Do hiệu quả và tầm quan trọng của thiết bị quan sát nghiệp vụ là rất lớn nên chúng tôi đã nghiên cứu xây dựng sản phẩm dạng quả cầu tích hợp nhiều camêra để quay và ghi hình[r]
(1)Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 59, Kỳ (2018) 1-8
Thiết kế hệ thống quan sát đối tượng từ xa phục vụ công tác cứu hộ cứu nạn
Vũ Thị Quyên 1, *, Phạm Ngọc Minh 1, Nguyễn Đức Khốt 2, Ngơ Duy Tấn 3
1 Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam 2 Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam
3 Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam
THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình:
Nhận 15/6/2017 Chấp nhận 20/7/2017 Đăng online 28/2/2018
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống thiết bị quan sát từ xa dạng cầu Eyeball, phục vụ công tác cứu hộ cứu nạn vấn đề cần thiết Đặc biệt đối với mơi trường khó khăn, khắc nghiệt lực lượng chức cần có hệ thống giúp nắm bắt khơng gian, địa hình từ xa để giải cứu người bị nạn tin thuận lợi Trước tính hình đó, nhóm chúng tơi đã xây dựng sản phẩm gồm thiết bị thu hình (cịn gọi cầu) thiết bị ghi hình (cịn gọi vali quan sát) khơng dây động Với tính tốn thiết kế chi tiết cầu có khả tự cân lăn, ném vào địa hình khơng phẳng Quả cầu với ba camera (mỗi camera có góc nhìn 120 độ) quan sát tồn khơng gian xung quanh Và tín hiệu truyền trung tâm (bộ thu hình - vali quan sát) qua sóng vơ tuyến Để có thể truyền nhận liệu khoảng cách xa, hạn chế nhiễu truyền tín hiệu qua lớp vật liệu che chắn , xây dựng module RF kết hợp với mã hóa liệu truyền nhận liệu khoảng cách 50m Và hình ảnh truyền từ camera xử lý trở nên rõ nét hơn phần mềm xử lý ảnh valy quan sát Có thể nói rằng: Hệ thống thiết bị mà nhóm chúng tơi xây dựng thử nghiệm đáp ứng yêu cầu hỗ trợ công tác cứu hộ cứu nạn
© 2018 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Từ khóa:
Quả cầu Eyeball Eyeball
Thiết bị quan sát
1 Mở đầu
Trên giới, số nước nghiên cứu hệ thống thiết bị quan sát từ xa dạng cầu đưa vào sử dụng phổ biến: Hãng ODF Optronik Israel cho đời EyaBall R1- Một đầu máy ghi hình độc lập động EyeBall R1 có hình dáng cầu(Palacin, et al , 2002) Thiết bị
được ném qua cửa sổ ngơi nhà tới nơi bọn khủng bố cố thủ nơi giam giữ tin Quả cầu tự lấy thăng ổn định vị trí bề mặt, sau bắt đầu ghi hình tất thứ quanh Tín hiệu truyền qua kênh vơ tuyến đến trung tâm huy Hệ thống ghi nâng cao hiệu chiến dịch chống khủng bố cứu mạng sống tin người dân
Anh em nhà Aguilar and Young thuộc trường đại học MIT’s Sloan School of Management _
*Tác giả liên hệ
(2)2 Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8 phát minh chế tạo thành công
Bouncing-camera - Một thiết bị quan sát không dây hình cầu thu tín hiệu Video truyền tín hiệu trực tiếp máy tính bảng Iphone qua mạng Wifi Ngoài ra, sản phầm Throwable Panoramic gọi bóng máy ảnh phát triển giáo sư Marc Alexa Đại học kỹ thuật Berlin - Sản phẩm có dạng hình cầu tích hợp nhiều camera quay ghi lại hình ảnh xung quanh (3600)
và lưu trữ liê ̣u USB không truyền trực tiếp đến thiết bị khác Bouncing-Camera Sản phẩm kèm với phần mềm trải ảnh máy tính
Với phát triển khoa học kỹ thuật nước tiên tiến giới ngiên cứu chế tạo thành công đưa vào sử dụng nhiều loại thiết bị có gắn camera nhỏ gọn để làm công cụ hỗ trợ hiệu Ở Việt Nam, chưa có đề tài nghiên cứu chế tạo loại thiết bị công bố
Mặt khác, việc trang bị công cụ hỗ trợ quan sát tiếp cận cho lực lượng chiến đấu ngành công an, cứu hộ cứu nạn thiếu
Do hiệu tầm quan trọng thiết bị quan sát nghiệp vụ lớn nên nghiên cứu xây dựng sản phẩm dạng cầu tích hợp nhiều camêra để quay ghi hình ảnh xung quanh (3600) tín hiệu video truyền trực tiếp hình qua thu - phát sóng vô tuyến (RF)
Các phần tiếp sau chúng tơi trình bày: Phần 2: Giới thiệu hệ thống thiết bị quan sát từ xa dạng cầu Eyeball vấn đề nghiên cứu;
Phần 3: Xử lý liệu truyền - nhận qua module RF;
Phần 4: Nâng cao chất lượng hình ảnh Phần5: Kết luận
2 Giới thiệu hệ thống thiết bị quan sát từ xa Eyeball
Hệ thống thiết bị quan sát EyeBall sản phẩm bao gồm thiết bị thu ghi hình khơng dây động (Hình 2) Tín hiệu vidêo truyền trung tâm huy qua sóng vơ tuyến Bộ sản phẩm hỗ trợ người dùng theo dõi trực tiếp trường từ xa Thiết bị có khả chịu va đập, môi trường khắc nghiệt đảm bảo ổn định ném vào khu vực cần quan sát
(3)Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8
Thiết bị thu hình có nguồn phát hồng ngoại để quan sát vùng ánh sáng yếu
Hệ thống EyeBall sử dụng phương thức vơ tuyến để truyền tín hiệu video, hình ảnh độ nét cao (HD) băng tần 8GHz Hệ thống gồm cấu phần riêng biệt cầu thiết bị thu nhận xử lý (còn gọi khối trung tâm) dạng vali để dễ di chuyển triển khai
Trong đó, hệ thống bao gồm thành phần sau:
Bộ phát tín hiệu video thực chức sau:
- Nhận tín hiệu từ mạch xử lý hình ảnh - Phát tín hiệu video trường khối trung tâm sóng cao tần
Khối trung tâm thực chức năng: - Thu liệu từ phát
- Ghi lại liệu thị lên hình hỗ trợ nâng cao chất lượng hình ảnh
Trên sở đó, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu - thử nghiệm hệ thống gồm vấn đề:
Vấn đề 1: Xử lý liệu truyền - nhận module RF, có tác dụng giúp phát tín hiệu video khối trung tâm truyền - nhận liệu khoảng cách 50m, có vật liệu che chắn (những lớp tường dày nhà cao tầng…)
Vấn đề 2: Nâng cao chất lượng hình ảnh thu từ camera máy tính Những hình ảnh
truyền valy bị mờ nhiễu, rung camera xử lý qua phần mềm, giúp người quan sát thấy rõ địa hình
3 Xử lý liệu truyền- nhận qua module RF
Sơ đồ khối modulê phát RF Hình Quy trình xử lý liệu truyền Hình Tín hiệu thu từ camera chuỗi hình ảnh Mỗi hình ảnh biểu diễn dạng mảng gồm m hàng n cột
Để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực từ môi trường xung quanh đến modulê phát thu như: nhiễu sóng điện từ, môi trường truyền dẫn, che chắn , liệu thu nhận khơng cịn ngun vẹn bị sai Mã hóa liệu module phát giải mã liệu module nhận đảm bảo tính ổn định xác liệu
Hình Sơ đồ khối hệ thống quan sát nghiệp vụ EyeBall
Hình Sơ đồ khối phát tín hiệu video khơng dây dạng cầu
(4)4 Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8 Có nhiều cách mã hóa, giải mã liệu
nhưng chúng tơi chọn phương pháp mã hóa đường truyền Manchêstêr (Hồng Minh Sơn, 2006):
- Tín hiệu 10 - Tín hiệu 01
Với phương pháp này, thời gian tồn chuỗi tín hiệu đường truyền chia nhỏ nhằm giúp module thu nhận liệu truyền (nếu thời gian tồn xung (1) đường truyền dài đến module thu (1) chịu tác động môi trường lớn) Cấu trúc khung truyền byte liệu:
- bit bắt đầu (start) - Dữ liệu cần truyền - bit kết thúc (stop)
Một điểm ảnh có 24bit liệu truyền liên cấu trúc
Dải tín hiệu số điều chế dịch tần số FSK (Hình minh họa) để truyền xa (Vũ Quốc Bình, 2001)
Sơ đồ khối modue nhận RF Hình Dải tín hiệu thu từ module thu giả điều chế Mạch phổ biến giải điều chế tín hiệu FSK vịng khóa pha (PLL) Tín hiệu mạch lối vào mạch PLL lấy giá trị tần số Điện áp sai số chiều lối so pha điều khiển dịch chuyển tần số cho ta hai mức (cơ số 2) (mức cao mức thấp) tín hiệu lối vào FSK (TS Vũ Quốc Bình, 2001)
Tín hiệu lối mạch PLL đưa tới mạch lọc thông thấp để loại bỏ thành phần cịn sót lại sóng mang Sau tín hiệu tới mạch tạo xung để tạo tín hiệu liệu xác (Vũ Quốc Bình, 2001)
Sau tín hiệu giải mã module thu: - Kiểm tra bit Start
- Đọc liệu - Kiểm tra bit Stop
Kiểm tra số lượng byte liệu nhận Chương trình phần mềm mã hóa sau: void M_Pulse_Start()
{
M_Data_Out=1; delay_ms(2); M_Data_Out=0; delay_ms(2); }
void M_Pulse_Finish() { M_Data_Out=1;
delay_ms(3); M_Data_Out=0; delay_ms(3); }
Void M_Sent_Array(unsigned int *array, unsigned int length)
{
unsigned int i; for(i=0;i<length;i++) {
M_Sent_Byte(array[i]); }
} }
Hình Giải điều chế FSK
Hình Sơ đồ khối trung tâm thu tín hiệu video khơng dây
(5)Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8 Code giải mã:
unsigned char M_Get_Pulsestart() {
unsigned int i; while(Man_Data_In); for(i=0;;i++)
{
delay_us(200);
if(!Man_Data_In) break;
}
if(i<10) return 0; else if (i>13) return 0; else return 1;
}
unsigned char M_Get_Pulsefinish() {
unsigned int i; while(!Man_Data_In); while(Man_Data_In); for(i=0;;i++)
{
delay_us(200);
if(!Man_Data_In) break; }
if(i<13) return 0; else if(i>15) return 0; else return 1;
}
Void M_Get_Array(unsigned int *array, unsigned int length)
{
unsigned int i; for(i=0;i<length;i++) {
array[i]=M_Get_Byte(); }
}
Hiển thị dạng sóng thu máy sóng Hình 9, Hình 10
Chú ý: Đường phía tín hiệu module RF truyền Đường phía tín hiệu module RF nhận
Nhận xét: Tín hiệu sau mã hóa truyền ổn định
4 Nâng cao chất lượng hình ảnh thu
Bài tốn nâng cao chất lượng ảnh tốn có phạm vi lớn Nhưng
chỉ tập trung giải việc chống mờ ảnh Sự mờ hay phai nhạt ảnh gây nhiều tác nhân:
Chuyển động capture ảnh (có thể camera)
Ngồi vùng tiêu cự ống kính, sử dụng ống kính có góc mở rộng… làm giảm số lượng photon bắt giữ
Có nhiều phương pháp để nâng cao chất lượng ảnh: Lọc trung bình, lọc trung vị, lọc sắc nét, lọc thông thấp, lọc thông cao Trong phạm vi báo sử dụng phương pháp lọc trung bình
Nguyên tắc phương pháp lọc cho ma trận ảnh nhân chập với ma trận lọc(Kêrnêl) hay gọi phép tính nhân chập ảnh Ma trận lọc lọc (Kernel) cịn gọi cửa số chập, cửa sổ lọc, mặt nạ… viết sử dụng thuật ngữ ma trận lọc (Kêrnêl) (Đào Nam Anh, 2015)
s r (1)
d t s c I MI
Trong đó: Isrc: Là ảnh gốc sử dụng để lọc
số ảnh; Idst: Là ảnh sau thực xong phép
Hình Dữ liệu trước mã hóa
(6)6 Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8 lọc số ảnh; M: Là ma trận lọc (Mask, kernel)
Toàn điểm ảnh (Pixel) ảnh tiến hành nhân chập với ma trận lọc, tâm ma trận lọc đặt trùng vào vị trí điểm ảnh (Pixêl) tính nhân chập làm thay đổi giá trị pixêl ban đầu
Cơng thức tính nhân chập (TS Đào Nam Anh, 2015):
s r
r
(x, y) (x, y) (u, v)
(x u, y v) (u, v) (2)
d t s c
n n
s c
u n v n
I I M
I M
n = (kích thước ma trận lọc - 1)/2
Tôi lấy tâm ma trận lọc (Kêrnêl) làm điểm gốc
Với lọc trung bình, điểm ảnh (Pixêl) thay trung bình trọng số điểm vùng lân cận Tôi giả sử tơi có ma trận lọc (Kernel) (3x3) qt qua điểm ảnh ảnh đầu vào Isrc Tại vị trí điểm ảnh lấy giá trị điểm ảnh tương ứng vùng (3x3) ảnh gốc đặt vào ma trận lọc (Kernel) Giá trị điểm ảnh ảnh đầu Idst giá trị trung bình tất điểm ảnh ma trận lọc (Kernel)
Thuật tốn
Tơi có một ảnh đầu vào với I(x, y) giá trị điểm ảnh điểm (x, y) ngưỡng θ Bước 1: Tính tổng thành phần ma trận lọc (Kernel)
Bước 2: Chia lấy trung bình tổng thành phần ma trận tính với số lượng phần tử cửa sổ lọc giá trị
I (x, y)tb
Bước 3: Hiệu chỉnh:
-Nếu I(x, y)-Itb(x, y)>θ I(x, y)=Itb(x, y)
-Nếu I(x, y)-Itb(x, y)≤θ I(x, y)=I(x, y)
Chú ý:
θ giá trị cho trước có khơng tùy thuộc vào mục đích bạn
Ma trận lọc (Kernel) lọc Blur có dạng:
1 1 1 1 1
1 1 ows s
1 1
M r col
Trong OpenCV để sử dụng Blur cho hình ảnh, bạn sử dụng hàm sau:
cv: : blur(cv: : InputArray src, cv: : InputArray dst, cv: : Size ksize,
cv: : Point anchor = cv: : Point(-1, -1), int borderType = 4)
Phân tích
src: Là ảnh gốc
dst: Là ảnh sau thực phép lọc số ảnh ksize: Là kích thước ma trận lọc
anchor: Là Anchor Point ma trận lọc Giá trị mặc định (-1, -1)
borderType: Là phương pháp để ước lượng chỉnh điểm ảnh phép lọc chúng vượt khỏi giới hạn ảnh Giá trị mặc định
* Kết Hình 11, Hình 12, Hình 13, Hình 14, Hình 15, Hình 16
Nhận xét:
Phép lọc trung bình, thường ưu tiên cho hướng để bảo vệ biên ảnh khỏi bị mờ làm trơn ảnh Dó ưu điểm lọc trung bình Với ảnh bị nhịe nhờ ưu điểm trở nên rõ
5 Kết luận
Kết thu đươc đưa hệ thống thiết bị quan sát từ xa dạng cầu Eyeball vào thử nghiệm thực tế:
- Bộ thu - phát RF thể phát tín hiệu không dây với khoảng cách tối thiểu 50 mét Thời gian làm việc liên tục: 30 phút Góc quan sát camera 1200
- Chất lượng hình ảnh thị lên hình rõ nét
Kết luận
Hệ thống quan sát từ xa phát triển thành công đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt
Kiến nghị
(7)Vũ Thị Quyên nnk /Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 59 (1), 1-8
Hình 11 Ảnh gốc (số 1) Hình 12 Ảnh qua phép lọc (số 1)
Hình 13 Ảnh gốc (số 2) Hình 14 Ảnh qua phép lọc (số 2)