1
B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
ĐI HC ĐÀ NNG
NGÔ TH Ý
NG DNG PHÂN TÍCH VIDEO
T ĐNG PHÁT HIN TÌNH TRNG TÉ NGÃ
Chuyên ngành: K thut ñin t
Mã s: 60.52.70
TÓM TT LUN VĂN THC SĨ K THUT
Đà Nng - Năm 2012
2
Công trình ñưc hoàn thành ti
ĐI HC ĐÀ NNG
Ngưi hưng dn khoa hc: TS. PHM VĂN TUN
Phn bin 1: TS. NGUY N LÊ HÙNG
Phn bin 2: TS. NGÔ VĂN S
Lun văn ñưc bo v trưc Hi ñng chm Lun
văn tt nghip thc sĩ k thut hp ti Đi hc Đà
Nngvàongày 11 tháng 11 năm 2012
Có th tìm hiu lun văn ti:
- Trung tâm Thông tin - Hc liu, Đi hc Đà Nng
- Trung tâm Hc liu, Đi hc Đà Nng.
3
M! Đ"U
1. Tính c#p thi$t c%a ñ& tài
Tình trng gia tăng dân s ngưi cao tui ngày càng nhanh. Vit
Nam, ưc tính s ngưi trên 65 tui là 6,5% (khong 5,5 triu) và
khong 1,5 -1,9 triu ngưi già b té ngã mi năm. Hu qu nghiêm
trng ca vic té ngã là gãy xương (trong ñó khong 5% phi nhp
vin) [2]. Theo t chc y t th gii, ñ ñáp ng yêu c u chung, Vit
Nam c n phi b sung thêm g n 80 nghìn nhân l!c y t [1].
Giám sát các d" liu sinh lý trên ngưi trong các trưng hp bình
thưng và bt thưng, m#c ñích ñ phát hin các s! kin kh$n cp
ho%c lưu tr" thông tin. Đi vi ngưi cao tui ho%c bnh nhân m&c
bnh mãn tính sng mt mình, vic theo dõi các hành vi ca h là nhu
c u rt c n thit. M#c ñích ñ%c bit ca vic giám sát là phát hin s!
c té ngã. Tai nn té ngã không nh"ng có nguy cơ nh hư'ng ln ñn
sc kh(e mà còn gây ra nh"ng chn thương tâm lý làm gim s! t! tin
ca ngưi già và bnh nhân [2]. Do ñó phát hin té ngã là rt c n thit
ñ h tr bnh nhân tránh nh"ng ñáng tic xy ra.
Nh"ng năm g n ñây, công ngh cm bin và mng lưi camera
phát trin nhanh chóng góp ph n vào s! phát trin chăm sóc y t [9],
[14]. Trong ñó h thng phát hin té ngã phát trin nhanh và ngày càng
ñt ñưc kt qu tt. Có nhi)u phương pháp gii quyt v) h thng
phát hin té ngã. Trong [15], [26], các cm bin ñưc s* d#ng ñ thu
thp thông tin ca ñi tưng, còn trong [19], [22], phân tích thông tin
tín hiu video t+ các camera ñưc s* d#ng ñ nhn dng các hành
ñng. Công ngh camera giám sát phát trin, d, l&p ñ%t và ít gây xáo
trn vi ngưi ñưc giám sát. Vì vy các h thng phát hin té ngã rt
hay s* d#ng phương thc này. H u ht nh"ng h thng hin nay chưa
phân bit ñưc gi"a s! c té ngã vi hành ñng mt ngưi n-m xung
4
hay ñơn gin là ñt ngt ngi xung sàn nhà. Trong ñ) tài này s. ñ)
xut h thng phát hin té ngã vi t/ l phát hin cao.
2. M'c tiêu nghiên c(u
Xây d!ng h thng phân tích thông minh tín hiu video ñ t! ñng
phát hin tình trng té ngã ca bnh nhân và ngưi cao tui.
3. Đi tưng và phm vi nghiên c(u
Đi tưng nghiên cu
+ H thng phân tích thông minh tín hiu video.
Phm vi nghiên cu
Đ) tài th!c hin trên n)n tng k th+a các kin thc sau:
- Phân tích video.
- Hc máy (machine learning).
- Cơ s' d" liu.
- Thit k và phân tích thí nghim.
4. Phương pháp nghiên c(u
- Xây d!ng và thu thp cơ s' d" liu.
- Xem xét ñ) tài liên quan, so sánh và ñánh giá các ưu khim ñim
ca các phương pháp ñã ñưc nghiên cu v) phân tích video.
- S* d#ng các công c# toán hc phù hp
- Thit k và th!c hin các thí nghim d!a trên h thng ñưa ra ñ
thu thp d" liu kt qu.
- Kim tra ñ chính xác và tính hiu qu ca các h thng ñưa ra.
5. Ý nghĩa khoa hc và th+c ti$n
Ý nghĩa khoa hoc
Ngày nay, vic cài ñ%t, vn hành và bo dư0ng h thng camera
rt d, th!c hin, ñi)u này ñã giúp cho k thut phân tích thông minh
tín hiu video phát trin rt nhanh chóng. Đ) tài này tp trung vào
phân tích thông minh tín hiu video ng d#ng trong h thng t! ñng
5
phát hin tình trng té ngã ca con ngưi, ñây là mt lĩnh v!c còn khá
mi m1 ' Vit Nam.
Ý nghĩa thc tin
Mc sng ngày càng cao ñòi h(i cht lưng cuc sng ngày tăng.
Bên cnh ñó tình trng thiu nhân viên y t tr m trng và dân s ngày
càng ñông, d2n ñn nhu c u dch v# y t ngày càng ln. Do ñó, phát
trin công ngh mi áp d#ng trong ngành y t ñ gii phóng mt ph n
sc ngưi là vô cùng cp thit. Nghiên cu, thit k h thng t! ñng
phát hin hành ñng té ngã b-ng video có ý nghĩa quan trng trong
giai ñon hin nay. Các kt qu trong ñ) tài này sát vi th!c t và có
tính th!c ti,n cao góp ph n hoàn thin vic xây d!ng h thng chăm
sóc sc kh(e bênh nhân và ngưi cao tui ti nhà.
6. C#u trúc lun văn
Lun văn gm 4 chương:
Chương 1: Tng quan v) h thng t! ñng h tr chăm sóc y t
Chương 2: H thng phân tích video phát hin ngã
Chương 3: Hun luyn mng nơ-ron ñ phát hin té ngã.
Chương 4: Th!c nghim và phân tích kt qu
Kt lun và hưng phát trin ñ) tài
CHƯƠNG 1: T.NG QUAN V/ H TH0NG T ĐNG H1
TR2 CHĂM SÓC Y T3
Trong chương này, chúng ta s. tìm hiu các h thng t! ñng h
tr chăm sóc y t và tp trung tìm hiu h thng d!a trên phân tích
thông minh tín hiu video.
1.1. GI4I THIU H TH0NG T ĐNG H1 TR2 CHĂM SÓC
Y T3
1.2. H TH0NG DA VÀO CÁC THI3T B C5M BI3N
6
1.2.1. H thng d+a vào các thi$t b6 c7m bi$n g8n trên cơ th9 ngưi
1.2.2. H thng d+a vào thi$t b6 c7m bi$n không g8n trên cơ th9 ngưi
1.3. H TH0NG DA VÀO PHÂN TÍCH VIDEO
1.3.1. H thng giám sát qua tín hiu video
Phân tích video là mt k thut có th t! ñng xác ñnh hành vi
ho%c thái ñ ca mt ñi tưng c# th thông qua vic s* d#ng ph n
m)m ñ phân tích ni dung các ñon video ghi hình ñi tưng [31].
1.3.2. Phân tích và hi9u hành vi con ngưi thông qua tín hiu video
1.3.3. Chăm sóc y t$ d+a vào h thng giám sát video thông minh
H thng giám sát thông minh video ng d#ng rng rãi:
+ Giúp ñ0 tr liu và ch$n ñoán sơ b cho bnh nhân.
+ T! ñng phân tích và phát hin nh"ng d vt hay khi u trong cơ
th bnh nhân.
+ Giám sát sc kh(e bnh nhân t+ xa.
1.3.4. ng d'ng h thng giám sát video thông minh vào vic phát
hin té ngã.
CHƯƠNG 2 : H TH0NG PHÂN TÍCH VIDEO PHÁT HIN NGÃ
Chương này, ñi sâu vào nghiên cu và phân tích các khi trong h
thng phân tích video phát hin ngã ca con ngưi.
Hình 1.4. H thng camera giám sát thông minh
H thng s* lý
thông minh và
mng internet
Hiu
hành vi
7
2.1. SƠ Đ: KH0I
2.2. TÁCH Đ0I TƯ2NG
Tách ñi tưng là phát hin, phân bit gi"a ñi tưng chuyn ñng
vi ph n còn li ca khung hình (hay còn gi là hình nên).
(a) Khung hình nn ñưc ưc lưng
(b) Khung hình ngu nhiên mt thi ñim nào ñó
(c) Kt qu sau khi tách ñi tưng, gm c bóng (shadow)
(d) Kt qu cui cùng sau x lý
2.2.1. Ưc lưng n&n
Phương pháp trung bình: Giá tr ñim nh ti v trí (x,y) ca
mô hình n)n b-ng trung bình cng các giá tr ñim nh ti v trí (x,y)
ca N khung hình [24].
N
yxF
yxB
n
ii
∑
+
=
1
),(
),(
(2.1)
vi: B(x, y) : Giá tr ñim nh ti v trí (x, y) ca mô hình n)n.
F(x, y) : Giá tr ñim nh ti v trí (x, y) ca khung hình th i.
N : Tng s khung hình ñưc xét.
2.2.2. Tách ñi tưng
Hình 2.1. Sơ ñ khi chc năng h thng phân tích video phát hin ngã
Hu
x* lý
Các khung
video
Ý nghĩa,
hành ñ
ng
Tách ñ
i
tưng
Ti)n
x*
lý
Trích
thuc
tính
Nhn
dng
(a) (b) (c) (d)
Hình 2.2 – Ví d mô t các bưc thc hin ca khi tách ñi tưng
8
a. Phương pháp tr nn
I
t
(x, y) - B
t
(x, y) > τ (2.2)
S! khác bit gi"a các ñim nh so vi ngư0ng thì ñưc xem là ñi
tưng.
trong ñó : + τ : Giá tr ngư0ng ñưc ñnh nghĩa trưc.
+ I
t
: Khung hình hin ti.
+ B
t
: <nh n)n ñưc cp nht
Trong ñ) tài chúng ta s* d#ng giá tr trung bình ca ba khung hình
liên tip ' khung hình hin ti ñ cp nht.
∑
−=
+−=
+
i
2ij j
I
3
1
α.
i
α).B(1
i
B
1
(2.4)
α ln thì hình n)n thay ñi nhanh nhưng có th to thành ñuôi phía sau
ñi tưng chuyn ñng. α ñưc chn là 0.05 như trong [17].
b. Phương pháp sai khác thi gian
2.3. TI/N X; LÝ
Mt trong nh"ng phương pháp ñưc s* d#ng ñ lc ñi tưng sau
khi trích ra kh(i hình n)n là s* d#ng hình thái toán hc [23].
2.3.1. Hình thái toán hc
2.3.2. Phép dãn
2.3.3. Phép co
2.3.4. Phép mA
2.3.5. Phép ñóng
2.4. MÔ HÌNH CƠ THB NGƯCI VÀ TRÍCH THUC TÍNH
2.4.1. Mô hình cơ th9 ngưi 2D
a. Mô hình elip
S* d#ng mô hình 2D elip bao quanh ñi tưng [22]. Đ xây d!ng
elip c n phi xác ñnh: Ta ñ trng tâm elip O; Góc lch elip so vi
phương ngang θ và ñ dài hai bán tr#c ca elip: a, b.
9
b. Xác ñnh tâm elip.
+ Hoành ñ (tung ñ) là trung bình cng các hoành ñ (tung ñ)
ca ñim nh tr&ng.
[
]
[
]
WidthHeight
jiPi
y
WidthHeight
jiPj
x
jiji
.
),(.
,
.
),(. ∑∑
=
∑∑
=
(2.10)
vi: + i = 1..Height; j = 1..Width. (Height: chi)u cao; Width: chi)u
rng ca khung hình)
+ P(i, j) là giá tr nh phân ti ñim nh (i, j); P(i, j) = 0 nu ñim
nh (i, j) màu ñen và P(i, j) = 1 nu ñim nh (i, j) màu tr&ng.
c. Góc quay elip (θ)
θ
θ
θ
2
tan
1
tan2
2tan
−
=
(2.11)
Ta có th di tr#c v) tâm elip, ñng thi áp d#ng Công thc (2.11)
và trung bình cng ñim nh ñ tính θ:
∑∑−∑∑
∑∑
=),(.),(.
),(..2
arctan.
2
1
22
jiPyjiPx
jiPyx
jiji
ji
θ
(2.12)
vi : + (i, j) : V trí ñim nh (i=1..Width, j=1..Height)
+ x = i - Ox và y = j- Oy (Ox, Oy : ta ñ trng tâm ca elip).
d. Xác ñnh ñ dài hai bán trc: d
1
, d
2
l n lưt là khong cách t+ (O)
ñn trung ñim n*a trên tr#c dài (O
1
) và tr#c ng&n (O
2
).
+ Ta ñ O
1
có: hoành ñ (tung ñ) b-ng trung bình cng ca
hoành ñ (tung ñ) các ñim tr&ng th(a mãn: Tung ñ ln hơn tung ñ
Hình 2.13. Mô hình elip bao quay cơ th ngưi
a
b
θ
=90
0
a
b
θ
=78,
59
0
10
O; Hiu ca góc to b'i ñưng thIng xut phát t+ trng tâm (O) ñn
nó so vi phương ngang và góc θ không vưt quá Jθ.
+ Ta ñ O
2
có: hoành ñ (tung ñ) b-ng trung bình cng ca
hoành ñ (tung ñ) các ñim tr&ng th(a mãn: Tung ñ có giá tr ln
hơn tung ñ O; Hiu ca góc to b'i ñưng thIng xut phát t+ trng
tâm (O) ñn nó so vi phương ngang và góc (θ +π/2) không vưt Jθ.
Đ ln ca bán tr#c dài (a) và ng&n (b) ñưc xác ñnh như sau:
=
=
2
1
2
2
db
da
(2.13)
2.4.2. Trích thuDc tính
a. Tp thuc tính dùng ñ phát hin té ngã
b. Góc tc thi ca ñi tưng
Góc tc thi ca ñi tưng chính là góc quay ca elip θ
.
c. Tc ñ chuyn ñng ca ñi tưng
Vi mt nh xám, mi ñim nh có giá tr trong ñon [0, 255],
trong ñó 0 là ñen nht và 255 là tr&ng nht. “White pixel” là s ñim
tr&ng có giá tr 255, “Gray pixel” là s ñim xám có giá tr n-m trong
khong (0, 255). Tc ñ chuyn ñng ca ñi tưng (C
Motion
):
Gray pixel
C
Motion
= Gray pixel + White pixel (2.14)
ng ngang ng chÐo ng trùc diÖn ®i bé gËp ng−êi bß n»m ngåi
Hình 2.15. Đ th biu din góc tc thi ca ñi tưng
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Frame
Theta