đề tài “đèn giao thông thông minh”

đề tài “đèn giao thông thông minh”

ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1.1. Giới thiệu về các ứng dụng cXC xử lý ảnh trong thực tế: Các đề tài nghiên cứu về xử lý ảnh từ năm 1964 đến nay không ngừng phát triển. Chúng được ứng dụng trong kỹ thuật nhằm giải quyết các vấn đề về nâng cao chất lượng thông tin ảnh. Xử lý ảnh ngày nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong y học, các thuật toán được ứng dụng để nâng cao độ tương phản, mã hóa các mức sáng thành các màu để nội suy ảnh X-quang…Các nhà thiên văn học, dùng kỹ thuật này nhằm tách các nhiễu thu được từ vệ tinh, tăng độ tương phản cho ảnh chụp để nhìn thấy được các chi tiết mà mắt thường khó phân biệt được. Trong vật lý, kỹ thuật máy tính nâng cao chất lượng ảnh được ứng dụng trong các lĩnh vực như: plasmas, microscopy điện tử… Đối với ngành điện tử tự động thì xử lý ảnh được ứng dụng trong thực tế như: máy nhìn công nghiệp để kiểm tra sản phẩm, nhận dạng mục tiêu trong quân sự, nhận dạng vân tay, nhận dạng đồng xu, nhận dạng mặt người, cảm biến màu, theo dõi mật độ giao thông… Có thể thấy các đề tài liên quan đến xử lý ảnh, cũng như các ứng dụng của nó trong thực tế thì vô cùng rộng lớn. Tuy nhiên, không phải bất cứ một ứng dụng nào của xử lý ảnh khi đưa vào thực tế cũng dễ dàng, việc làm một ứng dụng hoạt động tốt đó là cả một vấn đề khó khăn bởi các yếu tố ngoại cảnh rất dễ tác động đến công việc xử lý ảnh như: không gian thay đổi, ánh sáng thay đổi, độ tương phản của ảnh cần xử lý với môi trường không gian là không cao… 1.2. Nội dung đề tài và các ứng dụng đã có trước đó: 1.2.1. Nội dung đề tài: • Yêu cầu của đề tài tốt nghiệp bao gồm việc thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình tại một ngã tư có hai chiều lưu thông, có mô hình đèn giao thông và camere được bố trí hợp hợp lý. • Mô hình là những chiếc xe được đặt tại hai chiều luư thông của một ngã tư, ta sắp xếp những chiếc xe đó ứng với nhiều trường hợp như : mật độ thưa, mật độ bình thường, và mật độ cao, để ta xử dụng công cụ matlab chụp lại và đư ra kết quả phân tích. Sau khi phân tích tín hiệu sẽ được gửi xuống để thực hiện đặt thời gian cho đèn giao thông. • Tìm hiểu truyền thông máy tính với vi xử lý • Tạo giao diện người dùng. Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH • Tìm hiểu các thuật toán xử lý ảnh, bắt ảnh trên Matlab. • Phải thực hiện được giải thuật và chưong trình để đánh giá được mật độ lưu thông thông qua công cụ matlab. • Tránh được các yếu tố gây nhiễu từ môi trường ngoài như: độ tương phản giữa xe và nền đường không cao. Sơ đồ hệ thống: 1.2.2. Lý do chọn và làm đề tài “ Đèn giao thông thông minh ”: Như đã nói, cùng với sự phát triển không ngừng của xử lý ảnh thì hàng loạt các sản phẩm ra đời được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các đề tài liên quan đến xử lý ảnh trong giao thông đường bộ cũng như đường thủy ngày càng được quan tâm. Nhóm “Mắt thần” gồm các thành viên đang nghiên cứu và công tác tại Trung tâm Công nghệ Mô phỏng – Học viện kỹ thuật quân sự (Bộ Quốc phòng). Với đề tài: “Hệ thống ghi vé tự động và quản lý phương tiện sử dụng công nghệ xử lý và nhận dạng ảnh” (đã đoạt Giải nhì trong cuộc thi trí tuệ Việt Nam 2006). Cùng theo đó nhóm cũng đã và đang nghiên cứu hệ thống quản lý trật tự giao thông, thống kê được lưu lượng phương tiện qua lại trên đường, đo tốc độ, chụp lại hình phương tiện vi phạm trật tự giao thông như: vượt đèn đỏ, đi sai làn đường. Đề tài của Lê Quốc Anh, đến từ Viện tin học Pháp ngữ Hà Nội (dự thi TTVN 2005) với đề tài “Giải pháp giám sát giao thông”. Tác giả đã mô tả hệ thống có khả năng: biết được số lượng xe trên đường, vận tốc xe, chiều dài hàng đợi khi xảy ra ách tắc… Thế giới đã phát triển các chương trình đếm xe và tính vận tốc tự động bằng máy tính từ lâu như hệ thống giám sát giao thông bằng công nghệ xử lý ảnh của phòng thí nghiệm máy tính của hãng IBM, hệ thống đếm xe bằng xử lý ảnh máy tính của trường đại học Berkeley (Mỹ)… Trong thực tế chúng ta thấy, tại các ngã tư đèn xanh đèn đỏ có những lúc phía bên đường chỉ có vài phương tiện tham gia giao thông. Phía bên còn lại thì mật độ lưu thông thì quá cao nhưng vẫn phải chờ cho thời gian đèn xanh đỏ được đặt cố định rồi mới được lưu thông tiếp nhiều khi còn gây ra ách tắc giao thông do những người không y thức nóng lòng muốn qua đường nhanh. Vì vậy đề tài nghiên cứu “ Đèn giao thông thông minh “ được đưa ra với mục đích đánh giá được mật độ lưu thông tại các ngã tư nhằm giải quyết được vấn đề nêu trên. Theo em nghĩ đây là một đề tài hết sức mới mẻ và thử sức sinh viên. Do đây là một đề tài mới mẻ và thời gian có hạn nên trong quá trình ngiên cứu còn gặp rất nhiều khó khăn trong việc xử lý. Em hy vọng rằng đề tài này sẽ Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH được các bạn sinh viên ham thích và sẽ phát triển để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn. 1.3. Khó khăn:  Ảnh hưởng từ độ tương phản giữa xe và nền đường: Vì nền đường thì cố định. Nhưng các loại xe lưu thông trên đường thì đa dạng. Do đó vấn đề là sẽ làm như thế nào nếu như giữa xe và nền đường có màu sắc gần giống nhau? Chẳng hạn: Nếu giữa chiếc xe và không gian quanh nó có độ tương phản cao.  Ví dụ: Xe trắng so với nền đường màu đen (độ tương phản cao). (a) (b) (c) Hình 1.1 (a) Ảnh chụp từ webcam, (b) ảnh đa cấp xám, (c) ảnh trắng đen Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Hình 1.2 Biểu đồ histogram  Ví dụ: Xe đỏ so với nền đường màu đen (Độ tương phản khá cao) (a) (b) Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH (c) Hình1.3 (a) Hình xe màu đỏ chụp từ webcam, (b) Ảnh xám, (c) Ảnh trắng đen. Nếu độ tương phản giữa chiếc xe với nền đường là thấp?  Ví dụ: Xe xanh so với nền đường màu đen (độ tương phản thấp): (a) (b) Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH (c) Hình 1.4 (a) Xe chụp từ webcam, (b) Ảnh đa cấp xám, (c) Ảnh trắng đen Hình 1.5 Biểu đồ histogram với xe màu xanh, nền đường màu đen.  ? Nhận xét: Từ biểu đồ histogram hình 1.5. Đối với xe màu xanh, nền đường màu đen rõ ràng có độ tương phản rất thấp (các thành phần histogram hẹp và tập trung ở cuối). Điều này dẫn tới ảnh sau khi chuyển sang trắng đen hình 1.4 (c) là không tốt. Do đó, không thể tính diện tích chiếc xe trong trường hợp này. Nhiễu bởi ánh sáng môi trường: Ánh sáng sẽ biến thiên theo giờ giấc trong ngày. Hơn nữa, nó còn chịu sự tác động trực tiếp hoặc gián tiếp từ các đối tượng như: xe vào trạm lúc ban đêm sẽ bật đèn, người đi đường chiếu đèn vào, đèn đường… Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH 1.3.1. Cách giải quyết: Về nhiễu ánh sáng: Trong Matlab có hỗ trợ một công cụ để thực hiện việc san bằng các vùng sáng tối. I = imread('rice.png'); imshow(I) se = strel('disk',12); J = imtophat(I,se); figure, imshow(J) K = imadjust(J); figure, imshow(K) Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Giải quyết độ tương phản giữa không gian nền và xe: Để giải quyết công việc tách xe thì giữa xe và không gian quanh nó phải có độ tương phản cao. Các phương pháp đã làm thử: 1. Tách màu 2. Tách biên Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều không thực hiện được vì kết quả của tách màu và tách biên có tốt hay không là phụ thuộc vào độ tương phản giữa xe và không gian quanh nó. Đối với những xe có màu sắc tạo nên độ tương phản cao so với nền đường thì công việc này không gặp khó khăn, nhưng đối với những xe có màu sắc mà độ tương phản của nó là thấp thì phương pháp này không hiệu quả. Đối với trường hợp trên ta có cách làm tăng độ tương phản giữa xe và nền đường bằng cách tạo nền đường sao cho có những vạch trắng xen kẽ những vạch đen, và cách làm này rất hiệu quả và phù hợp với bố trí nền đường tại ngã tư là những vạch trắng giảm tốc độ xe. Hình 1.6 nền đường cho mô hình Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ MATLAB 2. Giới thiệu cách thức truy cập thông tin trên help của matlab: Cài đặt: Thực hiện cài đặt matlab 7.0 (hoặc 6.5). Có hai đĩa, một đĩa phần mềm chạy chương trình matlab 7.0 và một đĩa help. Sử dụng: Có thể vào help để tìm thông tin, tập lệnh liên quan  Trực tiếp:  Trong cửa sổ command windows gõ: help “lệnh hay biểu thức liên quan”  Ví dụ: >> help find  Gián tiếp:  Vào menu/help/demos  Demos: một số ví dụ để tham khảo.  Search: kiếm thông tin liên quan. 2.1. Quá trình xử lý ảnh: Quá trình xử lý ảnh bắt đầu bằng công việc thu nhận ảnh từ camera hoặc các sensor bên ngoài. Sơ đồ của quá trình xử lý: Hình 2.1 Sơ đồ của quá trình xử lý ảnh Trang Camera Camera Sensor Sensor Thu nhận ảnh Thu nhận ảnh Lưu ảnh Lưu ảnh Tiền xử lý ảnh Tiền xử lý ảnh Phân tích ảnh Phân tích ảnh Trích chọn đặc trưng Trích chọn đặc trưng ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH 2.1.1. Thu nhận ảnh: Thu nhận ảnh có thể sử dụng máy quay (camera), webcam, máy quét (scanner) …Ảnh thu được có thể là ảnh trắng đen hoặc cũng có thể là ảnh màu. Tuy nhiên, để có thể xử lý và tính toán các ảnh trên máy tính thì chỉ có ảnh số là đơn giản nhất. Tùy thuộc vào chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, các ảnh sẽ có chất lượng khác nhau. Điều này ảnh hưởng lớn đến quá trình tiền xử lý ảnh. Các thiết bị ảnh có thể cho ra các kết quả tương tự hoặc ảnh số cho nên ảnh sau khi chụp phải được chuyển thành ảnh số (có thể dùng máy scanner để quét lại tấm ảnh tương tự, để chuyển nó sang ảnh số đưa lên máy tính xử lý). 2.1.2. Quá trình tiền xử lý ảnh: Đó là quá trình xử lý và nâng cao chất lượng ảnh. Ảnh sau khi thu nhận được có thể chứa nhiều thông tin không cần thiết như: nhiễu, lòe,…Điều này làm cho ảnh có dung lượng lớn và có chất lượng không tốt, ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình xử lý ảnh. Đối với đề tài luận văn thì ảnh sau xử lý phải đạt được các yếu tố như: cân bằng các mức sáng tối, khử nhiễu, nâng cao độ tương phản. 2.1.3. Quá trình phân tích ảnh: Phân tích ảnh là quá trình biến đổi ảnh để từ đó đưa ra các đặc trưng quan trọng của ảnh. Đây là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình xử lý ảnh. Các đặc trưng của tấm ảnh có thể là: đường biên, phân vùng ảnh, hoặc cả hai… 2.1.4. Đặc trưng của ảnh: Ảnh sau khi qua các bước tiền xử lý và phân tích ảnh sẽ đưa ra các thông số của đối tượng mà chúng ta cần quan tâm tới. Các thông số này sẽ được tính toán lại để từ đó chúng ta có thể đưa ra các đặc trưng của tấm ảnh. Chúng ta có thể sử dụng đặc trưng này để nhận dạng sự khác biệt của: các khuôn mặt người, sản phẩm bị lỗi trong dây chuyền, nhận dạng biển số xe… Trong thực tế, quá trình xử lý ảnh thì có nhiều phương pháp làm khác nhau và vì thế chúng ta sẽ có nhiều thuật toán tìm ra đặc trưng của một tấm ảnh là khác nhau. Trang 10 [...]... righ click vào một hình trong giao diện Trang 30 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Hình 2.20 Một số thành phần trong giao diệ 2.7.2 Tạo và hiển thị một GUI: Mở màn hình GUI: Vào Matlab 7.0\menu\GUIDE Chọn Create New Gui Ví dụ: Tạo một giao diện để đánh giá mật độ lưu thông trên đường từ tấm hình cho trước_cơ sơ để phát triển luận văn “đèn giao thông thông minh” Hình 2.21 tạo giao diện điều khiển Phân tích:... Menu\Gui để phác họa giao diện có dạng như hình vẽ: Trang 31 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Bước 2: Lưu lại giao diện với tên là: giaodien_doan3 Sau khi lưu thì ta sẽ có hai file đó là: giaodien_doan3.fig và giaodien_doan3.m Với giaodien-doan3.fig là file chạy giao diện và giaodien_doan3.m là file code chương trình Hình 2.22 Cửa sổ để thực hiện viết chương trình cho giao diện Bước 3: Quay lại giaodien_doan3.fig... edge(I,'sobel') >> H1=imread('huanrace.jpg'); >> H1=rgb2gray(H1); >> figure(3), imshow(H1); >> BW = edge(H1,' prewitt’); >> figure(6), imshow(BW); Trang 21 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Hình 2.16 Ảnh ban đầu Hình 2.17 Ảnh sau khi tách biên với sobel Trang 22 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Ứng dụng với prewitt: Hình 2.18 Ảnh sau khi tách biên với prewitt Ngoài hai phương pháp tách biên trên, thì trong matlab còn hỗ trợ một... 24 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH • Quay ma trận: B=rot90(A) B= 3 6 9 2 5 8 1 4 7 • Kích thước ma trận: >> size(B) ans = 3 3 Tức ma trận có 3 hàng, 3 cột •Tìm giá trị lớn nhất trong mỗi cột ma trận: >> A = [1 2 3 ; 4 5 6; 7 8 9] A= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 >> v=max(A) v= 7 8 9 Tìm giá trị nhỏ nhất trong mỗi cột ma trận: >> v=min(A) v= 1 2 3 • Số chiều của ma trận: >> n=rank(A) n= 2 Trang 25 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG... có sẵn Tạo phim từ nhiều khuôn hình Lưu ảnh Lấy thông tin ảnh Đổi ảnh chỉ số sang ảnh RGB Hiển thị ảnh, có thể đưa dấu nhắc chuột vào ảnh này để xem thông tin (màu sắc, vị trí các pixels)_ Ví dụ: Đọc ảnh có sẵn trong máy tính: >> anh=imread('d:\dien_tu\m.png'); >> image(anh); Hình 2.19 Ảnh đọc từ máy tính Trang 26 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH 2.6 Bắt ảnh: Giao tiếp máy tính với webcam: •Mua một webcam... histogram chuẩn hóa cho bởi p(r k)=nk/n, với k=0, 1, 2, …, L-1 Trang 17 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH  Ví dụ 1: >> anh=imread('huanrace.jpg'); >> figure(1),imshow(anh); >> T2=rgb2gray(anh); >> figure(6),imshow(T2); >> figure(8),imhist(T2,64); % trình diễn đồ thị histogram Hình 2.10 Ảnh xám Hình 2.11 Biểu đồ Histogram Trang 18 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH  ? Nhận xét: Từ biểu đồ Histogram ta thấy các thành phần... tấm ảnh khác Hình 2.12 Ảnh xám Hình 2.13 Biểu đồ Histogram Trang 19 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH  ? Nhận xét: Ở biểu đồ này, các thành phần Histogram tập trung hẹp và nằm ở giữa biểu đồ thang xám Vì thế, đây là một tấm ảnh có độ tương phản thấp  Ví dụ 3: Hình 2.14 Ảnh đa cấp xám Hình 2.15 Biểu đồ Histogram Trang 20 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH  ? Nhận xét: Biểu đổ Histogram hình 2.15 Các thành phần histogram... tính ta có màn hình giao diện sau: Hình 2.24 giao diện chính 2.7.3 Lập trình cho Gui: function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) H1=imread('anh nen1.jpg'); imnen=image(H1,'parent',handles.axes7); function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles) global H3 H2 [filename, pathname, filterindex]=uigetfile( {'*.jpg','JPEG File (*.jpg)'; Trang 33 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH '*.*','Chon... vừa chụp trong matlab/work >> delete(vid); >> clear vid; % thực hiện xóa và đóng ngõ vào 2.7 Tạo giao diện người sử dụng: Giao diện người sử dụng (Graphical User Interface - GUI) là giao diện bằng hình ảnh của chương trình Một GUI tốt có thể làm cho chương trình trở nên dễ sử dụng bằng cách cung cấp những thông tin ban đầu cần thiết và với những công cụ điều khiển như: nút nhấn (Pushbutton), hộp liệt... Nếu gamma nhỏ hơn 1 thì ảnh sau biến đổi phi tuyến với ảnh ban đầu, theo hàm mũ dạng: Trang 15 ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH Nếu gamma bằng 1 thì ảnh sau biến đổi sẽ tỉ lệ tuyến tính với ảnh ban đầu Nếu gamma lớn hơn 1 thì ảnh sau biến đổi phi tuyến với ảnh ban đầu theo hàm mũ dạng: Chú ý: Ta có thay đổi các thông số của [low_in; high_in] hoặc [low_out; high_out] để tạo nên những tấm ảnh âm bản Thực hiện . vậy đề tài nghiên cứu “ Đèn giao thông thông minh “ được đưa ra với mục đích đánh giá được mật độ lưu thông tại các ngã tư nhằm giải quyết được vấn đề nêu trên. Theo em nghĩ đây là một đề tài. Nội dung đề tài và các ứng dụng đã có trước đó: 1.2.1. Nội dung đề tài: • Yêu cầu của đề tài tốt nghiệp bao gồm việc thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình tại một ngã tư có hai chiều lưu thông, . xuống để thực hiện đặt thời gian cho đèn giao thông. • Tìm hiểu truyền thông máy tính với vi xử lý • Tạo giao diện người dùng. Trang ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH • Tìm hiểu các thuật toán xử lý