一种基于物联网和超高清视频技术的智能公交站牌系统的制作方法

本发明涉及智能交通领域，主要涉及一种基于物联网和超高清视频技术的智能公交站牌系统的方法。

背景技术：

智能交通系统(intelligenttransportationsystem,its)是在传统交通系统基础上,将先进的传感技术、数据通信技术、数据处理技术、信息融合技术、计算机技术、自主协同控制技术等有效集成的一种大范围、全方位、实时准确高效的综合交通运行控制与管理系统,是未来交通系统的发展方向。

动态交通信息服务一直是智能交通领域研究的热点，它实现了实时交通信息播报的功能，作为新兴的行业，一直以来备受国内外瞩目。在日、美、欧一些发达国家，在实时动态交通信息方面的研究已经达到首屈一指的先进水平，并获得了显著的社会和经济效益。随着我国城镇化建设速度的加快，公共交通系统作为现代城市的基础设施之一，当前仍然是大多数出行者的首选交通方式。公共交通系统在缓解城市交通堵塞方面的效果将越来越明显。目前国内大部分的城市公交站牌还停留在原先的固定形式和功能，站牌显示内容过于单一，只向乘客提供简单的车次和行车路线，乘客无法知道车辆运行的具体信息，以致乘客只能被动的、无聊地等待，无法了解车辆的实时信息。候车时间长、体验差是造成市民不愿意乘坐公交车的重要原因，严重制约城市公交系统的健康发展。

技术实现要素：

本发明实现一种新颖的智能公交站牌系统。不仅能够提供精准的公交车动态信息，同时提供了一种新的互动式视频媒体渠道，通过云端智能控制，在智能站牌上因地制宜地播放超高清视频内容。

为了实现上述的目的，系统架构由三部分组成，第一部分是安装在公交车上的车载终端，实现卫星定位并将位置信息通过4g/5g移动通信发送到后台控制中心；第二部分是安置在后台控制中心的云服务器，其中运行公交车动态信息系统和超高清视频播放系统两个软件系统，用户在工作站计算机通过网络控制云服务器；第三部分是安置在公交站点的智能站牌，提供公交车动态信息显示、交互控制、超高清视频播放、超高清视频传送等四个主要功能，与云服务器通过4g/5g移动通信网络双向传送数据。

其具体实施方法如下：一种基于物联网和超高清视频技术的智能公交站牌系统，所述智能公交站牌系统包括硬件系统和软件系统。

硬件系统包括智能站牌、车载终端和云服务器；智能站牌包括交互式显示终端、4g/5g无线通信模块、适配器，车载终端包括设置在公交车上的gps定位模块、车载4g/5g模块，云服务器在后台通过4g/5g无线通信实现智能站牌和车载终端之间的信息传送。

其中，交互式显示终端、4g/5g无线通信模块、适配器分别安装在智能站牌上，交互式显示终端用于显示公交路线信息、公交车位置信息、天气信息以及交互操作等；4g/5g无线通信模块安装在智能站牌上，用于智能站牌与服务器之间的信息传送；适配器用于供电电源的转换。车载卫星定位模块、车载4g/5g模块分别安装在公交车上，车载卫星定位模块用于获取公交车的实时位置信息；车载4g/5g模块用于向服务器传送公交车的位置信息。

软件系统主要由公交车动态信息系统和超高清视频播放控制系统两部分组成。公交车动态信息系统提供公交车的实时位置信息，同时还提供查询公交车最优换乘方案的交互功能。超高清视频播放系统：利用云计算技术实现超高清视频的压缩传输和分发播放。智能站牌通过登录云端获取视频文件，两者之间使用网络组播技术实现视频的稳定传输和播放，智能站牌之间通过点对点(peertopeer,p2p)方式充分利用4g/5g网络带宽进行视频文件共享。视频节目单是一个xml文件，用于控制视频播放的内容和顺序，由云服务器派发给智能站牌，后者通过解析节目单而控制视频播放。

超高清视频意味着更大的视频码率和视频容量，这将导致数据传输量的暴增，也对网络传输中的压缩、转码推送能力提出了新的挑战。超高清视频播放控制系统的关键技术在于多点分发播放技术和压缩传输技术。

(1)超高清视频的多点分发播放技术

本发明利用云计算技术实现超高清视频视频的多点传输，通过云端控制智能站牌的播放内容以及收集、发送信息。

智能站牌通过登录云端获取视频文件，使用网络组播技术实现超高清视频的稳定传输和播放，同时，智能站牌之间通过点对点(peertopeer,p2p)方式充分利用4g/5g网络带宽进行视频文件共享。

视频播放系统采用了mvc三层结构，包括表示层、业务逻辑层、数据访问层，其中业务逻辑层由客户端和服务器端两部分组成，两者之间通过socket通信，先传送xml格式的视频节目单文件，再传送视频文件。表示层包含视频解码模块，数据访问层包含数据库访问模块和文件访问模块，分别用于读写数据库和文件存储系统。

本发明定义了一种xml格式的文件作为视频节目文件，保存了所有视频及其播放的时间、间隔等信息。视频节目文件中有多个视频节目单，每个视频节目单中包含了多个视频。一个视频节目单有相应的开始播放时间、结束播放时间、视频播放间隔时间等属性。

每个智能站牌有对应的id号，每个视频节目文件可以设置不同id号。视频服务器会按照视频节目文件中设置的id号与客户端匹配，如果id号一样则发送该视频节目文件给客户端。智能站牌只能有一个id号，可以接收多个与该id号匹配的视频节目文件。

(2)超高清视频的摘要浓缩技术

由于超高清视频的数据量庞大，为了缓解通信网络的极大压力，在有限时间段内尽可能播放更多有效内容，本发明提出一种基于关键帧的视频摘要浓缩技术，能够根据视频内容、网络负载和智能站牌周围环境等因素，动态调整视频长度，从时间维度降低视频数据量。

将视频按内容分割成不同的段，然后从大量的视频帧中挑选出较少的帧来描述每段内容(具体帧数与设定的压缩比有关，比如原始视频有100帧，压缩比1:10，就是挑选出10帧)，得到视频摘要。摘要后的视频是由一系列连续的图像组成，它们是内容段中最具有代表性的帧，可以通过镜头检测方式获得，其目的是在没有严重失真的情况下从每个镜头中检测最合适的帧来简化视频。镜头可以看成从同一相机连续拍摄的帧的一个序列。关键帧是从视频片段中提取的最显著的图像，可以用它们来区分视频内容，并组合成摘要视频。

首先，对原始视频的每个帧，计算其颜色布局描述符(cld)，接下来进行镜头检测，然后基于镜头的检测结果和给定的压缩比参数α，估计视频摘要中每个镜头的帧数。最后，将视频的时域失真最小化从而得到视频摘要。

镜头检测的目的是为每个镜头计算出足够代表整个镜头的帧比例。将镜头k里所有连续帧的cld距离之和定义为lk，其中shk表示镜头k的帧集。lk表明了镜头k的时序视觉变化总和。lk越高，从镜头k中选择的帧数就越多。选择的帧称为关键帧。在镜头k中的关键帧(bk)的数量与lk成比例的。定义关键帧：

其中|sh|表示镜头数。bk的定义也满足视频摘要应该包含这个条件。特殊情况下bk≤1表示镜头的所有的帧有同样的内容。

从第k个镜头选择出bk帧，使原始视频与视频摘要之间的失真在时域中最小。关键帧选择的顺序与其对内容描述的影响有关。

用cank表示视频摘要的镜头k的候选帧的集合。开始时设cank＝shk。用sk表示镜头k的视频摘要的帧。设对每个镜头k从cank中迭代挑选帧f，如果当前镜头k的视频失真是最小的，就将它包含在集合sk中；

接下来，把它从集合cank中移除，并且将它添加到集合sk中：

cank＝cank-{f}，sk＝sk∪f(3)

当镜头k的关键帧的数量变为bk时，这个过程持续到视频摘要的关键帧数变为α·n。

(3)超高清视频的压缩技术

由于超高清视频的分辨率极高、每一帧图像都包含庞大数据量，为了提高传输和存储效率，将视频数据从视频服务器稳定、高效地分发到各个智能公交站牌，必须对视频数据进行压缩。本发明提出一种视频数据压缩技术。通过欠采样，从空间维度减低每一帧图像的数据量，进一步提升超高清视频的处理效率。

首先，将原始视频的帧图像序列化为输入向量x，则压缩信号y可以表示为

φx＝y(4)

其中矩阵

若从y求x，由于该方程组的未知数n多于方程数m，是一个欠定方程组，有无穷多组解。为了从中选出最优解，采用正则化方法，引入评价函数j(·)求解优化问题(pj)使j(s)取得最小值。

(pj)：minimizej(s)s.t.as＝y(5)

其中a＝ψφ，ψs＝x，s是x的稀疏表示。

选择j(x)＝||s||0，得到最优化问题(p0)

(p0)：minimize||s||0s.t.as＝y(6)

通过求解上述方程得到就可以从压缩后的信号y重建原始信号

由于向量的s的l0范数||s||0是一个间断的、非连续的函数。其计算方法为：

如果选取该范数会使公式(6)求解困难。为了解决这个问题，本发明定义一个连续函数来逼近此分段函数，其定义为：

当ε→0，φ0(si)函数无限趋近于函数pi，因此，只要选取足够小的ε，就可以用φ0(si)近似代替pi；

与现有技术相比，本发明基于物联网技术实现公交车动态信息共享，不仅实时显示公交车位置、到站时间，以及为乘客提供优化乘车路线，而且利用超高清视频技术实现多媒体视频分发播放功能，车载端和站牌端接入云端服务器，使智能站牌具有高度自动化，智能化，以及良好人机互交功能，实现公交车、站牌、服务器之间的信息互通和综合联动。

附图说明

图1是本发明的整体系统架构图；

图2是视频播放系统结构图；

图3是智能站牌播放视频流程图；

图4是本发明的整体系统架构图；

图5是视频摘要浓缩的架构。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

公交车实时位置信息传送过程：首先由安装在每辆公交车上的卫星定位模块获取公交车的实时位置信息，然后通过4g/5g通讯模块传送至后端的云服务器，最后每个智能站牌从云服务器获取各个相关线路公交车的实时位置信息并显示在界面上。

视频摘要浓缩过程：首先从原始视频提取得到所有帧图像，然后，在镜头k中选择关键帧

其中d(μ，μ+1)表示μ帧到μ+1帧的任何类型的视觉描述距离。根据测量值m，首先可以计算关键帧t1，再计算t2……最终可以计算出然后，根据压缩率α挑选出α·n个关键帧组成视频摘要。如：现有一段时长10秒、每秒25帧的视频，整个视频共有250帧，给定压缩率α＝0.2，则最终的视频摘将包含250×0.2＝50帧。

视频压缩过程：首先构造一个m×n高斯随机矩阵φ，使φ中每个元素都独立地服从均值为0、方差为的高斯分布，即：

例如，取m＝10，n＝20，m＝100，得到一个随机矩阵φ，则其转置矩阵φ^t如表1所示。

表1高斯随机矩阵

对挑选出来的每一关键帧图像，先将其重新排列为为向量x，然后将x和φ代入公式(4)得到压缩后的向量y。

视频分发过程：由智能站牌开启网络连接，与视频服务器连接成功之后，将智能站牌id发送给视频服务器，视频服务器再将符合该智能站牌id的所有视频节目文件依次下发。能站牌接收完所有的视频节目文件之后开始进行解析，获取所有的视频文件在视频服务器上的路径。并依次向视频服务器进行请求视频文件。视频服务器将接收智能站牌请求，将相应的视频文件发送给智能站牌。智能站牌接收完所有视频文件后，开始播放视频。如图4所示。

如图5所示，视频播放过程：开始播放视频时，智能站牌每隔一段时间对视频节目单进行时间检测，如果当前系统时间在某一个视频节目单的开始时间和结束时间之间，则开始按指定的时间间隔来轮流播放该视频节目单中的视频，直到当前系统时间超过结束时间为止。然后，每隔一段时间对视频节目单进行检测。