（计算机应用技术专业论文）基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车保有量的增长，道路交通事故己成为世界性的问题，汽车被动安全 性也成为汽车最首要的性能。汽车被动安全性研究一般有三种方法，即理论计算 法、交通事故分析法和试验法，后两者方法因其结果更具说服力而被广泛重视。 动态序列图像分析技术，不仅可以有效记录和回溯碰撞的全过程，而且可以 对整个过程进行定性和定量的分析，因而成为汽车被动安全研究的一种不可替代 的研究方法。本文就该技术在汽车碰撞分析中的应用进行了研究，主要工作包括： ( 1 ) 针对动态环境中捕捉的图像，尤其是从交通现场采集的视频易受天气、 光照等多方面的影响，导致图像产生退化的问题，本文引入基于大气物理模型的 图像复原方法，消减天气对现场采集的图像质量的影响；提出了背景减法与帧差 法融合的三帧法，实时响应并适应背景的变化，实现对复杂场景下的车辆的快速 检测。 ( 2 ) 从采集的数字图像识别出车身上的特征点以及对特征点成像中心的精 确定位，是实现摄像机精确标定和后续进行图像测量的前提和关键，本文在特征 点的识别中，改进了噪声消除算法在噪声识别的同时对特征点进行粗定位， 有效地减少了基于质心的亚像素定位方法的计算量；引入了编码元并设计了编码 方案，实现特征点的自动匹配。 ( 3 ) 传统的摄像机标定方法，大多存在对现场、标定物的坐标测量、摄像 机运动等方面要求较高的问题，本文提出了一种摄像机复合标定方法，对传统的 二步法及平面法进行了综合与改进：基于共面点分步进行内外参数的全标定，同 时由于标定物为共面点，摄像机无需运动，对现场要求较低，不但适用于汽车碰 撞实验，更可以适用于各类交通监测现场；基于迭代优化的畸变参数的标定，则 可有效提高标定精度；在标定中所需测点，以直线交点代替了传统的圆中心点， 采用h o u g h 直线检测及直线求交法，代替了通常的h o u g h 椭圆检测法，有效地 降低了在标定时引入系统的误差。 ( 4 ) 以碰撞实验室为应用环境，完成了图像分析系统的设计与实现。 基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统，应用于汽车侧门碰撞试验视频的分 江苏大学硕士学位论文 析，得出了试验车车身位移数据和位移曲线，分析了汽车抗撞性能，验证了系统 达到设计要求的可靠性和准确性。 关键词：动态序列图像，图像复原，运动目标检测，摄像机模型，摄像机标定， 图像测量，汽车碰撞 i l 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t p a s s i v es a f e t yo fv e h i c l e sh a sb e c o m et h ec h i e fp e r f o r m a n c ew h e nt h et r a f f i c a c c i d e n t sh a v eb e c o m eag l o b a lp r o b l e mw i t ht h ei n c r e a s eo fv e h i c l e s r e c e n t l yt h e r e a r et h r e ew a y st os t u d yt h ep a s s i v es a f e t y ：t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ，t e s t i n ga n d a c c i d e n ta n a l y s i s b e c a u s et h el a t t e rt w ot a k et h eo b j e c t i v ef a c t sa st h eb a s i sa n dt h e r e s u l t sa r em o r ep r a c t i c a l ，n o w a d a y st h e ya r ef o c u s e d b a s e do nd y n a m i ci m a g es e q u e n c ea n a l y s i s ，t h ee n t i r ep r o c e s so ft h ec o l l i s i o n c a nb er e c o r d e d m e a n w h i l et h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ee n t i r e p r o c e s s i si r r e p l a c e a b l ei ns t u d yo fp a s s i v es a f e t y t h i sp a p e rp r e s e n t sav e h i c l e c o l l i s i o na n a l y s i ss y s t e mm e t h o db a s e do nd y n a m i ci m a g es e q u e n c e t h e r ea r ef o u r m a i nw o r k s w h i c hl i s ta sf o l l o w ： ( 1 ) d u r i n gt h ed e t e c t i o nt om o v i n gt a r g e t ，e s p e c i a l l yt h ei m a g ec a p t u r e df r o m d y n a m i ce n v i r o n m e n t ( p a r t i c u l a r l yv i d e of r o mt h et r a f f i cs c e n e ) w o u l db ea f f e c t e dt o ac e r t a i ne x t e n tb yv a r i o u sa s p e c t s ，f o ri n s t a n c et h ec h a n g e si nw e a t h e ra n dl i g h t c o n d i t i o n sw h i c hw i l lr e s u l ti nd e g r a d a t i o no fi m a g e t h i sp a p e ri m p o r t st h em e t h o d o fi m a g er e c o v e r i n gb a s e do na t m o s p h e r i cp h y s i c a lm o d e lt or e d u c et h ee f f e c to n i m a g eq u a l i t ym a d eb ya t m o s p h e r ea n dp r e s e n t st h ea m a l g a m a t i o nm e t h o d ( t h r e e f r a m e sm e t h o d ) o fb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na n dt e m p o r a ld i f f e r e n c et or e a l i z ef a s t d e t e c t i o nt om o v i n go b j e c t ( 2 ) f o rt h er e a l i z a t i o no fc a m e r aa c c u r a t ec a l i b r a t i o na n d1 a t e rw o r k ，i ti st h e p r e m i s ea n dk e yp o i n tt oi d e n t i f yt h ef e a t u r ep o i n t sf r o mt h ec o l l e c t i o no fd i g i t a l i m a g ea n dp i n p o i n tt h ep r e c i s ei m a g i n gc e n t e rt h ep o i n t ，a sw e l la sf e a t u r ep o i n t so n t h ep r e c i s ep o s i t i o n i n go fi m a g i n gc e n t e r s ，t oa c h i e v ea c c u r a t ec a m e r ac a l i b r a t i o na n d f o l l o w - u pi m a g eo ft h ep r e m i s ea n dk e ym e a s u r e m e n t s i nt h i sp a p e ra m o n gt h e r e c o g n i t i o no ff e a t u r ep o i n t ，w ei m p r o v en o i s ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a r l c o a r s e l yc a l i b r a t et h ef e a t u r ep o i n tw i t ht h en o i s er e c o g n i t i o n ，t h u se f f e c t i v e l y d e c r e a s et h ec a l c u l a t i n gt i m eo ft h es u b p i x e ll o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec e n t e r o fm a s s t h ee n c o d i n gu n i ti si n t r o d u c e dt or e a l i z et h ea u t o m a t i cm a t c h i n gb e t w e e n i i l 江苏大学硕士学位论文 t h ec a l i b r a t i o n p o i n t sa n dp i x e lp o i n t sa m o n gt h ei d e n t i f i c a t i o no fc a l i b r a t i o np o i n t s ( 3 ) a m o n gt r a d i t i o n a lc a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o d s m o s tn e e dt om e a s u r et h e s p o ta n dc a l i b r a t i o no b j e c ta n dh a v et oc o n t r o lc a m e r at om a k es t r i c tm o v e m e n ts oi t n e e d ss t r i c te x p e r i m e n t a lp l a c e s i nt h i sp a p e rt h ec o m p o s i t ec a l i b r a t i o nm e t h o d sc a n b et a k e na si n t e g r a t i o na n di m p r o v e m e n to fa b o v e m e n t i o n e dm e t h o d s ：f u l l yc a l i b r a t e t h ee x t r i n s i ca n di n t r i n s i cp a r a m e t e r sb a s e do nt h ec o p l a n a rt a r g e t ss t e pb ys t e p ；d u et o t h ec a l i b r a t i o no b j e c ta sc o p l a n a rt a r g e t s ，t h ec a m e r ac a nm a k ew i t h o u ta n ym o v e m e n t t h i sl o w e rr e q u i r e m e n tf o rs p o tc a nb ea p p l i e dt ov e h i c l ec o l l i s i o ne x p e r i m e n t s ，b u t a l s ot oa l lt y p e so ft r a f f i co n s i t em o n i t o r i n g f u r t h e r m o r ec a l i b r a t i o no fd i s t o r t i o n p a r a m e t e r sb a s e di t e r a t i v eo p t i m i z a t i o nc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea c c u r a c yo f c a l i b r a t i o n m o r e o v e ra m o n gt h ei d e n t i f i c a t i o no fc a l i b r a t i o np o i n t s ，t h ee n c o d i n gu n i t i si n t r o d u c e dt or e a l i z et h ea u t o m a t i cm a t c h i n gb e t w e e nt h ec a l i b r a t i o np o i n t sa n d p i x e lp o i n t s b e s i d e st h a t ，t h ea l g o r i t h mo fl i n ed e t e c t i o nb a s e do nh o u g ht r a n s f o r m a n dl i n ei n t e r s e c t i o ni st a k e nf o rt h ei d e n t i f i c a t i o no fc e n t r a lp o s i t i o n ，s oa st oa v o i d t h em e a s u r e m e n te r r o rf r o mu s u a lh o u g ho v a ld e t e c t i o nm e t h o d s ( 4 ) u s i n gt h ev e h i c l ei m p a c tl a ba sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fi m a g ea n a l y s i ss y s t e ma r ec o m p l e t e d t h ev e h i c l ei m p a c ta n a l y s i s s y s t e mb a s e do nt h ed y n a m i ci m a g es e q u e n c ea n a l y s i si sa p p l i e dt ot h ev i d e oa n a l y s i s o fv e h i c l es i d ed o o ri m p a c t t h es i d ed o o rs t r e n g t ha n ds t i f f n e s sc a nb er e f l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ed a t aa n dd i s p l a c e m e n tt r a j e c t o r yg r a p hw h i c hc a nb et a k e na sa n i m p o r t a n tb a s i sf o rp a s s i v es a f e t yd e s i g no fv e h i c l e s t h e nw en o to n l yq u a l i t a t i v e l y a n a l y z et h ec o l l i s i o nc o u r s eo ft h et r i a l ，b u ta l s ot oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e ，w h i c hc a n p r o v i d ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c et os t u d yt h es a f e t yo fv e h i c l ei m p a c t k e yw o r d s ：d y n a m i ci m a g es e q u e n c e ，i m a g er e s t o r i n g ，o b j e c td e t e c t i o n ，c a m e r a m o d e l ，c a m e r ac a l i b r a t i o n ，i m a g em e a s u r e ，v e h i c l ei m p a c t i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密b y 。 学位敝作者虢拨星 签字日期：如丫年石月2 日， 刷噬轹白求 签字日期：力吵年月，明 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：披瘟 日期：加哆年 月 俭 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 本章主要讨论了汽车被动安全的研究状况，以及动态序列图像分析技术在汽 车碰撞研究中的应用及发展，并在此基础上提出了本文的主要研究内容。 1 1 研究背景和意义 近年来，随着中国汽车企业的不断努力，汽车的产销量迅速提高，汽车工业 已经成为国民经济的支柱产业，对国民经济的贡献和提高人民生活质量的作用也 越来越大。2 0 0 6 年中国汽车产量为7 2 8 万辆，比上年增长2 7 6 ；2 0 0 7 年中国 汽车产量为8 8 8 2 4 万辆，同比增长2 2 0 2 ，2 0 0 8 年截止1 1 月的统计数据表明 中国汽车产量已经达到9 2 5 1 9 万辆，仅次于美国、日本，居世界第三位【l 】。中国 在跻身于国际汽车生产大国行列的同时，存在着过度依靠技术引进、缺乏自主设 计研发能力的问题，“技术空心化 成为始终摘不掉的帽子，离国际汽车生产强 国尚有很长的道路要走。 随着汽车销量以及保有量的增长，道路交通事故已成为全国乃至全世界性的 问题。目前汽车安全问题，与节能和环保问题已成为当今汽车工程领域三大具有 重要社会、经济意义的研究热点。汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两 大类：主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力；被动安全性则是指汽车在 发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力，是汽车最首要的性能。 目前汽车被动安全性研究，一般有3 种方法【2 】，即理论计算法、交通事故分 析法和试验法，其中后两者因其结果最具说服力而被广泛重视： ( 1 ) 汽车碰撞试验中，一是使用三坐标测量仪等传统测量工具测量碰撞前 后车身的残余变形量；二是使用位移传感器等高端电子测量装置测量碰撞过程中 车身的单向变形。这两种方法都存在一定的局限性，如第一种方法只能测量车身 的残余变形，不能有效的测量车身在碰撞中的变形过程以及变形方向，仪器价格 随着测量精度的提高而大幅上涨等；第二种方法虽然能测量车身在碰撞中的变形 过程，但是通常也只能测量一个方向上的变形，而且传感器安装复杂，安装的位 江苏大学硕士学位论文 置等受到车身结构的限制，且价格高昂。 ( 2 ) 交通事故分析中通常采用拍摄现场照片来重构事故现场，采用有限元 分析方法来回溯碰撞过程，这种方法一方面依赖于碰撞模型的精确程度，另一方 面需要特征参数值辅助，而这些参数则需要来自于大量的实车碰撞实验。国外做 了大量的实车碰撞试验，以辅助事故分析人员确定这些参数的取值，代价巨大。 动态序列图像分析方法，融合了数字图像处理、摄影测量与人工智能等多种 方法，可以有效记录和再现碰撞的全过程，并可以对整个过程进行定性和定量的 分析，同时相对于昂贵的实车撞击试验具有不可比拟的经济性，成为汽车被动安 全性研究中一种不可替代的研究方法。随着近来年数字摄像设备性能的不断提 高、价格的不断下降，数字摄像系统在交通现场监控、汽车碰撞实验中的应用越 来越广泛，基于动态序列图像的汽车碰撞分析技术及其应用，成为近年来的研究 热点。 1 2 国内外研究现状 随着数字图像处理技术的发展与成熟，其在于视频信息检索、数字化智能监 控等领域得到了广泛的应用。在汽车领域，数字图像处理技术主要应用在以下方 面： ( 1 ) 提高汽车主动安全性能，如：检测路面及环境状况系统【3 j 、打瞌睡警 告及唤醒系纠4 j 和高适应性定速巡航系统等。 ( 2 ) 交通智能管理【5 ，6 ，刀和车牌识别【8 9 1 ，通过对某种车的识别，达到对车的 智能跟踪，提高对交通的管理能力。 在对汽车碰撞试验研究方面，数字图像处理技术与摄影测量学、人工智能等 相结合，形成以动态序列图像分析为基础的图像测量方法，在汽车碰撞试验中起 到图像测量的关键作用。由于汽车碰撞过程是一个猛烈的冲击过程，使用电测量 方法很难对汽车碰撞过程进行全部的测量与记录，而图像测量方法可以对碰撞过 程进行较为全面的记录，而后可以对碰撞试验进行定性和定量的分析。 早在2 0 世纪8 0 年代，国外就出现了专用的摄影测量软件，如通用汽车公司 开发的f o t o g r a m f l0 1 ，k i n n e y 和m c 2 公司开发的t r a n s 4 1 1 1 1 ，碰撞安全工程 公司开发p l a n t r a n f l 2 1 ，三者功能类似，都只能完成二维的摄影测量分析。进 2 江苏大学硕士学位论文 入9 0 年代之后，三维测量的研究得到了迅速的发展。w o o l e y ”】针对事故车辆的 两张或多张照片( 非立体照片) ，应用相机逆投影法得到变形点前后的位移矢量， 即三维变形数据；k a r v e l i s i l 4 介绍了p a c k e re n g i n e e r i n g ( p e ) 和m i c r os y s t e m d e s i g n ( m s d ) 公司联合开发的用于分析高速变形过程的三维图像处理系统，该 系统动态测量并记录车辆结构在变形过程中详细的变形数据；p e p e l l 5 j 和 t u m b a s 1 6 】通过具体的实验对多个二维和三维摄影测量方法的精度进行了研究 等。在国内，清华大学首先从国外引进柯达运动分析系统，在此基础上研究开发 了序列图像运动分析软件【1 7 , 1 8 j ，并且成功应用到车速测量、车身变形量测量以及 模型人运动形态分析，但是从测量结果( 特别是车身变形量的测量) 来看，此图 像分析系统局限在对碰撞试验二维图像分析基础上【1 9 ，2 0 1 。 交通事故分析中，我国目前还仅限于现场调查，记录证据，粗略估算这个层次 上，用计算机来辅助交通事故处理现在处于起步阶段。随着国民经济的发展，汽车 保有量的增加，在我国利用计算机相关技术实现图像测量、重建交通事故现场就 显得尤为重要。 事故现场信息采集是事故分析的前提，采集数据的准确程度影响事故再现 的结果。采用计算机动态序列图像分析技术，可以快速、准确获取现场信息，通 过交通事故现场视频或图像获取特征参数已经成为研究特点和发展方向。文献1 2 u 对道路交通事故现场摄影测量中的核心问题非线性畸变系数的求解、边缘检 测算法的确定、标定物型心坐标的提取进行了研究，并提出了具体的解决方案， 在一定程度上简化了操作过程；文献【2 2 】基于o p e n c v 实现角点提取，给出相机标 定算法，实现了一个用于交通事故处理的图像测距系统，但仅是基于路面的平面 测距。文献【冽应用数字化摄影测量技术，通过对现场场景和汽车变形的测量， 创建汽车的三维模型，由此决定汽车的等效碰撞速度等重要参数。但交通事故现 场的三维高精度测量以及适用于不同天气状况的测量技术方面仍然需要进一步 研究和实现。 作为动态序列图像分析的前提和基础，摄像机标定方法很多，按其求解算法 大致可分为线性法、非线性优化法和两步法。传统的线性法没考虑镜头畸变对标 定结果的影响，准确度欠佳；基于自标定的线性法【2 4 】需要控制摄像机做严格的 运动，实验要求比较高，稳定性较差。非线性优化法可以得到比较高的标定精度， 江苏大学硕士学位论文 但其算法比较繁琐，速度慢，而且非线性优化对噪声和初值选择较敏感，如果初 值选择不当，很可能得不到真正解。两步法是介于两者间的一种比较灵活的方法， 其中以t s a j 的两步法1 2 5 1 和z h a n g 的平面法f 2 6 】为典型，两者都是先线性求解部分 参数，然后考虑畸变引入非线性优化；这两种方法的标定精度有所提高，但没有 完全避免非线性优化，而且t s a i 的两步法未标定主点坐标和纵横比，z h a n g 的 平面法需要摄像机从多个角度拍摄标定物。 1 3 本文的研究内容 综上所述，动态序列图像分析技术，对汽车被动安全性研究，即对汽车碰撞 的定量、定性分析，有着重要的研究价值和应用前景，本文主要研究内容包括： 第一章绪论。本章概述了汽车被动安全研究状况，以及动态序列图像分析 技术在汽车碰撞研究中的应用及发展，并提出了本文的主要研究内容。 第二章基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统。本章主要介绍了系统的构 架，讨论了加载系统与图像采集系统的同步控制问题。 第三章序列图像的生成与复原。本章在对视频流a v i 文件、设备无关位 图d i b 文件进行解析的基础上，给出基于v f w 的图像序列生成方法；考虑到交 通现场获取的视频，易受到天气的变化、光照条件的变化的影响，产生图像退化， 引入了基于大气物理模型的图像复图方法。 第四章车辆及特征点的检测。本章研究了在对光流法、帧差法和背景减法 研究的基础上，提出基于背景减法和帧差法融合的三帧差分方法，以实现复杂动 态背景下的目标车辆的实时检测；讨论了车身特征点的基于背景差的提取方法， 以及成像中心的基于质心的亚像素定位方法，设计了高效的离散噪声去除算法及 特征点在左右摄像机图像中的匹配方法；对特征点的自动匹配技术进行了研究， 给出了种基于编码元的编码方案及解码算法。 第五章摄像机标定。本章就摄像机模型及摄像机标定方法进行了讨论，在 此基础上提出了一种摄像机的复合标定方法，对传统的二步法及平面法进行了综 合与改进；同时对标定中需要的测点坐标的测量方法进行了讨论，以提高标定的 精度，确保后续图像测量有精度。 第六章三维图像测量。本章介绍了空间点三维坐标的求解方法；通过设计 4 江苏大学硕士学位论文 的实验，证明基于复合标定方法的三维坐标求解，具有较高的精度；对系统实现 中关键技术进行了讨论；将系统应用于汽车侧门碰撞安全测试中，进行定性和定 量分析。 第七章总结与展望。对论文工作进行总结，给出进一步的工作展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统 本章介绍基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统的构架，及加载系统与图像 采集系统的同步控制问题。 2 1 系统构架 基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统，如图2 1 所示，分为工作现场模块 和后台处理模块两部分【2 7 1 。前者主要负责现场( 包括交通路1 2 1 和碰撞实验室) 视频采集、压缩和传输；后者主要负责对接收到的视频解析为动态图像序列，进 行图像分析之后，标定摄像机，进行图像测量，得到时间一位移变化图等，并进 行应用分析。 图2 1 基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统 f i g2 1t h ea n a l y s i ss y s t e mo fv e h i c l ei m p a c tb a s e do nd y n a m i ci m a g es e q u e n c e 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 加载系统和图像采集系统的同步控制 在进行汽车侧面碰撞试验时，加载系统与视频采集系统这两个系统既没有机 械联系，也无电气或信号联系。为了对完全独立的两个系统同步控制，通过采用 以光作为媒介，将两个系统联系在一起，其同步控制原理如图2 2 所示，即控制 系统的计算机发出一指令同时触发液压促动器和闪光灯。因此液压促动器和闪光 器同时动作。而与此同时图像系统采集到闪光灯的光信号，作为加载和图像采集 的基准，于是达到了两个系统同时开始动作和采集的目的。 2 3 本章小结 图2 2 同步控制原理图 f i g2 2t h ep r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sc o n t r o l 基于动态序列图像的汽车碰撞分析系统，从构架上分为工作现场模块和后台 处理模块，将视频采集与图像分析相分离，既可以作为单个进程，运行于本地计 算机，应用于汽车碰撞实验的分析；也可以作为多个进程，运行于本地与远程计 算机，应用于交通现场的远程监视与分析。 汽车侧面碰撞试验中，通过采用以光作为媒介，实现了加载系统与图像采集 系统这两个独立子系统之间的同步。 7 江苏大学硕士学位论文 第三章序列图像的生成与复原 本章介绍从视频流逐帧提取并生成图像序列，经过图像复原，为目标( 车辆 及特征点) 检测提供高质量的图像源。 3 1 动态序列图像的生成 由于高速摄像机拍摄下来的文件格式为a v i 视频文件格式，而数字图像处 理中主要针对d i b 格式图像，因此需要对视频文件进行逐帧提取，并相应地转 换为位图文件。 3 1 1a v i 视频格式解析 a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ( a v i ) 文件格式是一个r i f f 文件说明，可以用于捕 捉、编辑及回放音频视频序列。a v i 文件可以包含多个不同类型的数据流，包括 音频流、视频流等，有的还有控制路径( c o n t r o lt r a c k ) 或m i d i 路径等附加数据 流。另外，a v i 标准是一种软件辅助的数字化视频压缩技术，使用它可以快速地从 数字存储设备中解压缩图像。 在a v i 文件中，运动图像和伴音数据是以交织的方式存储，并独立于硬件 设备。这种按交替方式组织音频和视像数据的方式可使得读取视频数据流时能更 有效地从存储媒介得到连续的信息。构成一个a v i 文件的主要参数包括视像参 数、伴音参数和压缩参数等。 a v i 文件使用的a v ir i f f 格式，由字串”a v i ”标识，包含三部分：信息块、 数据块和索引块。其中数据块包含实际数据流，即图像和声音序列数据。这是文 件的主体，也是决定文件容量的主要部分。视频文件的大小等于该文件的数据率 乘以该视频播放的时间长度，索引块包括数据块列表和它们在文件中的位置，以 提供文件内数据随机存取能力。其结构如下： 砌f f ( a v i l i s t ( h d r l a v i h ( 主a v i 信息头数据) 8 江苏大学硕士学位论文 l i s t ( s t r l s t r h ( 流的头信息数据) s t r f ( 流的格式信息数据) s t r d ( 可选的额外的头信息数据) s t m ( 可选的流的名字) ) l i s t ( m o v i s u b c h u n kil i s t ( r e c s u b c h u n k l s u b c h t m k 2 ) i d x l ( 可选的a v i 索引块数据) ) 下面给出a v i 文件的详细数据结构描述【2 8 】： ( 1 ) a v i 主首部 以“a v i h 字符标志，用于记录a v i 文件的全局信息，比如流的数量、视频 图像的宽和高等，结构如下： t y p e d e fs t r u c tt a ga v i m a i n h e a d e r f o u r c cf e e ： 必须为a v i h d w o r dc b ；本结构大小，不包括f c c 和c b 域 d w o r dd w m i c r o s e c p e r f r a m e ： 视频帧间隔时间( 以毫秒为单 9 江苏大学硕士学位论文 位) d w o r dd w m a x b y t e s p e r s e c ： 这个a v i 文件的最大数据率 d w o r dd w p a d d i n g o r a n u l a r i t y ；数据填充的粒度 d w o r dd w f l a g s ： a v i 文件的全局标记 d w o r dd w t o t a l f r a m e s ：总帧数 d w o r dd w l n i t i a l f r a m e s ： 为交互格式指定初始帧数 d w o r dd w s t r e a m s ； 本文件包含的流的个数 d w o r dd w s u g g e s t e d b u f f e r s i z e ；建议读取本文件的缓存大小 d w o r dd w w i d t h ； 视频图像的宽( 以像素为单位) d w o r dd w h e i g h t ； 视频图像的高( 以像素为单位) d w o r dd w s c a l e ： d w o r dd w r a t e ； 与d w s c a l e 一起指定文件中总时标 d w o r dd w s t a r t ； 文件的开始时间，通常设为0 d w o r dd w l e n g t h ； 文件的长度 a v i m a i n h e a d e r ； ( 2 ) 流首部l i s t ( “s t r l ”) 数据块 流首部后面跟随一个或多个“s t r l ”数据块。每个数据流都有“s t r l ”数据块。 每个“s t r l 数据块至少包含一个“s t r h ”块和一个“s t r f 块，而“s t r d ”块( 保 存编解码器需要的一些配置信息) 和“s t r n ”块( 保存流的名字) 是可选的。首 先是“s t r h ”块，用于说明这个流的头信息： t y p e d e fs t r u c tt a ga v i s t r e a m h e a d e r f o u r c cf e e ： 必须为“s t r h ” d w o r dc b ；本结构的大小，不包括f c c 和c b f o u r c c f c c t y p e ； 流的类型：“v i d s ”( 视频流) f o u r c cf c c h a n d l e r ； 指定流的处理者 d w o r dd w f l a g s ； 标记是否允许流输出、调色板变化 w o r d w p r i o r i t y ； 流的优先级 w o r d w l a n g u a g e ： d w o r dd w l n i t i a l f r a m e s ；为交互格式指定初始帧数 1 0 江苏大学硕士学位论文 d w o r dd w s c a l e ； 流使用的时间尺度 d w o r dd r a t e ： d w o r dd w s t a r t ； 流的开始时间 d w o r dd w l e n g t h ； 流的长度 d w o r dd w s u g g e s t e d b u f f e r s i z e ；读取流时建议使用的缓存大小 d w o r dd w q u a l 时： 流数据的质量指标( o 1 0 ，o o o ) d w o r dd w s a m p l e s i z e ； s a m p l e 的大小 s t r u c t s h o r ti n tl e f t ： s h o r ti n tt o p ； s h o r ti n tr i g h t ； s h o r ti n tb o t t o m ： )r c f r a m e ； 指定流在视频主窗口中的显示位置 ) a v i s t r e ；a m h e a d e r ： ( 3 ) l i s t “m o v i 数据块 在首部信息之后是一个包含流的实际数据的数据块l l s t “m o v i ”数据 块，即图像和声音。视频数据可以是压缩的或是未压缩的设备无关位图( d i b ) ： 未压缩的d i b 数据块具有如下形式： d i bb i l s 群撑d b b y t ea b b i t s ： 压缩的d i b 数据块具有如下形式： c o m p r e s s e dd i b b i t s # # d c b y t e a b b i t s ： ( 4 ) 索引l i s t “i d x l ”数据块 索引块为a v i 文件中每一个媒体数据块进行索引，并且记录它们在文件中的 偏移( 可能相对于m o v i 列表，也可能相对于a v i 文件开头) 。索引块使用一 个四字符码i d x l 来表征，索引信息使用一个数据结构来a v i o l d i n d e x 定义。 t y p e d e f s t r u c tt a g h v i o l d i n d e x f o u r c cf e e ： 必须为i d x l 江苏大学硕士学位论文 d w o r dc b ： s t r u c t a v i o l d i n d e x e n t r y d w o r d d w c h u n k l d ： d w o r d d w f l a g s ： d w o r d d w o f f s e t ： d w o r d d w s i z e ： ) a l n d e x ： ) a v i o l d i n d e x ； 3 1 2d i b 格式解析 本结构的大小，不包括f c c 和c b 域 表征本数据块的四字符码 说明是不是关键帧、是不是r e c 列表 本数据块在文件中的偏移量 本数据块的大小 为每个媒体数据块定义一个索引信息 在图像处理中，通常使用的图像文件格式为独立于设备的位图( d i b ，d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 。d i b 文件支持所有的屏幕分辨率和w i n d o w s 所支持的颜色 组合。文件由文件头( b i t m a p f i l e h e a d e r ) 、位图信息头 ( t m a p i n f o h e a d e r ) 、调色板( p a l e t t e ) 以及图像数据( d a t a ) 组成。各 部分的结构如下【2 9 】： ( 1 ) 文件头( b i t m a p f i l e h e a d e r ) t y p e d e fs t m c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r u 1 n t b l t y p e ； 文件类型字段，”b m ”( 4 d 4 2 h ) d w o r db f s i z e ； 文件的大小 u 1 n tb f r e s e r v e d l ：保留( = 0 ) u i n tb f r e s e r v e d 2 ：保留( = 0 ) d w o r db f o f m i t s ： 第一个像素的偏移量 ) b i t m a p f i l e h e a d e r ； ( 2 ) 位图信息头( b i t m a p i n f o h e a d e r ) t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r d w o r db i s i z e ； 文件信息头的长度( 一般= 4 0 ) l o n gb i w i d t h ：位图的宽度 l o n gb i h e i g h t ；位图的高度 w o r d b i p l a n e s ： 平面的数目( = 1 ) w o r db i b i t c o u n t ； 每个像素所占位数( 如- - 8 ，1 6 ，2 4 ) 1 2 江苏大学硕士学位论文 d w o r d b i c o m p r e s s i o n ；是否压缩( 未压缩= 0 ) d o w r d b i s i z e l m a g e ； 图像大小( 可选，按字节) l o n gb i x p e l s p e r m e t e r ；未使用(