THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM THEO ĐỐI TƯỢNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM THEO ĐỐI TƯỢNG Họ tên sinh viên: NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH TRẦN MINH KHIÊM Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2008-2012 Tháng 06 năm 2012     THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM THEO ĐỐI TƯỢNG TÁC GIẢ NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH – TRẦN MINH KHIÊM Khóa luận tốt nghiệp đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: Th.S TRẨN THỊ KIM NGÀ Tháng 06 năm 2012 i LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn tất quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh q Thầy Cơ khoa Cơ Khí - Cơng Nghệ trang bị cho em kiến thức quý báu giúp đỡ em suốt trình học tập trường Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Cơ Điện Tử giúp đỡ chúng em nhiệt tình thời gian thực đề tài Em xin bày tỏ biết ơn chân thành thầy Nguyễn Văn Hùng cô Trần Thị Kim Ngà tận tình hướng dẫn em suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô hội đồng dành thời gian nhận xét góp ý để luận văn em hoàn thiện Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến người thân bạn bè động viên, ủng hộ tạo cho em điều kiện thuận lợi suốt q trình hồn thành luận văn TPHCM, tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH TRẦN MINH KHIÊM ii TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Hệ thống phát bám theo đối tượng” thực trường Đại Học Nơng Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng đến tháng năm 2012 Đề tài thực thành công đạt kết khả quan như: Xây dựng hệ thống phát bám theo đối tượng, dựa thuật toán nhận dạng đối tượng thực chúng em phát triển hệ thống theo hướng có khả nhận dạng theo dẫn biển báo giao thông Đây xem kết đề tài Để thực tốt kết chúng em phải thực thành cơng q trình xử lý ảnh nhận dạng vật thể, xây dựng hệ thống sở liệu biển báo giao thơng đường Tồn trình xử lý ảnh xây dựng sở liệu thực Matlab 2011a Thực truyền nhận liệu nối chuẩn RS232, truyền nhận liệu khơng dây qua sóng RF Ngồi ra, chúng em thiết kế giao diện giao tiếp với người quan sát lập trình GUI Matlab cách thân thiện, dễ hiểu dễ điều khiển Do thời gian thực hạn chế, mức độ rộng lớn đề tài, nên dù cố gắng phương án giải toán chúng em chắn tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận đóng góp ý kiến q thầy bạn bè để đề tài em hoàn thiện iii MỤC LỤC TRANG TỰA i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH SÁCH CÁC BẢNG xi Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích .1 Chương TỔNG QUAN .3 2.1 Một số khái niệm xử lý ảnh 2.1.1 Phần tử ảnh 2.1.2 Mức xám ảnh 2.1.3 Ảnh 2.1.3.1 Ảnh nhị phân 2.1.3.2 Ảnh xám 2.1.3.3 Ảnh màu 2.1.4 Độ phân giải 2.2 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh 2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh .6 2.2.1.1 Khái niệm Camera 2.2.1.2 Phân loại Camera .6 2.2.2 Thu nhận ảnh số hóa .8 2.2.3 Lưu trữ ảnh 2.2.4 Phân tích ảnh .8 2.2.5 Hệ định 12 2.3 Tổng quan vi điều khiển PIC 12 2.4 Truyền thông nối tiếp RS 232 13 2.4.1 Tổng quan truyền thông nối tiếp RS 232 .13 iv 2.4.2 Truyền liệu qua cổng RS232 15 2.4.2.1 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thơng qua cổng RS232 15 2.4.2.2 Cấu trúc truyền liệu theo chuẩn RS232 15 2.5 Truyền tín hiệu khơng dây sử dụng cặp module thu phát RF 16 2.5.1 Tổng quan sóng RF 16 2.5.1.1 Biên độ bước sóng .16 2.5.1.2 Bức xạ điện từ 16 2.5.1.3 Pha 16 2.5.2 Các phương thức điều chế sóng RF 17 2.5.2.1 Điều biên 17 2.5.2.2 Điều tần 17 2.5.2.3 Điều pha 18 2.5.3 Mã hóa liệu 18 2.5.3.1 Các phương pháp mã hoá liệu 18 2.5.3.2 Các dạng mã hóa phổ biến .19 2.5.4 Hoạt động sóng vơ tuyến 19 2.5.5 Module thu phát RF 20 2.5.5.1 Tổng quan IC-PT226 IC-PT2272 20 2.5.5.2 Module phát 21 2.5.5.3 Module thu .21 2.6 Phần mền Matlab ứng dụng xử lý ảnh 22 2.6.1 Khái niệm Matlab 22 2.6.2 Giao diện Matlab .23 2.6.3 Khả ứng dụng Matlab 24 2.6.4 Toollbox hỗ trợ việc xử lý ảnh 24 Chương PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 3.1 Thời gian trí thực đề tài 25 3.2 Đối tượng thiết bị nghiên cứu 25 3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 25 3.2.2 Thiết bị nghiên cứu 25 3.3 Phương pháp nghiên cứu 25 v Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 4.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống 26 4.1.1 Sơ đồ khối xử lý điều khiển 26 4.1.1.1 Camera sử dụng 26 4.1.1.2 Thiết kế mạch vi điều khiển kết nối module phát sóng RF .28 4.1.2 Sơ đồ khối khâu công tác 30 4.1.2.1 Thiết kế mạch vi điều khiển kết nối module thu sóng RF 31 4.1.2.2 Thiết kế mạch công suất điều khiển động 33 4.1.2.3 Mơ hình hệ thống sau hoàn thành 35 4.2 Xử lý ảnh, xác định điều khiển bám theo đối tượng .36 4.2.1 Sơ đồ khối bước xử lý ảnh điều khiển 36 4.2.2 Giải thuật xử lý ảnh phát bám theo đối tượng 37 4.2.2.1 Thu nhận ảnh 38 4.2.2.2 Chuyển ảnh xám .38 4.2.2.3 Tách đối tượng có màu đỏ 39 4.2.2.4 Xác định đối tượng cần bám theo loại bỏ đối tượng không yêu cầu 40 4.2.2.5 Khoanh vùng định tâm đối tượng 42 4.2.2.6 Bám theo đối tượng 42 4.3 Xử lý ảnh nhận dạng theo dẫn biển báo giao thông 47 4.3.1 Một số biển báo giao thông .47 4.3.2 Giải thuật xử lý ảnh nhận dạng theo biển báo giao thông 48 4.3.3 Quá trình xử lý nhận dạng biển báo giao thông 49 4.3.4 Quá trình điều khiển hệ thống theo dẫn biển báo giao thông .51 4.4 Khảo nghiệm thực tế kết 51 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55 5.1 Kết đạt 55 5.2 Hướng phát triển đề tài 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 PHỤ LỤC 58 vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT MATLAB: .Matrix Laboratory GUI: .Graphical User Interface CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor COM: .component object model IP: Internet Protocol PIC: Programmable interrupt controller RS232: Recommended Standard 232 RF: Radio Frequency CCD: Charge Couple Device CCIR: .Consultative Committee On International Radio AC: Alternating Current ASK: .Amplitude Shift Keying PSK: Phase Shift Keying vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Điểm ảnh Hình 2.2 Ma trận biển diễn ảnh nhị phân .4 Hình 2.3 Ma trận biểu diễn ảnh xám Hình 2.4 Ma trận biểu diễn mức xám thành phần RED Hình 2.5 Ma trận biểu diễn mức xám thành phần GREEN .5 Hình 2.6 Ma trận biểu diễn mức xám thành phần BLUE Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh Hình 2.8 Camera có dây Hình 2.9 Camera không dây Hình 2.10 IP Camera Hình 2.11 Mơ hình khơng gian màu RGB .9 Hình 2.12 Mơ hình màu HLS Hình 2.13 Mơ hình màu L*a*b 10 Hình 2.14 Biến đổi Fourier 10 Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A 12 Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A .12 Hình 2.17 Cổng nối tếp RS232 14 Hình 2.18 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thơng qua cổng RS232 15 Hình 2.19 Khung truyền liệu qua cổng RS 232 15 Hình 2.20 Điều biên .17 Hình 2.21 Điều tần 18 Hình 2.22 Điều pha 18 Hình 2.23 Các dạng mã hóa phổ biến .19 Hình 2.24 Hoạt động sóng vơ tuyến 19 viii Hình 2.25 Module phát 21 Hình 2.26 Module thu 22 Hình 2.27 Giao diện Matlab 23 Hình 4.1 Sơ đồ khối xử lý điều khiển .26 Hình 4.2 Camera có dây Nansin 26 Hình 4.3 Điện thoại HTC Sensation XE 27 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF 28 Hình 4.5 Mạch vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF 29 Hình 4.6 Mạch nguyên lý module phát sóng RF sử dụng PT 2262 .30 Hình 4.7 Sơ đồ khối khâu cơng tác 30 Hình 4.8 Mach ngun lý module thu sóng RF .31 Hình 4.9 Mạch nguyên lý module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A 32 Hình 4.10 Mạch module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A 33 Hình 4.11 Mạch nguyên lý mạch động lực 34 Hình 4.12 Mạch động lực .34 Hình 4.13 Mơ hình thực tế hệ thống 35 Hình 4.14 Sơ đồ khối bước xử lý điều khiển 36 Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh bám theo đối tượng 37 Hình 4.16 Ảnh thu nhận từ camera kết nối với Matlab 38 Hình 4.17 Ảnh thu nhận từ camera chuyển sang ảnh xám 39 Hình 4.18 Ảnh xám chứa đối tượng màu đỏ 39 Hình 4.19 Ảnh nhị phân đối tượng màu đỏ .40 Hình 4.20 Ảnh trước lọai bỏ đối tượng khơng 41 Hình 4.21 Ảnh sau lọai bỏ đối tượng không 41 Hình 4.22 Khoanh vùng định tâm đối tượng 42 Hình 4.23 Độ lệch tâm đối tượng so với khung ảnh .43 ix set(handles.text1,'string',''); url = 'http://192.168.1.106:8080/shot.jpg'; try i = imread(url); catch errordlg('No Connection !','Error'); set(handles.popupmenu2,'enable','on'); set(handles.popupmenu1,'enable','on'); return end set(handles.slider1,'value',0.2); si=size(i); %do phan giai d x c cua pic d=si(2); %do dai cua pic c=si(1); Sa=c*d; s = serial('COM1'); dem=0; try while(1) %kiem tra bien che pause if p==1 set(handles.popupmenu2,'enable','on'); set(handles.popupmenu1,'enable','on'); fopen(s); for m=1:10 fprintf(s,'s'); end fclose(s); set(handles.text1,'string','Pause'); hold off return; end %================================================== ==================== i = imread(url); red=0; diff_im = imsubtract(i(:,:,3), rgb2gray(i)); diff_im = medfilt2(diff_im, [3 3]); %bo loc trung vi loai bo cac nhieu diff_im = im2bw(diff_im,get(handles.slider1,'value')); %chuyen sang dang nhi phan diff_im=imfill(diff_im,'holes'); diff_im = bwareaopen(diff_im,800); %Xoa cac doi tuong co so luong pixel nho hon 800 bw = bwconncomp(diff_im,8); %label tat ca ca doi tuong phat hien stats = regionprops(bw, 'BoundingBox', 'Centroid','Area'); axes(handles.axes1); imshow(i); pl=0; %danh dau doi tuong co ti le cao nhat for n=1:length(stats) bb = stats(n).BoundingBox; cropimage=imcrop(i,bb); ratio=circle_check(cropimage); if ratio>0.5 pl=n; end end %============================================ if pl==0 red=1; diff_im = imsubtract(i(:,:,1), rgb2gray(i)); diff_im = medfilt2(diff_im, [3 3]); %bo loc trung vi loai bo cac nhieu diff_im = im2bw(diff_im,get(handles.slider1,'value')); %chuyen sang dang nhi phan diff_im=imfill(diff_im,'holes'); diff_im = bwareaopen(diff_im,800); %Xoa cac doi tuong co so luong pixel nho hon 800 bw = bwconncomp(diff_im,8); %label tat ca ca doi tuong phat hien stats = regionprops(bw, 'BoundingBox', 'Centroid','Area'); axes(handles.axes1); imshow(i); for n=1:length(stats) bb = stats(n).BoundingBox; cropimage=imcrop(i,bb); ratio=circle_check(cropimage); if ratio>0.5 pl=n; end end end %================================================== ========= %Lenh dieu khien if length(stats)>0 & pl>0 %Neu doi co doi tuong la bien bao thi moi thuc hien bb = stats(pl).BoundingBox; rectangle('Position',bb,'EdgeColor','m','LineWidth',2); Cent=stats(pl).Centroid; Area=stats(pl).Area; vitri=Cent(1)-d/2; %Do lech cua doi tuong so voi tam fopen(s); %Lenh dieu khien robotbam theo tam doi tuong dt nho if Aread/5 fprintf(s,'r'); end if vitriSa/8 if vitri>d/5 fprintf(s,'y'); end if vitri