BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THANH HẢI XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH Ngành: Khoa học máy tính Mã ngành: 8480101 Người hướng dẫn: TS Lê Thị Kim Nga LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đề án thạc sĩ Khoa học máy tính “XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và cùng với sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn TS Lê Thị Kim Nga Trong toàn bộ nội dung của đề án, những điều đã được trình bày hoặc là của chính cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các nguồn tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan này Bình Định, ngày tháng 10 năm 2023 Người cam đoan Nguyễn Thanh Hải LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi đến lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Lê Thị Kim Nga – đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian bắt đầu thực hiện cho đến khi hoàn thành đề án của mình Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô khoa CNTT – Trường Đại học Quy Nhơn đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên sâu về chuyên ngành để tôi có được nền tảng kiến thức giúp tôi hoàn thành đề án thạc sĩ Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến những người thân yêu trong gia đình cùng toàn thể bạn bè, đồng nghiệp những người đã luôn hỗ trợ giúp đỡ, khuyến khích, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Quy Nhơn Xin chân thành cảm ơn! Bình Định, ngày tháng 10 năm 2023 Người cam đoan Nguyễn Thanh Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE 4 1.1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH 4 1.1.1 Một số khái niệm 4 1.1.1.1 Ảnh 4 1.1.1.2 Video 5 1.1.1.3 Khái niệm Background và Foreground 6 1.1.1.4 Motion-based và video-based 7 1.1.2 Một số chuẩn Video thông dụng 8 1.2 BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DI CHUYỂN TRÊN ĐƯỜNG 9 1.2.1 Xác định tốc độ xe 9 1.2.2 Một số hướng tiếp cận 10 1.2.2.1 Dựa vào trừ nền: 11 1.2.2.2 Dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian: 11 1.2.2.3 Dựa vào luồng quang học 12 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 13 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG 14 2.1 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG 14 2.2 TIỀN XỬ LÝ VÀ HIỆU CHỈNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH 16 2.2.1 Phép co (Erosion) 17 2.2.2 Phép giãn nở (Dilation) 18 2.2.3 Phép toán mở (Opening) 19 2.2.4 Phép toán đóng (Closing) 19 2.2.5 Tô đầy vùng – Region fill 20 2.2 KỸ THUẬT PHÁT HIỆN XE TRONG VIDEO 21 2.3 NHẬN DIỆN PHƯƠNG TIỆN 22 2.4 KỸ THUẬT THEO DÕI XE TRONG VIDEO 27 2.5 KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DI CHUYỂN 30 2.6 PHÁT HIỆN VI PHẠM 31 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 31 CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM 32 3.1 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 32 3.2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔI TRƯỜNG VÀ CÔNG CỤ 34 3.2.1 Mô tả dữ liệu 34 3.2.2 OpenCV và EmguCV 34 3.2.3 Môi trường cài đặt 36 3.3 KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH 37 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 40 KẾT LUẬN 41 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI ĐỀ ÁN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC HÌNH VẼ HÌNH 1.1: CẤU TRÚC PHÂN ĐOẠN VIDEO 6 HÌNH 1.2: VÍ DỤ VỀ ẢNH CỤ THỂ 7 HÌNH 2.1: LƯU ĐỒ CÁC BƯỚC ĐO TỐC ĐỘ PHƯƠNG TIỆN 15 HÌNH 2.2: MINH HỌA CÁC PHẦN TỬ CẤU TRÚC 17 HÌNH 2.3: MINH HỌA EROSION 18 HÌNH 2.4: MINH HỌA DILATION 19 HÌNH 2.5: MINH HỌA CÁC PHƯƠNG THỨC BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI 20 HÌNH 2.6: MINH HỌA TÔ ĐẦY VÙNG 21 HÌNH 2.7 VÍ DỤ ROI: 22 HÌNH 2.8 KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TRỪ NỀN: 23 HÌNH 2.9 KẾT QUẢ PHÁT HIỆN PHƯƠNG TIỆN: 24 HÌNH 2.10 : KẾT QUẢ CỦA BỘ LỌC MAXIMUM BLOB: 25 HÌNH 2.11: KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC THEO NGƯỠNG: 26 HÌNH 2.12: KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC THEO QUỸ ĐẠO 27 HÌNH 2.13: SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA THUẬT TOÁN THEO VẾT PHƯƠNG TIỆN 29 HÌNH 2.14: CÁC MẪU KẾT QUẢ THEO VẾT PHƯƠNG TIỆN TRÊN CÁC KHUNG HÌNH KHÁC NHAU 30 HÌNH 3.1: LƯU ĐỒ CÁC BƯỚC XỬ LÝ ĐỂ CÓ THỂ XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE 32 HÌNH 3.2: KHUNG HÌNH GỐC 37 HÌNH 3.3: KẾT QUẢ SAU KHI ÁP DỤNG TRỪ NỀN 38 HÌNH 3.4: KẾT QUẢ SAU KHI ÁP DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI 39 HÌNH 3.5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VẬN TỐC XE 39 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, các vấn đề giao thông như ô nhiễm môi trường, giảm nguồn năng lượng và thiệt hại kinh tế gây ra bởi tai nạn xe hơi gia tăng nhanh chóng theo xu hướng tăng trưởng của nhu cầu vận tải, đặc biệt là trong giờ cao điểm đã trở thành một thách thức ở tất cả các thành phố trên thế giới Hệ thống giao thông thông minh (ITS) là hệ thống tập hợp các công cụ, phương tiện, bao gồm quản lý giao thông và công nghệ viễn thông [4] ITS có nhiều module khác nhau cung cấp các giải pháp để giải quyết vấn đề đã đề cập ở trên Một trong những ứng dụng chính của ITS là đo tốc độ tự động Trong quá trình tham gia giao thông có nhiều mối nguy hiểm như tai nạn xe cộ Do đó, quy trình kiểm soát tốc độ trên đường đô thị rất quan trọng Hệ thống đo tốc độ xe dựa trên video là một trong những ứng dụng hiệu quả cho Hệ thống giao thông thông minh (ITS) do khả năng phát triển và chi phí thấp Hệ thống sử dụng tín hiệu ngõ ra camera để áp dụng kỹ thuật xử lý video và trích xuất các thông tin mong muốn Phương pháp dựa trên phát hiện chuyển động khác với các phương pháp dựa trên các đặc điểm trực quan của phương tiện như biển số xe hoặc kính chắn gió, phương pháp đề xuất có thể ước tính tốc độ của xe bằng cách phân tích chuyển động của nó với các tham số bên trong Vùng quan tâm (ROI) được xác định trước, với kích thước quy định sẵn Do đó cung cấp khả năng tính toán theo thời gian thực và hoạt động tốt hơn so với dựa trên dựa trên các đặc điểm của đối tượng Phương pháp đề xuất bao gồm ba mô-đun chính: phát hiện phương tiện, theo dõi, và đo tốc độ Kết quả đầu ra của hệ thống bao gồm hình ảnh của chiếc xe, tốc độ và thời gian phát hiện Trên cơ sở đó, tôi quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu đề án: “Xác định tốc độ xe dựa trên phát hiện chuyển động trong hệ thống giao thông minh” để nghiên cứu 2 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp đo tốc độ xe dựa trên chuyển động Xây dựng ứng dụng nhận diện hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ và thời gian phát hiện nhằm truy xuất, tìm kiếm, xác thực thông tin phương tiện chính xác và hiệu quả 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Nhằm đạt đến mục đích đã trình bày, đề tài hướng đến những nhiệm vụ cụ thể như sau: - Nghiên cứu tổng quan về bài toán đo lường tốc độ phương tiện tham gia giao thông - Nghiên cứu phương pháp đo tốc độ xe dựa trên chuyển động - Xây dựng ứng dụng nhận dạng hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ và thời gian phát hiện 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: các xe ô tô di chuyển trên đường, dữ liệu thu từ các camera giám sát giao thông - Phạm vi nghiên cứu: nhận diện hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ và thời gian phát hiện trong xác định phương tiện vi phạm trong quản lý giao thông đường bộ 4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của đề tài được lựa chọn là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Các vấn đề cần giải quyết liên quan đến các thuật toán xử lý ảnh và thị giác máy được thực hiện trên phần mềm máy tính với đầu vào là các thông tin thu nhận được từ thực tế Quá trình được tiến hành dựa trên việc tìm hiểu tài liệu, cài đặt thử nghiệm sau đó đánh giá kết quả thực nghiệm và cải tiến nhằm nâng cao chất lượng chương trình 3 Như vậy, cần tiến hành tìm hiểu lý thuyết về phương pháp đo tốc độ xe dựa trên chuyển động Tìm hiểu kỹ thuật về mặt lý thuyết sẽ được kết hợp với việc cài đặt thực nghiệm để kiểm chứng và đánh giá những nội dung tìm hiểu lý thuyết và từ đó cải tiến và hoàn thiện chương trình 4 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE 1.1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.1.1 Ảnh Ảnh kỹ thuật số là dữ liệu được các thiết bị ghi hình kỹ thuật số như máy ảnh số, camera số ghi lại từ phép chiếu hình ảnh ba chiều của vật thể từ thế giới thực lên mặt phẳng hai chiều Ánh sáng từ nguồn sáng phản xạ trên bề mặt vật thể, đi qua thấu kính đến bề mặt cảm biến điện tử Cảm biến này tiếp nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử dạng tương tự Sau đó bộ phận chuyển đổi tương tự - kỹ thuật số thực hiện việc lấy mẫu (sampling) để chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và lưu xuống thiết bị lưu trữ Ảnh số bao gồm một lưới các điểm ảnh (pixel), được lưu trữ dưới dạng mảng hai chiều Trong đó, mỗi điểm ảnh là một thành phần ảnh nhỏ nhất biểu diễn giá trị cường độ sáng tại vị trí của nó Giá trị của mỗi điểm ảnh là rời rạc Mảng hai chiều lưu trữ dữ liệu ảnh gồm một số lượng hữu hạn số hàng và số cột a Ảnh nhị phân Mỗi điểm ảnh chỉ là màu đen hoặc trắng, được biểu diễn bằng 0 và 1 Vì chỉ có hai giá trị có thể cho mỗi điểm ảnh, chúng ta chỉ cần một bit cho mỗi điểm ảnh Như vậy, việc lưu trữ khá hiệu quả Ảnh nhị phân có thể phù hợp với văn bản (in hoặc viết tay), dấu vân tay, thiết kế kiến trúc b Ảnh đa mức xám (Grayscale) Giá trị cường độ điểm ảnh được mã hóa trong L mức Trong đó mức độ đen hay trắng được chia thành L khoảng đều nhau Giá trị mỗi điểm ảnh nằm trong L khoảng này, là giá trị rời rạc biểu diễn mức cường độ sáng tại vị trí điểm ảnh Giá trị điểm ảnh càng cao, cường độ sáng càng lớn và ngược lại Ngày nay các thiết bị thường sử dụng mỗi 8bit để mã hóa giá trị một điểm ảnh,