(Luận án) Nghiên cứu phát triển một số thuật toán phát hiện và phân loại phương tiện từ dữ liệu video giao thông

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNG NGHỆQNSỰ NGUYỄNVĂNCĂN NGHIÊNCỨUPHÁTTRIỂNMỘTSỐTHUẬT TỐN PHÁT HIỆN VÀ PHÂN LOẠI PHƯƠNG TIỆNTỪDỮLIỆUVIDEOGIAO THƠNG LUẬNÁNTIẾNSĨTỐN HỌC HÀNỘI,NĂM2015 NGUYỄNVĂNCĂN NGHIÊNCỨUPHÁTTRIỂNMỘTSỐTHUẬT TỐN PHÁT HIỆN VÀ PHÂN LOẠI PHƯƠNG TIỆNTỪDỮLIỆUVIDEOGIAO THƠNG Chun ngành: CƠ SỞ TOÁN HỌC CHO TIN HỌCMãsố:62 460110 LUẬNÁNTIẾNSĨTOÁNHỌC NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC PGS TS.NGUYỄN ĐỨC HIẾUHọcviện Kỹ thuậtQuânsự TS.PHẠMVIỆTTRUNG Cục Cơng nghệ thơng tin – Bộ Quốc phịngHÀNỘI,NĂM2015 LỜICAMĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Nhữngnội dung, số liệu kết trình bày luận án hồn tồn trung thựcvàchưacótácgiảnàocơngbốtrongbấtcứmộtcơngtrìnhnàokhác Tácgiảluậnán NguyễnVănCăn LỜI CẢMƠN Trước hết xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tơi với tập thể giáoviên hướng dẫn tôi, PGS TS Nguyễn Đức Hiếu, Giám đốc Trung tâm Côngnghệthôngt i n ,H ọc vi ện Kỹ thuậtQ u â n s ự Vi ệt N a m ; T S Ph ạm ViệtT r u n g , Phó cục trưởng Cục Cơng nghệ thơng tin - Bộ Quốc phịng trực tiếp hướng dẫncho tôithôngqua sựtiếnbộnghiêncứu Tôi muốn cảm ơn tất giảng viên mà tơi có vinh dự cùnglàm việc tham gia khóa học q trình làm nghiên cứu sinh Cảmơn thầy giáo, cô giáo Viện Cơng nghệ thơng tin, phịng Quản lý đào tạo sauđạihọcthuộc Viện Khoa họcvà Cơng nghệ qnsự-Bộquốcphịng Tơi muốn đặc biệt cảm ơn PGS TS Ngô Quốc Tạo, TS Nguyễn ĐứcDũng,p h ò n g N h ậ n d n g v X l ý t r i t h ứ c , t h u ộ c V i ệ n C ô n g n g h ệ t h ô n g t i n , ViệnhànlâmKhoahọcViệtNam;cảmơncácđồngnghiệpcôngtáctạiTrườngĐại học Kỹ thuật – Hậu cần Cơng an nhân dân có bàn luận, thảo luậnhữch,càiđặtthửnghiệmtrongcơng việc nghiêncứucủatơi Cuối cùng, tơi dành luận án cho gia đình tơi bạn bè tơi Nếukhơng có hỗ trợ họđầy đủ, tơi sẽkhơngcócan đảm để qua tấtc ả nhữngkhókhăn trongviệcnghiêncứu MỤCLỤC DANHMỤCCÁCKÝHIỆU iii DANHMỤCCHỮVIẾTTẮT iv DANHMỤCCÁCBẢNG v DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ,ĐỒTHỊ vi MỞĐẦU Chương1.TỔNGQUANVỀPHÁTHIỆNV À P H Â N L O Ạ I P H Ư Ơ N G TIỆN GIAOTHÔNGTỪVIDEO 1.1 Cơsở lýthuyếtvànhữngkháiniệmcơbản 1.1.1 Dữliệu videosố 1.1.2 Mô-menbất biến 12 1.1.3 HìnhdạngvàKhốiđốitượngchuyểnđộng 13 1.1.4 Đườngviềnđối tượng .13 1.1.5 Nềnvàđốitượngchuyển động 21 1.1.6 Entropycủa khối 22 1.1.7 Biểudiễnhìnhdạngđốitượngtheovectorkhoảngcách .25 1.2 Mộtsốphươngphápvàcơngtrìnhnghiêncứuliênquan 29 1.2.1 Hệthốngđiềukhiển giaothông vàgiámsát anninh 30 1.2.2 Hệthốngpháthiệnvàphân loại xedựatrênvideo .32 1.2.3 Hệthốnggiámsátgiaothôngdựatrên độ dài .34 1.2.4 Hệthốnggiámsáttíchhợpphát hiện,theodõi,phânloại 36 1.2.5 Pháthiệnđốitượng 38 1.2.6 Phânloạiđốitượng 41 1.3 Hướngtiếpcậncủaluậnán 45 1.3.1 Sơđồ kháiquát hướngtiếp cậnxửlý bàitoán 45 1.3.2 Xácđịnhvùngquantâmvà nhiệmvụcủa luận án 47 1.4 Kếtluận chương1 49 Chương 2.PHÁTHIỆNĐỐITƯỢNGCHUYỂNĐỘNGTỪVIDEODỰATRÊNMƠHÌNHG AUSSH Ỗ N H Ợ P T H Í C H N G H I V Ớ I T H A Y Đ Ổ I ÁNHSÁNG 51 2.1 Mộtsốthuậttoánpháthiệnchuyểnđộng 51 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 Thuậttoántrừnền 51 Thuậttoántrừnền trungbình 53 ThuậttốnΣ-Δ: 54 Thuậttoán Σ-Δcảitiến 56 2.1.5 Thuậttoánthốngkêkhácbiệtcơbản 58 2.1.6 Mơhình Gausshỗnhợp 61 2.1.7 Đánhgiácácthuậttốntrừnềnthơng quamột sốphépđo .66 2.2 Mơhìnhvàthuậttốn đềnghị 72 2.2.1 Mơhình GMMđềnghị 72 2.2.2 Thuậttốntríchchọnkhốichuyểnđộng(EMB) 77 2.3 PhươngphápđếmphươngtiệngiaothơngápdụngmơhìnhGMMthíchng hithayđổiánh sáng kếthợpluồngquang học 78 2.3.1 Sơđồkhốitổngquát 79 2.3.2 Thuậttoánphát hiệnvàgánnhãn chokhối(SLBBI) 82 2.3.3 Thuậttốntríchchọnluồngquanghọc(EBOF) 83 2.3.4 Kếtquảthựcnghiệm 86 2.4 Kếtluận chương2 91 Chương3 P H Â N L O Ạ I PHƯƠNGTIỆNGIAOTHÔNGT Ừ V I D E O DỰATRÊNĐẶCTRƯNGHÌNHDẠ NG 93 3.1 Phânđoạnkhốiphương tiệndựatrênkíchthước .93 3.1.1 Phântíchkíchthướcphươngtiện 93 3.1.2 Thuậttốnphânloại theokíchthước 95 3.2 Phânloạiphươngtiệnbằngkếthợpkíchthướcảnhvàhìnhchiếuhình dạngkhốiphươngtiện 98 3.2.1 Ýtưởngphươngpháp 99 3.2.2 Giaiđoạnchuẩn bị CSDL .100 3.2.3 Thuậttốnphânloại dựatrênđộ dàivàhình chiếuđốitượng .101 3.3 Phânloạiphươngtiệndựa trênđườngviềnbiểudiễnbằngsốphức.103 3.3.1 Sơđồkhái quát .104 3.3.2 XấpxỉđộdàiđườngviềnvàthuậttoánDouglasPeucker 104 3.3.3 ThuậttoánCCAVC 107 3.3.4 Kết quảthựcnghiệm .111 3.4 Kếtluận chương3 .114 PHẦNKẾTLUẬN 116 PHỤLỤC .1 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNH ĐÃCƠNGBỐ .118 TÀILIỆUTHAMKHẢO 119 DANHMỤC CÁCKÝHIỆU Kýhiệu  Giátrịngưỡngchotrướctrongtrừnền B(x,y) Giátrịnềncốđịnh điểmảnh (x,y) It(x,y) Giátrịđiểmảnhtại điểmảnh(x,y) Dt(x,y) Mặtnạnhị phâncủađốitượngtiềncảnh α,,, Hằngsốtỷlệhọcchotrước t(x,y) Giátrị tuyệtđối củahiệugiá trịđiểm ảnhtrừgiá trị nềncủađiểmảnh(x,y)tạithờiđiểmt Vt(x,y) xy Giátrịđiểmảnh(x,y) khunghìnhđangxét thờigian t xy Ýnghĩa Giátrịtrungbìnhcủacácđiểmảnhtươngứngcủatậphợpđiểmảnh(x,y)th eocác khunghình đangxét Trungbình độlệch chuẩncủađiểmảnh(x,y) Mơhìnhnềnthích nghibiếnđổicosinrờirạc 𝑡 𝑡 P(Xt) (Xt,,) i,t i,t Khoảngcách Ơclit giữacác mơhìnhnềnthíchnghi Xácsuấtquansátcủađiểmảnhtạithờiđiểmt Hàmmậtđộxácsuấttạithờiđiểmt MatrậnhiệpphươngsaicủaphânbốGaussthứitạithờigiant Giátrịtrungbìnhcủacác điểmảnhtại thờiđiểmt Biếnnhậngiátrị1/0thểhiệnsự phù hợp mơhìnhcủađiểmảnhmới k,t Hệsốcậpnhậtnền K mơ hìnhtạithời điểmt t Hệsốbiểuthị mứcđộánhsángthayđổi Et Giátrị thơngtinEntropycủađiểmảnhtạithời điểmt D(t,t-1) i IL(x,y) 𝑡 i  Hàmbiểudiễncường độsáng Hệsốlựachọnsự thayđổiánh sáng Ảnhđiểmảnh(x,y)biểudiễn mứcLtrong mơ hìnhkimtựtháp Tậpbiểudiễnkếtquảpháthiệnđốitượngtại thờiđiểmt Tínhchấtthứicủamơ-menbấtbiến Hằngsốxấpxỉdiệntíchhaihìnhđagiác Lrounded Khoảngcáchgiữacác điểmcơbảntrênbiên D(si,c) Khoảngcáchgiữađiểmmẫuvàtrọngtâmđa giác SIM(D1,D2) Độđotươngtựgiữa đagiácD1vàD2 u Chiềudàiđốitượngtínhxấpxỉ v  Chiềurộng đốitượngtínhxấpxỉ  Vectorcơsởđường viền  Tíchvơhướnggiữa2đườngviền Đườngviền Vector (m) Hàmtươngquangiữa2đườngviền mđỉnh sgn(𝘢) 1i f 𝘢>0sgn(𝘢)= {0 if 𝘢=0 −1if𝘢