Nghiên cứu xử lý tín hiệu video phát hiện và kiểm soát đối tượng chuyển động.

- Luận văn tốt nghiệp cao học 1 MỤC LỤC MỤC LỤC.
- 7 Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ VIDEO VÀ PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG CHUYỂN ĐỘNG.
- Tín hiệu video tƣơng tự.
- Khái niệm về video số.
- Tín hiệu video số.
- Các chuẩn video số.
- Ƣu điểm của video số.
- Nhƣợc điểm của video số.
- Các phƣơng pháp xử lý trên video số.
- Phát hiện chuyển động.
- Ước lượng chuyển động.
- Phát hiện đối tƣợng.
- Phát hiện nổi trội.
- Bƣớc hậu xử lý điểm ảnh.
- 28 Luận văn tốt nghiệp cao học 2 2.1.3.
- Phát hiện các vùng liên tục.
- Bƣớc hậu xử lý vùng.
- Đánh dấu đối tƣợng.
- Tham chiếu tƣơng tự với các đối tƣợng cơ bản.
- Điều khiển sự chồng chéo của các đối tƣợng.
- Phát hiện các đối tượng tách ra.
- Phát hiện các đối tƣợng dời đi và các đối tƣợng biến mất.
- Phân loại đối tƣợng.
- Thuật toán phát hiện và theo dõi đối tƣợng.
- Thuật toán phát hiện chuyển động dựa trên kỹ thuật trừ nền.
- Thuật toán theo dõi đối tƣợng.
- 45 Luận văn tốt nghiệp cao học 3 3.2.2.5.
- 56 Luận văn tốt nghiệp cao học 4 LỜI CAM ĐOAN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho tôi một môi trường học tập và nghiên cứu.
- Phạm Văn Tiến đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này.
- Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra.
- Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung đã trình bày trong luận văn này.
- Tác giả Nguyễn Hoài Nam Luận văn tốt nghiệp cao học 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải nghĩa tiếng Anh Giải nghĩa tiếng Việt EEPROM Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory Bộ nhớ có khả năng lập trình lại được JPEG Joint Photographic Experts Group Nhóm các chuyên gia ảnh LED Light Emmitting Diode Điốt phát quang MPEG Moving Picture Coding Experts Group Nhóm chuyên gia mã hóa phim ảnh NTSC National Television System Committee Hệ truyền hình sử dụng ở Bắc Mỹ PAL Phase Alternating Line Hệ truyền hình sử dụng ở Châu Âu PWM Pulse Width Modulation Điều chỉnh độ rộng xung SECAM Sequential Color with Memory Hệ truyền hình sử dụng ở Đông Âu SPI Serial Perippheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh Luận văn tốt nghiệp cao học 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.
- Kết quả của phương pháp so sánh sự khác biệt [4.
- Hai đối tượng trong phương pháp trừ nền [4.
- Phương pháp tham chiếu đối tượng phù hợp cơ bản [1.
- Sơ đồ thuật toán phát hiện chuyển động dựa trên kỹ thuật trừ nền [10.
- ảnh gốc của tín hiệu thu được, vật thể màu hồng cần quan sát được đánh dấu trong vòng tròn màu đỏ.
- 52 Luận văn tốt nghiệp cao học 7 MỞ ĐẦU Hiện nay phần lớn lượng thông tin con người thu vào là dưới dạng hình ảnh.
- Thông tin dưới dạng hình ảnh là thông tin trực quan nên con người dễ dàng tiếp nhận nó.
- Do đó con người đã tiến hành nghiên cứu các phương pháp xử lý tín hiệu video để phục vụ cho các nhu cầu cần thiết của mình.
- Việc nghiên cứu về ảnh số và video số đã phát triển rộng rãi.
- Từ yêu cầu thực tế được đặt ra, việc xây dựng một hệ thống phát hiện và theo dõi chuyển động từ tín hiệu video thu được thông qua hệ thống camera quan sát với sự hỗ trợ của kỹ thuật theo vết trong lĩnh vực thị giác máy tính (computer vision) là một điều cần thiết.
- Do đó, luận văn này phân tích tín hiệu video phát hiện và kiểm soát đối tượng chuyển động.
- Trên định hướng đó, luận văn được chia thành ba chương như sau: Chƣơng 1: Tổng quan về xử lý video và phát hiện đối tƣợng chuyển động Chương này sẽ trình bày các khái niệm về video, các chuẩn video tương tự và video số, các khái niệm về chuyển động và ước lượng chuyển động.
- Chƣơng 2: Phát hiện, đánh dấu, phân loại đối tƣợng chuyển động trong video Trong chương này sẽ trình bày các phương pháp phát hiện đối tượng, đánh dấu đối tượng, phân loại các đối tượng chuyển động và thuật toán phát hiện đối tượng chuyển động, thuật toán bám theo đối tượng.
- Chƣơng 3: Kết quả đạt đƣợc trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp cao học 8 Chương này sẽ mô phỏng kết quả đạt được thông qua các cộng cụ hỗ trợ là Visual Studio C++ 2010 Ultimate, OpenCV 2.4, và Arduino 1.0.6.Chương trình mô phỏng sẽ cho thấy sự phát hiện đối tượng mới xuất hiện trong khu vực cần quan sát và tự động bám theo sự di chuyển của đối tượng.
- Do điều kiện về thời gian và kiến thức hiểu biết về lĩnh vực này còn hạn chế, nên luận văn không thể tránh được những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của mọi người.
- Phạm Văn Tiến, đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi và hiệu chỉnh cho luận văn.
- Cám ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông đã giúp đỡ tôi hoàn thành cuốn luận văn này.
- Luận văn tốt nghiệp cao học 9 Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ VIDEO VÀ PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG CHUYỂN ĐỘNG 1.1.
- Khái niệm về video Video hay còn gọi là chuỗi ảnh (image sequence) tượng trưng cho thông tin hình ảnh.
- t € R: thông tin về thời gian.
- Tín hiệu video tương tự Tín hiệu video tương tự được xem như là tín hiệu điện một chiều theo thời gian f(t) và được lấy mẫu theo chiều dọc.
- Các phương pháp quét thường được sử dụng nhất là quét liên tục (progressive scanning) và quét xen kẽ (interlace scanning) [8.
- Quét liên tục A C B D Luận văn tốt nghiệp cao học 10 Hình 1.1.
- Phương pháp này thường được dùng trong công nghiệp máy tính với tốc độ ∆t = 1/72 giây.
- Vì mắt người phát hiện ra hình ảnh chớp khi tần số quét dưới 50Hz nên tần số quét của máy bao giờ cũng phải lớn hơn 50Hz.
- Từ đó xuất hiện phương pháp quét xen kẽ.
- Phương pháp này chia dòng quét thành dòng chẵn và dòng lẻ (gọi là field) và quét các dòng chẵn trong khoảng thời gian ∆t rồi chuyển qua quét các dòng lẻ.
- Một số thông số quan trọng của tín hiệu video: C B A E D F Luận văn tốt nghiệp cao học 11 - Độ phân giải theo chiều dọc (vertical resolution): thông số này liên quan đến số dòng quét trên 1 frame.
- Hầu hết tín hiệu video tương tự được lưu dựa trên kỹ thuật từ ngoại trừ đĩa laser là dùng kỹ thuật quang.
- Khái niệm về video số 1.3.1.
- Tín hiệu video số Tín hiệu video số được lưu trữ dưới dạng số.
- 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.
- Luận văn tốt nghiệp cao học 12 Hình 1.3.
- Các chuẩn video số Việc trao đổi giữa các ứng dụng và các sản phẩm video số đã đưa ra các chuẩn video số.
- chiều ngang chiều dọc chiều thời gian Luận văn tốt nghiệp cao học 13 ITU-R NTSC ITU-R PAL/SECAM CIF Number of active pels/line Lum (Y) Chroma (U, V Number of active lines/pic Lum (Y) Chroma (U, V Interlacing Temporal rate 60 50 30 Aspect ration Raw data rate (Mbps Hình 1.4.
- Các chuẩn về studio số [8] CCITT G3/G4 Binary images (non-adaptive) JBIG Binary images JPEG Still frame gray scale and color images H.261 ISDN applications (px64 kbps) H.263 PSTN applications (less than 64 kbps) H.263+ Low-bitrate PSTN applications (underway) MPEG-1 Optical storage media (1.5 Mbps) MPEG-2 Generic coding (4-20 Mbps) MPEG-4 Object-based functionalities (underway) Luận văn tốt nghiệp cao học 14 Hình 1.5.
- Ưu điểm của video số So với video tương tự thì video số lại có nhiều ưu điểm quan trọng.
- Ngoài ra để hiển thị tín hiệu theo chuẩn này (ví dụ NTSC) trên một hệ thống máy dùng chuẩn khác (ví dụ PAL) ta cần có một bộ chuyển đổi tín hiệu đắt tiền.
- Với tín hiệu số ta không cần phải chuyển đổi các tín hiệu này.
- Ngoài ra, ta còn có thể chỉnh sửa, tạo các hiệu ứng đẹp trên tín hiệu video số.
- 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 dữ liệu ảnh và video [8].
- Nhược điểm của video số Nhược điểm của video số đó là nó đòi hỏi khối lượng lưu trữ lớn với băng thông rộng để truyền tải.
- Với tín hiệu tivi chất lượng tối đa cần 1440 điểm ảnh trên một dòng, 1050 dòng cho một frame độ sáng, 720 điểm trên một dòng và 525 dòng trên một frame màu sắc.
- Do đó hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp nén video để giảm kích thước khi truyền tải [8].
- Các phương pháp xử lý trên video số Video số có nhiều thông tin trực quan hơn là ảnh số.
- Lý do chính là do video số có chứa thông tin về chuyển động trong khi ảnh số chỉ là ảnh chụp một cảnh tĩnh.
- Các chuỗi ảnh động luôn hàm chứa các thông tin về chuyển động, các chuyển động này là một tín hiệu nhạy cảm đối với thị giác con người.
- Con người có thể dễ dàng nhận biết được các đối tượng ngay khi chúng chuyển động thậm chí chúng rất khó thấy khi đứng yên.
- Vì thế các phương pháp xử lý video số cũng khác so với các phương pháp xử lý ảnh số.
- Vận động là thông tin quan trọng trong xử lý video số bởi vì vận động mang rất nhiều thông tin về mối quan hệ không gian và thời gian giữa các đối tượng trong ảnh.
- Các phương pháp cơ bản trong xử lý video số là phát hiện chuyển động và ước lượng chuyển động.
- Phát hiện chuyển động thường được Luận văn tốt nghiệp cao học 15 áp dụng trong các hệ quan sát (phát hiện đối tượng di chuyển hoặc là đứng yên), còn ước lượng chuyển động thường được áp dụng trong nén video số.
- Ngoài ra còn có các phương pháp xử lý khác được áp dụng vào mức tiền xử lý như là lọc nhiễu… các phương pháp này áp dụng trên từng frame giống như trong xử lý ảnh số [8].
- Phát hiện chuyển động a.
- Sơ nét về chuyển động Chuyển động theo các khái niệm trong vật lý là sự thay đổi vị trí giữa vật này và vật kia.
- Tức là khi xét tới sự chuyển động thì ta phải xét là nó chuyển động so với cái gì.
- Khi xét tới chuyển động ta thường đặt nó vào một hệ quy chiếu quán tính.
- Một vật thể đứng yên trên hệ quy chiếu này nhưng lại chuyển động khi xét nó vơi hệ quy chiếu khác.
- Ví dụ khi ta đứng yên thì có thể coi là ta đứng yên so với hệ quy chiếu gắn với trái đất, nhưng khi đưa vào hệ quy chiếu gắn với mặt trời thì ta lại chuyển động.
- Chuyển động trong thực tế là chuyển động 3D nhưng khi con người tiếp nhận thì nó trở thành chuyển động 2D.
- Phép chiếu phối cảnh của một đoạn thẳng [4] Chuyển động trong thế giới thực 3D qua phép chiếu phối cảnh sẽ biến thành chuyển động trong mặt phẳng 2D.
- Tuy nhiên, con người nhận biết chuyển động qua sự thay đổi độ sáng của điểm ảnh.
- Do đó có những chuyển động mà con người mặt phẳng chiếu tâm chiếu O P2 z P1 y x Luận văn tốt nghiệp cao học 16 không có cảm nhận được như là chuyển động của quả cầu đồng màu.
- Từ đó ta có phương pháp phát hiện chuyển động đầu tiên đó là so sánh sự khác biệt theo thời gian.
- Phương pháp so sánh sự khác biệt Chúng ta xác định độ sai khác Dk, k-1 giữa frame thứ k và thứ (k-1) như sau [4]: Dk, k-1 = Fk – Fk-1 (1.3) trong đó: Fk là frame tại thời điểm k Nếu camera tĩnh, sự thay đổi ánh sáng rất nhỏ và nhiễu không đáng kể thì một điểm được coi là chuyển động nếu độ khác biệt của nó lớn hơn 0 và ngược lại sẽ đứng yên.
- Do đó để loại bỏ các điểm mà chúng ta phát hiện sai do nhiễu gây ra, ta có thể dùng một ngưỡng T thích hợp [4].
- (1.4) 0 ngược lại Với Mk, k+1 được gọi là mặt nạ chuyển động ở thời điểm k, nếu bằng 1 thì điểm đó được coi là chuyển động và bằng 0 thì điểm đó được coi là đứng yên.
- frame thứ k frame thứ k - 1 mặt nạ chuyển động

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt