Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng cảm biến và camera trong gia đình

Chia sẻ: Tomjerry001 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đưa ra một mô hình của hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng camera và cảm biến cho đối tượng sử dụng là hộ gia đình cho thị trường Việt Nam. Vì những hạn chế về thời gian cũng như khả năng thu thập thông tin thị trường, các yếu tố đánh giá sẽ được xem xét lại ở bước tiếp theo. Đề tài cũng không đi theo hướng xây dựng một hệ thống hoàn thiện về chức năng mà sẽ nghiên cứu để đề xuất 4 một hệ thống phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình. Như vậy hệ thống sẽ phải cân nhắc cả yếu tố chức năng của hệ thống cũng như chi phí triển khai và duy trì hệ thống. Ngoài ra thì một yếu tố cũng có tầm quan trọng ảnh hưởng đến kiến trúc của hệ thống đó là ai sẽ là người cung cấp dịch vụ cho người sử dụng và chi phí họ cần để triển khai và duy trì hệ thống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ thông tin: Hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng cảm biến và camera trong gia đình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN LÊ VĂN KHANH HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO SỬ DỤNG CẢM BIẾN VÀ CAMERA TRONG GIA ĐÌNH Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Quản lý hệ thống thông tin Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH QUẢN LÝ CNTT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐINH VĂN DŨNG Hà Nội – 2014
DANH MỤC NỘI DUNG DANH MỤC ẢNH ......................................................................................................... 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ 2 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................ 3 CHƢƠNG 2: ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG HIỆN TẠI ......................... 5 2.1 Đánh giá các hệ thống hiện tại ......................................................................... 5 2.1.1 Hệ thống giám sát của FPT ...................................................................... 5 2.1.2 Hệ thống giám sát của VNPT ................................................................... 6 2.1.3 Hệ thống giám sát của Viettel .................................................................. 7 2.2 Các nhƣợc điểm chung của các hệ thống hiện tại ........................................... 8 CHƢƠNG 3: CÁC CƠ SỞ LÍ THUYẾT ....................................................................... 9 3.1 Tổng quan về hệ thống giám sát cho gia đình ................................................. 9 3.2 Giới thiệu về camera trong hệ thống giám sát và cảnh báo ............................. 9 3.2.1 Định nghĩa .................................................................................................... 9 3.2.2 Phân loại ....................................................................................................... 9 3.3.2.1 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh ............................................................... 9 3.3.2.2 Phân loại theo kĩ thuật đƣờng truyền ..................................................... 10 3.3.2.3 Phân loại theo tính năng sử dụng ........................................................... 11 3.2.3 Các thông số cơ bản của camera ................................................................ 12 3.3 Kỹ thuật phân tích hình ảnh trong giám sát và cảnh báo ............................... 15 3.2.1 Phát hiện và bám đối tƣợng chuyển động: ................................................. 16 3.2.2 Nhận dạng đối tƣợng, vật thể ..................................................................... 18 3.3.2.1 Nhận dạng khói bằng camera ................................................................. 19 3.3.2.2 Nhận dạng lửa bằng camera ................................................................... 20 3.3.2.3 Nhận dạng con ngƣời bằng camera ........................................................ 21 3.4 Sử dụng cảm biến trong hệ thống giám sát và cảnh báo ............................... 22 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHO GIA ĐÌNH DÙNG CAMERA VÀ CẢM BIẾN ............................................................................. 24 4.1 Bài toán và mô hình chung của hệ thống....................................................... 24 4.2.1 Hệ thống giám sát và cảnh báo cho gia đình ............................................. 24 4.2.2 Mô hình hệ thống đề xuất .......................................................................... 26 4.1.2.1 Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo cơ bản ..................................... 26 4.1.2.2 Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo chuyên nghiệp ........................ 30 4.2 Lựa chọn camera cho dịch vụ giám sát và cảnh báo ..................................... 33 4.3 Thiết kế kiến trúc phần mềm ......................................................................... 36 4.4 Mô hình thƣơng mại hóa hệ thống................................................................. 37 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 39 5.1 Kết luận .......................................................................................................... 39 5.2 Hƣớng phát triển của đề tài............................................................................ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 40 1
DANH MỤC ẢNH Hình 2-1: FPT Cloud Camera......................................................................................... 5 Hình 2-2: Cài đặt camera cho dịch vu MegaCamera ..................................................... 6 Hình 3-1: Dome Camera .............................................................................................. 11 Hình 3-2: Box camera .................................................................................................. 12 Hình 3-1: Bảng góc quan sát của camera ..................................................................... 14 Hình 3-3: Các thông số liên quan đến tiêu cự của camera ........................................... 15 Hình 3-4: Mô hình áp dụng xử lý ảnh trong giám sát và cảnh báo .............................. 16 Hình 3-5: Mô hình phát hiện chuyển động ................................................................... 18 Hình 3-6: Mô hình nhận dạng trong xử lý ảnh ............................................................. 18 Hình 3-7: Sơ đồ tổng quát một hệ nhận dạng ............................................................... 19 Hình 3-8: Phát hiện khói bằng camera ......................................................................... 20 Hình 3-9: Phát hiện lửa bằng camera ........................................................................... 20 Hình 3-10: Mô hình áp dụng phát hiện ngƣời bằng camera......................................... 21 Hình 3-11: Mô hình áp dụng nhận biết ngƣời bằng camera......................................... 22 Hình 3-12: Cảm biến chuyển động ............................................................................... 22 Hình 3-13: Cảm biến từ ................................................................................................ 23 Hình 3-14: Cảm biến vùng ........................................................................................... 23 Hình 3-15: Cảm biến khói ............................................................................................ 23 Hình 3-16: Cảm biến khói ............................................................................................ 23 Hình 4-1: Mô hình hệ thống giám sát thông thƣờng .................................................... 24 Hình 4-2: Mô hình hệ thống cảm biến.......................................................................... 25 Hình 4-3: Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo cơ bản ........................................... 27 Hình 4-4: Quy trình xử lí cảnh báo .............................................................................. 29 Hình 4-5: Mô hình sử dụng đầu ghi hình ..................................................................... 31 Hình 4-6: Ghi hình sử dụng máy tính ........................................................................... 32 Hình 4-7: Hệ thống ghi hình trên máy chủ dịch vụ ...................................................... 33 Hình 4-8: Camera của Panasonic ................................................................................. 34 Hình 4-9: Nền tảng ứng dụng mở của camera Axis ..................................................... 36 Hình 4-10: Thiết kế tổng thể phần mềm quản lý thông tin giám sát và cảnh báo ........ 37 Hình 4-11: Mô hình cung cấp dịch vụ .......................................................................... 38 Hình 4-12: Mô hình cung câp dịch vụ .......................................................................... 38 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Các đặc điểm của dịch vụ Cloud Camera ...................................................... 6 Bảng 2-2: Các đặc điểm của dịch vụ MegaCamera ....................................................... 7 Bảng 2-3: Bảng gói dịch vụ IP Camera của Viettel ....................................................... 7 Bảng 3-1: Bảng góc quan sát của camera…………………………………………… 15 2
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay cùng với sự nâng cao chất lƣợng cuộc sống thì một nhu cầu đảm bảo sự an toàn của mỗi tổ chức cũng nhƣ gia đình càng trở nên cấp thiết. Trong cuộc sống hàng ngày mỗi gia đình phải đối mặt với rất nhiều rủi ro nhƣ: cháy nổ, đột nhập, song song đó là sự gia tăng của các loại hình tội phạm đang diễn biến ngày càng phức tạp, các vụ hỏa hoạn ngày càng gia tăng, chủ yếu do bất cẩn trong sinh hoạt, làm việc và các sự cố về điện. Con ngƣời ngày càng áp dụng nhiều phƣơng pháp để giảm thiểu các thiệt hại từ các nguy cơ này từ giai đoạn xây dựng, giám sát và cảnh báo. Nếu nhƣ trƣớc đây chỉ là các vụ trộm cắp tài sản nhỏ thì hiện nay chúng đã tổ chức và thực hiện với quy mô rất lớn. Một đặc điểm chung là các hành vi này đang đƣợc thực hiện ngày càng tinh vi, táo bạo, liều lĩnh, gây thiệt hại nặng nề về ngƣời và tài sản, gây hoang mang cho toàn xã hội. Mục tiêu mà các đối tƣợng trộm cắp này nhắm đến chủ yếu vẫn là các ngân hàng, tiệm vàng, trung tâm thƣơng mại, cơ quan, nhà máy, khu công nghiệp, biệt thự, nhà riêng…Ngoài ra thì nguy cơ cháy vẫn còn tiềm ẩn đối với bất kỳ công trình nào. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con ngƣời đã áp dụng một cách hiệu quả trong việc giám sát và cảnh báo các nguy cơ. Ví dụ nhƣ các loại cảm biến phát hiện khói, phát hiện cháy, phát hiện rò rỉ ga hay phát hiện chuyển động. Đặc biệt với sự phát triển của công nghệ hình ảnh, con ngƣời đã tạo ra camera, giúp việc giám sát bằng hình ảnh đƣợc áp dụng mọi nơi, từ cơ quan, doanh nghiệp, trƣờng học, gia đình đến trên phƣơng tiện di chuyển và những nơi công cộng. Công nghệ của camera đã phát triển hơn 50 năm, từ những camera tƣơng tự đễn camera IP và hình ảnh đƣợc cải thiện với chất lƣợng cao. Ngoài ra với sự phát triển của Internet thì việc giám sát bằng camera qua mạng Internet đã giúp việc giám sát cảnh báo hiệu quả hơn, mọi lúc mọi nơi. Một trong những dịch vụ phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây là dịch vụ giám sát và cảnh báo thông qua Internet. Đặc biệt với sự phổ thông của điện thoại thông mình thì việc cảnh báo cho ngƣời dùng thông qua điện thoại thông mình càng hiệu quả hơn bao giờ hết. Tại các nƣớc phát triển, việc giám sát hình ảnh bằng camera đã đƣợc triển khai rộng khắp từ nhiều năm. Tại Việt Nam, camera cũng bắt đầu đƣợc triển khai nhƣng vẫn còn hạn chế, theo đánh giá thì Việt Nam mới triển khai đƣợc 5%, do vậy thị trƣờng camera giám sát vẫn rất lớn. Từ năm 2010, một số nhà cung cấp đã triển khai các dịch vụ giám sát hình ảnh bằng camera bằng Internet đến các doanh nghiệp, tổ chức lẫn hộ gia đình nhƣ dịch vụ Megavnn của VNPT, dịch vụ IP Camera của Viettel hay dịch vu Camera Cloud của FPT. Tuy nhiên, vì còn nhiều hạn chế nên các dịch vụ trên chƣa phổ biến. Việc tìm hiểu các ƣu nhƣợc điểm của các dịch vụ hiện tại và nhu cầu của khách hàng có vai trò quan trọng trong việc mở rộng dịch vụ giám sát và cảnh báo sử dụng camera và cảm biến. 1.2 Phạm vi nghiên cứu và hƣớng tiếp cận Đề tài nghiên cứu và đƣa ra một mô hình của hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng camera và cảm biến cho đối tƣợng sử dụng là hộ gia đình cho thị trƣờng Việt Nam. Vì những hạn chế về thời gian cũng nhƣ khả năng thu thập thông tin thị trƣơng, các yếu tố đánh giá sẽ đƣợc xem xét lại ở bƣớc tiếp theo. Đề tài cũng không đi theo hƣớng xây dựng một hệ thống hoàn thiện về chức năng mà sẽ nghiên cứu để đề xuất 3
một hệ thống phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình. Nhƣ vậy hệ thống sẽ phải cân nhắc cả yếu tố chức năng của hệ thống cũng nhƣ chi phí triển khai và duy trì hệ thống. Ngoài ra thì một yếu tố cũng có tầm quan trọng ảnh hƣởng đến kiến trúc của hệ thống đó là ai sẽ là ngƣời cung cấp dịch vụ cho ngƣời sử dụng và chi phí họ cần để triển khai và duy trì hệ thống. Một câu hỏi đặt ra là tại sao lại là đối tƣợng hộ gia đình mà không phải đối tƣợng khác, vì các đối tƣợng khác có nhu cầu với việc giám sát và cảnh báo không hề nhỏ, thậm chí còn lớn hơn đối tƣợng gia đình. Câu trả lời rất đơn giản là không có sự hạn chế đặc biệt nào. Tuy nhiên vì với mỗi đối tƣợng nhu cầu cũng nhƣ chức năng của hệ thống giám sát và cảnh báo hoàn toàn khách nhau. Ví dụ với đối tƣợng là các doanh nghiệp hoặc chính phủ, ngoài việc yêu cầu cao về hình ảnh giám sát, cảm biến thì khả năng hoạt động liên tục và khả năng lƣu trữ trong thời gian dài là những yếu tố bắt buộc đối với những đối tƣợng này. Mô hình hệ thống đề xuất đƣợc xây dựng dựa trên những phân tích về nhu cầu của thị trƣờng và các dịch vụ hiện tại. Bằng việc phân tích các nhƣợc điểm gây ra sự hạn chế của sự mở rộng của dịch vụ sẽ giúp hệ thống đƣợc đề xuất tránh đƣợc những điều tƣơng tự. Ngoài ra đề tài cũng không đi theo hƣớng nghiên cứu mà theo hƣớng ứng dụng. Các kĩ thuật cảnh báo sẽ không phải là trọng tâm của luận văn mà yếu tố nhu cầu ngƣời dùng và mô hình kinh doanh là yếu tố đƣợc phân tích. 1.3 Nội dung và cấu trúc luận văn Với nội dung là trình bày hệ thống giám sát và cảnh báo dùng camera và cảm biến cho đối tƣợng hộ gia đình cho thị trƣờng Việt Nam, luận văn đƣợc trình bày theo cấu trúc sau:  Chƣơng 1: Giới thiệu Nội dung của chƣơng này là trình bày về lí do chọn đề tài. Thông qua đó luận văn trình bày rõ nhu cầu thực tiến của hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng camera và cảm biến cho đối tƣợng hộ gia đình.  Chƣơng 2: Ƣu và nhƣợc điểm của các hệ thống hiện tại Nội dung của chƣơng này là nghiên cứu các hệ thống giám sát và cảnh báo của một số nhà cung cấp nhƣ Viettel, FPT và VNPT.  Chƣơng 3: Các cơ sở lý thuyết Chƣơng này trình bày một số vấn đề kỹ thuật và các cơ sở lý thuyết nhƣ phƣơng pháp phát hiện chuyển động, phát hiện con ngƣời, các giao thức truyền cảnh báo.  Chƣơng 4: Mô hình đề xuất hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng camera và cảm biến. Chƣơng này mô tả chi tiết hệ thống đề xuất và mô hình để thƣơng mại hóa thành dịch vụ trong tƣơng lai.  Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển Chƣơng này sẽ tóm tắt kết quả và những điểm cần cải thiện của quá trình thực hiện luận văn. Ngoài hƣớng phát triển của đề tài cũng đƣợc xem xét sau khi đã thực hiện xong đề tài.  Phụ lục A: Tài liệu tham khảo 4
CHƢƠNG 2: ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG HIỆN TẠI 2.1 Đánh giá các hệ thống hiện tại Đánh giá đƣợc nhu cầu đối với dịch vụ giám sát và cảnh báo, rất nhiều công ty đã đầu tƣ vào lĩnh vực cung cấp thiết bị và dịch vụ giám sát an ninh. Ta có thể dễ dàng tìm đƣợc các nhà cung cấp, phân phối các thiết bị an ninh từ lớn tới nhỏ. Đặc biệt một số nhà cung cấp ADSL cũng nhìn thấy tiềm năng của dịch vụ giám sát và cảnh báo này cộng với lợi thế về việc cung cấp dịch vụ ADSL nên họ đã triển khai dịch vụ giám sát và cảnh báo trên nền tảng Internet từ rất sớm. Tuy nhiên mỗi hệ thống đang có những nhƣợc điểm khiến các dịch vụ này hạn chế trong việc triển khai dịch vụ tới nhiều khách hàng. Việc phân tích ƣu nhƣợc điểm của mỗi dịch vụ sẽ góp phần hiểu rõ những vấn đề này để giúp đề xuất hệ thống hợp lý hơn đối với khách hàng. 2.1.1 Hệ thống giám sát của FPT Hệ thống giám sát và cảnh báo đƣợc FPT giới thiệu năm 2012 với tên dịch vụ là “Cloud Camera”. Hình 2-1: FPT Cloud Camera Dịch vụ Cloud Camera là dịch vụ quan sát bằng Internet camera (IP Camera) thông qua giải pháp điện toán đám mây. Đối tƣợng mà dịch vụ hƣớng tới bao gồm cả khách hàng cá nhân và khách hàng doanh nghiệp. Một số ƣu điểm của dịch vụ Cloud Camera là dùng IP camera và cung cấp một số chức năng nổi bật nhƣ:  Xem trực tuyến: Ngƣời dùng có thể xem trực tuyến camera thông qua internet bằng máy tính, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng  Lƣu trữ: hệ thống cho phép ghi dữ liệu của camera trên máy chủ của FPT và có thể xem lại dữ liệu đã đƣợc ghi.  Điều khiển PTZ của camera: hệ thống cũng hỗ trợ ngƣời dùng điều khiển PTZ của camera, tức là điều khiển thay đổi góc quay của camera.  Số lƣợng camera: dịch vụ đã thiết kế sẵn số lƣợng cho một số đối tƣợng khách hàng (3 camera, 6 camera, 9 camera).  Phần mềm cho ngƣời dùng: với lợi thế là một công ty phần mềm, FPT cũng cung cấp ngƣời dùng phần mềm truy cập trên cả điện thoại thông mình và máy tính bảng trên cả nền tảng Android và nền tảng iOS. Các phần mềm này rất hữu ích cho ngƣời dùng vì tính dễ sử dụng của nó. Để phát triển một dịch vụ thu hút nhiều ngƣời dùng thì đây là một yêu cầu bắt buộc cho các hệ thống tƣơng lai. 5
 Cảnh báo: ngoài ra dịch vụ cũng cung cấp gửi cảnh báo qua tin nhắn điện thoại hoặc email. Tuy nhiên dịch vụ không miêu tả rõ các loại cảnh báo mà hệ thống hỗ trợ dồng thời cách thức hoạt động của việc phát hiện cảnh báo. Mặc dù có rất nhiều lợi thế nhƣng dịch vụ chƣa thu hut đƣợc nhiều ngƣời dùng đối với đối tƣợng khách hàng cá nhân hộ gia đình vì hai lí do:  Thứ nhất là chi phí dịch vụ hàng tháng cao cho đối tƣợng khách hàng cá nhân hộ gia đình. Bảng 2-1: Các đặc điểm của dịch vụ Cloud Camera Gói Gói 1 Gói 2 Gói 3 Số lƣợng camera 3 6 9 Băng thông 25 Mbps 25 Mbps 25 Mbps Phí lắp đặt 1,800,000 đồng 2,500,000 đồng 3,000,000 đồng Phí hàng tháng 1,300,000 đồng 1,800,000 đồng 2,200,000 đồng  Thứ hai là dịch vụ mới tập trung vào chức năng giám sát mà chƣa có chức năng cảnh báo hiệu quả. 2.1.2 Hệ thống giám sát của VNPT Một trong những dịch vụ tƣơng đối thành công và phù hợp hơn đối với đối tƣợng khách hàng cá nhân hộ gia đình là dịch vụ MegaCamera của VNPT. Dịch vụ này đƣợc VNPT triển khai từ năm 2010, là một trong những dịch vụ camera giám sát trực tuyến đầu tiên ở Việt Nam. Dịch vụ của VNPT cũng hƣớng đến cả khách hàng doanh nghiệp nhƣ các tổ chức, trƣờng học, các cửa hàng, các công ty bảo vệ lẫn khách hàng cá nhân hộ gia đình. Cũng nhƣ dịch vụ Cloud Camera của FPT, dịch vu MegaCamera của VNPT cũng có một số đặc điểm nhƣ:  Xem trực tuyến: hệ thống hỗ trợ xem trực tuyến các camera thông qua Internet hoặc 3G  Khả năng ghi hình và lƣu trữ: hệ thống cũng hỗ trợ lƣu trữ video trên máy chủ của VNPT/VDC trong 2 ngày hoặc lâu hơn tùy theo gói dịch vụ  Phần mềm cho ngƣời dùng: hệ thống cũng cung cấp phần mềm cho ngƣời dùng trên điện thoại thông minh Ngoài ra thì một trong những chức năng ấn tƣợng của dịch vụ MegaCamera là khả năng dễ cài đặt và sử dụng. Ngƣời dùng không phải tự cấu hình đặc biệt mà chỉ cần cắm camera vào đăng nhập vào tài khoản để sử dụng. Hình 2-2: Cài đặt camera cho dịch vu MegaCamera Tuy nhiên thì cũng nhƣ dịch vụ của FPT, dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC cũng mới chỉ tập trung vào chức năng giám sát mà chƣa trú trọng đến chức năng cảnh bảo. Với gói dịch vụ này thì ngƣời dùng chỉ đƣợc cung cấp khả năng giám sát. Tuy nhiên thì dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC có một ƣu điểm lớn đó là chi phí hàng tháng mà khách hàng phải bỏ ra tƣơng đối hợp lí: 6
Bảng 2-2: Các đặc điểm của dịch vụ MegaCamera Home Home School School Office Office Office 1 2 1 2 1 2 3 Thuê bao tháng 50,000 80,000 100,000 180,000 250,000 350,000 500,000 Số ngƣời truy nhập đồng thời tối 3 3 20 25 25 35 50 đa Max FPS (số hình/giây) 20 25 25 25 30 30 30 Ghi hình và lƣu trữ theo ngày 2 ngày 3 ngày 3 ngày 4 ngày 5 ngày 6 ngày 8 ngày Truy nhập qua Internet Truy nhập qua Mobile Điều chỉnh Camera (PTZ) Chụp hình Tải video về máy tính Phần mềm Client 2.1.3 Hệ thống giám sát của Viettel Với ƣu thế là nhà cung cấp dịch vụ ADSL, các nhà cung cấp thƣờng phát triển dịch vụ giám sát và cảnh báo của riêng mình và Viettel cũng không phải là ngoại lê. Dịch vụ của Viettel mang tên là IP Camera, đƣợc cung cấp từ năm 2010. Dịch vụ IP Camera của Viettel cũng cung cấp một số chức năng cơ bản của dịch vụ giám sát nhƣ: cho phép ngƣời dùng quan sát và điều khiển camera qua Internet hoặc 3G. Dịch vụ cũng cung cấp phần mềm cho ngƣời dùng trên máy tính và điện thoại thông minh. Đối tƣợng khách hàng mà dịch vụ của Viettel hƣớng tới bao gồm cả khách hàng doanh nghiệp, khách hàng trƣờng học, nhà trẻ, khách hàng cá nhân cửa hàng và hộ gia đình. Với ƣu thế là nhà cung cấp dịch vụ ADSL, Viettel đã cung cấp cho khách hàng một số gói trong đó bao gồm cả dịch vụ kết nối ADSL. Bảng 2-3: Bảng gói dịch vụ IP Camera của Viettel Nội dung Cam N Cam E Cam F Phí lắp đặt đƣờng Phí lắp đặt đƣờng truyền tƣơng ứng với các gói Home N+ trọn truyền gói, HomeE+ trọn gói và FTTH Office. Phí lắp đặt Camera 500.000/1 Camera (Tại HN/HCM) Phí mua camera Theo lựa chọn thiết bị của KH Tốc độ đƣờng truyền, Home N+ Home E+ tƣơng tự các gói FTTH OFFICE đƣờng truyền của (trọn gói) (trọn gói) Viettel. Phí trọn gói bao gồm đƣờng truyền ADSL 250.000 320.000 1.420.000 và dịch vụ CAMERA 7
Nhƣng cũng giống nhƣ dịch vụ Cloud Camera của FPT và dịch vụ MegaCamera, dịch vụ IP Camera của Viettel mới chỉ tập trung vào chức năng giám sát mà chƣa có chức năng cảnh báo. Điều này sẽ khó có thể khiến khách hàng bị thu hút bởi dịch vụ vì với sự phát triển của IP camera thì nếu ngƣời dùng tự lắp đặt camera và chỉ một vài cấu hình họ có thể thực hiện chức năng giám sát mà không cần phải trả phí dịch vụ. Ngoài ra một nhƣợc điểm của dịch vụ của Viettel đó là gói cƣớc không có lợi cho khách hàng không sử dụng dịch vụ ADSL của Viettel. 2.2 Các nhƣợc điểm chung của các hệ thống hiện tại Việc các doanh nghiệp phát triển các dịch vụ giám sát và cảnh báo là đáp ứng với nhu cầu của thị trƣờng cả hiện tại lẫn trong thời gian tiếp theo. Thị trƣờng giám sát và an ninh cảnh báo hiện giờ mới ở giai đoạn đầu, việc phát triển hệ thống phù hợp với nhu cầu của thị trƣờng trong nƣớc có ý nghĩa quan trọng và là cơ hội lớn của các nhà cung cấp dịch. Với 3 dịch của các doanh nghiệp đi đầu trong việc cung cấp dịch vụ giám sát và cảnh báo bằng IP camera có rất nhiều ƣu điểm chung:  Cung cấp cho ngƣời dùng xem hình thông qua Internet và 3G dễ dàng  Cung cấp khả năng ghi hình trên máy chủ  Cung cấp gói dịch vụ bao gồm cả dịch vụ kết nối Internet ADSL Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm trên thì các hệ thống vẫn tồn tại các nhƣợc điểm và chính những nhƣợc điểm này đã hạn chế sự phổ biến của dịch vụ đối với khách hàng đặc biết là với khách hàng hộ cá nhân gia đình. Một số nhƣợc điểm có thể nhận thấy là:  Thứ nhất là vấn đề chi phí, ngoài dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC thì các dịch vụ còn lại có chi phí quá cáo so với khách hàng cá nhân hộ gia đình. Theo nhƣ khảo sát sơ bộ thì khách hàng cá nhân hộ gia đình sẽ không có ý định đầu tƣ nếu phí hàng tháng quá cao. Chi phí hợp lí tƣơng đƣơng hoặc thấp hơn chi phí truyền hình cáp của các hộ gia đình.  Thứ hai là các hệ thống hiện tại chỉ đáp ứng đƣợc nhu cầu giám sát mà chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu cảnh báo. Đặc biệt với đối tƣợng khách hàng cá nhân hộ gia đình thì chức năng cảnh báo là nhu cầu rất lớn đối với khách hàng. Các nguy cơ cần cảnh báo đối với khách hàng nhƣ: nguy cơ đột nhập trái phép, nguy cơ cháy nổ, rò rỉ khí ga. Việc phân tích các nhƣợc điểm này sẽ góp phần cải tiến hoặc tạo ra những hệ thống nhằm cung cấp dịch vụ phù hợp hơn với nhu cầu của khách hàng cá nhân hộ gia đình. Trong luận văn này, hệ thống đƣợc đề xuất nhằm giải quyết hai nhƣợc điểm chính này của các hệ thống hiện tại. 8
CHƢƠNG 3: CÁC CƠ SỞ LÍ THUYẾT 3.1 Tổng quan về hệ thống giám sát cho gia đình Một trong những mô hình của hệ thống giám sát mà hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi là sự kết hợp của công nghệ hình ảnh với sự phát triển của IP camera và các loại cảm biến. Với sự kết hợp này thì an ninh đƣợc đảm bảo chính xác của các cảm biến và đảm bảo đƣợc tính trực quan với khả năng của các camera. Nó vừa giúp ngƣời dùng điều khiển, giám sát và dùng chính những hình ảnh đó làm bằng chứng hoặc cho việc điều tra tìm ra nguyên nhân của sự vi phạm an ninh. Đặc biệt mỗi loại cảm biến sẽ có từng chức năng cảnh báo riêng biệt và độ chính xác rất cao, trong khi đó với camera thì ngoài việc cung cấp hình ảnh thì hiện nay công nghệ phân tích hình ảnh cũng đƣợc áp dụng rất nhiều vào việc phân tích ra những thông tin hữu ích cho việc an ninh giám sát nhƣ:  Phát hiện chuyển động bằng hình ảnh  Phát hiện sự có mặt của con ngƣời  Nhận diện khuôn mặt, tuổi và giới tính của ngƣời Trong phần này, luận văn sẽ trình bày về một số loại cảm biến và công nghệ phân tích hình ảnh thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống giám sát và cảnh báo. 3.2 Giới thiệu về camera trong hệ thống giám sát và cảnh báo 3.2.1 Định nghĩa Theo một định nghĩa đơn giản nhất thì Camera là một thiết bị ghi hình. Với một chiếc Camera, bạn có thể ghi lại đƣợc những hình ảnh trong một khoảng thời gian nào đó, lƣu trữ và sau đó bạn xem lại bất cứ khi nào bạn muốn. Với chức năng cơ bản là ghi hình, Camera đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giám sát. Một hệ thống các Camera đặt tại những vị trí thích hợp sẽ cho phép bạn quan sát, theo dõi toàn bộ ngôi nhà, nhà máy, xí nghiệp hay những nơi bạn muốn quan sát, ngay cả khi bạn không có mặt trực tiếp tại đó. 3.2.2 Phân loại Có 3 cách phân loại camera chính:  Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh  Phân loại theo đặc điểm đƣờng truyền  Phân loại theo tính năng sử dụng 3.3.2.1 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh Theo kĩ thuật hình ảnh thì camera đƣợc phân loại ra thành 3 loại là camera analog, camera CCD (Charge Couple Device) và camera CMOS (complementary metal oxide semiconductor): 1. Camera analog: Camera analoge đã xuất hiện trên thị trƣờng từ khá sớm và trở lên quen thuộc với đa số khách hàng Việt Nam. Loại camera này ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại Camera này hiện nay ít dùng. 2. Camera CCD (Charge Couple Device): 9
CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số để đƣa vào các bộ xử lý. Về nguyên tắc hoạt động, CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ thống thấu kính của Camera. CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và đƣợc số hoá. Đây là một qúa trình chuyển đổi tƣơng tự số. Các thông số kĩ thuật của Camera CCD là đƣờng chéo màn hình cảm biến (tính bằng inch). Kích thƣớc màn hình cảm biến càng lớn thì chất lƣợng càng tốt. (màn hình 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lƣợng tốt hơn 1/4 inch CCD, vì 1/3 > 1/4). Hiện nay chỉ có 2 hãng sản xuất màn hình cảm biến là Sony và Sharp. Chất lƣợng của Sharp kém hơn chất lƣợng của Sony. 3. Camera CMOS (complementary metal oxide semiconductor): CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Các loại Camera số sử dụng công nghệ CMOS. Các Camera số thƣơng mại sử dụng công nghệ CMOS thì chƣa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lƣợng hình ảnh và giá cả so với Camera CCD. Các Camera thƣơng mại dùng công nghệ CMOS có giá thành khoảng 500 USD đến 50.000 USD, hiện nay chủ yếu sử dụng cho máy chụp ảnh chuyên nghiệp. Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ƣu điểm rất rõ rệt so với Camera analog về độ rõ nét và chất lƣợng hình ảnh. 3.3.2.2 Phân loại theo kĩ thuật đƣờng truyền Theo kĩ thuật đƣờng truyền thì camera đƣợc chia thành 3 loại: camera có dây, camera không dây và camera IP: 1. Camera có dây: Camera có dây có ƣu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục C5. Đây là giải pháp đƣợc đánh giá là an toàn, chúng tôi cũng khuyến khích các bạn nên dùng loại Camera có dây, ngoại trừ những trƣờng hợp đặc biệt khác. Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa trên 200m thì cần có bộ khuếch đại tín hiệu để đảm bảo chất lƣợng hình ảnh. 2. Camera không dây: Giống nhƣ tên gọi, các Camera này đều không có dây. Nhƣng rất tiếc là cũng không hoàn toàn nhƣ vậy. Các Camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn. Các loại Camera không dây có ƣu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây, tuy nhiên Camera có hệ số an toàn không cao. Có 1 số vấn đề cần quan tâm đối với thiết bị không dây. Đó là tần số bạn sử dụng. Camera không dây sử dụng sóng vô tuyến RF để truyền tín hiệu, thông thƣờng tần số dao động từ 1,2 đến 2,4MHZ. Camera không dây đƣợc sử dụng khi lắp đặt tại các khu vực địa hình phức tạp khó đi dây từ Camera đến các thiết bị quan sát, ví dụ nhƣ các ngôi nhà có nhiều tƣờng chắn.Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng những thiết bị đặc biệt, hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt.Việc sử dụng Camera không dây đƣợc đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hƣởng nhiễu trƣớc các nguồn sóng khác nhƣ điện thoại di động,…. 3. Camera IP (Camera mạng): Nhƣ đã đề cập ở trên, IP Camera đƣợc kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh và điều khiển đƣợc truyền qua mạng.Với Camera IP ngƣời dùng có thể điều 10
khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng internet. Xét về mặt nguyên lý, camera IP có cấu tạo tƣơng tự nhƣ camera analoge. Điểm khác ở chỗ chúng truyền tín hiệu dƣới dạng số hoá. Sự ƣu việt này đã mạng lại cho khách hàng nhiều lợi ích:  Giảm chi phí: Tổng chi phí TCO – Total cost of ownership. Bao gồm chi phí thiết bị, chi phí lắp đặt, chi phí lắp đặt và chuyển giao vận hành hệ thống, chi phí bảo hành và sửa chữa, chi phí hỗ trợ kỹ thuật và các chi phí khác  Dễ dàng mở rộng, cải tạo và nâng cấp hệ thống Tốc độ mạng LAN hiện tại có thể lên tới 100Mb/s (mạng qua nguồn AC có thể lên tới 195Mb/s), mạng ADSL cũng không ngừng phát triển đã giúp bạn mở rộng không hạn chế số lƣợng camera IP trên cùng hệ thống của mình. Bên cạnh đó các máy tính tốc độ cao, các phần mềm ngày một thông minh hơn đã hỗ trợ đắc lực cho các bạn trong việc quản lý và giám sát các hệ thống camera của mình.  Lợi ích khác: - Dễ dàng vận hành và sử dụng hệ thống - Sử dụng kết hợp với các hệ thống khác một cách đơn giản: alarm, audio, access control… - Nhận dạng mục tiêu và xử lý hình ảnh tốt hơn - Một số loại không cần nguồn (PoE) - Tăng khoảng cách từ camera tới trung tâm xử lý (không hạn chế) - Tận dụng đƣợc hệ thống mạng sẵn có - Không hạn chế số lƣợng camera trên cùng hệ thống - Giảm thời gian lắp đặt - Giảm thời gian bảo hành và sửa chữa - Dễ lắp đặt và di chuyển camera khi cần thiêt… 3.3.2.3 Phân loại theo tính năng sử dụng 1. Dome camera (camera áp trần): Camera có nhiều hình dạng và kích thƣớc khác nhau. Đây là loại Camera thƣờng đƣợc đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã. Camera này có tính năng bảo mật cao do đƣợc bọc trong hộp kín. Hình 3-1: Dome Camera 2. Camera ẩn: Giống nhƣ tên gọi, Camera này không thể nhận biết đƣợc. Nó có nhiều hình dạng và kích thƣớc khác nhau, có thể ngụy trang và tránh bị phát hiện, ví dụ: Ngụy trang trong đầu báo khói, thú nhồi bông, dồng hồ treo tƣờng… Tuy nhiên khi sử dụng loại Camera này bạn cần phải đảm bảo tính hợp pháp khi sử dụng. Ở một số nơi nhƣ New York việc sử dụng Camera ẩn đƣợc coi là bất hợp pháp. Các 11
Camera này có thể hoạt động giống nhƣ một thiết bị phát hiện khói. Một số các công ty hiện nay cũng đã bắt đầu xây dựng những hệ thống Camera trở thành các thiết bị phát hiện khói. 3. Box camera (camera thân dài hình hộp): Đây là loại Camera truyền thống thƣờng đƣợc dùng trong các văn phòng siêu thị. Đây là loại Camera giá thành rẻ tuy nhiên thời điểm này ít dùng. Camera đƣợc bảo vệ trong hộp để bảo vệ trƣớc tác động phá hoại hay điều kiện môi trƣờng. Hình 3-2: Box camera 4. Camera PTZ (camera quay quét): Pan: Quét ngang Tilt: Quét dọc Z: Zoom - Phóng to, thu nhỏ Pan/Tilt/Zoom hay những họ tƣơng tự đƣợc biết đến với cái tên thƣơng mại là PTZ Camera.Camera hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu nhỏ. Camera này còn cho phép bạn kết nối với hệ thống cảm biến(sensor) và cảnh báo để phát hiện đối tƣợng di chuyển trong vùng hoạt động của nó. Hơn nữa Camera có thể đƣợc lập trình để hoạt động, nên nó có thể làm tất cả các công việc cho bạn. 5. IR Camera và Exview (Camera có khả năng quan sát đêm) Khoảng cách quan sát ban đêm của Camera phụ thuộc vào tổng công suất của đèn hồng ngoại. Khoảng cách quan sát của Camera dao động khoảng 10m đến 300m. Camera IR có thể quan sát đƣợc trong điều kiện tối 100% Camera Exview: Màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi ánh sáng kém, tuy nhiên tối 100% sẽ không quay đƣợc. 3.2.3 Các thông số cơ bản của camera  Camera indoor hoặc outdor (trong hoặc ngoài trời): o Indoor: Camera đặt trong nhà. o Outdoor: Camera đặt ngoài trời. Chú ý rằng, nếu Camera của bạn dự định đặt ngoài trời thì nên chọn Camera Outdoor để đảm bảo chịu đựng đƣợc các tác động bên ngoài nhƣ độ ẩm, thời tiết, nƣớc, bụi, hay các tác nhân phá hoại khác.  Camera hỗ trợ IR (Infrared rays) (hồng ngoại): Với Camera hồng ngoại, bạn có thể ghi hình vào ban đêm, điều mà các Camera thông thƣờng không thực hiện đƣợc. Với những ứng dụng quan sát 24/24, bạn cần chọn Camera có chức năng hồng ngoại. Trong điều kiện đủ ánh sáng Camera này hoạt động bình thƣờng, chỉ khi đêm tối, đèn hồng ngoại đƣợc tự động bật lên và Camera bắt đầu hoạt động với tính năng hồng ngoại. Có một số khách hàng thắc mắc tại sao Camera khi quay đêm hình ảnh lại chuyển sang 12
đen trắng. Thực ra tất cả các Camera hồng ngoại dù có hiện đại đến đâu thì khi quay đêm hình ảnh cũng chỉ là đen trắng. Trong bảng thông số, bạn cần quan tâm đến những thông số sau: o IR LED: Số lƣợng đèn LED hồng ngoại. o VISIBLE DISTANCE AT : Khoảng cách quan sát. Khi hoạt động ở chế độ hồng ngoại, các đèn LED sẽ tự động bật lên, và đòi hỏi công suất khá lớn, đó là lí do tại sao nguồn cấp cho các Camera hồng ngoại thƣờng là lớn hơn nhiều với các Camera thông thƣờng.  Chất lƣợng hình ảnh: Chất lƣợng hình ảnh của một Camera phụ thuộc vào nhiều thông số, trong đó quan trong nhất đó là cảm biến hình (Image Sensor). Trên thị trƣờng, bạn có thể thấy 2 chiếc Camera giống hệt nhau về kiểu dáng, nhƣng giá cả khá chênh lệch nhau. Xin đừng ngạc nhiên, vì thực chất 2 chiếc Camera đó chỉ khác nhau 1 điểm duy nhất là cảm biến hình của hãng nào. Nếu bạn muốn chất lƣợng hình ảnh tốt, có 1 lời khuyên là nên dùng cảm biến hình của hãng Sony. Kích thƣớc màn hình cảm biến càng lớn thì chất lƣợng càng tốt. (màn hình cảm biến 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lƣợng hình ảnh tốt hơn 1/4 inch CCD).  Độ phân giải của ảnh (resolution) Độ phân giải càng lớn thì chất lƣợng hình ảnh càng nét. Thƣờng thì trong các ứng dụng không cần thiết phải quan sát thật rõ nét thì độ phân giải 400 TV Lines đối với camera analog là hoàn toàn có thể chấp nhận đƣợc. Tuy nhiên thì với sự phát triển của công nghệ cùng với nhu cầu của ngƣời dùng thì độ phân giải của ảnh không ngừng đƣợc nâng lên. Hiện giờ trên thị trƣờng, hầu hết các nhà sản xuất máy ảnh nổi tiếng nhƣ: Axis, Panasonic… đều có camera với độ phân giải cao (full HD).  Tổng số điểm ảnh (CCD total pixels): Thông số này nói lên chất lƣợng hình ảnh, số điểm ảnh càng lớn thì chất lƣợng hình ảnh càng tốt, tuy nhiên, chất lƣợng hình ảnh càng tốt thì cũng đồng nghĩa với dung lƣợng ảnh càng lớn và sẽ tốn bộ nhớ lƣu trữ cũng nhƣ ảnh hƣỏng đến tốc độ đƣờng truyền thông thƣờng là với NTSC: 811 (H) x 508 (V), với PAL: 795 (H)x596 (V).  Điều kiện hoạt động: Minimum Illumination: Cƣờng độ ánh sáng nhỏ nhất thƣờng đƣợc tính bằng Lux. Thông số này nói lên rằng, Camera chỉ có thể hoạt động ở cƣờng độ ánh sáng lớn hơn cƣờng độ ánh sáng nhỏ nhất. Trong điều kiện quá tối, nếu không phải là Camera có chức năng hồng ngoại thì sẽ không hoạt động đƣợc. Một số giá trị lux thông dụng để giúp dễ hình dụng: o Ánh nắng mặt trời:4000 lux o Mây:1000lux o Ánh sáng đèn tuýp 500 lux, o Bầu trời có mây: 300lux o Ánh sáng đèn tuýp đỏ 500 lux, trắng (300 lux) trắng sáng 1lux o Đêm không trăng 0.0001 Lux 13
Xin chú ý đến loại Camera có chức năng Auto Iris (Tự động hiệu chỉnh ánh sáng). Đặc điểm của Camera loại này là chỉ với 1 nguồn sáng nhỏ, nó có thể tự động khuyếch đại nguồn sáng đó lên để có thể quan sát đƣợc.  Nguồn cung cấp (Power Supply): Hiện nay đa số các Camera đều dùng loại nguồn 12VDC, chỉ một số ít các Camera dùng nguồn khác. Tuy nhiên, bạn không phải lo lắng đến vấn đề nguồn 12VDC, vì phần lớn các Camera đều đi kèm với bộ chuyển đổi nguồn, do đó bạn có thể sử dụng trực tiếp nguồn 220VAC.  Dải nhiệt độ hoạt động: Phần lớn các Camera đều cho phép hoạt động trong dải nhiệt độ -100C– 500C, nếu Camera của bạn đƣợc sử dụng trong những điều kiện khắc nghiệt nhƣ trong công nghiệp, khu vực có nhiệt độ cao thì bạn nên sử dụng các loại Camera chuyên dụng trong công nghiệp.  Độ ẩm cho phép (operation humidity): Thông thƣờng, độ ẩm cho phép là 85% RH (độ ảm tƣơng đối).  Góc quan sát: Trong tài liệu kĩ thuật thƣờng không ghi góc mở, mà ghi thông số Tiêu cự ống kính thay cho góc mở. Có thể sử dụng Bảng 3-1 quy đổi sau: Bảng 3-1: Bảng góc quan sát của camera Vari- Vari- Vari- focal focal focal (mm) 2.9 3.6 6.0 8.0 12 16 2.6 - 0 4 - 9 - 22 6.0 9 Chiều ngang 90° 90° 42° 32° 22° 15° 99° - 68 - 29°- Horizontal 48° 32° 13° Chiều dọc 67° 55° 32° 24° 17° 11° 75° - 50°- 21°- (Vertical) 36° 24° 9° Độ mở ống kính F2.0 F2.0 F2.0 F2.0 F2.0 F2.0 F1.4 F1.5 F2.0 (Relative F-stop) Ý nghĩa của các tham số đối với camera đƣợc thể hiện trong hình dƣới: 14
Hình 3-3: Các thông số liên quan đến tiêu cự của camera Tuỳ vào ứng dụng của bạn mà nên chọn loại Camera có góc quan sát là bao nhiêu độ. Nếu bạn cần quan sát rộng, có thể chọn loại Camera có góc mở lớn (thƣờng là 900). Còn nếu chỉ muốn quan sát trong một phạm vi rất hẹp thì cũng sẽ có những loại Camera phù hợp dành cho bạn. Còn nếu muốn góc quan sát rất lớn, nên chọn loại Camera đặc biệt có chức năng Pan/ Tilt (quay ngang, quay dọc). Nếu bạn đã có một chiếc Camera nhƣng không có chức năng Pan/Tilt, bạn hoàn toàn có thể cải tiến nó bằng cách lắp thêm một đế quay ngang, quay dọc, khi đó, bạn có thể điều khiển Camera của bạn quay theo bất cứ hƣớng nào bạn muốn.  Các thông số khác: Những thông số trên cũng chỉ phản ánh đƣợc phần nào chất lƣợng của một chiếc Camera. Nhƣng cũng xin nhắc với các bạn rằng một chiếc Camera tốt không có nghĩa là cả hệ thống của bạn cũng sẽ tốt. Vì hệ thống không đơn thuần chỉ là Camera 3.3 Kỹ thuật phân tích hình ảnh trong giám sát và cảnh báo Chức năng giám sát tức là chức năng cho phép ghi hình và xem hình khi lắp đặt ở một điểm nào đó là chức năng cơ bản của camera và nó là chức năng nguyên thủy đã đƣợc phát triển cách đây hơn nửa thế kỷ. Cùng với sự phát triển của công nghệ xử lý ảnh và đƣờng truyền chất lƣợng ảnh thì camera không chỉ còn hỗ trợ chức năng giám sát mà nó còn hỗ trợ chức năng cảnh báo nhƣ: camera cảnh báo chuyển động, camera cảnh báo ngƣời, camera cảnh báo cháy, ….Việc tìm hiểu những kỹ thuật này không những chỉ giúp hiểu rõ sự hoạt động của các chức năng cảnh báo của camera mà còn chuẩn bị cho việc phát triển các chức năng cảnh báo. Mô hình sử dụng camera và xử lý ảnh trong giám sát và cảnh báo đƣợc thể hiện trong Hình 3-4: 15
Thu nhận ảnh (Canera) Phát tín hiệu cảnh báo Tiền xử lý Trích chọn Hậu xử Đối sánh rút xử lý lý ra kết luận Lƣu trữ Hình 3-4: Mô hình áp dụng xử lý ảnh trong giám sát và cảnh báo 3.2.1 Phát hiện và bám đối tƣợng chuyển động: Đây là một những kỹ thuật đƣợc sử dụng rất phổ biến trong xử lý ảnh, từ việc phát triển đối tƣợng đến các kỹ thuật nhận dạng đối tƣợng. Việc nhận diện các đối tƣợng trong ảnh số một cách tự động giúp máy tính lấy đƣợc nhiều thông tin ngữ nghĩa hơn từ những bức ảnh. Điều này có ý nghĩa đặt biệt quan trọng trong những bài toán phân lớp một khối lƣợng ảnh lớn theo các thuộc tính đƣợc quan tâm nhƣ chủ đề, sự phân bố màu sắc... Ứng dụng đầu tiên và rộng rãi nhất của bài toán phát hiện chuyển động là xây dựng các hệ thống tự động giám sát mục tiêu và theo dõi đối tƣợng. Ứng dụng này đặc biệt quan trong trong nhiệm vụ quốc phòng, an ninh bảo vệ các mục tiêu trọng yếu của Đảng và Nhà nƣớc. Ngoài ra, hệ thống giám sát còn đƣợc sử dụng bảo vệ cơ quan, xí nghiệp, nhà máy, công ty và nhà riêng... Bên cạnh những ứng dụng về giám sát an ninh, bài toán phát hiện chuyển động còn đƣợc ứng dụng trong điều khiển, phân luồng giao thông. Bài toán phát hiện chuyển động có thể ứng dụng để xây dựng hệ thống thu thập thông tin về các phƣơng tiện tham gia giao thông trên các nút giao thông quan trọng. Trên cơ sở thuật toán phát hiện chuyển động sẽ xác định số lƣợng phƣơng tiện tham gia giao thông tại từng nút giao thông, từ đó ngƣời điều hành giao thông có thể tính toán để phân định luồng giao thông hợp lý nhất. Trên lĩnh vực nghiên cứu khoa học, bài toán phát hiện chuyển động còn đƣợc sử dụng trong các ứng dụng về thị giác máy tính (Computer Vision Applications) bao gồm: phân tích cử động của con ngƣời, tƣơng tác ngƣời máy… Một ứng dụng chúng ta thƣờng thấy là nghiên cứu, chế tạo robot. Tổng quát, có ba phƣơng pháp phát hiện chuyển động chính hiện nay là: Phƣơng pháp trừ nền - Background Subtraction, Phƣơng pháp dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian - Temporal Differencing và Phƣơng pháp luồng tối ƣu - Optical Flow, cụ thể nhƣ sau: 16
1. Phƣơng pháp trừ nền: Đây là phƣơng pháp thông dụng nhất, phƣơng pháp này xác định sự sai khác do đối tƣợng chuyển động tạo ra bằng các trừ từng bit tƣơng ứng của hai frame liên tiếp nhau trong chuỗi video thu đƣợc từ camera. Phƣơng pháp này thích ứng với môi trƣờng động có nhiều đối tƣợng chuyển động phức tạp, phát hiện chuyển động biên độ nhỏ và ít phụ thuộc vào vận tốc cũng nhƣ kích thƣớc của đối tƣợng chuyển động. 2. Phƣơng pháp dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian: dựa vào sự biến đối của một giá trị ảnh theo thời gian để xác định đối tƣợng chuyển động (Ví dụ: Temporal Gradient – dựa trên biến đối của Gradient theo thời gian. Khả năng chuyển động của đối tƣợng theo phƣơng pháp này đƣợc đo bằng sự thay đổi tức thời của cƣờng độ hình ảnh). Phƣơng pháp này thích ứng với sự thay đổi của môi trƣờng, nhƣng nó bị phụ thuộc vào tốc độ và kích thƣớc và số lƣợng đối tƣợng chuyển động. Phƣơng pháp này hiệu quả nhất khi dùng phát hiện và theo dõi một đối tƣợng chuyển động. 3. Phƣơng pháp luồng tối ƣu: chỉ ra sự chuyển động dự kiến của đối tƣợng trong ảnh. Phƣơng pháp này cho kết quả khá tốt với những ảnh đầu vào phức tạp. Tuy nhiên, nó đòi hỏi độ phức tạp tính toán cao, nên khó khăn trong việc áp dụng, triển khai thực tế. Kết hợp với hoạt động của camera, việc phát hiện đối tƣợng chuyển động đƣợc thực hiện tuần tự theo các bƣớc sau: 1. Xác định các vùng có khả năng chứa đối tƣợng chuyển động - Mặt nạ vùng chuyển động: 2. Trên cơ sở mặt nạ vùng chuyển động, ta sẽ xác định các đối tƣợng chuyển động (vị trí, kích thƣớc) 3. Khi phát hiện đƣợc đối tƣợng chuyển động, ta thực hiện chức năng theo dõi đối tƣợng chuyển động. Đối tƣợng chuyển động sẽ đƣợc theo dõi khi chuyển động trong vùng camera theo dõi. Riêng bƣớc theo dõi đối tƣợng chuyển động cũng là một quá trình phức tạp. Đối tƣợng đƣợc xác định sẽ đƣợc đánh dấu lại bằng một trong các kỹ thuật: đánh dấu bằng điểm, sử dụng hình baohay khung xƣơng…Quá trình bám sát đối tƣợng là quá trình theo vết đối tƣợng tới khi rời khỏi khung hình:  Bám sát điểm: Đối tƣợng đƣợc đánh dấu bằng điểmtrọng tâm hoặc một tập hợp điểm. Quá trình bám sát đối tƣợng chính là bám sát theo các điểm đại diện cho đối tƣợng tới khi rời khỏi khung hình  Bám sát lõi (Kernel Tracking): Đối tƣợng đƣợc đánh dấu bằng khối hình học cơ bản. Sử dụng một số thuật toán để thực hiện quá trình bám sát. Kanade Lucas là một thuật toán đƣợc lựa chọn để thể hiện quá trình bám sát đối tƣợng  Bám sát Silhouette: Là quá trình đối sánh bóng của đối tƣợng. Có hai phƣơng pháp chính là đối sánh hình dạng và bám sát biên Trong lĩnh vức giám sát và cảnh báo của hộ cá nhân gia đình thì chức năng này giúp camera có thể phát hiện chuyển động, hƣớng chuyển động và chuyển động bất thƣờng của một đối tƣợng đột nhập. Sau khi phát hiện sự kiện chuyển động này, camera có thể kích hoạt chức năng cảnh báo tới ngƣời dùng. Về nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật phát hiện chuyển động có thể đƣợc mô tả khái quát trong Hình 3-5 dƣới đây: 17
Camera Tiền xử lý Phát hiện đối tƣợng chuyển động Nhận dạng Bám đối tƣợng Tách đối tƣợng hành vi Kết luận Hình 3-5: Mô hình phát hiện chuyển động 3.2.2 Nhận dạng đối tƣợng, vật thể Nhận dạng là quá trình phân loại các đối tƣợng đƣợc biểu diễn theo một mô hình nào đó và gán cho chúng vào một lớp (gán cho đối tƣợng một tên gọi) dựa theo những quy luật và các mẫu chuẩn. Quá trình nhận dạng dựa vào những mẫu học biết trƣớc gọi là nhận dạng có thày hay học có thày (supervised learning); trong trƣờng hợp ngƣợc lại gọi là học không có thày (non supervised learning). nhận dạng ảnh là giai đoạn cuối cùng của các hệ thống xử lý ảnh. Nhận dạng ảnh dựa trên nền tảng lý thuyết nhận dạng (pattern recognition). Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tƣơng ứng với ba giai đoạn chủ yếu sau đây: 1. Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý. 2. Biểu diễn dữ liệu. 3. Nhận dạng, ra quyết định. Thu thập dữ liệu và Biểu diễn Nhận dạng và ra tiền xử lý dữ liệu quyết định Hình 3-6: Mô hình nhận dạng trong xử lý ảnh Khi mô hình biểu diễn đối tƣợng đã đƣợc xác định, có thể là định lƣợng (mô hình tham số) hay là đính tính (mô hình cấu trúc), quá trình nhận dạng sẽ chuyển sang giai đoạn học. Học là giai đoạn rất quan trọng. Thao tác học là nhằm cài thiện, điều chỉnh việc phân hoạch các đối tƣợng thành các lớp. Việc nhận dạng chính là tìm ra quy luật để gán các đối tƣợng vào các lớp hay nói cách khác là gán cho đối tƣợng một cái tên. Bốn cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng là: 1. Đối sánh mẫu dựa trên các đặc trƣng đƣợc trích chọn. 18
2. Phân loại thống kê. 3. Đối sánh cấu trúc. 4. Phân loại dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo Trong các ứng dụng rõ ràng là không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ để phân loại “tối ƣu” do vậy cần sử dụng cùng một lúc nhiều phƣơng pháp và cách tiếp cận khác nhau. Do vậy, các phƣơng thức phân loại tổ hợp hay đƣợc sử dụng khi nhận dạng và nay đã có những kết quả có triển vọng dựa trên thiết kế các hệ thống lai (hybrid system) bao gồm nhiều mô hình kết hợp. Việc giải quyết bài toán nhận dạng trong những ứng dụng mới, nảy sinh trong cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về thuật giải, mà còn đặt ra những yêu cầu về tốc độ tính toán. Đặc điểm chung của tất cả những ứng dụng đó là những đặc điểm đặc trƣng cần thiết thƣờng là nhiều, không thể do chuyên gia đề xuất, mà phải đƣợc trích chọn dựa trên các thủ tục phân tích dữ liệu. Về kĩ thuật nhận dạng thì kỹ thuật phân loại nhờ biết trƣớc gọi là học có thày. Đặc điểm cơ bản của kỹ thuật này là ngƣời ta có một thƣ viện các mẫu chuẩn. Mẫu cần nhận dạng sẽ đƣợc đem so sánh với mẫu chuẩn để xem nó thuộc loại nào. Thí dụ nhƣ trong một ảnh viễ thám, ngƣời ta muốn phân biệt một cánh đồng lúa, một cánh rừng hay một vùng đất hoang mà đã có mô tả về các đối tƣợng đó. Vấn đề chủ yếu là thiết kế một hệ thống để có thể so sánh đối tƣợng trong ảnh với các mẫu chuẩn và quyết đinh gán cho chúng vào một lớp. Việc đối sánh nhờ vào các thủ tục ra quyết định trên một công cụ gọi là hàm phân lớp hay hàm ra quyết đinh. So sánh giữa hai kỹ thuật nhận dạng có thày và không có thày thì kỹ thuật không có thầy sẽ khó triển khai hơn vì hệ thống sẽ phải tự xác định các tham số đặc trƣng cho từng lớp. Việc này tƣơng đối khó khăn vì do số lớp không đƣợc biết trƣớc và đặc trƣng của từng lớp cũng là ẩn số. Kỹ thuật này nhằm tiến hành mọi cách gộp nhóm có thể và chọn lựa tốt nhất. Bắt đầu từ tập dữ liệu, nhiều thủ tục xử lý khác nhau nhằm phân lớp và nâng cấp dần để đạt đƣợc một phƣơng án phân loại. Nhìn chung dù là mô hình nào và kỹ thuật nhận dạng ra sao, một hệ thống nhận dạng có thể tóm tắt theo sơ đồ trong Hình 3-7: Trích chọn đặc tính Phân lớp ra Trả lời Đánh giá biểu diễn đối tƣợng quyết định Quá trình tiền xử lý Khối nhận dạng Hình 3-7: Sơ đồ tổng quát một hệ nhận dạng 3.3.2.1 Nhận dạng khói bằng camera Việc áp dụng kỹ thuật nhận dạng trong xử lý ảnh vào trong hệ thống giám sát và cảnh báo sẽ rất hữu ích. Một ví dụ rất dễ thấy đó là hệ thống cảnh báo cháy trong gia đình. Với công hệ này ta hoàn toàn có thể nghĩ tới việc tích hợp chức năng báo 19