Đồ án thiết kế camera giám sát an ninh

Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 Mục lục Mục lục 1 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2 1. Mục tiêu đề tài .2 2. Hoạt động .2 3. Thực hiện .2 4. Sản phẩm hoàn thiện 3 CHƯƠNG II. PHẦN CỨNG .4 1. Động cơ bước .4 2. Webcam .4 3. Mạch điều khiển động cơ .5 CHƯƠNG III. PHẦN MỀM 7 1. Thuật toán xử lý ảnh 7 2. Điều khiển động cơ bước .7 3. Code chương trình chính 8 CHƯƠNG IV. TỔNG KẾT .15 1. Đánh giá .15 2. Hướng phát triển 16 Tài liệu tham khảo: 16 1 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Mục tiêu đề tài  Thiết kế camera an ninh bám theo chuyển động trong vùng không gian xác định-có giao tiếp, điều khiển bằng máy tính.  Xây dựng giao diện phần mềm có hiệu quả giám sát cao, dễ sử dụng, nhiều tính năng. 2. Hoạt động Camera có tác dụng giám sát chuyển động trong một phạm vi giới hạn, ví dụ một căn phòng kín.  Khi có đối tượng xâm nhập vào phạm vi giám sát của Camera thì lập tức sẽ có tín hiệu báo động cho con người (còi báo động và đèn báo động).  Khi đối tượng chuyển động, Camera được điều khiển bởi động cơ bước tiếp tục bám theo đối tượng, đưa tín hiệu báo động đồng thời liên tiếp chụp lại ảnh của đối tượng. 3. Thực hiện  Phần cứng Camera (webcam) thu tín hiệu hình ảnh và gửi về cho máy tính xử lý. Webcam này kết nối với máy tính bằng cổng USB thông dụng. Trước khi hoạt động, webcam cần được cài sẵn driver của nhà sản xuất. Để truyền động cho động cơ, ta sử dụng động cơ bước. Theo đó, đế của Camera được gắn trực tiếp lên trục động cơ đặt thẳng đứng. Khi trục động cơ quay, camera quay trong mặt phẳng ngang vuông góc với trục động cơ. Mạch điều khiển động cơ bước lấy xung từ cống LPT của máy tính qua cách ly quang và IC đệm công suất để cấp xung cho các cuộn dây của động cơ.  Phần mềm Lập trình điều khiển camera bằng ngôn ngữ matlab với ưu điểm là khả năng tính toán mạnh đồng thời hỗ trợ nhiều hàm thu thập và xử lý hình ảnh từ các thiết bị số như camera. Chương trình viết trên nền GUIs (Guide User Interfaces) của Matlab, tạo ra giao diện người dùng-gần gũi với các ứng dụng windows, dễ vận hành, điều khiển, thao tác. 2 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 Giao diện sử dụng tiếng Việt. 4. Sản phẩm hoàn thiện 3 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 CHƯƠNG II. PHẦN CỨNG 1. Động cơ bước Để điều khiển chuyển động của camera, ta sử dụng động cơ bước loại nhỏ do Trung Quốc sản xuất. Một số đặc điểm kỹ thuật:  Loại động cơ: động cơ đơn cực 5 dây  Điện áp trên mỗi cuộn dây: 24V DC  Dòng điện trên mỗi cuộn: 0.5A  Góc bước: 1.8 o /bước. Với góc bước rất nhỏ này ta có thể điều khiển camera bám đối tượng khá chính xác. 2. Webcam Để thu hình ảnh trong vùng giám sát, ta sử dụng webcam kí hiệu Tako01 của hãng Tako. Một số đặc điểm kỹ thuật  Độ phân giải ảnh : 300000 pixels  Có 6 đèn hồng ngoại có thể chụp ảnh vào ban đêm  Kết nối máy tính qua cổng USB.  Tốc độ chụp ảnh còn hạn chế, tuy nhiên đáp ứng khá tốt mục tiêu đã đặt ra của đề tài. 4 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 3. Mạch điều khiển động cơ 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 P 1 C O N N E C T O R D B 9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 1 2 VL S D 1 L E D L S 1 S P E A K E R S U 8 L M 7 8 0 5 / T O V I N 1 G N D 2 V O U T 3 5 V + - ~ ~ D 2 D I O D E B R I D G E _ 1 2 3 4 J 2 C O N 2 1 2 1 A 1 B 2 A 2 B L E D S P E A K E R 1 A L E D 1 B 2 A 2 B G _ P C 1 2 V S P E A K E R C 1 C C 2 C U 7 U L N 2 0 0 3 A 1 B 1 2 B 2 3 B 3 4 B 4 5 B 5 6 B 6 7 B 7 1 C 1 6 2 C 1 5 3 C 1 4 4 C 1 3 5 C 1 2 6 C 1 1 7 C 1 0 C O M 9 G N D 8 G _ P C 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V L 1 A _ M 1 B _ M 2 A _ M 2 B _ M L E D _ M S P E A K E R _ M 1 2 V 1 A _ M 1 B _ M 2 A _ M 2 B _ M L E D _ M S P E A K E R _ M 6 8 1 2 V J 1 C O N 5 1 2 3 4 5  Khối kết nối với cổng LPT máy tính P 1 C O N N E C T O R D B 9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 1 A L E D 1 B 2 A 2 B G _ P C S P E A K E R  Khối cách ly quang: cách ly mạch lực động cơ và mạch điều khiển từ cổng LPT, đảm bảo an toàn cho cổng máy in. 5 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 6 2 5 4 1 A 1 B 2 A 2 B L E D S P E A K E R G _ P C 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 1 A _ M 1 B _ M 2 A _ M 2 B _ M L E D _ M S P E A K E R _ M  Khối tạo nguồn 5V cấp cho Cách ly quang U 8 L M 7 8 0 5 / T O V I N 1 G N D 2 V O U T 3 5 V + - ~ ~ D 2 D I O D E B R I D G E _ 1 2 3 4 J 2 C O N 2 1 2 1 2 V C 1 C C 2 C  Khối IC đệm: sử dụng IC ULN2003A 1 2 VL S U 7 U L N 2 0 0 3 A 1 B 1 2 B 2 3 B 3 4 B 4 5 B 5 6 B 6 7 B 7 1 C 1 6 2 C 1 5 3 C 1 4 4 C 1 3 5 C 1 2 6 C 1 1 7 C 1 0 C O M 9 G N D 8 1 A _ M 1 B _ M 2 A _ M 2 B _ M L E D _ M S P E A K E R _ M 6 8 1 2 V J 1 C O N 5 1 2 3 4 5  Khối báo động: còi báo động và đèn báo động D 1 L E D L S 1 S P E A K E R S L 1 2 V 6 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 CHƯƠNG III. PHẦN MỀM 1. Thuật toán xử lý ảnh Để phát hiện và bám được đối tượng chuyển động, hình ảnh thu được từ camera được đưa vào máy tính để xử lý. Thuật toán xử lý ảnh ở đây rất đơn giản, bao gồm các bước:  Chụp 2 ảnh liên tiếp: ảnh1 và ảnh2 Mỗi ảnh thu được từ webcam là ảnh số hóa RGB, có thể coi như một ma trận 2 chiều 3 lớp. Bức ảnh được chia thành các ô nhỏ gọi là pixel: với kích thước 352x288. Mỗi pixel là sự pha trộn của ba màu đỏ(Red), xanh lá cây (Green), xanh da trời (Blue). Mỗi màu tại mỗi pixel được đặc trưng bởi một giá trị từ 0- 255. Để tiện xử lý, ta chuyển ảnh này sang ảnh xám, tức chỉ gồm 2 màu đen trắng.  Trừ 2 ảnh1 và ảnh2 cho nhau và lấy giá trị tuyệt đối của hiệu thu được. Việc trừ 2 ảnh được thực chất là trừ giá trị số hóa của mỗi màu đen, trắng của mỗi ảnh cho nhau ứng với từng điểm ảnh.  Nếu không có đối tượng chuyển động trong phạm vi chụp ảnh, thì hiệu trừ được ở trên xấp xỉ giá trị 0 ứng với mỗi điểm ảnh. Ngược lại, nếu có đối tượng chuyển động thì hiệu trên sẽ có giá trị khác 0 ở những điểm ảnh ứng với khu vực chuyển động của đối tượng.  Xử lý ảnh bằng cách quét theo chiều ngang bức ảnh hiệu thu được ở trên đến khi phát hiện được biên trái và biên phải. Lấy trung bình cộng tọa độ biên trái và biên phải này ta sẽ xác định tọa độ trung bình của đối tượng. Giả sử tọa độ trung bình < 176 (ảnh 352x288) thì đối tượng đang ở bên trái của bức ảnh, ta điều khiển camera quay về bên trái. Ngược lại, giả sử tọa độ trung bình > 176 (ảnh 352x288) thì đối tượng đang ở bên phải của bức ảnh, ta điều khiển camera quay về bên phải. 2. Điều khiển động cơ bước Để điều khiển động cơ bước, ta cần phát xung qua cổng LPT của máy tính. Hỗ trợ việc này, matlab cần sử dụng 2 thư viện liên kết động là io32.dll và inpout32.dll. Đầu tiên, khai báo sử dụng thư viện này như sau: obj_io=io32; status=io32(obj_io); address=hex2dec('378');%địa chỉ của cổng LPT Để xuất giá trị 60 qua cổng LPT: 7 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 io32(obj_io,address,60) Giả sử để xuất xung điều khiển động cơ quay theo chiều thuận, ta phát các chùm xung tương ứng (cách điều khiển 2 pha cả bước): 0011 1100 0011 0110 0011 0011 0011 1001 Trong đó: 0011 để điều khiển còi và loa báo động (bit 1). Hàm quay trái của động cơ: function quay_trai(obj_io,address,x) %obj_io=io32; %status=io32(obj_io); %if status =0 thi cong da san sang %address=hex2dec('378'); for i=1:x io32(obj_io,address,60) pause(0.01); io32(obj_io,address,57); pause(0.01); io32(obj_io,address,51); pause(0.01); io32(obj_io,address,54); pause(0.01); end io32(obj_io,address,0); Hàm quay phải của động cơ: function quay_phai(obj_io,address,x) %obj_io=io32; %status=io32(obj_io); %if status =0 thi cong da san sang %address=hex2dec('378'); for i=1:x io32(obj_io,address,54) pause(0.01); io32(obj_io,address,51); pause(0.01); io32(obj_io,address,57); pause(0.01); io32(obj_io,address,60); pause(0.01); end io32(obj_io,address,0); 3. Code chương trình chính function varargout = myCameraGUI(varargin) 8 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 % MYCAMERAGUI M-file for myCameraGUI.fig % MYCAMERAGUI, by itself, creates a new MYCAMERAGUI or raises the existing % singleton*. % % H = MYCAMERAGUI returns the handle to a new MYCAMERAGUI or the handle to % the existing singleton*. % % MYCAMERAGUI('CALLBACK',hObject,eventData,handles, .) calls the local % function named CALLBACK in MYCAMERAGUI.M with the given input arguments. % % MYCAMERAGUI('Property','Value', .) creates a new MYCAMERAGUI or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before myCameraGUI_OpeningFunction gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to myCameraGUI_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help myCameraGUI % Last Modified by GUIDE v2.5 25-May-2009 03:24:48 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename, . 'gui_Singleton', gui_Singleton, . 'gui_OpeningFcn', @myCameraGUI_OpeningFcn, . 'gui_OutputFcn', @myCameraGUI_OutputFcn, . 'gui_LayoutFcn', [] , . 'gui_Callback', []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- Executes just before myCameraGUI is made visible. function myCameraGUI_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure 9 Báo cáo chuyên đề 1 Nhóm 3 – TĐH4 % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to myCameraGUI (see VARARGIN) %khai bao cong vao ra LPT global obj_io address status temp tong_so_anh tong_so_anh=str2double(get(handles.tong_so_anh,'String')); temp=0; obj_io=io32; status=io32(obj_io); address=hex2dec('378'); % Choose default command line output for myCameraGUI handles.output = hObject; imaqreset; %reset webcam %khai bao cac doi tuong anh handles.video=videoinput('winvideo',1,'RGB24_352x288'); set(handles.video,'TriggerRepeat',Inf); set(handles.video, 'FramesPerTrigger', 1) triggerconfig(handles.video, 'Manual'); start(handles.video); % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes myCameraGUI wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); %=========================================================== uiwait(handles.MyCameraGUI); %=========================================================== % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = myCameraGUI_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) %================== handles.output = hObject; %================== % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % --- Executes on button press in startStopCamera. %function startStopCamera_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to startStopCamera (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) %========================================================================== function startStopCamera_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to startStopCamera (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global obj_io address bien_trai bien_phai nguong n so_anh tong_so_anh 10