ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử ĐO TỐC ĐỘ XE DỰA VÀO CAMERA GIÁM SÁT

ĐO TỐC ĐỘ XE DỰA VÀO CAMERA GIÁM SÁT

1. Mở đầu

        Bước vào cuối thế kỷ XX, đặc biệt là đầu thế kỷ XXI với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nhiều loại thiết bị máy móc được ra đời, lượng thông tin mà con người cần trao đổi hay lưu trữ là rất lớn, con người cần có quá trình xử lý và lưu trữ để phục vụ cho việc trao đổi thông tin. Lĩnh vực xử lý ảnh cũng là một công việc mà cần đòi hỏi sự phát triển không ngừng nghỉ. Hiện nay, có rất nhiều các công cụ hỗ trợ để việc xử lý ảnh có hiệu quả hơn, có tính bảo mật tốt hơn, mà còn có nhiều ứng dụng được áp dụng vào thực tiễn đời sống con người. Không chỉ dừng lại ở công việc xử lý các vết nhòe, tái chế và phục hồi những tấm ảnh đã bị hư hỏng mà hiện nay lĩnh vực xử lý ảnh được phát triển nhiều ứng dụng đã mang lại những tiến bộ vượt bậc như nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng vân tay, nhận dạng các đối tượng chuyển động… Việc tiếp thu và phát triển các ứng dụng vào thực tiễn là rất quan trọng.

      Ngày nay, việc áp dụng camera vào đời sống có ý nghĩa rất thực tiễn. Nó giúp con người tiết kiệm được thời gian nhưng vẫn có thể quan sát được các công việc, các vị trí quan trọng. Có ý nghĩa quan trọng trong việc trợ giúp cảnh sát theo dõi các phương tiện tham gia giao thông tại các nút điểm giao thông.

     Ở Việt Nam, vấn đề về giao thông luôn là vấn đề nan giải. Lượng người và phương tiện tham gia giao thông là rất lớn và đa chủng loại, bên cạnh đó ý thức tham gia giao thông của hầu hết người là còn yếu kém. Chỉ lực lượng cảnh sát thì không thể  quản lý tốt được, do vậy việc sử dụng các camera giám sát giao thông là rất cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn.

Vì vậy việc xác định vận tốc của xe dựa vào video đã ghi lại phục vụ cho việc xử lý và quản lý xe vi phạm tốc độ chậm tại hầm đường bộ là điều cần thiết. Đây là ý tưởng để em lựa chọn đề tài “Đo tốc độ xe dựa vào camera giám sát” cho đồ án tốt nghiệp này.

2. Nội dung đồ án

Đề tài được chia ra làm 4 chương, trong đó chương 1, chương 2 và chương 3 là các chương  lý thuyết. Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng .

Chương 1:     Giới thiệu về video và camera giám sát

           Chương mở đầu, là chương trình bày các khái niệm tổng quát về như thế nào là tín hiệu video số, các chuẩn video thông dụng, và sử dụng chuẩn video cho đề tài là .AVI. Giới thiệu về camera số, các chức năng chính của camera mà người sử dụng cần biết và sử dụng các tính năng đó. Bên cạnh đó là phân loại các camera, các hệ thống camera quan sát được sử dụng trong thực tế.

Chương 2:     Phát hiện và theo vết đối tượng

           Chương này tập trung tìm hiểu thế nào là phát hiện và theo vết đối tượng chuyển động trong video. Tìm hiểu một số phương pháp phát hiện và theo vết đối tượng đó là phương pháp trừ nền, phương pháp ước lượng optical flow. Đối với mỗi phương pháp, ta đi tìm hiểu các khái niệm, các tính chất, đặc biệt là các giải thuật cụ thể cho từng phương pháp. Nêu các ưu điểm, nhược điểm của các giải thuật của từng phương pháp. Đối với phần theo vết đối tượng, ta tìm hiểu các thuật toán được dùng rộng rãi trong việc theo vết đối tượng chuyển động, tập trung vào thuật toán phân mảnh vùng. Việc nghiên cứu vấn đề lý thuyết giúp ta xây dựng thuật toán phát hiện và theo vết đối tượng, là vấn đề quan trọng để thực hiện đề tài này.

Chương 3:     Xác định vận tốc đối tượng chuyển động

          Chương này trình bày về việc hiệu chỉnh camera. Đây là bước quan trọng để thực hiện đề tài. Giới thiệu về công cụ hiệu chỉnh camera, các tính chất của việc hiệu chỉnh. Giới thiệu công cụ hiệu chỉnh camera Camera Calibration của Scaramuzza, công cụ này được tích hợp với chương trình Matlab, thuận tiện cho việc hiệu chỉnh. Qua đó, giúp việc sử dụng và phân tích đối tượng chuyển động trong camera được tốt hơn.

Chương 4:     Kết quả mô phỏng xác định vận tốc xe máy

          Trình bày các bước hiệu chỉnh camera được sử dụng cho đồ án này, sau đó mô phỏng chương trình xác định vận tốc của xe máy do em tự thực hiện việc quay thử nghiệm.

 

• Lưu đồ thuật toán

Hình 4.1Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc

v  Lưu đồ thuật toán phương pháp trừ nền.

Hình 4.2   Lưu đồ thuật toán phương pháp trừ nền.

vKết quả của phương pháp trừ nền :

Bảng 4.1   Frame thứ 5, thứ 10 và ảnh nhị phân tương ứng của frame đó.

Frame 5

Frame10

 

Bảng 4.2    Khoảng cách di chuyển dist giữa các frame.

 

Các cặp frame liên tiếp	Khoảng cách thực   (m)
1-2	0.1404
5-6	1.2496
10-11	0.4552
15-16	0.4429
20-21	0.1922
25-26	0.1490
30-31	0.1644
∑D	12.3809 (m)

 

Kết quả thu được từ chương trình  v = 43.1339 (km/h). tương ứng với vận tốc

v = 11.9819  (m/giay).

Vân tốc thực của video thử nghiệm là  40 km/h.

Do vậy sai số của phương pháp :

 x 100% = 7.74 %.

Đối với phương pháp trừ nền thì đây là sai số có thể chấp nhận được.

3. Kết luận

       Qua việc thực hiện đề tài này, giúp chúng ta hiểu được nhiều khái niệm về lý thuyết. Về phần lý thuyết, tìm hiểu được các khái niệm về video số, camera giám sát, qua đó cũng tìm hiểu và nhận dạng được các phương pháp giúp phát hiện đối tượng chuyển động trong video như phương pháp trừ nền, phương pháp ước lượng Opticalflow, tìm hiểu được phương pháp theo vết đối tượng, phương pháp phân mảnh vùng cũng như các giải thuật của từng phương pháp. Bên cạnh đó cũng tìm hiểu và sử dụng tốt một số phần mềm bổ trợ, kết hợp với chương trình Matlab để thực hiện tốt các yêu cầu đặt ra.

Bên cạnh những kết quả đã đạt được, đề tài vẫn tồn tại nhiều hạn chế cần phải được khắc phục:

- Chưa thực thi được các phương pháp khác, để có sự đánh giá, so sánh nhận định giữa các phương pháp, các giải thuật.

- Đối với những video có kích thước lớn, độ phân giải lớn việc thực thi chương trình chưa được tối ưu.

-   Việc xác định vận tốc đối tượng chuyển động, chỉ dừng lại ở việc xác định vùng đối tượng chiếm lớn nhất, đây là một nhược điểm cần cải thiện.

-  Phương pháp phát hiện đối tượng trừ nền chỉ đúng trong trường hợp ảnh tĩnh, nên trong điều kiện có gió, mưa thì ảnh nền thay đổi làm phương pháp kém hiệu quả. Với trường hợp đó, chúng ta sẽ dùng một số phương pháp khác : phương pháp lượng tử Opticalflow, phương pháp theo vết đối tượng…

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1     TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

1.1 Giới thiệu chương………………………….………...………………..………...3

1.2 Tổng quan về video số.………………………………………………..………...3

1.2.1  Khái niệm về video.………………………………………………...….……..3

1.2.2  Tín hiệu Video số..……………………………………………………………4

1.2.3  Chuẩn Video số AVI. ……………………….………………………...……..4

1.3  Tổng quan về camera số ………………………………………………...……...5

1.3.1 Khái niệm về camera số ………………………………………………………5

1.3.2 Các chức năng chính của camera………...………….………………….……..5

1.3.3 Phân loại camera………………………………………………………………6

1.4 Hệ thống camera giám sát…………………………………………...…..………8

1.5 Kết luận chương………………………………………………………..………12

CHƯƠNG 2      PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƯỢNG.

2.1 Giới thiệu chương………………………………………………………..….…13

2.2. Các phương pháp phát hiện đối tượng………………………...………………13

2.2.1 Tổng quan về phát hiện đối tượng…………………………….……………..13

2.2.2 Phương pháp trừ nền…………………………………………………………14

2.2.2.1 Tổng quan về trừ nền…………………………….………………………...14

2.2.2.2 Giải thuật Frame Difference……………………………………………….15

2.2.2.3 Giải thuật Running Gaussian Average……………..………………………16

2.2.2.4 Giải thuật Codebook……………………………………………………….18

2.2.3 Phương pháp ước lượng Opticalflow……….………………………………..18

2.2.3.1 Tổng quan về ước lượng Opticalflow………….…………………………..18

2.2.3.2 Thuật toán Opticalflow…………………………………………………….19

2.3 Theo vết đối tượng……………………………..………………………………20

2.3.1 Tổng quan về theo viết đối tượng……………………………………………20

2.3.2 Phương pháp phân mảnh vùng (Region Segmentation)…...…………………22

2.3.2.1 Giới thiệu về Region………….……………………………………………22

2.3.2.2 Phân mảnh dựa theo vùng (Region-Based Segmentation………….………23

2.3.2.3 Các hàm phân vùng trong Matlab……………………….…………………23

2.3.3 Bộ lọc Kalman…………………………………………………………….…24

2.3.4 Thuật toán theo vết Mean Shift…………..…………………………………..25

2.4 Xây dựng thuật toán phát hiện và theo vết đối tượng chuyển động……..……..26

2.5 Kết luận chương…………………………………………..……………………27

CHƯƠNG 3       XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG.

3.1 Giới thiệu chương…………………………………………………..………….28

3.2 Hiệu chỉnh camera để xác đinh vận tốc………..………………………………28

3.2.1 Tổng quan về hiệu chỉnh camera…………………………………………….28

3.2.2 Phân loại………………………………….…………………………………..29

3.2.3 Các phương pháp hiệu chỉnh camera……….……………………………..…29

3.2.4 Hiệu chỉnh Camera…………………………….…………………………..…32

3.3 Xây dựng thuật toán xác định vận tốc……………………………………….…36

3.3.1 Giới thiệu…………………………………………………………………….36

3.3.2 Phương pháp tính khoảng cách…………………..………………………..…36

3.3.3 Thuật toán xác định vận tốc của đối tượng chuyển động ……………………37

3.4 Kết luận chương………………………………………..………………………38

 

CHƯƠNG 4      KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC XE MÁY

4.1 Giới thiệu chương…………………………………..……………………….…39

4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình……………………..………………………….39

4.3 Cài đặt chương trình.……………………..…………………….………………40

4.3.1 Yêu cầu hệ thống.…………………………………………………………….40

4.3.2 Hiệu chỉnh Camera………………………..……………………………….…41

4.4 Kết quả mô phỏng xác định vận tốc……………………………………………46

4.5 Kết luận chương………………………………….…………………….………53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI…………..……………………55

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………….………………57

PHẦN PHỤ LỤC………………………………………..…………………………59

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt	Tên đầy đủ
ATM	Automated teller machine
AVI	Audio Video Interleave
Camshift	Continue Adaptive Meanshift
CCD	Charge Couple Device
CF	CompactFlash
CMOS	Complementary Metal Oxide Semiconductor
DVR	Digital Video Recorder
JPEG	Joint Photographic Experts Group
JPG	Joint Photographic Group
MMC	Multimedia Card
NVR	Network Video Recorder
PTZ	Pan, Tilt, Zoom
SD	Secure Digital

  

DANH MỤC BẢNG

Số hiệu bảng	Tên bảng	Trang
2.1	Bảng so sánh hai hướng tiếp cận.	23
2.2	Bảng giá trị sử dụng trong hàm bwconncomp.	24
2.3	Bảng kết quả trả về của hàm bwconncomp.	24
3.1	Mô tả các phương pháp hiệu chỉnh camera.	30
4.1	Kết quả truy xuất vết đối tượng của phương pháp trừ nền.	49
4.2	Khoảng cách di chuyển dist giữa các frame.	51

  

DANH MỤC HÌNH

Số	Tên hình	Trang
1.1	Cấu trúc phân đoạn của video.	3
1.2	Chuỗi các ảnh trong video số.	4
1.3	Một số loại camera.	5
1.4	Mô hình hệ thống camera quan sát Analog.	9
1.5	Mô hình hệ thống camera quan sát IP.	10
1.6	Mô hình hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và IP.	11
2.1	Tổng quan các khối xử lý trong phát hiện đối tượng.	13
2.2	Kết quả thực hiện thuật toán Frame Difference.	16
2.3	Kết quả thực hiện thuật toán Running Gaussian  Average.	17
2.4	Kết quả thực hiện thuật toán Codebook.	18
3.1	Độ chính xác của đo lường tọa độ 3D.	31
3.2	Độ chính xác của đo lường tọa độ 2D.	31
3.3	Bàn cờ dùng cho hiệu chỉnh camera.	33
3.4	Mô hình của hệ thống Camera Calibration.	33
3.5	Tọa độ điểm p.	34
4.1	Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc.	39
4.2	Lưu đồ thuật toán phương pháp trừ nền .	40
4.3	Giao diện công cụ hiệu chỉnh camera.	41
4.4	Các ảnh mẫu được nạp.	42
4.5	Kết quả tìm góc hình chữ nhật của hình mẫu thứ nhất.	44
4.6	Kết quả tìm góc chữ nhật kèm theo trục x-y.	44
4.7	Kết quả hiệu chỉnh camera.	45
4.8	Phần mềm GOM Player.	47
4.9	Phần mềm Xilisoft Video Converter Ultimate.	47
4.10	Hình nền mẫu tham chiếu trong phương pháp trừ nền.	48
4.11	Thể hiện các frame trong video.	51

 

CHƯƠNG 1           TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

1.1  GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này trình bày các khái niệm tổng quát về như thế nào là tín hiệu video số, các chuẩn video thông dụng, và sử dụng chuẩn video cho đề tài là .AVI. Giới thiệu về camera số, các chức năng chính của camera mà người sử dụng cần biết và sử dụng các tính năng đó. Bên cạnh đó là phân loại các camera, các hệ thống camera quan sát được sử dụng trong thực tế.

1.2  TỔNG QUAN VỀ VIDEO SỐ

1.2.1       Khái niệm về Video

Video là tập hợp các khung hình, mỗi khung hình là một ảnh. Shot (lia) là đơn vị cơ sở của video. Một lia là một đơn vị vật lý của dòng video, gồm các chuỗi các khung hình liên tiếp, không thể chia nhỏ hơn, ứng với một thao tác camera đơn. Scene (cảnh) là các đơn vị logic của dòng video, một cảnh gồm các lia liên quan về không gian và liền kề thời gian, cùng mô tả một nội dung ngữ nghĩa hoặc tình tiết.

 

Hình 1.1 Cấu trúc phân đoạn của video

Thuật ngữ video dùng để chỉ nguồn tin hình ảnh trực quan (pictorial visual information), bao gồm một chuỗi các ảnh tĩnh (still image) liên tiếp nhau, được sắp xếp theo chiều thời gian. Video còn được gọi là ảnh thay đổi theo thời gian (time-varying image), ký hiệu là s(x1, x2, t), trong đó x1, x2 là các biến chỉ vị trí trong không gian, còn t là biến thời gian. Xét về mặt vật lý, ở cấp thấp nhất, video tồn tại dưới dạng các tín hiệu. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thu được ta có 2 loại video khác nhau: video tương tự và video số. Tuy nhiên dữ liệu mà chúng ta xử lý là dữ liệu video số vì thế ta chỉ tập trung vào tìm hiểu về video số.

1.2.2       Tín hiệu Video số

Tín hiệu video số được lưu trữ dưới dạng số, do đó chúng được lấy mẫu và lượng tử hóa. Tín hiệu video số là một thông tin 3 chiều gồm 2 chiều không gian và 1 chiều thời gian hay còn gọi là chuỗi ảnh số với mỗi ảnh số là một ảnh được lấy mẫu và lượng tử hóa.

 

chiều thời gian

chiều ngang

chiều dọc

Hình 1.2 Chuỗi các ảnh trong Video số

v    Ưu điểm

Tín hiệu video số có thể chỉnh sửa, tạo các hiệu ứng. Video số không chỉ có vai trò giải trí mà nó còn cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực như là các ảnh giám sát quân sự, điều khiển giao thông, và trích thông tin từ các video và ảnh.

v    Nhược điểm

       Nhược điểm của video số đó là nó đòi hỏi khối lượng lưu trữ lớn và băng thông rộng để truyền tải. Do đó hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp nén video để giảm kích thước của nó.

1.2.3       Chuẩn Video số AVI

AVI (Audio Video Interleave) là một đa phương tiện định dạng container của Microsoft được giới thiệu vào tháng 1 năm 1992. AVI là tệp tin có thể chứa cả âm thanh, video dữ liệu trong cùng một container cho phép đồng bộ tập tin âm thanh với video.

Đây là một trong những định dạng video chuẩn và được ứng dụng khá rộng rãi nên đồ án này em chọn định dạng AVI để làm định dạng cho các tệp tin video xử lý, vì thế  khi đề cập đến video tức là đề cập đến video số có định dạng AVI.

1.3  TỔNG QUAN VỀ VIDEO SỐ

1.3.1       Khái niệm về camera số

      Camera là một thiết bị ghi hình, có thể ghi lại hình ảnh, có thể chụp lại khung cảnh được theo dõi trong một khoảng thời gian nào đó. Với chức năng cơ bản là ghi hình, nó được ứng dụng rộng rãi rất nhiều trong nhiều lĩnh vực, rất nhiều ở các vị trí khác nhau để phục vụ mục đích chính là theo dõi, quan sát trong một thời gian dài. Với các địa điểm rộng, như là các nhà máy, cơ quan, xí nghiệp thì sẽ sử dụng hệ thống camera thay vì sử dụng camera đơn lẻ.

           

Hình 1.3 Một số loại camera

1.3.2       Các chức năng chính của camera.

ü  Độ phân giải: Nếu máy ảnh chỉ để chụp và lưu lại trong máy tính hay gởi   

e-mail thì bất kỳ máy ảnh số ở độ phân giải nào cũng có thể thực hiện được. Nhưng đối với những máy ảnh có độ phân giải cao thì có thể in ảnh khổ lớn, có thể in khổ nhỏ hoặc in một phần mà vẫn giữ được độ sắc nét.

ü    Độ zoom của thấu kính: Camera giá thành thấp thường thiếu các thấu kính zoom quang. Nếu phải lựa chọn giữa máy ảnh có chức năng zoom quang tốt hơn và một máy ảnh có độ phân giải cao thì nên chọn cái đầu tiên. Máy ảnh có zoom quang tốt hơn sẽ thuận tiện hơn trong việc phóng to các chi tiết nhỏ. Chú ý phân biệt giữa zoom quang học và zoom số bởi vì các nhà quảng cáo sản phẩm thường kết hợp hai loại zoom này với nhau để tạo ra sản phẩm được quảng cáo có độ zoom rất lớn.

ü     Trọng lượng, kích thước và thiết kế: Hiện nay có xu hướng người sử dụng thích những máy ảnh có trọng lượng nhỏ khoảng từ 130g đến gần 200g. Kích thước máy ảnh số nhỏ là cần thiết, nhưng việc điều chỉnh các nút bấm hay các chức năng điều chỉnh sẽ gặp nhiều khó khăn.

ü     Thẻ nhớ: Thẻ nhớ của máy ảnh có nhiều loại như Compactflash (CF), Secure Digital (SD), Smartmedia, Multimedia Card (MMC)…và các hãng thường hỗ trợ những loại thẻ nhớ khác nhau cho mỗi dòng sản phẩm của mình.

ü     Thiết lập chế độ phơi sáng: Tất cả các camera số thông thường luôn được mặc định ở chế độ tự động hoàn toàn. Các loại máy ảnh số cao cấp phải có thêm chế độ mở thấu kính và chế độ phơi sáng ưu tiên.

ü     Trình đơn (menu): Khi đánh giá camera, người sử dụng cũng nên quan tâm đến các chức năng thiết lập như: Độ phân giải, chế độ marco, điều chỉnh phơi sáng, xem lại hình đã chụp có dễ dàng hay không.

ü     Hiển thị LCD: Một màn hình LCD đạt yêu cầu phải thực hiện được trung thực bức ảnh vừa chụp để người chụp có thể đánh giá và phải thể hiện được chế độ phơi sáng thiết lập đã thích hợp hay chưa. Chất lượng màn hình có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện sáng bên ngoài như bị mờ dưới ánh mặt trời, nổi hạt dưới ánh sáng yếu.

1.3.3       Phân loại camera

Có 3 cách để phân loại camera

ü  Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh

- Camera Analog: Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu vector màu. Hiện nay ít sử dụng camera analog.

- Camera CCD (Charge Couple Device): Sử dụng kỹ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng, sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số để đưa vào các bộ xử lý. CCD thu nhận hình ảnh thông qua các hệ thống của camera. CCD có hàng ngàn điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và được số hóa. Đây là một quá trình chuyển đổi tương tự số.

Các thông số kỹ thuật của camera CCD là đường chéo màn hình cảm biến (tính bằng inch). Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt.

- Camera CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Loại Camera này cho hình ảnh sắc nét tuy nhiên giá thường khá cao.

Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS có ưu điểm rất rõ rệt so với Camera Analog về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh.

ü    Phân loại theo kỹ thuật đường truyền

- Camera có dây: có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt, truyền tín hiệu trên dây đồng trục khoảng 75ohm - 1Vpp, dây C5. Khi truyền với khoảng cách xa hơn 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu đường truyền suy hao, dẫn đến chất lượng hình ảnh không tốt.

- Camera không dây: có ưu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây, tuy nhiên nó có hệ số an toàn không cao bởi nó sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu nên sóng của nó dễ bị thu hoặc dễ bị nhiễu bởi các nguồn sóng khác. Camera không dây được sử dụng để lắp đặt tại các khu vực có địa hình phức tạp. Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét cần phải sử dụng các thiết bị đặc biệt hoạt động ở tần số cao và giá thành đắt.

- Camera mạng (IP camera): được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng vì thế người dùng có thể điều khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng Internet.

ü    Phân loại theo chức năng

- Camera cáp trần: có nhiều hình dạng, kích thước khác nhau. Đây là loại camera thường được đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã và có tính năng bảo mật cao do được bọc trong hộp kín.

- Camera ẩn: có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau rất khó để nhận biết được. Nó được dùng khi ngụy trang để tránh bị phát hiện. Tuy nhiên, khi sử dụng camera này cần phải đảm bảo tính hợp pháp.

- Box camera: là loại camera truyền thống, thường được sử dụng trong siêu thị. Đây là loại camera có giá thành rẻ. Camera được bảo vệ trong hộp để bảo vệ trước tác động phá hoại hay điều kiện môi trường.

- Camera PTZ (Pan, Tilt, Zoom): Camera với tính năng hỗ trợ quét dọc, quét ngang, phóng to, thu nhỏ, cho phép kết nối với hệ thống cảm ứng và cảnh báo để phát hiện đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó. Camera có thể lập trình để hoạt động, nên có thể làm tất cả công việc.

- Camera có khả năng quan sát đêm: Khoảng cách quan sát của camera tùy thuộc vào công suất của đèn hồng ngoại, khoảng cách quan sát của camera dao động khoảng 10 ÷ 300m.

1.4  Hệ thống Camera giám sát

Với sự phát triển của kinh tế hiện nay, sự phát triển chóng mặt về cơ sở hạ tầng, sự phát triển của giao thông, lượng phương tiện giao thông rất lớn. Do đó, việc sử dụng hệ thống camera là việc quan trọng. Ở các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp, văn phòng, khu dân cư, nhà hàng, khách sạn…v.v việc lắp đặt hệ thống camera giám sát, giúp theo dõi, quản lý được các công việc diễn ra hằng ngày. Hệ thống camera giúp người sử dụng kiểm soát được không gian và thời gian, tiết kiệm được chi phí và có thể lưu trữ được.

Giải pháp camera quan sát hiện nay sử dụng hai công nghệ chính là Camera quan sát công nghệ  Analog (gọi tắt là Camera Analog) và Camera quan sát công nghệ IP (gọi tắt là Camera IP). Đặc điểm phân biệt chính của hai hệ thống Camera quan sát này như sau:

ü  Hệ thống camera quan sát Analog:

       Trong ứng dụng camera quan sát analog truyền thống, các camera bắt tín hiệu hình ảnh analog và truyền tín hiệu analog này đi trên cáp đồng trục để đến đầu ghi hình kỹ thuật số (gọi tắt là DVR). Mỗi camera có thể được hỗ trợ cấp nguồn hoạt động bằng cách cung cấp nguồn DC trực tiếp ngay tại camera hoặc bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi cấp nguồn và tín hiệu chung trên cáp CAT5e. Các tính năng thông minh được tích hợp vào DVR để xử lý những việc như lập kế hoạch ghi hình, phát hiện chuyển động, zoom kỹ thuật số, ... Màn hình quan sát được kết nối trực tiếp với DVR, hoặc nó có thể được thiết lập để truyền tín hiệu đi trên một mạng nội bộ hoặc mạng Internet để xem trên máy tính, điện thoại smartphone. Khi tín hiệu truyền qua môi trường mạng nội bộ hoặc Internet, tín hiệu video của tất cả các camera được truyền đi chung theo một luồng dữ liệu – video stream (với cùng một địa chỉ IP). Ngoài ra DVR còn thực hiện việc nén các tín hiệu camera nhằm giảm tối thiểu băng thông của luồng dữ liệu khi truyền đi trên mạng IP, vì vậy, nó rất hiệu quả trong việc tiết kiệm băng thông. 

Hình 1.4 Mô hình hệ thống camera quan sát Analog

ü  Hệ thống camera quan sát IP:

       Trong thế giới IP, mỗi IP camera cũng sẽ bắt tín hiệu hình ảnh analog nhưng ngay lập tức nó chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số ngay bên trong camera. Một số xử lý kỹ thuật số có thể xảy ra ngay khi vào camera, ví dụ như nén và phát hiện chuyển động,… Hình ảnh video kỹ thuật số này sau đó được truyền đi qua mạng IP bằng cách sử dụng giao tiếp Ethernet (CAT5). Việc cung cấp nguồn điện cho camera có thể được cấp trực tiếp từ nguồn DC hoặc có thể được cấp thông qua cáp ethernet bằng công nghệ Power-Over-Ethernet (PoE). Như vậy giống như với tất cả các thiết bị mạng, mỗi IP Camera sẽ yêu cầu phải thiết lập một địa chỉ IP riêng cho nó và các thuộc tính nhận dạng liên quan khác.

Phần mềm quản lý được yêu cầu cài trên máy tính mà bạn muốn giám sát hình ảnh của các Camera IP. Một máy tính công suất cao được thiết lập với phần mềm quản lý thích hợp để ghi lại toàn bộ các hình ảnh quan sát của hệ thống Camera IP. Hoặc có thể là một thiết bị ghi hình mạng thực hiện chức năng lưu trữ và giám sát chung cho hệ thống camera IP của nhà cung cấp (gọi tắt là NVR – Network Video Recorder). Thông thường phần mềm giám sát cài trên PC hoặc NVR sẽ phải cùng nhà sản xuất với Camera IP do sự chưa thống nhất trong các chuẩn sản xuất của các nhà cung cấp khác nhau.

 

Hình 1.5 Mô hình hệ thống camera quan sát IP

Các tín hiệu camera IP được truyền đi qua Internet cũng tương tự với cách mà một tín hiệu DVR thực hiện. Tuy nhiên, mỗi một Camera IP là một luồng tín hiệu riêng biệt và có địa chỉ IP hoặc cổng riêng của mình. Điều này có thể ảnh hưởng rất nhiều đến băng thông sử dụng khi quan sát từ xa.

ü   Hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và Ip:

         Một giải pháp tốt hơn có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề trên là giải pháp kết hợp giữa việc sử dụng công nghệ analog và IP. Giải pháp kết hợp các lợi ích và lợi thế của công nghệ giám sát analog và kỹ thuật số. Phương pháp này cho phép bạn sử dụng một sự kết hợp của camera analog và camera IP, đầu ghi hình kỹ thuật số (DVR), và máy chủ camera IP. Giải pháp mạnh mẽ này là hoàn hảo cho các doanh nghiệp lớn và mở rộng như chuỗi nhà hàng, các tòa nhà y tế, trường học, hoặc văn phòng lớn hay môi trường công nghiệp.

Hình 1.6 Mô hình hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và IP

v  Đánh giá, lựa chọn giữa hai loại camera

-                 Điểm khác nhau chủ yếu giữa camera analog và camera IP chính là ở phương pháp tín hiệu hình ảnh được truyền tải và nơi hình ảnh được nén hoặc được mã hóa.

-                 Camera analog có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với camera IP vậy nên chúng được sử dụng rất phổ biến tuy nhiên camera IP lại có lợi thế khi là một thiết bị mạng, dễ dàng lắp đặt và cấu hình hơn so với camera Analog.

          Vì vậy sử dụng camera IP hay camera Analog sẽ tuỳ thuộc vào từng nhu cầu cụ thể của mỗi khách hàng.

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

     Trong chương mở đầu này, chúng ta đã tìm hiểu được tổng quát về video số và camera giám sát. Nhận định được tầm quan trọng của camera, việc sử dụng camera giám sát vào thực tiễn là tối quan trọng, phục vụ cho việc quan sát, theo dõi những không gian, địa điểm cần thiết. Bên cạnh đó, việc ghi lại các video giám sát, có ý nghĩa về mặt giữ gìn an ninh trật tự. Qua chương giới thiệu này, ta có cái nhìn tổng quát về video số, camera giám sát, tạo tiền đề cho các chương tiếp theo.

.............................

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

1. KẾT LUẬN

Qua việc thực hiện đề tài này, giúp chúng ta hiểu được nhiều khái niệm về lý thuyết. Về phần lý thuyết, tìm hiểu được các khái niệm về video số, camera giám sát, qua đó cũng tìm hiểu và nhận dạng được các phương pháp giúp phát hiện đối tượng chuyển động trong video như phương pháp trừ nền, phương pháp ước lượng Opticalflow, tìm hiểu được phương pháp theo vết đối tượng, phương pháp phân mảnh vùng cũng như các giải thuật của từng phương pháp. Bên cạnh đó cũng tìm hiểu và sử dụng tốt một số phần mềm bổ trợ, kết hợp với chương trình Matlab để thực hiện tốt các yêu cầu đặt ra.

      Đề tài này cũng hoàn thành được một số mục tiêu về phát hiện và truy vết đối tượng chuyển độngqua từng frame của video, xác định được vận tốc của đối tượng chuyển động yêu cầu. Hoàn thiện và thực thi các chương trình, cài đặt thành công các thuật toán đã nghiên cứu, cụ thể là phương pháp trừ nền.

2. PHẠM VI ỨNG DỤNG

    Đề tài có phạm vi ứng dụng trong các hệ thống giám sát y tế, trong các hệ thống xác định tốc độ trong giao thông (qua hầm đường bộ).

3. HẠN CHẾ

      Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài còn một số những hạn chế cần được khắc phục như:

-           Chưa thực thi được các phương pháp khác, để có sự đánh giá, so sánh nhận định giữa các phương pháp, các giải thuật.

-           Đối với những video có kích thước lớn, độ phân giải lớn việc thực thi chương trình chưa được tối ưu.

-           Việc xác định đối tượng chuyển động, chỉ dừng lại ở việc xác định đối tượng chiếm vùng lớn nhất.

-           Việc tính vận tốc chỉ đúng cho chuyển động thẳng trong không gian 2-D (2 chiều x-y), chưa chính xác khi đối tượng chuyển động theo chiều sâu.

 

4. HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong quá trình thực hiện đề tài này, do những hạn chế về trình độ, đề tài chưa thực sự xây dựng được nhiều phương pháp khác nhau như phần lý thuyết đã đạt được. Việc chỉ sử dụng một phương pháp chưa cho chúng ta thấy được đâu là giải pháp tối ưu, cũng chưa có nhận định nào về việc có thể kết hợp cùng lúc các phương pháp để cải thiện kết quả. Hy vọng trong tương lai, những phát triển dưới đây sẽ giúp đề tài có tính thực tiễn cao hơn:

-       Xác định đối tượng chuyển động với hướng cụ thể.

-       Xây dựng thuật toán cải thiện chất lượng video trừ nhiễu, loại bỏ bóng và tối ưu hóa các thuật toán để tang tốc độ xử lý cũng như chất lượng của sản phẩm.

-       Ứng dụng kỹ thuật camera stereo để xác định được vị trí chính xác của đối tượng khi di chuyển theo chiều sâu (3-D), từ đó sẽ có nhiều chức năng được yêu cầu phát triển.

 

     Một lần nữa em xin cảm ơn thầy giáo TS. NGUYỄN LÊ HÙNG thuộc khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành tốt đồ án này.