0010第三章交通信息处理技术

1、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数据压压缩处理理技术一、数据据压缩的的必要性性1、数据据压缩的的必要性原始采集集的数据据，特别别是视频频检测数数据非常常大，若若不进行行数据压压缩，将将严重影影响传输输效率。例如一帧帧640480像像素、24比特特颜色编编码的画画面，在在650M容量量的CDROM光盘盘上能存存储多长长的活动动图像？第一节数数据压压缩处理理技术2、数据据压缩的的目的采用各种种方法去去除冗余余，以尽尽量少的的数据量量来表示示和重建建图像。（1）冗余冗余是指信息息所具有有的各种种性质中中多余的的无用空空

2、间，其其多余的的程度叫叫做“冗冗余度”。信息量、数据量量和冗余余量之间间的关系系式：I =D-duI代表信信息量D表示数数据量du是冗冗余量第一节数数据压压缩处理理技术（2）冗冗余的分分类知识冗余余、结构构冗余、空间冗冗余、时时间冗余余、信息息熵冗余余等。知识冗余余：人类一旦旦掌握了了知识，凭借经经验就可可辨别事事物，无无须进行行全面的的比较和和辨别。结构冗余余：在数字化化图像中中，具有有规则纹纹理的表表面、大面积相相互重叠叠的相同同图案，规则有有序排列列的图形形等结构，都存在在数据冗冗余，这这种结构构上的冗冗余叫做做“结构构冗余”。空间冗余余：在同一幅幅图像中中，规则则物体和和规则背背景的表

3、表面物理理特性具具有相关关性，这这些相关关的光成成像结构构在数字字化图像像中就表表现为数数据冗余余。第一节数数据压压缩处理理技术时间冗余余：这是是序列图图像和语语音数据据中所经经常包含含的冗余余。序列列图像一一般是位位于一时时间轴区区间的一一组连续续画面，前后帧帧之间具具有很强强的相关关性。当当播放该该图象序序列时，随着时时间的推推移，若若干帧画画面的某某些地方方发生了了变化，但有的的部位却却没有变变化，这这就形成成了时间间冗余。信息熵冗冗余：是是指数据据所携带带的信息息量少于于数据本本身所反反映出来来的数据据冗余。例如若信号a1，a2的概率率分别为为P(a1)=0.9,P(a2)=0.1,则

4、信号的的平均信信息量为为H(x)=(0.9log20.9+0.1log20.1)=0.467(bit)用二进制制数据表表示这两两个信号号时需用用1bit显然然出现了了数据冗余余。第一节数数据压压缩处理理技术3、数据压压缩的评评价数据压缩缩方法的的优劣主主要由所所能达到到的压缩缩倍数、从压缩缩后的数数据所能能恢复（或称重重建）的的图像（或声音音）质量量、以及及压缩和和解压缩缩的速度度等几方方面来评评价。压压缩的倍倍数也称称压缩率率，通常常有两种种衡量的的方法（1）由压缩缩前与压压缩后的的总的数数据量之之比来表表示例如，一一幅1024768像素点组组成的黑黑白图像像，每像像素具有有8bit，通过使

5、使其分辨辨率降低低为512384，又经数数据压缩缩使每个个像素平平均仅用用0.5bit，则压缩缩倍数为为64倍，或称称其压缩缩率为1:64。（2）用压缩后后的比特特流中每每个显示示像素的的平均比比特数bpdp（bitper displayedpixel）来表示示例如，以以15000字节存储储一幅256240的图像，则压缩缩率为（150008）/（256240）=2比特/像素第一节数数据压压缩处理理技术4、数据据压缩的的分类数据压缩缩也称为为数据编编码。（1）无无损压缩缩利用数据据的统计计冗余进进行压缩缩，可完完全恢复复原始数数据而不不引起任任何失真真，但压压缩率受受到数据据统计冗冗余度的的理论

6、限限制，一一般为2:1到到5:1。应用范围围：文本本数据、程序、特殊场场合的图图像数据据（如指指纹图像像、医学学图像等等）。第一节数数据压压缩处理理技术（2）有有损压缩缩利用人类类视觉对对图像中中的某些些频率成成分不敏敏感的特特性，允允许压缩缩过程中中损失一一定的信信息，所所损失的的信息不不影响对对原始图图像的理理解。应用范围围：语言言、图像像、视频频数据。第一节数数据压压缩处理理技术二、静态态图像的的压缩标标准JPEG1、JPEG标标准JPEG （jointphotographicexpertsgroup）是一个负负责制定定静态数数字图像像数据压压缩编码码标准的的专家组组，他们们开发的的算法

7、称称为JPEG算法，又称为为JPEG标准。JPEG标准主主要用于于静态图图像数据据压缩，例如电电子抓拍拍图像。JPEG文件的的扩展名名为.jpg或或.jpeg，它用有有损压缩缩方式去去除冗余余的图像像和彩色色数据，获取得得极高的的压缩率率的同时时能展现现十分丰丰富生动动的图像像。第一节数数据压压缩处理理技术2、JPEG包包括两种种基本压压缩算法法采用以离离散余弦弦变换(DCT discrete cosinetransform)为基础础的有损损压缩算算法例如在压压缩比为为1:25的情情况下，压缩后后还原得得到的图图像与原原始图像像相比较较，非图图像专家家难于找找出它们们之间的的区别。采用以预预测

8、技术术为基础础的无损损压缩算算法第一节数数据压压缩处理理技术3、JPEG原原理JPEG有损压压缩利用用人视觉觉系统特特性，使使用量化化和无损损压缩编编码相结结合来去去掉视觉觉的冗余余信息和和数据本本身的冗冗余信息息。第一节数数据压压缩处理理技术（1）DCT变变换离散余弦弦变换DCT是是数码率率压缩需需要常用用的一个个变换编编码方法法。DCT是先先将整体体图像分分成N*N像素素块，然然后对N*N像像素块逐逐一进行行DCT变换。由于大大多数图图像的高高频分量量较小，相应于于图像高高频分量量的系数数经常为为零，加加上人眼眼对高频频成分的的失真不不太敏感感，所以以可用更更粗的量量化。因因此，传传送变换

9、换系数的的数码率率要大大大小于传传送图像像像素所所用的数数码率。到达接接收端后后通过反反离散余余弦变换换回到样样值，虽虽然会有有一定的的失真，但人眼眼是可以以接受的的。第一节数数据压压缩处理理技术DCT变变换公式式正变换F(0,0)F(u,0)F(0,v)F(u,v)第一节数数据压压缩处理理技术DCT反变换第一节数数据压压缩处理理技术DCT变变换过程程由图像内内取出一一个区块块，分成成88个像素素的64格阵列列，即由由图(a)转变变为图(b)。经过对对逐个像像素的亮亮度（或或讨论色色度）数数值取样样，并将将像素的的亮度数数值列成成矩阵形形表格，见图（C）。然后利利用离散散余弦变变换（DCT）可

10、将各各空间取取样值转转变为频频率域的的数值，这里称称为DCT系数数。可得到64个DCT系系数，转转换为图图（d）矩形阵阵列表格格 。第一节数数据压压缩处理理技术DCT变换的结结果：大大体上，沿左上上到右下下的方向向DCT系数（绝绝对值）是依次次递减的的。所以以，也就就是说一一个图像像的DCT低频系数数分布在在DCT系数矩阵阵的左上上角，高高频系数数分布在在右下角角。第一节数数据压压缩处理理技术（2）量化表表对于前面面得到的的 64 个空空间频率率振幅值值,将将对它们们作幅度度分层量量化操作作，方法法就是分分别除以以量化表表里对应应值并四四舍五入入。基于于事实上上人眼对对高频率率远没有有低频敏敏

11、感的情情况，JPEG给出了了量度和和色度量量化值表表，见表表3-1，p53。亮度量化化值色度量化化值第一节数数据压压缩处理理技术（3）Z字形编排排量化后的的系数要要重新编编排，目目的是为为了增加加连续的的“0”系数的的个数，就是“0”的的游程长长度，方方法是按按照Z字字形的式式样编排排，如下下图所示示。这样样就把一一个8*8的矩阵阵变成一一个1* 64的矢量量，频率率较低的的系数放放在矢量量的顶部部。第一节数数据压压缩处理理技术（4）直直流系数数的编码码8 *8图像块块经过DCT变变换之后后得到的的DC直直流系数数有两个个特点，一是系系数的数数值比较较大，二二是相邻邻8* 8图图像块的的DC系

12、系数值变变化不大大（具有有一定的的相关性性）。根根据这个个特点，JPEG算法法使用了了差分脉冲冲调制编编码(DPCM)技术，对对相邻图图像块之之间量化化DC系系数的差差值(Delta)进进行编码码，DeltaDC(0,0)i-DC(0,0)i-1DCi-1DCiblocki-1blocki差 = DCi - DCi-1第一节数数据压压缩处理理技术（5）交交流系数数编码量化AC系数的的特点是是1*64矢量量中包含含有许多多“0”系数，并且许许多“0”是连连续的，因此使使用非常常简单和和直观的的游程长度度编码(RLE)对它们进进行编码码。第一节数数据压压缩处理理技术（6）熵编码码为了进一一步压缩缩

13、数据,需对DC码和AC行程编码码的码字字再做基基于统计计特性的的熵编码码。JPEG建议的熵熵编码是是Huffman编码和自自适应二二进制算算术编码码。（7）把各种种标记代代码和编编码后的的图像数数据组成成一帧一一帧的数数据，以以便存储储、传输输和译码码，称为为JPEG数据流。第一节数数据压压缩处理理技术三、MPEG编码1、MPEG(MovingPicturesExperts Group，运动动图像专专家组)是目前视视频压缩缩的重要要技术之之一，它它利用运运动补偿偿帧间压压缩编码码技术以以减小时间间冗余度度，利用DCT技技术减小小图像的的空间冗余余度，利用熵熵编码减减小了统计冗余余度。例如：高高

14、速公路路图像传传输处理理，VCD节目目制作MPEG数字编编码标准准MPEG-1支支持1.5Mbps传传输率的的视频图图像和声声音MPEG-2针针对高清清电视(HDTV)，支持10Mbps传传输率MPEG-4适适用于音音频视频频服务及及远程监监控，是是一个有有交互性性的动态态图像标标准第三节微微波采采集检测测技术2、MPEG-1基本任务务：是将将图像（包括伴伴音）转转换成计计算机数数据，与与已有的的数据（如文字字、绘图图等数据据）在计计算机内内兼容，并且能能在计算算机网络络和广播播电视等等通信网网络中兼兼容传输输。组成部分分：MPEG视视频、MPEG音频和和MPEG系统统解决的问问题：视视频压缩

15、缩、音频频压缩和和多种压压缩数据据流的复复合和同同步第一节数数据压压缩处理理技术编码和解解码过程程第一节数数据压压缩处理理技术3、MPEG-2是MPEG-1标准的的扩展，主要针针对高清清电视HDTV，传输输速率10Mbps。4、MPEG-4适用于音音频视频频服务及及远程监监控，是是一个有有交互性性的动态态图像标标准基本思想想：根据据图像的的内容将将图像分分割成不不同的视视频对象象VO（VideoObject），在在编码过过程中对对前景对对象和后后景对象象采用不不同的编编码策略略，对于于人们所所关心的的前景对对象，则则尽可能能的保持持对象的的细节及及平滑，而对不不大关心心的后景景对象采采用大压压

16、缩比的的编码策策略。应用场合合：数字字电视、交互式式的图形形应用（内容合合成技术术）、交交互式多多媒体（例如监监控系统统）。第一节数数据压压缩处理理技术四、音频频压缩编编码语音信号号的传输输在交通通信息领领域的应应用主要要表现：调度电电话、交交通广播播信息。音频压缩缩编码标标准主要要：波形形编码，参数编编码，混混合编码码。1、波形形编码特点：将将信号的的时域波波形进行行抽样量量化编码码模数转换换过程：取样：在在时间轴轴上对信信号离散散化量化：在在幅度轴轴上对信信号数字字化编码：按按一定格格式记录录采样和和量化后后的数字字数据第一节数数据压压缩处理理技术（1）脉脉冲编码码调制（PCM编码）原理：

17、第一节数数据压压缩处理理技术（2）差分脉脉冲编码码（DPCM，differentialpulsecodemodulation）利用样本本与样本本之间存存在的信信息冗余余度来进进行编码码的一种种数据压压缩技术术；思路：根根据过去去的样本本去估算算(estimate)下下一个样样本信号号的幅度度大小，称为预预测值，然后对对实际信信号值与与预测值值之差进进行量化化编码，由于差值值的取值值的动态态范围小小了很多多，因此此就减少少了表示示每个样样本信号号的位数数。第一节数数据压压缩处理理技术（3）AdaptiveDifferentialPCM核心思想想利用自适适应的思思想改变变量化阶阶的大小小，即使使用

18、小的的量化阶阶去编码码小的差差值，使使用大的的量化阶阶去编码码大的差差值：variablequantizationlevels使用过去去的样本本值估算算下一个个输入样样本的预预测值，使实际际样本值值和预测测值之间间的差值值总是最最小：variablepredictorcoefficients第二节交交通信信息融合合处理技技术一、信息息融合的的相关概概念1、信息息融合的的背景利用多个个传感器器获得的的多种信信息，得得出对环环境或对对象特征征的全面面、正确确认识，克服了了单一传传感器给给系统带带来的误误报风险险大、可可靠性和和容错性性低的缺缺点。多传感器器之间的的冗余数数据增强强了系统统的可靠靠性

19、传感器之之间的互互补数据据扩展了了单一传传感器的的性能2、信息息融合的的目标基于各种种传感器器分离观观测信息息，通过过对信息息的优化化组合导导出更多多的有效效信息，得到最最佳协同同作用的的结果。3、信息息融合的的目的是利用多多个传感感器共同同或联合合操作的的优势来来提高整整个系统统的有效效性。第二节交交通信信息融合合处理技技术4、信息息融合的的定义通过中心心数据处处理器把把来自多多个传感感器的数数据进行行综合，把各种种传入数数据进行行综合处处理，使使数据在在一定准准则下加加以自动动分析综综合，以以完成所所需的决决策和评评估，使使它产生生的输出出信息比比各个部部分分别别处理产产生的信信息总和和更

20、有价价值。5、信息息融合的的优点可以提高高系统的的可信度度可使数据据采集更更客观可以提高高检测效效果可以扩大大时间和和空间覆覆盖能力力可以提高高系统的的性能价价格比第二节交交通信信息融合合处理技技术6、信息息融合模模式像素级融融合直接在各各传感器器采集到到的未处处理的原原始数据据上进行行融合，从融合合的数据据中提取取特征向向量，并并进行判判断识别别，是最最低层次次的融合合。得到的结结果很准准确，但但对系统统通信带带宽的要要求很高高。特征级融融合先对来自自传感器器的原始始信息进进行特征征提取（特征可可以是被被观测对对象的各各种物理理量），然后按按特征信信息对多多传感器器数据进进行分类类、综合合和

21、分析析，属于于中间层层次的融融合。由于数据据丢失，结果准准确性有有所下降降，对通通信带宽宽的要求求较低。决策级融融合从具体决决策问题题出发，利用特特征级的的融合结结果，直直接针对对具体决决策目标标，融合合结果直直接影响响决策水水平，是是一种高高层次融融合。由于对传传感器的的数据进进行了浓浓缩，产产生的结结果最不不准确，但对通通信带宽宽的要求求最低。第二节交交通信信息融合合处理技技术信息融合合三个层层次的结结构图第二节交交通信信息融合合处理技技术7、三个个模式在在交通信信息融合合中的体体现（交交通信息息融合的的输出结结果）像素级和和特征级级融合处理的是是地面交交通信息息和部分分空间信信息（如如

22、GPS）输出的是是对城市市交通状状态的部部分描述述，如状状态向量量、特征征和属性性等决策级融融合处理的数数据包括括地面交交通信息息、全部部的空间间信息、气象信信息等其其他交通通相关信信息以及及交通领领域专家家的知识识等输出的是是抽象结结果，如如对交通通系统的的状态、交通系系统整体体性能的的评价以以及对系系统运行行的预测测等第二节交交通信信息融合合处理技技术8、交通通信息融融合的作用通过各种种交通传传感器和和历史数数据库等等多种数数据来源源作为输输入，利利用融合合技术理理论和方方法，得得到适合合各个智智能交通通服务领领域使用用的交通通信息。第二节交交通信信息融合合处理技技术二、交通通信息融融合处

23、理理的方法法分成三类类：直接对数数据源操操作：加加权平均均、神经经元网络络等利用对象象的统计特性性和概率模型型进行操作作：卡尔尔曼滤波波、贝叶叶斯估计计、多贝贝叶斯估估计、统统计决策策理论等等基于规则则推理的的方法：模糊推推理、证证据推理理、产生生式规则则等第二节交交通信信息融合合处理技技术1、基于于卡尔曼曼滤波技技术的交交通信息息融合方方法用于实时时融合动动态的低低层次冗冗余多源源数据，该方法法用测量量模型的的统计特特性递推推决定统统计意义义下的最最优融合合数据估估计。卡尔曼滤滤波则不不需要全全部过去去的观察察数据，它只是是根据前前一个估估计值和和最近一一个观察察数据来来估计信信号的当当前值

24、。它是用用状态方方程和递递推方法法进行估估计的，而它的的解是以以估计值值(常常常是状态态变量的的估计值值)的形形式给出出的。基于空间间相关性性的交通通流量滤滤波融合合模型：针对不不同检测测断面检检测数据据的融合合。联合滤波波交通流流量融合合模型和和集中滤滤波交通通流量融融合模型型：对同同一断面面多个同同步检测测设备检检测数据据融合。第二节交交通信信息融合合处理技技术2、基于于贝叶斯斯估计的的交通信信息融合合方法将多传感感器提供供的各种种不确定定性信息息表示为为概率，并利用用概率论论中的Bayes条件件概率公公式对其其进行处处理。第二节交交通信信息融合合处理技技术3、基于于人工神神经网络络的交通

25、通信息融融合方法法多传感器器信息融融合技术术就是通通过对多多个参数数的监测测并采用用一定的的信息处处理方法法达到提提高每一一个参数数测量精精度的目目的。（1）基基于神经经网络的的传感器器信息融融合过程程第二节交交通信信息融合合处理技技术（2）具体步步骤用选定的的N个传感器器检测系系统状态态；采集N个传感器器的测量量信号并并进行预预处理；对预处理理后的N个传感器器信号进进行特征征选择；对特征信信号进行行归一化化处理，为神经经网络的的输入提提供标准准形式；将归一化化的特征征信息与与已知的的系统状状态信息息作为训训练样本本，送神神经网络络进行训训练，直直到满足足要求为为止。该该训练好好的网络络作为已

26、已知网络络，只要要将归一一化的多多传感器器特征信信息作为为输入送送人该网网络，则则网络输输出就是是被测系系统的状状态。第二节交交通信信息融合合处理技技术4、基于于综合统统计分析析的交通通信息融融合方法法加权平均均法是一一种简单单，直观观的融合合多传感感器低层层数据的的方法，利用由由一组传传感器提提供的冗冗余信息息进行加加权平均均计算，并将加加权平均均值作为为信息融融合值。指数平滑滑法兼容容了全期期平均法法和移动动平均法法所长，不舍弃弃过去的的数据，但是仅仅给于逐逐渐减弱弱的影响响程度，即随着着数据的的远离，赋予逐逐渐收敛敛为零的的权数。算术平均均值的递递推估计计融合法法。第二节交交通信信息融合

27、合处理技技术三、基于信息息融合技技术的智智能驾驶驶系统1、智能驾驾驶的相相关概念念（1）智能汽汽车的概概念在网络环环境下用用信息技技术和智智能控制制技术，使汽车车具有自自动识别别行驶道道路、自自动驾驶驶、自动动调速等等功能。（2）自动车车辆系统统（AVS）异类传传感器包括视频频传感器器、激光光扫描仪仪和雷达达传感器器等（3）安全驾驾驶系统统包括碰撞撞报警系系统（CW）、偏向向报警系系统（LDW）和智能能巡游系系统（ICC）等自动泊车车系统（视频）第二节交交通信信息融合合处理技技术2、ICC、CW和LDW系系统中存存在的问问题依靠单一一传感器器，容易易产生误误报，降降低了系系统的稳稳定性第二节交

28、交通信信息融合合处理技技术2、ICC、CW和LDW系系统中存存在的问问题依靠单一一传感器器，容易易产生误误报，降降低了系系统的稳稳定性。3、多传感感器信息息融合系系统的结结构专家知识识库信息融合合除了需需要融合合算法外外，还应应有必要要的领域域知识进进行有监监督（教教师指导导）的融融合，这这些领域域知识就就构成了了专家知知识库。第二节交交通信信息融合合处理技技术传感器模模型库存放所用用的传感感器模型型，定量量地描述述了传感感器的特特性以及及各种外外界条件件对传感感器特征征的影响响。信息协调调管理多传感器器所表示示的时间间、空间间和表达达方式各各不相同同，必须须将它们们统一到到一个共共同的时时空

29、参考考体系中中，该模模块完成成了时间间因素、空间因因素和工工作因素素的全面面协调管管理。信息融合合方法对不同的的任务和和不同的的对象采采用不同同的方法法，或者者综合使使用几种种方法。第二节交交通信信息融合合处理技技术4、智能能驾驶系系统框架架智能驾驶驶系统框框架基于信息息融合的的智能驾驾驶系统统模型第三节交交通流流和行程程时间预预测技术术一、交通通流预测测为什么要要进行交交通流预预测？为动态路路径诱导导提供实实时、可可靠、准准确的预预测信息息。什么是短短期交通通流预测测？预测测的内容容包括哪哪些？预测内容容：交通通量、速速度、密密度、旅旅行时间间等。交通流预预测模型型的特性性：实时时性、准准确

30、性、可靠性性。预测模型型：基于统计计方法的的模型、动态交交通分配配模型、交通仿仿真模型型、非参参数回归归模型、神经网网络模型型、基于于混沌理理论的模模型、综综合模型型。第三节交交通流流和行程程时间预预测技术术1、基于统统计方法法的模型型(Statistic-based Model)用数理统统计的方方法处理理交通历历史数据据，如交交通流、交通速速度、旅旅行时间间等用于于预测。使用历史史数据进进行预测测，利用用现在和和过去的的观测值值来预测测其未来来值。缺点：只利用了了交通流流系统本本身的历历史数据据，没有有考虑其其他任何何影响因因素（例例如相邻邻路口）不能反映映交通流流过程的的不确定定性与非非线

31、性，尤其无无法克服服随机干干扰因素素的影响响第三节交交通流流和行程程时间预预测技术术2、交通通仿真模模型(TrafficSimulation Model)交通仿真真模型把把车辆当当作实体体，用计计算机模模拟实际际道路交交通情况况，对道道路的交交通状况况进行仿仿真，得得到道路路预测的的交通信信息。严格意义义上说，交通仿仿真模型型不能用用于交通通流预测测的目的的，因为为它需要要输入用用于预测测的交通通流数据据。而且且，交通通仿真模模型不能能实现实实时性。但交通仿仿真模型型提供了了一个交交通流、占有率率和旅行行时间之之间关系系的一个个模拟实实际的计计算方法法。第三节交交通流流和行程程时间预预测技术术

32、3、动态态交通分分配模型型（DTA模型型）DTA模模型通过过采集到到的交通流数数据和出行者选选择的行行为用于估计计随时间间变化的的网络的的状态。动态交通通分配是按照一一定的准准则将动动态交通通需求量量合理地地分配到到路网上上，从而而得到路路段实时时交通量量的方法法。实现现降低交交通拥挤挤程度和和提高路路网运行行效率的的目的。以传统的的静态的的交通分分配的假假设解决决随时间间变化的的动态交交通流问问题，对对任何一一个网络络没有一一个方法法是通用用的方法法。第三节交交通流流和行程程时间预预测技术术缺点：假设条件件苛刻，在实际际路网中中无法得得到相应应信息或或取得信信息的代代价昂贵贵某些模型型的解释释性虽然然较好，但无法法求解或或求解难难度大，优化时时间长过分强调调精确的的系统最最优或用用户最优优分配结结果，加加大了模模型求解解的难度度，不适适合在大大规模路路网上实实现应用用