Dùng FPGA thiết kế bộ nhận dạng và hiển thị biển số xe ô tô

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo NGUYỄN HỮU PHƯỚC DÙNG FPGA THIẾT KẾ BỘ NHẬN DẠNG VÀ HIỂN THỊ BIỂN SỐ XE ÔTÔ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2007 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo NGUYỄN HỮU PHƯỚC DÙNG FPGA THIẾT KẾ BỘ NHẬN DẠNG VÀ HIỂN THỊ BIỂN SỐ XE ÔTÔ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2007 Chương 1: Giới thiệu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 Tổng Quan Về Xử Lý Và Nhận Dạng nh 1 Khái niệm Xử lý nhận dạng ảnh lónh vực từ lâu nhiều người quan tâm Nó liên quan đến nhiều ngành khoa học khác hệ thống thông tin, lý thuyết thông tin, nhận dạng (mặt người, vân tay …) Nhận dạng trình phân loại đối tượng biểu diễn theo mô hình gán cho chúng vào lớp (gán cho đối tượng tên gọi) dựa theo quy luật mẫu chuẩn Quá trình nhận dạng dựa vào quy luật lớp tên gọi biết trước gọi nhận dạng có thầy hay học có thầy, trường hợp ngược lại gọi học thầy Khi đọc văn hay vẽ, không quan tâm đến việc chữ giấy trắng mực đen chuyển vào tìm thức Mọi chuyện dễ dàng Tuy nhiên phân chia trình đọc văn thành tác vụ máy tính tác vụ chật vật mang lại kết mong muốn 1 Các phương pháp nhận dạng truyền thống hệ chuyên gia Những nhà lập trình nhiều năm dồn công sức để xây dựng hệ nhận dạng ký tự (gọi tắt OCR – Optical Character Recognition) Nhiều hệ thống nhận dạng làm việc tốt với trang văn rõ nét, xét tổng thể khoảng cách lớn tính hệ nhận dạng đòi hỏi thực tế Đa số hệ OCR làm việc với hình thức nhị phân (Bitmap) trang văn đưa vào Scanner nhận từ máy Fax Công việc quy trình nhận dạng phân thành khối văn dựa đặt thù trang in lề phải, lề trái Từng khối văn phân thành ô mực nhỏ (tương ứng với chữ cái) Chương trình nhận dạng tính xem ô mực tương ứng với chữ xác định nội dung trang văn Các hệ OCR thường làm việc với hình ảnh nhị phân lớn, kết đưa trang văn vào từ Scanner Thông thường trang văn quét vào với độ phân giải 300 x300 điểm/inch (dpi) Một trang văn khổ A4 (8 x 11 inch) với độ phân giải chiếm khoảng 1, 2mb nhớ Các loại Scanner đắt tiền có độ phân giải lớn không mang ý nghóa thực tế lớn hình quét vào chiếm nhiều nhớ trang văn chất lượng tồi phóng to nhiễu HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 1: Giới thiệu nhiều Trên loại máy fax, văn qua máy Fax có đặt thù riêng, nhiều hệ OCR thiết kế chức riêng lẻ để xử lý đặc thù Các hệ OCR tốt bổ sung thêm tính “nhận dạng tài liệu” (Document Recognition) – tức nhận dạng thêm thông tin định dạng trang in Mỗi hệ thống nhận dạng dùng thủ thuật khác để xử lý công việc Ví dụ hệ nhận dạng ký tự exper vision sau phân thành ô mực liền tiến hành duyệt từ đầu trang, gộp ô mực thành từ, nhiều từ gộp lại thành dòng theo hướng (với độ xác cao ) Các dòng gộp lại thành mục vào lề, độ dài, kiểu chữ, dấu ngăn cách, … Ngoài dùng thêm thông tin đường kẻ, khối hộp, màu để phân đoạn Bước cuối xác định thứ tự đoạn trang in Với văn cột, điều thực dễ dàng, với văn nhiều cột cột phân bố tương đối tự báo chí phức tạp Thuật toán bắt đầu xử lý từ khối bên trái chuyển dần xuống dưới, đến cuối trang quay lên xử lý cột Các bảng biểu có trang in ảnh hưởng đến thuật toán này, đa số hệ OCR cho phép người dùng chỉnh lý lại nhận dạng có sai sót Sự khác biệt hình ảnh văn vấn đề hệ OCR lưu ý Đa số hệ nhận dạng dùng tham số thống kê để phân biệt chữ hình ảnh (đối với văn bản, màu trắng màu đen phân bố với nhiệp độ chuẩn, hình ảnh pattern đen trắng phân bố không ) Thuật toán đơn giản lấy phần trăm điểm đen trắng làm tiêu phân biệt, chữ đậm bị xem hình ảnh Sau xử lý trang in, ô mực chuyển thành chữ Có nhiều phương pháp nhận dạng, nói chung quy kiểu: nhận dạng theo mẫu (Templete –Base) nhận dạng theo tính chất ( Feature – Base) Tư tưởng phương pháp nhận dạng theo mẫu so sánh với mẫu lưu sẵn, nhận dạng theo tính chất quy ô mực thành tính chất quy định cách thức viết nên chữ Phương pháp nhận dạng theo mẫu thuộc loại cổ điển quy ô mực thành ma trận điểm 10 x 10 Các chữ có kích cỡ khác thành ma trận 10 x10 so sánh với mẫu để chọn mẫu gần Có nhiều cách thức so sánh, chẳng hạn thông qua số lượng điểm khác biệt Tuy nhiên khác biệt font chữ nhiều lớn khác biệt chữ font (chẳn hạn chữ b chữ h – chữ font gần với chữ font), thông thường mẫu phân bố theo font Sau xử lý vài từ, hệ thống tự động xác định chữ hay dùng định font cho thích hợp Hệ OmniPage nhận dạng theo tính chất, hệ có 100 “hệ chuyên gia” khác nhau, thực chất thuật toán nhận dạng 100 chữ (từ A Z, a z, số, HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 1: Giới thiệu dấu ) Các chữ nhận dạng theo tính chất gạch nghiêng, đứng, nghiêng, điểm uốn, phản xạ, chiều dài, hướng dấu gạch Hệ chuyên gia xem xét hình chiếu dọc, ngang (cộng với điểm đen theo hình / cột) để xác định thêm tham số khác Kiểu nhận dạng dựa tư quen thuộc sau: chẳng hạn chữ t gồm đường thẳng đứng cắt vạch ngang, thêm gạch chân Nếu nhận dạng theo mẫu phải lưu tất mẫu khác ( Hệ Expervision chứa tới 2100 loại chữ ) Hệ omnipage dạy cho máy tính cách “đọc” chữ, ví dụ chữ k gồm vạch đứng hai vạch chéo, tham số khác tham số phụ 1 Các hạn chế phương pháp truyền thống Thực tế trang văn xa đạt mức độ sẽ, tinh tơm, chuẩn mực Nhiễu bẩn vấn đề lớn hệ OCR, cần vài chấm mực nhỏ chữ c biến thành chữ o Nếu tài liệu qua Photocopy nét mảnh trở thành đứt đoạn, lỗi nhiều hệ OCR chuyển ô mực liền nét thành chữ riêng Nếu văn có chăn phong phú kiểu loại chữ thách thức lớn với hệ thống nhận dạng Các kiểu chữ mang tính nghệ thuật ngày nhiều, kiểu chữ chuẩn không hoàn toàn đồng trùng tên, chẳng hạn font chữ Times máy Hewlett – Packard Deskjet khác font tên máy Apple Laserwrite Với kiểu nhận dạng này, nhiễu gây vấn đề đau đầu, bỏ vài điểm không ảnh hưởng nhiều đến việc nhận dạng theo mẫu phân cắt đường thẳng đường cong dẫn đến kết sai Việc xuất thêm số điểm vậy, số nhận dạng thành số Còn khía cạnh việc đọc mắt phân biệt chữ h b dựa vào ngữ cảnh Theo hướng này, nhiều hệ OCR có từ điển để trợ giúp thêm, nhiên cách không giải vấn đề chữ từ điển phương án có từ điển ( chẳn hạn chữ IF IT) Các thuật toán nhận dạng phải đủ mềm dẻo xử lý khía cạnh tế nhị Nếu không đủ mềm dẻo khác biệt bé kiểu chữ đòi hỏi quản lý xử lý riêng, ngược lại, mềm dẻo lỗi nhiều, chẳng hạn chữ b chữ h khác không bị đồng làm Tuy nhiên hạn chế vấn đề cách tăng thêm tính thông minh cho máy phương pháp khác: dùng mạng nơron mà đề cập luận văn Giới Thiệu Đề Tài Nhận dạng biển số xe ứng dụng xử lý nhận dạng ảnh Hệ thống nhận dạng biển số xe có số ứng dụng như: phát xe không HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 1: Giới thiệu đăng ký, trạm thu phí tự động, giải tình trạng kẹt xe bãi giữ xe cao điểm, … Quá trình nhận dạng biển số xe chia thành ba bước chính: • Bước 1: trích biển số xe khỏi ảnh biển số Trong bước ta dựa vào số đặc điểm biển số xe so với vật thể khác ảnh để tách khỏi ảnh lớn • Bước 2: phân vùng biển số Bước tách kí tự biển số thành kí tự riêng lẻ • Bước 3: nhận dạng kí tự Có thể thực việc nhận dạng biển số xe theo hai hướng: • Nhận dạng mềm: hệ thống nhận dạng thực hoàn toàn việc ứng dụng ngôn ngữ cấp cao như: C++, Matlab… để thiết kế chương trình xử lý, nhận dạng biển số • Nhận dạng cứng: thực việc xử lý, nhận dạng hoàn toàn mạch logic vật lý Với phát triển công nghệ việc thiết kế hệ thống có ứng dụng cụ thể chip hoàn toàn thực Để làm điều ta dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng như: VHDL, Verilog HDL, … để mô tả hoạt động hệ thống, sau dùng công cụ CAD hỗ trợ để biên dịch, cài đặt vào mảng logic có cấu trúc lập trình như: FPGA, ASIC Ưu điểm ứng dụng hệ thống mạch logic vật lý là: đáp ứng thời gian thực, tốc độ xử lý nhanh Tuy nhiên, xử lý hệ thống ứng dụng có chức phức tạp cần nhiều nhớ để lưu trữ, việc hoàn toàn khắc phục ứng với xu hướng phát triển công nghệ Để nắm vững cách cài đặt hệ thống ứng dụng FPGAs, thực đề tài: “ Dùng FPGA thiết kế nhận dạng hiển thị biển số xe ôtô” Với kiến thức hạn hẹp, đề tài chắn có nhiều thiếu sót mong nhận thông cảm góp ý quý báo từ phía quý Thầy Cô bạn bè để phát triển hoàn thiện đề tài 1.3 Bố Cục Luận Văn Luận văn gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu Chương giới thiệu khái quát số vấn đề liên quan đến đề tài, công cụ dùng để thực đề tài nội dung đề tài Chương 2: Khái niệm môi trường thiết kế phần cứng Chương trình bày bước thực trình thiết kế hệ thống số HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 1: Giới thiệu Chương 3: Tổng quan FPGA Chương trình bày khái quát cấu trúc, ứng dụng trình cài đặt FPGA Chương 4: Giới thiệu ngôn ngữ VHDL Trình bày sơ lược ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL Chương 5: nh số xử lý ảnh số Chương trình bày khái quát khái niệm ảnh số kỹ thuật xử lý ảnh số Chương 6: Mạng Nơron Chương trình bày khái niệm mạng nơron, ứng dụng mạng nơron giải thuật huấn luyện mạng nơron Chương 7: Bộ nhận dạng hiển thị biển số xe ôtô Chương trình bày chi tiết giải thuật lọc nhiễu, giải thuật tách vùng chứa kí tự biển số, giải thuật tách chuẩn hóa kí tự Đồng thời, mô tả trình cài đặt nhận dạng hiển thị biển số xe FPGA Chương 8: Kết hướng phát triển đề tài Chương trình bày số kết đạt nhận dạng hiển thị biển số xe đề xuất hướng phát triển đề tài HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 2: Khái niệm môi trường thiết kế phần cứng CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM VỀ MÔI TRƯỜNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Khi kích thước độ phức tạp hệ thống gia tăng, nhiều công cụ thiết kế trợ giúp máy tính (Cad – Computer Aided Design) dưa vào trình thiết kế phần cứng Phương pháp thiết kế giấy thay thiết kế máy tính, để kiểm tra tạo công cụ phần cứng tự động Hỗ trợ mạnh mẽ phương pháp thiết kế ngôn ngữ phần cứng (HDLs – Hardware Desription Languages) HDLs giúp ích nhiều cho thiết kế phần cứng Hiện nhà nghiên cứu tìm nhiều cách cho phép HDLs cải tiến quy trình thiết kế hệ thống số Chương thảo luận khái niệm HDLs ứng dụng chúng môi trường thiết kế Chúng ta mô tả trình thiết kế trình HDLs thích hợp chỗ Mô tả mô tổng hợp hai ứng dụng thường xuyên HDLs Tiếp theo ta trình quy trình thiết kế chế tạo mạch FPGAs Quá Trình Thiết Kế Hệ Thống Số Quá trình thiết kế hệ thống số mô tả hình sau: Ý tưởng thiết kế Thiết kế hành vi Thiết kế đường liệu Thiết kế luận lý Thiết kế vật lý Tối ưu luận lý nh xạ công nghệ Placement Routing Chế tạo Hình 1: Quá trình thiết kế hệ thống số HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Chương 2: Khái niệm môi trường thiết kế phần cứng 1 Ý tưởng thiết kế Trước tiên người thiết kế phần cứng phải bắt đầu ý thưởng thiết kế Định nghóa cụ thể phần cứng dự định, sau phát triển từ ý tưởng thiết kế ban đầu Sản phẩm giai đoạn thiết kế sơ đồ khối, lưu đồ ngôn ngữ tự nhiên Người thiết kế toàn chức từ đầu mà không cần chi tiết phần cứng kiến trúc hệ thống thiết kế 2 Thiết kế đường liệu Giai đoạn người thiết kế rõ thang ghi đơn vị luận lý cho việc cài đặt hệ thống Những thành phần kết nối sử dụng Bus chiều hay nhiều chiều Dựa hành vi định hệ thống, tiến trình điều khiển hoạt động liệu ghi đơn vị luận lý thông qua Bus phát triển Các khối trao dồi liệu thông qua Bus hệ thống tiến trình điều khiển điều khiển dòng liệu thành phần Không có thông tin thực điều khiển, nối dây, kỹ thuật mã hoá vi lập trình cho giai đoạn Thiết kế luận lý Thiết kế luận lý bước theo trình thiết kế liên quan đến ứng dụng cổng mạch lật việc cài đặt ghi liệu, Bus, đơn vị luận lý phần cứng điều khiển chúng Kết giai đoạn danh sách kết nối (NETLIST) cổng mạch lật Các phần dùng kết nối chúng rõ NETLIST Công nghệ chế tạo cổng chi tiết kỹ thuật mạch lật NETLIST Thiết kế vật lý Giai đoạn chuyển NETLIST giai đoạn trước thành hồ sơ hay danh sách transistor Điều liên quan đến thay cổng mạch lật transistor hay phần tử thư viện tương đương Giai đoạn xét đến chế độ tải định thời trình chọn lựa Transistor hay phần tử Giai đoạn chia thành bước sau: tối ưu luận lý, ánh xạ công nghệ, placement, rounting Tối ưu luận lý dùng để loại bỏ biểu thức, biến dư thừa mạch Ánh xạ công nghệ để tối thiểu số logic dùng, tức tối thiểu diện tích Placement dùng để bố trí khối để kết nối có tốc độ nhanh Routing thực kết nối khối logic tạo nên mạch kết nối hoàn chỉnh Placement Routing có mối quan hệ chặt chẽ với Chế tạo Bước cuối thiết kế chế tạo Nó sử dụng danh sách Transistor hay đặc tả kỹ thuật để đốt cháy cầu chì hay ghi thông tin sram thiết bị lập trình tạo mặt nạ cho việc sản xuất mạch tích hợp HVTH: Nguyễn Hữu Phước Trang Phụ lục B: Chương trình VHDL signal l_max:out std_logic_vector(3 downto 0)); end component; component nguong_nr port(signal ts1,ts2,ts3,ts4,ts5,ts6,ts7,ts8,l_max:in std_logic_vector(3 downto 0); signal out_n:out std_logic_vector(7 downto 0)); end component; signal ar1,ar2,ar3,ar4,ar5,ar6,ar7,ar8:std_logic_vector(2 downto 0); signal t_s1,t_s2,t_s3,t_s4,t_s5,t_s6,t_s7,t_s8:std_logic_vector(3 downto 0); signal l_mx:std_logic_vector(3 downto 0); signal temp_out:std_logic_vector(7 downto 0); begin ar1