Xác định mật độ giao thông tại một đoạn đường bằng phương pháp xử lý ảnh,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TP Hồ Chí Minh, Ngày 16 tháng năm 2012 Ths Võ Thiện Lĩnh Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ths Võ Thiện Lĩnh tận tình giúp đỡ hướng dẫn nhóm em thời gian làm đề tài Cám ơn quý thầy cô giảng viên trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Cơ Sở cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm, học giúp nhóm trưởng thành trình học tập trường Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên MỤC LỤC Nhận xét cán hƣớng dẫn Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình ảnh Phần I Lời mở đầu Phần II Nội dung Chƣơng Đại cƣơng xử lý ảnh Một số khái niệm xử lý ảnh 1.1 Nguồn gốc xử lý ảnh 1.2 Xử lý ảnh ? 10 1.3 Điểm ảnh 11 1.4 Mức xám ảnh 11 1.5 Định nghĩa ảnh số 11 1.6 Đặc điểm biên đường biên 11 Các bƣớc xử lý ảnh 12 2.1 Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition) 12 2.2 Tiền xử lý (Image Processing) 12 2.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh 12 2.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 13 2.5 Nhận dạng nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 13 Chƣơng Ứng dụng Matlab xử lý ảnh 14 Biến đổi Fourier 14 Xử lý histogram 15 Một số hàm chuyển đổi ảnh 20 3.1 Chuyển đổi kiểu liệu ảnh 20 3.2 Chuyển đổi kiểu ảnh 20 Giới thiệu tách biên ảnh 21 Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên 4.1 Các tách biên ảnh 22 4.2 Các bước thực hiên tách biên ảnh 23 Chƣơng Sử dụng phƣơng pháp tách biên xử lý ảnh 24 Cơ sở lý thuyết 24 1.1 Bộ tách biên Sobel 26 1.2 Bộ tách biên Prewitt 27 1.3 Bộ tách biên Canny 28 1.4 Bộ tách biên laplace hàm Gauss (LoG) 29 1.5 Bộ tách biên điểm giao zero 30 Phân vùng ảnh 31 2.1 Thuật toán giản nhãn thành phần liên thông 31 2.2 Phân vùng tách tứ phân 32 2.3 Phân vùng ảnh theo ngưỡng biên độ 34 Chƣơng Xử lý ảnh tính tốn mật độ giao thông 37 Phƣơng pháp tính mật độ phƣơng tiện giao thơng mặt cắt ngang 37 Phƣơng pháp xác định mật độ phƣơng tiện giao thông đoạn đƣờng phƣơng pháp xử lý ảnh 38 Phần Kết luận hƣớng phát triển đề tài 40 Kết đề tài 41 Kiến thức thu đƣợc 41 Những hạn chế đề tài 41 Hƣớng phát triển 41 Tài liệu tham khảo 43 Phụ lục 44 Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bức ảnh mặt trăng quan vũ trụ mỹ NASA Vào lúc 9:09 phút sáng ngày 31/6/1964 Hình 1.2: Quá trình xử lý ảnh Hình 1.3: Các bước xử lý ảnh Hình 2.1: Trước cân histogram Hình 2.2: Sau cân histogram Hình 2.3: Đầu vào mức xám Hình 2.4: Trước phối hợp histogram Hình 2.5: Sau phối histogram Hình 2.6: Mức xám ban đầu Hình 2.7: Cường độ mức xám sau phối hợp Hình 2.8: Ảnh giao thơng đường Hình 2.9: Hình ảnh sau khoanh vùng Hình 3.1: Tách biên Sobel Hình 3.2: Tách biên prewitt Hình 3.3: Tách biên canny Hình 3.4: Ảnh ban đầu Hình 3.5: Tiến trình gán ảnh Hình 3.5: Sau quét đầy đủ Hình 3.6: Kết sau Hình 3.7: Ảnh gốc dùng phân vùng Hình 3.8: Phân đoạn mức Hình3.9: Ảnh phân ngưỡng Hình 3.10: Biểu đồ độ sáng hình ảnh Hình 3.11: Biểu độ sáng hình ảnh Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật xác định mật độ phương tiện giao thông đoạn đường xử lý ảnh Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Phần I MỞ ĐẦU Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Tính cấp thiết đề tài Sự gia tăng số lượng mật độ phương tiện giao thông không ngừng Việt Nam (đặc biệt trung tâm đô thị lớn Hà Nội, TP HCM), khiến vụ tai nạn, ùn tắc giao thông trở thành vấn nạn nghiêm trọng Trong đó, việc mở rộng nâng cấp sở hạ tầng phục vụ giao thông lại ngày bị hạn chế Ngồi việc phân luồng giao thơng khơng hợp lý dẫn đến nhiều hậu gây ùn tắc giao thông, Sở GTVT vừa lắp đặt khoảng 40 km dải phân cách cứng trục đường Võ Văn Kiệt, Xơ Viết Nghệ Tĩnh, Trường Chinh, Cộng Hòa, QL13, QL22, Nguyễn Tất Thành, Nguyễn Văn Linh… với mục đích: phân tô xe máy ngăn người sang đường tùy tiện hạn chế tình trạng lấn Tổng chi phí lên đến hàng chục tỉ đồng Nhưng triển khai ạt, đánh đồng tất tuyến đường có nhu cầu lưu thơng khác nên dải phân cách không đạt hiệu giảm kẹt xe mà phát sinh nhiều điểm ùn ứ cục Sự tiến vượt bậc kỹ thuật thơng tin truyền thơng góp phần thúc đẩy cho đời nhiều ứng dụng quản lý, khai thác giao thơng đường mà phải kể đến xuất hệ thống giao thông thông minh Dưới đưa giải pháp áp dụng cơng nghệ xử lý ảnh để tính tốn mật độ giao thông nút giao thông nhằm đưa lời cảnh báo nhằm giúp ích cho việc chủ động phân đường giao thông cho phù hợp với thời điểm nhằm giảm bớt ùn tắc giao thơng Mục đích Nghiên cứu, tìm hiểu cơng cụ xử lý ảnh Matlab ứng dụng xây dựng chương trình tính tốn kiểm sốt mật độ giao thơng nút giao thông Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mật độ giao thông nút giao thông Bằng phương pháp phân tích xử lý ảnh tĩnh giao thơng chụp từ camera Đề tài nhằm xây dựng chương trình xử lý ảnh giao thơng tính tốn số lượng xe khu vực định đưa thông báo Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Phần II NỘI DUNG Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Chƣơng ĐẠI CƢƠNG VỀ XỬ LÝ ẢNH Một số khái niệm ảnh xử lý ảnh Trong nghành khoa học máy tính, xử lý ảnh dạng xử lý tín hiệu cho đầu vào ảnh frame phim ảnh Đầu hình ảnh, tập hợp ký tự tham số liên quan tới hình ảnh Thường kỹ thuật xử lý ảnh có liên quan tới xử lý tín hiệu hai chiều áp dụng chuẩn riêng kỹ thuật xử lý ảnh cho 1.1 Nguồn gốc xử lý ảnh Các phương pháp xử lý ảnh ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh phân tích ảnh Ứng dụng biết đến nâng cao chất lượng ảnh nghành công nghiệp báo chí, ảnh truyền qua dây cáp ngầm hai thành phố Luân đôn New York Từ năm 1920, hệ thống Bartlane giới thiệu, hệ thống truyền ảnh số qua dây cáp giúp giảm thiểu thời gian truyền hình ảnh, cụ thể thường để truyền hình ảnh qua biển Alantic tới tuần qua hệ thống đồng hồ Đây hệ thống chuyên dụng trang bị để mã hóa ảnh thành dạng tín hiệu sau truyền qua hệ thống dây cáp, đầu nhận tín hiệu có hệ thống chun dụng để giải mã khôi phục lại chúng Vấn đề nảy sinh chất lượng ảnh số có liên quan tới phương thức in phân bố mức sáng, độ phân giải ảnh vào khoảng năm 1955 việc nâng cao chất lượng ảnh phát triển để giải vấn đề Các kỹ thuật xử lý ảnh không ngừng cải thiện năm Nhưng điều quan trọng nghành cơng nghệ máy vi tính khơng ngừng phát triển, đáp ứng tốt nhu cầu công nghệ, giá thành ngày giảm, theo tốc độ xử lý cải thiện lên nhiều Cùng với đỏi hỏi khoa học nghiên cứu không gian tạo động lực thúc đẩy cho kỹ thuật xử lý ảnh phát triển Cụ thể, vào năm 1964, Những ảnh chụp bề mặt mặt trăng truyền trái đất từ vệ Trang Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên tinh Ranger 7, ảnh máy tính xử lý nâng cao chất lượng làm đường biên, lưu trữ ảnh Từ năm 1964 đến nay, ứng dụng xử lý ảnh ngày mở rộng ứng dụng thăm dò nghiên cứu vũ trụ, kỹ thuật xử lý ảnh xử dụng nhiều mục đích khác Hầu hết tốn đặt phân tích nâng cao chất lượng ảnh.Ta kể đến vài ứng dụng như: Thăm dò địa chất, sinh học, y học, hóa học, vật lý… Hình 1.1: Bức ảnh mặt trăng quan vũ trụ mỹ NASA Vào lúc 9:09 phút sáng ngày 31/6/1964 1.2 Xử lý ảnh ? Con người thu nhận thơng tin qua giác quan, thị giác đóng vai trò quan trọng Những năm trở lại với phát triển phần cứng máy tính, xử lý ảnh đồ hoạ phát triển cách mạnh mẽ có nhiều ứng dụng sống Xử lý ảnh đồ hoạ đóng vai trị quan trọng tương tác người máy Quá trình xử lý ảnh xem trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho kết mong muốn Kết đầu trình xử lý ảnh Trang 10 Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Chƣơng XỬ LÝ ẢNH TRONG TÍNH TỐN LƢU LƢỢNG GIAO THƠNG Tình trạng ùn tắc giao thông ngày trở nên trầm trọng Điều tác động tiêu cực đến kinh tế, xã hội mơi trường Có nhiều giải pháp nhằm hạn chế tình trạng giao thơng giải pháp kinh tế, giải pháp hành chính, giải pháp kỹ thuật, giải pháp công tác tuyên truyền song có nhiều bất cập q trình thực Sau giải pháp kỹ thuật Phƣơng pháp tính mật độ phƣơng tiện giao thơng mặt cắt ngang Quy trình tính tốn: a) Tính mật độ giao thơng Tính mật độ giao thơng cách đếm số lượng xe mặt cắt ngang thời điểm b) Tính mật độ xe thiết kế theo cao điểm Căn vào hệ số quy đổi trường hợp thông thường quy ước xe (viết tắt xcqđ) mật độ giao thông ta xác định mật độ xe thiết kế theo cao điểm xác định công thức: Ngiờ = (0,12-0,14) Ntbnăm c) Tính khả thơng hành đường phố xác định cách lấy số lượng xe lớn cao điểm tính thơng qua 15 phút cao điểm (mật độ xe 15phút cao điểm ), (xeqđ/h) d) Tính khả thơng hành tính tốn Khả thơng hành tính tốn xác định: (Trong Pln khả thông hành lớn nhất,được quy ước sẵn) e) Xác định mức nghẽn giao thông: Căn vào thơng số để xác định có nghẽn hay không  Vận tốc đường thiết kế  Mật độ xe cao điểm mức chuẩn  Khoảng cách an toàn xe  Khoảng cách đường Nếu xác định mật độ giao thông cao điểm ta tính hệ số xử dụng khả thông hành thời điểm so sánh với hệ số thơng hành tiêu chuẩn để xác định xem có nghẽn hay khơng Trang 37 Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Phƣơng pháp xác định mật độ phƣơng tiện giao thông đoạn đƣờng phƣơng pháp xử lý ảnh Với phương pháp tính tốn mật độ giao thơng mặt cắt ngang nhằm mục đích thiết kế lại hệ thống đường để hạn chế tình trạng tắc nghẽn giao thơng Tuy nhiên, với phương pháp cịn có số hạn chế như: kinh phí đầu tư lớn, tốn nhân cơng, chưa xá Khi đó, phương pháp xác định mật độ giao thông phương pháp xử lý ảnh đoạn đường nhằm khắc phục phần nhược điểm Trong phương pháp xác định mật độ phương tiện giao thông đoạn đường hệ thống camera lắp đặt tuyến đường để chụp phương tiện tham gia giao thông Ảnh thu xử lý thông qua hệ thống xử lý ảnh để xác định số lượng tham gia giao thơng sau đưa cảnh báo giao thơng Quy trình xác định: a) Camera chụp ảnh đưa vào hệ thống xử lý b) Quá trình xử lý hệ thống:  Hệ thống tách biên ảnh thông qua hàm tách biên matlab  Hệ thống xác định biên đối tượng cách làm giãn đối tượng tách biên (theo chiều dọc chiều ngang)  Sau đó, lấp đầy khoảng trống ảnh  Loại bỏ đối tượng nhỏ 100 pitcel(đó đối tượng khơng tham gia giao thông)  Hệ thống đếm số lượng đối tượng tham gia giao thông lưu vào biến A (trong A số tự nhiên )  Sau đếm xong hệ thống so sánh với giá trị ngưỡng N (N số đối tượng ranh giới mức ùn tắc giao thông không ùn tắc giao thông) Nếu số lượng đối tượng lớn N hệ thống đưa cảnh báo đường bị tắc nghẽn, đối tượng tham gia giao thông không vào đường Ngược lại, số lượng đối tượng nhỏ A hệ thống đưa cảnh báo đường an tồn, đối tượng vào đường c) Sau khoảng thời gian hệ thống tiếp tục xử lý ảnh đối tượng tham gia vào hệ thống Sau lưu đồ giải thuật trình này: Trang 38 Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Begin Nhận ảnh Chuyển sang ảnh nhị phân Tách biên ảnh Làm giãn hình ảnh Đếm số đối tƣợng, lƣu vào biến A S A