符到地址编码的转换、VDM命令生成和命令发送。这个OCX控件实现了应用软件对VDM的透明操作。当VDM更换了字库时,软件系统也只需要更换一下OCX读取的字库地址转换编码表,程序不需要进行VDM驱动OCX控件定制,就可以应用于不同的收费站。

　　(4)捕捉图片与录像便于稽查。收费过程中的每个状态都有对应的VDM显示界面和数据信息,图片与录像上不断更新的VDM信息使得稽查收费员的违规行为、车辆闯道行为变得非常简单。

　　VDM设备增强了监控力度,正在收费系统工程中快速推广。TCS系列收费监控软件也以多项优异的性能被广泛应用在石家庄、呼和浩特、包头、赤峰等地的十余个收费站,可靠运行达一年以上,用户评价较高,正在创造着良好的经济效益和社会效益。

　　目前新型号(VDM-4)已研制成功^[6],该技术获得两项国家专利局颁发的新型实用专利证书,并通过省级鉴定。它具有全屏幕范围的字符叠加显示,字库扩大,点阵更细腻,且提供了字库自定义、实时时钟显示等更新、更有利于监控的新功能。

参考文献

1 谢瑞和,赵晓光.路桥多媒体收费监视与管理系统的设计与实现.华中理工大学学报，1999；27(12)：13～15

2 曹立进,沈庆宏.ITS中VDM设备的研究与实现.交通与计算机,2000；18(91):18～21

3 蒋双梅,曹立进.一种按钮式数字电位器在视频数据混合器中的应用.微电子学,2001；31(1):74～75

4 郑 江,都思丹,高敦堂.基于GENIE3.0的生产过程控制设计.数据采集与处理，2000；15(3):358～362

5 张铁岩,曲 飞.高速公路收费站图像多媒体自动抓拍技术的实现.黑龙江电子技术,1999；(12)：4～5，28

6 袁 杰,沈庆宏.采用大规模专用OSDC芯片的数字视频混合器研究.南京大学学报,2003；18(1)：39～42