Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Ứng dụng xử lí ảnh điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông

Chia sẻ: Trần Thị Tan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

125
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung đề tài gồm Xây dựng hệ thống đèn giao thông tự động dựa trên việc đếm đối tượng qua hình ảnh. Đầu vào là từ video chứa các đối tượng là phương tiện giao thông nói chung. Kết quả đếm được sẽ được gửi xuống vi điều khiển là Arduino Mega 2560 để điều khiển 4 cột đèn giao thông mô hình.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Ứng dụng xử lí ảnh điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ------------------o0o------------------ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THỐNG TẠI NÚT GIAO THÔNG GVHD: ThS. Võ Đức Dũng SVTH: Nguyễn Hoàn Hảo 15141148 Huỳnh Ngọc Giang 15141140 Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ------------------o0o------------------ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THỐNG TẠI NÚT GIAO THÔNG GVHD: ThS. Võ Đức Dũng SVTH: Nguyễn Hoàn Hảo MSSV: 15141148 SVTH: Huỳnh Ngọc Giang MSSV: 15141140 Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Hoàn Hảo MSSV: 15141148 Huỳnh Ngọc Giang MSSV: 15141140 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 01 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT1A 15141DT2B I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO THÔNG II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Matlab phiên bản R2017a. - Vi điều khiển Arduino Mega 2560. - 4 video đầu vào. 2. Nội dung thực hiện: Xây dựng hệ thống đèn giao thông tự động dựa trên việc đếm đối tượng qua hình ảnh. Đầu vào là từ video chứa các đối tượng là phương tiện giao thông nói chung. Kết quả đếm được sẽ được gửi xuống vi điều khiển là Arduino Mega 2560 để điều khiển 4 cột đèn giao thông mô hình. Nhóm chúng em sẽ thực hiện các nội dung như sau:  Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về phần mềm matlab, kit Arduino Mega 2560, cách kết nối Arduino với matlab, xây dựng thư viện cho Arduino.  Nội dung 2: Tìm hiểu các thuật toán phát hiện vật thể, phương tiện giao thông.  Nội dung 3: Tìm hiểu, nghiên cứu, xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  Nội dung 4: Thiết kế, xây dựng hệ thống đếm phương tiện qua ảnh, lập trình giao diện sử dụng để thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu xuống kit Arduino.  Nội dung 5: Thiết kế mô hình thành phẩm.  Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/12/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Hoàn Hảo Lớp: 15141DT2B MSSV: 15141148 Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Ngọc Giang Lớp: 15141DT1A MSSV: 15141140 Tên đề tài: ỨNG DỤNG XỬ LÍ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO THÔNG. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD 1 Nhận đề tài, tìm hiểu đề tài. (26/8 – 08/9) 2 Tìm hiểu hoạt động arduino và matlab. (11/9 – 17/9) 3-4-5 Tìm hiểu các hàm cơ bản sử dụng (18/9 – 7/10) Tìm hiểu các thuật toán xử lý ảnh đầu vào. Lựa chọn linh kiện. 5-6-7 Xây dựng cách giao tiếp giữa vi điều khiển và led (7/10 – 21/10) 7 đoạn đôi, led đơn. Viết lưu đồ chương trình. 8-9-10 Tiến hành viết chương trình . (21/10 – 10/11) Xây dựng mô hình. 11-12-13 Kiểm tra, viết báo cáo,kiểm tra phần cứng. (11/11 – 2/12) 15 Làm slide trình chiếu (3/12 – 18/12) 16 Hoàn thành nhiệm vụ đồ án 19/10/2019 GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ii
LỜI CAM ĐOAN Đồ án tốt nghiệp đây là công trình tự thực hiện và nghiên cứu của nhóm chúng em dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Võ Đức Dũng. Các số liệu và kết quả trong đồ án “ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO THÔNG” là trung thực và không sao chép từ công trình nào khác. Nhóm chúng em sẽ chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình. Người thực hiện đề tài. Nguyễn Hoàn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang iii
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho chúng em trong suốt quá trình làm khoá luận. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài. Nguyễn Hoàn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang iv
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN....................................................................................................i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN.....................................................................................ii LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................iii LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................iv MỤC LỤC.................................................................................................................. v LIỆT KÊ HÌNH ẢNH............................................................................................viii LIỆT KÊ BẢNG VẼ...............................................................................................xiv TÓM TẮT................................................................................................................xv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ...................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI...........................................................................................2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU..............................................................................3 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI............................................................................................3 1.5 BỐ CỤC............................................................................................................. 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................5 2.1 GIỚI THIỆU XỬ LÝ ẢNH...............................................................................5 2.1.1 Quá trình thu nhận ảnh...............................................................................6 2.1.2 Quá trình tiền xử lý ảnh .............................................................................6 2.1.3 Quá trình phân đoạn ảnh.............................................................................6 2.1.4 Biểu diễn và mô tả......................................................................................7 2.1.5 Nhận dạng và nội suy ảnh...........................................................................7 2.1.6 Cơ sở tri thức..............................................................................................8 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CƠ BẢN VỚI MỘT SỐ ẢNH ĐỐI TƯỢNG ĐẦU VÀO..............................................................................................................8 2.2.1 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh màu xám.....................................................8 2.2.2 Nhị phân hóa ảnh......................................................................................10 2.2.3 Các phương pháp lọc nhiễu ảnh nhằm cải thiện ảnh.................................10 2.2.4 Làm trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính..........................................................11 2.2.5 Lọc trung bình không gian........................................................................11 2.2.6 Lọc thông thấp..........................................................................................12 v
2.3 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB............................................................................14 2.4 CÁC HÀM CƠ BẢN ĐƯỢC SỬ DỤNG.......................................................15 2.4.1 Hàm imread()............................................................................................15 2.4.2 Hàm imshow() và imagesc().....................................................................15 2.4.3 Hàm rgb2gray()........................................................................................16 2.4.4 Hàm imadjust().........................................................................................17 2.4.5 Hàm tự tính ngưỡng để chuyển sang ảnh nhị phân graythresh(), và hàm chuyển đổi ảnh nhị phân imbinarize().............................................................18 2.4.6 Hàm imdilate()..........................................................................................18 2.4.7 Hàm imerode()..........................................................................................20 2.4.8 Hàm bwareaopen()...................................................................................21 2.4.9 Hàm bwlable.............................................................................................21 2.5 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH ARDUINO......................................21 2.6 GIỚI THIỆU ARDUINO MEGA 2560...........................................................23 2.7 KẾT NỐI GIỮA MATLAB VÀ ARDUINO...........................................25 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..................................................27 3.1 GIỚI THIỆU....................................................................................................27 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG......................................................27 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.....................................................................27 3.2.2 Thiết kế các khối hệ thống................................................................................28 3.2.3 Thiết kế mô hình ngã tư............................................................................35 3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.................................................................35 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................38 4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG.................................................................................38 4.1.1 Thi công bo mạch dạng bus.......................................................................38 4.1.2 Thi công cột đèn tín hiệu giao thông.........................................................40 4.1.3 Lắp ráp và kiểm tra...................................................................................42 4.1.4 Thiết kế giao diện cho người điều khiển...................................................43 4.2 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.....................................................................44 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG................................................................................45 4.3.1 Lập trình trên phần mềm matlab.................................................................45 4.3.1.1 Sơ đồ khối đếm số lượng phương tiện...............................................45 4.3.1.2 Lưu đồ chi tiết xử lí ảnh đầu vào........................................................45 vi
4.3.2 Lưu đồ tổng quát trên arduino.....................................................................47 4.4 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH....................................................49 4.4.1 Giới thiệu về matlab GUI..........................................................................49 4.4.2 Cách sử dụng matlabGUI..........................................................................49 4.4.3 Giới thiệu về arduino IDE.......................................................................52 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC…………………….54 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ..................................56 5.1 KẾT QUẢ........................................................................................................56 5.2 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ..............................................................................71 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................72 6.1 KẾT LUẬN.....................................................................................................72 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1. Sơ đồ quá trình xử lý ảnh........................................................................6 Hình 2.2 Chuyển ảnh màu thành ảnh xám...............................................................9 Hình 2.3 Lược đồ xám.............................................................................................9 Hình 2.4 Ảnh xám và ảnh nhị phân.........................................................................10 Hình 2.5 Hiển thị ảnh bằng hàm imshow()..............................................................16 Hình 2.6 Hiển thị ảnh bằng hàm imagesc().............................................................16 Hình 2.7 Chuyển đổi ảnh màu thành ảnh xám.........................................................17 Hình 2.8 Tăng cường độ tương phản của anh bằng hàm imadjust()........................18 Hình 2.9 Chuyển đổi ảnh xám sang ảnh nhị phân...................................................18 Hình 2.10 Ảnh đầu vào hàm imdilate()...................................................................19 Hình 2.11 Ảnh đầu ra hàm imdilate()......................................................................19 Hình 2.12 Ảnh đầu vào hàm imerode()...................................................................20 Hình 2.13 Ảnh đầu ra hàm imerode()......................................................................20 Hình 2.14 So sánh ảnh gốc và ảnh sau khi xử lý bằng hàm bwareaopen().............21 Hình 2.15 Máy in 3D Materia 101..........................................................................22 Hình 2.16 Xe điều khiển từ xa.................................................................................23 Hình 2.17 Board Arduino Mega 2560.....................................................................23 Hình 2.18 Sơ đồ và chức năng chân Arduino Mega 2560.......................................24 Hình 2.19 Giao tiếp giữa máy tính và arduino thông qua chuẩn UART.................25 Hình 2.20 Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART................................................26 Hình 2.21 Nguyên lý hoạt động chuẩn UART........................................................26 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................27 Hình 3.2 Sơ đồ chân, sơ đồ nguyên lý Led 7 đoạn 2 digit anode chung.................30 Hình 3.3 Led 7 đoạn 2 digit thực tế.........................................................................31 Hình 3.4 Led đơn màu xanh, đỏ, vàng thực tế.........................................................32 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Led đơn với điện trở...........................................................32 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Led 7 đoạn với điện trở......................................................33 Hình 3.7 IC ổn áp AMS1117...................................................................................34 Hình 3.8 Mặt trên của mô hình sau khi thiết kế.......................................................35 Hình 3.9 Mặt dưới của mô hình sau khi thiết kế.....................................................35 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch....................................................................37 viii
Hình 4.1 Testboard cắm hàn sử dụng trong mô hình...............................................39 Hình 4.2. Mặt trước của chân cắm..........................................................................39 Hình 4.3 Mặt sau của chân cắm...............................................................................39 Hình 4.4 Hình ảnh co chữ T và ống trắng sử dụng..................................................40 Hình 4.5 Mặt trước, sau của đế cắm đèn đếm thời gian..........................................40 Hình 4.6 Mặt trước của đế cắm đèn tín hiệu...........................................................41 Hình 4.7 Cột tín hiệu khi được ráp hoàn thiện........................................................41 Hình 4.8 Hình ảnh thực tế sau khi thi công.............................................................42 Hình 4.9 Giao diện điều khiển chính.......................................................................43 Hình 4.10 Mô hình sau khi thi công........................................................................44 Hình 4.11 Sơ đồ khối tổng quát chính của hệ thống đếm đối tượng trên matlab....45 Hình 4.12 Lưu đồ xử lí ảnh đầu vào........................................................................46 Hình 4.13 Lưu đồ chương trình điều khiển ứng dụng trên Arduino........................48 Hình 4.14 Cửa sổ lựa chọn giao diện GUI..............................................................49 Hình 4.15 Cửa sổ lựa chọn tool cho giao diện GUI................................................50 Hình 4.16 Giao diện matlabGUI với đuôi .fig.........................................................51 Hình 4.17 Giao diện matlabGUI với đuôi .m..........................................................52 Hình 4.19 Giao diện lập trình arduino ………………………………………….…53 Hình 4.20 Giao diện arduino IDE menu…………………………………………..54 Hình 4.21 Bước 2: Khởi động matlab……………………………………………..54 Hình 4.22 Bước 3,4 Chạy giao diện và chọn chế độ …………………………...…55 Hình 5.1. Mô hình khi hoàn thiện và cho chạy thử với 2 cột chính.........................56 Hình 5.2. Giao diện điều khiển chính......................................................................57 Hình 5.3. Giao diện lựa chọn mật độ phương tiện để quan sát................................58 Hình 5.4. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi lượng xe bình thường.............59 Hình 5.5. Kết quả hiển thị trên mô hình ở làn 1 với chế độ bình thường................59 Hình 5.6. Kết quả hiển thị trên mô hình ở làn 2 song song với kết quả trên...........60 Hình 5.7. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 sau khi chuyển làn với lượng xe bình thường..................................................................................................................... 60 Hình 5.8. Kết quả quan sát trên mô hình ở làn 2 khi lượng xe bình thường............61 Hình 5.9. Kết quả quan sát trên mô hình ở làn 1 song song với kết quả trên (bình thường).................................................................................................................... 61 Hình 5.10. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi đông xe.................................63 ix
Hình 5.11. Kết quả quan sát trên mô hình ở làn 1 khi đông xe...............................63 Hình 5.12. Kết quả quan sát trên mô hình ở làn 2 song song với kết quả trên (đông) ................................................................................................................................. 64 Hình 5.13. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 sau khi chuyển làn ở chế độ đông xe ................................................................................................................................. 64 Hình 5.14. Kết quả quan sát trên mô hình ở làn 2 sau khi chuyển làn đông xe.......65 Hình 5.15. Kết quả quan sát trên mô hình khi làn 1 song song với kết quả trên (đông) ................................................................................................................................. 65 Hình 5.16. Kết quả trên giao diện ở chế độ điều khiển bằng tay.............................67 Hình 5.17. Kết quả hiển thị trên mô hình khi điều khiển bằng tay ở làn 1 ………. 68 Hình 5.18. Kết quả hiển thị trên mô hình ở làn 2 song song với kết quả trên ( bằng tay)………………………………………………………………………………68 Hình 5.19. Kết quả hiển thị trên mô hình ở làn 2 khi điều khiển bằng tay ………. 69 Hình 5.20. Kết quả hiển thị trên mô hình ở làn 1 song song với kết quả trên …….69 Hình 5.21. Nhập dữ liệu dạng kí tự không phải số ………………………………..70 Hình 5.22. Hệ thống báo lỗi yêu cầu nhập dữ liệu có dạng số ……………………70 ix
LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật LED 7 đoạn 2 digit.......................................................31 Bảng 3.2 Mã hiển thị từ 0 – 9 loại anode chung........................................................31 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật LED đơn.......................................................................32 Bảng 3.4 Số giây đèn xanh ứng với số xe đếm được………………………………. 33 Bảng 3.5 Liệt kê điện áp và dòng các linh kiện sử dụng trong mạch……………….34 Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện..............................................................................38 Bảng 5.1 Kết quả đếm xe làn 1 khi lượng xe bình thường........................................62 Bảng 5.2 Kết quả đếm xe làn 2 khi lượng xe bình thường........................................62 Bảng 5.3 Kết quả đếm xe làn 1 khi đông xe..............................................................66 Bảng 5.4 Kết quả đếm xe làn 2 khi đông xe..............................................................66 xii
TÓM TẮT Sự phát triển của một quốc gia tuỳ thuộc vào tốc độ phát triển trên nhiều lĩnh vực như kinh tế, văn hoá, giáo dục, tài nguyên, vị trí địa lí, … và không thể không nói đến vấn đề về giao thông. Đối với nước ta nhu cầu đi lại và vận chuyển những năm gần đây tăng lên không ngừng do sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và số lượng người dân đông đúc ồ ạt đổ về những thành phố lớn. Và thế lại là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông được nêu ra nhưng lại chưa có câu trả lời. Ùn tắc giao thông là nguyên nhân gây thiệt hại cho sự phát triển kinh tế ở quốc gia ta nói riêng và toàn thế giới nói chung, hiệu suất lao động suy giảm và tăng các chi phí không cần thiết, đặc biệt hơn nữa là gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng được xướng lên. Nguyên nhân chính của vấn đề này một phần là do cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được nhu cầu lưu thông hiện nay, xe máy, ô tô ngày càng nhiều, không thể không nói đến những cột đèn giao thông được phân chia thời gian đèn tín hiệu chưa hợp lý ở những giao lộ, tuyến đường lớn khiến cho số lượng phương tiện giao thông bị ùn tắc dần rồi dẫn đến tắc nghẽn giao thông. Cũng vì lí do nói trên, nhóm chúng em quyết tâm xây dựng một hệ thống điều tiết giao thông một cách tự động, hệ thống phân tích dữ liệu hình ảnh trên camera để cho ra thời gian phù hợp trên từng tuyến đường. Nhóm chúng em quyết tâm thực hiện đề tài: “ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO THÔNG” nhằm mục tiêu xây dựng một hệ thống đèn tín hiệu được điều khiển thông qua máy tính một cách tự động. Chu kì đèn tín hiệu sẽ thay đổi theo lưu lượng phương tiện trên đường. Hệ thống này được kì vọng phòng ngừa và giải quyết được phần nào vấn nạn kẹt xe đang gây đau đầu cho toàn thế giới. Người thực hiện đề tài. Nguyễn Hoàn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là ngành khoa học mới mẽ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh chóng với rất nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Có thể nói rằng ứng dụng của xử lý ảnh có mặt hầu hết rất nhiều công nghệ, góp phần không nhỏ trong thời đại công nghệ 4.0 ngày nay [1]. Ngày nay với sự phát triển vượt trội của nền kinh tế kéo theo đó là việc ùn tắc giao thông là điều không thể tránh khỏi. Có thể nói đây là vấn đề bức xúc của xã hội , điển hình là các đô thị lớn như TP HCM, Hà Nội. Chống ùn tắc giao thông đang và sẽ là một nhiệm vụ cực kỳ cấp bách và quan trọng của ngành giao thông vận tải. Thiệt hại kinh tế, xã hội của việc ùn tắc giao thông là vô cùng to lớn, có lẽ không ai có thể lượng hoá bằng các con số cụ thể (ước tính thiệt hại năm 2007 tại thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng 14.000 tỷ đồng). Ùn tắc giao thông đã tác động đến mọi mặt của đời sống xã hội (kinh tế, giao thông, giáo dục…) và tất cả mọi người, từ những người có mặt trực tiếp trong vùng ảnh hưởng, đến các đối tượng gián tiếp khác (không phân biệt không gian và thời gian). Trong thời đại “toàn cầu hoá”, ùn tắc giao thông tại thành phố Hồ Chí Minh có thể sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh của nhiều công ty tại Hoa Kỳ, Nhật, Anh, Úc, Achentina… trong nhiều ngày, nhiều tháng và nhiều năm [2]. Để ứng phó với những vấn đề nan giải như trên, trên thế giới và ngay ở đất nước ta đã đưa ra những biện pháp như là quy định thời gian được phép lưu thông của các loại phương tiện, nâng cấp lực lượng và cắt cử trực tiếp người ra phân luồng giao thông, nâng cấp cơ sở vật chất ... Cho dù thế thì những biện pháp nói trên vẫn mang tính chất nhất thời và chưa thể giải quyết triệt để vấn đề kẹt xe xảy ra phổ biến. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ngày nay, trên thế giới đã thực hiện lắp camera trên những tuyến đường trọng yếu, xây dựng những hệ thống phân luồng giao thông tự động hay là bộ điều khiển đèn tín hiệu giao thống tự thay đổi theo những thời điểm trong ngày. Ở những thành phố lớn như TPHCM hay Hà Nội đã lắp đặt trên dưới hang ngàn camera kết nối với hệ thống máy tính hiện đại trong những trung tâm điều khiển giao thông, tuy nhiên các hệ thống này có giá thành rất cao, ví dụ một hệ thống đèn giao thông thông minh thương mại sử dụng camera giám sát cùng máy tính công nghiệp có giá đến hàng tỉ đồng [3-4]. Từ những số liệu nói trên, liệu rằng một giải pháp hợp lý dựa vào việc xử lý ảnh mà có thể ghi lại hình ảnh phương tiện qua lại trên đường. Bên cạnh đó là việc canh chỉnh số đèn xanh vàng đỏ sao cho hợp lý với số lượng xe ở giao lộ, việc này cũng giúp làm giảm đi phần nào vấn nạn ùn tắc giao thông hiện nay . Một hệ thống dùng 2 camera để quan sát trên 2 tuyến đường của 1 giao lộ hoặc ngã tư, tuyến đường nào nhiều xe hơn thì số giây đèn xanh dài hơn và ngược lại. Cũng vì điều đó, nhóm em dưới sự hướng dẫn của Thạc Sĩ Võ Đức Dũng đã thực hiện đồ án với đề tài: “Ứng dụng xử lí ảnh điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông”. Với hi vọng có thể góp phần vào công cuộc xây dựng nên một phương án điều tiết giao thông hợp lý, cải thiện tình trạng ùn tắc hiện nay, giúp lưu thông thoải mái hơn được phần nào. 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI  Tìm hiểu được về quy tắc phân luồng giao thông, đặt thời gian đèn tín hiệu tại các giao lộ.  Viết được chương trình giao tiếp giữa máy tính dưới dạng giao diện matlab và arduino mega 2560.  Xây dựng một hệ thống có thể đếm được các đối tượng là các phương tiện lưu thông trên đường của một ngã tư bằng cách đọc hình ảnh đầu vào được chụp từ một đoạn trích xuất video, thông qua quá trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả gồm số phương tiện, thông tin làn đường và số giây đèn xanh phù hợp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài: “Ứng dụng xử lí ảnh điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông” đáp ứng những nội dung như sau:  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về phần mềm matlab.  NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về kit arduino mega 2560.  NỘI DUNG 3: Cài đặt matlab, tìm hiểu phương thức kết nối giữa matlab và Arduino  NỘI DUNG 4: Tìm hiểu các thuật toán phát hiện phương tiện giao thông, nguyên lý hoạt động của đèn giao thông ở ngoài thực tế.  NỘI DUNG 5: Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình giao diện sử dụng để mô phỏng thực tế.  NỘI DUNG 6: Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  NỘI DUNG 7: Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao thông trên kit arduino mega 2560.  NỘI DUNG 8: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI  Sử dụng vi điều khiển arduino mega 2560 để điều khiển.  Dùng giao diện matlab GUI để tương tác với người sử dụng.  Đếm số lượng phương tiện dựa trên ngõ vào là video lấy từ smartphone mô phỏng camera giám sát trên đường phố.  Hệ thống có thể phát hiện và truy xuất số lượng xe, thông tin làn đường và thời gian cho phép thích hợp.  Chi tiết một mô hình ngã tư đầy đủ 4 cột đèn tín hiệu. 1.5 BỐ CỤC.  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Tính toán và thiết kế  Chương 4: Thi công hệ thống  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương 1: Tổng quan đề tài. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu về phần Matlab, giới thiệu về Arduino, giới thiệu về xử lý ảnh Giới thiệu về kit Arduino, Module led 7 đoạn đôi. Giới thiệu về thuật toán phát hiện và đếm số lượng phương tiện. Chương 3: Thiết kế và tính toán. Phân tích, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ phần cứng, thiết kế chương trình cho hệ thống đếm phương tiện qua hình ảnh được viết trên phần mềm matlab. Thiết kế giao diện mô phỏng quá trình thực hiện việc lấy ảnh và gửi dữ liệu qua arduino. Thiết kế chương trình nhận dữ liệu và điều khiển hệ thống đèn giao thông trên arduino. Chương 4: Thi công hệ thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình. Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Nêu các kết quả đạt được khi thực hiện chương trình, phân tích, nhận xét, đánh giá kết quả thực thi được, những hình ảnh của hệ thống, đưa ra những thông số đánh giá về hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH. Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó. Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục năm nay. Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác. Đầu tiên phải kể đến “Xử lý tín hiệu số” là một môn học hết sức cơ bản cho xử lý tín hiệu chung, các khái niệm về tích chập, các biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, các bộ lọc hữu hạn… Thứ hai, các công cụ toán như đại số tuyến tính, xác xuất, thống kê. Một số kiến thứ cần thiết như trí tuệ nhân tao, mạng nơron nhân tạo cũng được đề cập trong quá trình phân tích và nhận dạng ảnh. Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh sô thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cự nén ảnh càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như camera) [5]. Thu Tiền Phân Biểu Nhận nhận xử lý đoạn diễn và diện và ảnh ảnh ảnh mô tả nội suy Cơ sở tri thức Hình 2.1. Sơ đồ quá trình xử lý ảnh. 2.1.1 Quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh. Camera thường dùng là loại quét dòng ảnh tạo ra có dạng 2 chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh). 2.1.2 Quá trình tiền xử lý ảnh. Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn. 2.1.3 Quá trình phân đoạn ảnh. Để phân biệt các đối tượng trong ảnh, chúng ta cần phân biệt các đối tượng cần quan tâm với phần còn lại của ảnh, hay còn gọi là nền ảnh. Những đối tượng này có thể này có thể phát hiện nhờ kỹ thuật phân đoạn ảnh. Mỗi đối tượng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6