(Luận văn) xác định vùng tìm kiếm trên hình ảnh địa hình và ứng dụng

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Thị Chuyên lu an n va tn to XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA p ie gh HÌNH VÀ ỨNG DỤNG d oa nl w an lu ll u nf va LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH oi m z at nh z m co l gm @ an Lu Thái Nguyên, 2017 n va ac th si ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Thị Chuyên lu an XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA HÌNH va n VÀ ỨNG DỤNG p ie gh tn to w Chuyên ngành: Khoa học máy tính d oa nl Mã số: 60 48 01 01 va an lu ll u nf LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH oi m z at nh Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: z TS NGUYỄN VĂN HUÂN m co l gm @ an Lu Thái Nguyên, 2017 n va ac th si i LỜI CẢM ƠN T ệ TS N yễ V H â –T Đ yề C ệ M â y ế nên k E k ns k y ề n cịn ếu sót ế â y TS Nguyễn Văn Huân lu ề y an va n E ế C ệ ệ T y yề kế p y â è w y ộ y ổ ũ k ó d oa nl ũ ộ X T T y y ie gh tn to Đ G ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si ii LỜI CAM ĐOAN T ộ ộ ế ó y ộ k y ề Nộ ệ ệ ệ Nộ y é không ũ ộ lu an Học viên thực n va p ie gh tn to d oa nl w Nguyễn Thị Chuyên ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN vi MỞ ĐẦU lu an C va n TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM 1.1 K ề ie gh tn to ý p 1.1.1 X ý ý nl w 1.1.2 C ề ý lu 1.2 C ề kế 10 va an 1.3 Tổ MỘT SỐ KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM 12 C ý z at nh 2.1.2 M 2.2 Kỹ 12 oi y m 2.1.1 N y 12 ll 2.1 P u nf C 12 S 13 2.5 Kỹ T 17 k l H 14 gm 2.4 Kỹ T @ â z 2.3 T 18 m co C ý d oa 1.1.3 Mộ MÁY AY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ QUY TRÌNH XỬ LÝ TÌM an Lu KIẾM VÙNG AN TOÀN 22 n va ac th si iv 3.1 K ề ể 3.1.1 L ể 3.1.2 V UAV 22 UAV 22 k 3.2 P â UAV 23 UAV 24 3.3 T ể UAV 3.3.1 P ể y y ởVệ N 3.3.2 N ể 3.4 Mộ y ý 3.5 Q y y 29 29 yk 31 kế ý 33 35 lu 3.5.1 T 35 an n va 3.5.2 T ề ý 36 C y 42 3.5.4 X 43 3.5.5 L 47 p ie gh tn to 3.5.3 Tìm ặ k 56 u nf va k 52 52 an 4.2.2 Kế lu 4.2.1 Kế ệ d 4.2 Kế ệ 49 oa nl 4.1 C w CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM 49 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 61 ll m oi TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT lu Unmanned Aerial Vehicles SLZ Safe Landing Zone MALE Medium Altitude Long Endurance MAV Micro Aerial Vihicles VTOL Vertical Take-Off and Landing ULE Ultra Long Endurance DF Dragon Fly an UAV n va gh tn to Unmanned Combat Aerial Vehicles p ie UCAV d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si vi DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1: Q trình x lý nh H 2: C n x lý nh Hình 1: Biế ổ H ng thẳng 17 Hình 2: C H õ 3: H i ng 20 c c a l c Kalman 21 Hình 1: Global Hawk RQ4 (Northrop Grumman) 25 H Hình 2: Predator MQ-1 trang b tên l a ch f 26 Hình 3: UAV Aerosonde 26 lu an Hình 4: UAV Cam-Copter S-100 27 n va Hình 5: UAV Cypher 27 Hình 7: UAV Micro Bat 29 gh tn to Hình 6: UAV Pointer 28 p ie Hình 8: M c tiêu bay M94 30 Hình 9: M c tiêu bay M96-A 30 nl w Hình 10: M c tiêu bay M100 31 d oa Hình 11: M c tiêu bay M100-CT 32 an lu Hình 12: M c tiêu bay M400-CT 32 va Hình 13: Quy trình tìm kiếm vùng h cánh an tồn cho UAV 34 u vào 36 ll m Hình 15: Ả u nf Hình 14: Quy trình x lý nh tìm kiếm vùng an toàn 35 ( ) oi Hình 16: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an tồn (a) kết qu v trí t z at nh v i Sobel k ch b n 38 ( ) Hình 17: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an tồn (a) kết qu v trí t z gm @ v i Sobel k ch b n 38 ( ) Hình 18: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an tồn (a) kết qu v trí t l m co v i Laplace k ch b n 39 ( ) Hình 19: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an tồn (a) kết qu v trí t an Lu v i Blur k ch b n 41 n va ac th si vii Hình 20: Kết qu s d ng Canny v ng (50,50) (a) (50,100) (b) l c GaussianBlur 42 Hình 21: Kết qu s d ng Canny v ng (50,50) (a) (50,100) (b) l c Blur 43 Hình 22: Các vùng an toàn th c tế 44 H 23: S tìm v trí an tồn kh thi 44 ∆=0.1 45 Hình 24: Kết qu th nghiệm v Hình 25: Kết qu th c thu t tốn tìm v trí an tồn kh k ch b ( ) ng h p k ch b n v ( ) ng h p ∆=0.3 45 lu an n va ∆=0.5 46 Hình 27: Kết qu th nghiệm v ∆=0.7 46 Hình 28: Kết qu th nghiệm v ∆ 47 Hình 29: Ảnh Ribs 48 gh tn to Hình 26: Kết qu th nghiệm v p ie Hình 30: Kết qu th c thu t toán l a ch n vùng an toàn t h p k ch b Hình 1: Ả ( ) ( ) ng ng h p k ch b n 48 nl w u vào k ch b n 50 ng h p k ch b n 50 u vào cho k ch b n 51 an lu Hình 3: Hình d oa Hình 2: Các v trí an tồn t u vào k ch b n 52 u nf Hình 5: Ả ng h p k ch b n 51 va Hình 4: V trí an tồn t ll Hình 6: Ảnh sau tìm biên ng d ng Hough 52 ổ màu 53 oi k m Hình 7: Ả z at nh Hình 8: Ảnh cho biết v trí có kh Hình 9: Kết qu tìm kiếm vùng an tồn t 53 54 z Hình 10: Biể kết qu s Hình 11: Biể % so sánh th c v i thu Hình 12: Ả u vào k ch b n 56 ề xu t k ch b n 55 m co l gm @ ng cho k ch b n 55 Hình 13: Kết qu dị biên v i ng d ng Hough v i k ch b n 56 k an Lu Hình 14: Ảnh k ch b ổ màu 57 n va ac th si viii Hình 15: Ảnh hiển th v trí an tồn 57 Hình 16: Ả c b t tìm v trí an tồn t 58 Hình 17: Biể kết qu s Hình 18: Biể % so sánh th c v i thu ng cho k ch b n 59 ề xu t k ch b n 59 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 50 Hình 1: Ảnh đầu vào kịch M ý ể kế ề ây: lu an n va p ie gh tn to oa nl w d Hình 2: Các vị trí an toàn tối ưu trường hợp kịch lu ế k Đ ộ ký ồTề C m ệ yề ây: oi thông Mộ T ll vùng xung quanh UAV C5 k u nf (~100 ) va an Kịch thử nghiệm 2: z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 51 lu an n va tn to Hình 3: Hình ảnh đầu vào cho kịch p ie gh M ý ể kế ề ây: d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu Hình 4: Vị trí an tồn tối ưu trường hợp kịch n va ac th si 52 4.2 Kết đánh giá chƣơng trình thử nghiệm 4.2.1 Kết cho kịch Ả lu an n va p ie gh tn to k H d oa Ả nl w Hình 5: Ảnh đầu vào kịch ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu Hình 6: Ảnh sau tìm biên ứng dụng Hough n va ac th si 53 Đổ â lu an n va tn to ie gh Hình 7: Ảnh sau đổ màu ók p C Kế d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ m co l Hình 8: Ảnh cho biết vị trí có khả an toàn an Lu n va ac th si 54 Kế kế lu an n va tn to gh Hình 9: Kết tìm kiếm vùng an toàn tối ưu é p ie Kế kế ế w V ó Kế y ể oa nl k ể ễ d ây: S ll u nf Nộ va an lu Bảng 1: Bảng số liệu thể kết với thuật toán đề xuất cho kịch k S k H T ề oi m Số lượng % % 30% 10 59% 29% 41% 17 l 100% 18 Vị trí khơng an tồn 42 70% Tổng 60 100% z Vị trí an tồn @ m co % gm Số lượng z at nh Tiêu chí an Lu n va ac th si 55 lu an n va to p ie gh tn Hình 10: Biểu đồ kết số lượng cho kịch d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh (b) z (a) @ ệ ề ế y ó ú ể 30% kế ế õ ệ ề ỷ ệ ể an toàn cho ũ an Lu UAV ệ m co ể k l Kế gm Hình 11: Biểu đồ % so sánh thực với thuật toán đề xuất kịch 59% k n va ac th si 56 ế ệ ổ ề Đề ể y 10 ệ 29% 18 ể ể ó 4.2.2 Kết cho kịch Ả lu an n va p ie gh tn to H d oa nl w Kế Hình 12: Ảnh đầu vào kịch ll u nf va an lu oi m z at nh z l gm @ m co Hình 13: Kết dò biên với ứng dụng Hough với kịch an Lu n va ac th si 57 lu an n va tn to Hình 14: Ảnh kịch sau đổ màu ó ể p ie gh T d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z @ m co l gm Hình 15: Ảnh hiển thị vị trí an toàn an Lu n va ac th si 58 L lu an n va tn to gh Hình 16: Ảnh lược bớt tìm vị trí an tồn tối ưu ie Kế p n xét Nộ d oa nl w Bảng 2: Bảng số liệu thể kết với thuật toán đề xuất cho kịch k ề H Tăng 29,5% ll 31 71,4% 70,5% 28,6% 100% 41,9% Vị trí khơng an toàn 74 Tổng 105 oi m z at nh u nf va Vị trí an tồn S k an lu Tiêu chí S 100% z m co l gm @ an Lu n va ac th si 59 lu an va n Hình 17: Biểu đồ kết số lượng cho kịch p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m (a) (b) z at nh Hình 18: Biểu đồ % so sánh thực với thuật toán đề xuất kịch y kế 71 4% Q 42% ể ể ó 31 Đ ề y ó óý an Lu ể m co 105 C l H k ệ gm ễ @ k z V n va ac th si 60 k ó ễ UAV ể ệ ĩ lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 61 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ KẾT LUẬN L ộ y kỹ ý ý UAV N T ệ -T lu Q ể ây ý yế k ể an ộ kế ệ ề ặ ề ý ũ va n ể ộ y kỹ T y yk C kỹ ý H kế ie p ề ộ ế w ặ d oa nl - Xây y kỹ ó ệ kế ý â -Đ gh tn to S kể yk -T ộ y : ệ Đ kế lu an HƢỚNG PHÁT TRIỂN ó u nf va T ll UAV ó Để â ể kỹ ẽ ế ệ y ý T ề k O f ề m co l kế ế gm T ế G ể ó @ G ó z M ộ z at nh ề ph ộ oi ẩ UAV ể m k ẩ ể ỗ an Lu n va ac th si 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ N Toàn, Ph m V ệ L K H Nộ kỹ [2] nh (2008), “Xử lý ảnh”, Nhà xu M N yễ T T ỷ (2007) “Nhập môn xử lý ảnh số”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật H Nộ [3] N yễ V T ó Đề Đ T N y “Nghiên cứu kỹ thuật tra cứu ảnh, ứng dụng tra cứu quản lý số loại dược liệu quý vùng rừng núi tỉnh Thái Nguyên”, 2013-2014 lu [4] N yễ T H an â va n [5] N (2007) “Thị giác máy tính xử lý ảnh số” H ệ kỹ yễ Đ L yệ N yễ C Đ N yễ T H (2003) “Nghiên to yế p ie gh tn cứu xây dựng thư viện chuyên dụng xử lý ảnh nhận dạng đối tượng” Kỷ ộ ể ệ ệ KTQS H Nộ – 2/2003, tr 242 – P.T D N.C (2008) “Affine-invariant Fourier descriptors yề Hai N.T L oa [6] nl w 251 d and its application in a number plate recognize system” ASEAN J an lu Science and Technology for Development, Vol.25, Issue 2, pp 269-280 P k N (2005) “A cognitive evaluation procedure for contour u nf G va [7] f Hy ll based shape descriptors” I J m V y &H L UK NJ 193 – 242 @ Low A (1991), Introductory computer vision and image processing, C S “S m co [10] R R f l McGRAW – HILL Book Company gm [9] (4) R (1993) “Image Processing, Analysis and z Machine Vision” C z at nh [8] S k M H Sy oi pp 237 – 252 I - f ” British an Lu Machine Vision Conference, September 2003, vol 2, p 779–788 n va ac th si 63 [11] D C F M T A I [12] T T H T “O T k V : ” arXiv Prepr arXiv1304.5212, no 1, 2013 N T D “H y f y1” MICA Int Res Cent - Hanoi Univ Sci Technol., 2011 [13] T Patterson, S McClean, P Morrow, G Parr, Towards Autonomous afe Landing Site Identification from Colour Aerial Images, in: 2010 Irish achine Vision and Image Processing Conference, Cambridge Scholars Publishing, Ireland, 2010, pp 291-304 lu [14] T Patterson, S McClean, G Parr, P Morrow, L Teacy, J Nie, Integration of an Terrain Image Sensing with UAV Safety Management Protocols, in: The va n Second International ICST Conference on Sensor Systems and Software, S- to tn Cube 2010, Springer, Miami, Florida, USA, 2010, pp 36-51 an Unmanned Aerial Vehicle" Robotics and Automation, 2001 p ie gh [15] Sharp, C.S., Shakernia, O., Sastry, S.S "A Vision System for Landing Proceedings 2001 ICRA IEEE International Conference on , vol.2, w A C E F A M d [16] oa nl no., pp 1720-1727 vol.2, 2001 P Z S L “A lu an Vision-Based Guidance System for UAV Navigation and Safe Landing fI R Sy u nf va using Natural Landmarks” J ll vol 57, Numbers 1-4 (2010), 233-257 m Bosch, S., Lacroix, S., Caballero, F "Autonomous Detection of oi [17] z at nh Safe Landing Areas for an UAV from Monocular Images" Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International z Conference on, pp.5522-5527, 9-15 Oct 2006 @ Cesetti, A., Frontoni, E., Mancini, A., Zingaretti, P "Autonomous Safe gm [18] m co l Landing of a Vision Guided Helicopter" Mechatronics and Embedded Systems and Applications (MESA), 2010 IEEE/ASME International [19] M L F z D L E P an Lu Conference on , vol., no., pp.125-130, 15-17 July 2010 C & X L “Forced n va ac th si 64 Landing Technologies for Unmanned Aerial Vehicles : Towards Safer Operations.“ I T M L (E ) A V I -Tech, Kirchengasse, Austria, pp 415-442 [20] Meingast, M., Geyer, C., Sastry, S "Vision Based Terrain Recovery for Landing Unmanned Aerial Vehicles" Decision and Control, 2004 CDC 43rd IEEE Conference on , vol.2, no., pp 1670-1675 Vol.2, 14-17 Dec 2004 [21] Mahmood, W., Shah, S "Vision Based Hazard Detection and Obstacle Avoidance for Planetary Landing" Nonlinear Dynamics and lu an Synchronization, 2009 INDS '09 2nd International Workshop on , vol., n va no., pp.175-181, 20-21 July 2009 Shakernia, O., Yi Ma; Koo, T.J., Hespanha, J., Sastry, S.S "Vision Guided Landing of an Unmanned Air Vehicle" Decision and Control, 1999 Proceedings of the 38th IEEE Conference on , vol.4, no., p ie gh tn to [22] pp.4143-4148 vol.4, 1999 nl w [23] Johnson, A., Montgomery, J., Matthies, L "Vision Guided Landing of an Terrain" Robotics and d oa Autonomous Helicopter in Hazardous an lu Automation, 2005 ICRA 2005 Proceedings of the 2005 IEEE va International Conference on , vol., no., pp 3966-3971, April 2005 [10] u nf Bach Van Pham, Simon Lacroix, Michel Devy "Vision-based absolute ll navigation for descent and landing" Journal of Field Robotics, Volume m oi 29, Issue 4, pages 627–647, July/August 2012 z at nh [24] Dongwoon Jeon, Kiho Cho, Doo-Hyun Kim "Vision-Based Autonomous Landing for Small-Scale Unmanned Rotorcraft" z Real-Time Distributed gm @ Object/Component/Service-Oriented Computing Workshops (ISORCW), 2011 14th IEEE International l 280, 28-31 March 2011 m co Symposium on, vol., no., pp.274 an Lu n va ac th si