Nội dung

Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera”. Đầu tiên em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành đến thầy giáo TS.Đỗ Năng Toàn là người trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện cho em được thực tập tại Viện công nghệ thông tin – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đang giảng dạy tại Bộ môn Tin học – Trường ĐH dân lập Hải Phòng trong suốt bốn năm học vừa qua đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản cần thiết và bổ ích giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này cũng như những kỹ năng nghề nghiệp sau này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chịtại phòng thí nghiệm thực tại ảo – Viện công nghệ thông tin Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực tập và tìm kiếm tài liệu. Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã cổ vũ và động viên em trong suốt thời gian vừa qua. Do khả năng có hạn nên nội dung đồ án còn có nhiều khiếm khuyết, sơ sài mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Hải phòng, ngày…tháng…năm… Sinh viên Bùi Thanh Liêm SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 1 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................. 4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH ................. 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH .................................. 5 1.1.1. Xử lý ảnh là gì? ...................................................................................................... 5 1.1.2. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh .................................................................. 5 1.1.3. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh ....................................................................... 6 1.1.3.1. Một số khái niệm ............................................................................................. 6 1.1.3.2. Thu nhận ảnh .................................................................................................. 6 1.1.3.3. Biểu diễn ảnh .................................................................................................. 6 1.2. TỔNG QUAN VỀ VIDEO ........................................................................... 7 1.2.1.Một số khái niệm ..................................................................................................... 7 1.2.2.Một số thuộc tính đặc trƣng của video ................................................................. 8 1.2.2.3. Hình dáng (Shape) .......................................................................................... 9 1.2.2.4. Chuyển động (Motion) .................................................................................... 9 Chƣơng 2: PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP ..................................... 9 2.1. BÀI TOÁN PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP ................................. 9 2.2. PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP DỰA VÀO PHẦN CỨNG ....... 10 2.3. PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP DỰA VÀO CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH ...................................................................................................... 10 2.3.1 Các kỹ thuật trừ ảnh ............................................................................................ 10 2.3.1.1 Kỹ thuật trừ ảnh dựa vào điểm ảnh ............................................................. 11 2.3.1.2 Trừ ảnh phân khối ......................................................................................... 12 2.3.1.3 Phƣơng pháp biểu đồ ..................................................................................... 14 2.3.1.3.1. Biểu đồ toàn cục ..................................................................................... 15 2.3.1.3.2. Biểu đồ cục bộ ........................................................................................ 16 2.3.1.4 Phƣơng pháp thống kê .................................................................................. 17 2.3.1.5. Trừ ảnh dựa vào đặc trƣng .......................................................................... 18 2.3.1.5.1. Đặc trƣng là vector chuyển động.......................................................... 18 2.3.2 Kỹ thuật trừ nền(Background subtraction) ....................................................... 18 SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 2 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera 2.3.2.1. Không gian màu(Color space) ..................................................................... 18 2.3.2.2. Mô hình nền (Background modeling) ......................................................... 19 2.3.2.3. Lựa chọn ngƣỡng (Thresholh selection) ..................................................... 19 2.3.2.4. Thao tác trừ (Subtraction operation).......................................................... 21 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG DISCOVERY ..................... 22 3.1. KỸ THUẬT BẮT GIỮ HÌNH ẢNH QUA CAMERA .............................. 22 3.2. PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN VÀ THUẬT GIẢI ĐỀ XUẤT ....... 24 3.3. CÁC HÀM VÀ LỚP CHÍNH TRONG CHƢƠNG TRÌNH....................... 26 3.4. CHỨC NĂNG VÀ CÁCH SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH ....................... 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 33 SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 3 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera PHẦN MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay công nghệ thông tin hầu nhƣ đã thâm nhập vào toàn bộ các lĩnh vực của đời sống xã hội. Xã hội ngày càng phát triển nên đòi hỏi về nhu cầu về công nghệ thông tin ngày càng cao, vì vậy mà dữ liệu số không còn xa lạ đối với mọi ngƣời. Trong mọi lĩnh vực các ứng dụng công nghệ thông tin đã trợ giúp con ngƣời rất nhiều. Hiện nay, thông tin hình ảnh đóng vai trò rất quan trọng trong trao đổi thông tin, bởi phần lớn các thông tin mà con ngƣời thu nhận đƣợc đều thông qua thị giác. Trong lĩnh vực công nghệ thông tin thì lĩnh vực giám sát tự động đã và đang thu hút đƣợc nhiều sự nghiên cứu. Cùng với sự phát triển của sức mạnh máy tính, các hệ thống giám sát tự động ngày càng tinh vi và hiện đại đã trợ giúp con ngƣời rất nhiều trong việc bảo vệ an ninh, giám sát giao thông, … Ở nƣớc ta hiện nay, lĩnh vực giám sát tự động cũng đã có những bƣớc phát triển đáng kể. Tuy nhiên, nó chỉ mới dựa trên nền tảng là phần cứng và cũng chƣa đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế vì điều kiện kinh tế xã hội. Việc giải quyết bài toán này theo hƣớng tiếp cận sử dụng phần mềm chƣa đƣợc quan tâm phát triển. Do vậy em nghiên cứu đề tài: “Phát hiện đối tƣợng đột nhập dƣới sự trợ giúp của Camera”. Một trong những bài toán then chốt của kĩnh vực giám sát tự động, trong khuôn khổ của đồ án em tập trung trình bày về các kỹ thuật trừ ảnh và ứng dụng các kỹ thuật này để giải quyết bài toán phát hiện đối tƣợng đột nhập thông qua WebCam. Nội dung của đồ án gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh Chƣơng 2: Phát hiện đối tƣợng đột nhập Chƣơng 3 : Chƣơng trình ứng dụng SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 4 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH 1.1. TỔNG QUAN VỀ MỘT HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH 1.1.1. Xử lý ảnh là gì? Xử lý ảnh là quá trình thu nhận ảnh nhằm biến đổi từ ảnh này sang ảnh khác cho ra kết quả nhƣ mong muốn Ảnh mong muốn Kết quả Ảnh đầu vào Xử lý ảnh Kết luận Hình 1.1: Quá trình xử lý ảnh 1.1.2. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh CAMERA Thu nhận ảnh Tiền xử lý Trích chọn đặc trƣng Đối sánh Kết quả SENSOR CSDL Hình 1.2: Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 5 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera 1.1.3. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1.3.1. Một số khái niệm  Pixel (Picture Element): phần tử ảnh  Ảnh  Mức xám(Grey Level)  Lƣợc đồ mức xám(Histogram) 1.1.3.2. Thu nhận ảnh Để đƣa ảnh vào trong máy tính chúng ta có thể dùng các thiết bị thu nhận nhƣ: camera cộng với bộ chuyển đổi tƣơng tự số AD(Analog to Digital) hoặc máy quét chuyên dụng. 1.1.3.3. Biểu diễn ảnh Sau quá trình số hoá ta sẽ thu đƣợc một ma trân tƣơng ứng với ảnh cần xét, mỗi phần tử của ma trận tƣơng ứng với một điểm ảnh. Các điểm này thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi toạ độ màu RGB tƣơng ứng với nó trong hệ toạ độ màu cơ bản sau: G 255 Thi(R,G,B)B Ii(R,G,B)B i (R,G,B)B B R 255 255 Hình 1.4:Hệ toạ độ màu RGB. Ảnh có thể đƣợc biểu diễn theo một trong hai mô hình sau:  Mô hình RASTER: SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 6 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera Ảnh đƣợc biểu diễn dƣới dạng ma trận các điểm ảnh. Mô hình RASTER phù hợp cho việc thu nhận và hiển thị ảnh.  Mô hình VECTOR: Ngƣời ta sử dụng hƣớng vector của các điểm ảnh lân cận để mã hoá và tái tạo ảnh ban đầu. Khi xử lý các ảnh Raster chúng ta có thể quan tâm Điểm 4- láng giềng và điểm 8 láng giềng: . · · · . . ·  · . . . .  · · o  ·  · · . . . . · · · . .    . .  o  . .    . . · · · . Hình 1.5: Điểm 4 - láng giềng và 8 - láng giềng 1.2. TỔNG QUAN VỀ VIDEO 1.2.1.Một số khái niệm Video là một tập hợp các khung hình(Frames), mỗi khung hình là một ảnh. Shot(lia) là một đơn vị cơ sở của video. Một lia là một đơn vị vật lý của dòng video, gồm chuỗi các khung hình liên tiếp, không thể chia nhỏ hơn. Scene(cảnh) là các đơn vị logic của dòng video. Cấu trúc phân cấp của video đƣợc mô tả trong hình vẽ: Video Scene Shots Lia Frame s Hình 1.6: Cấu trúc phân cấp của video SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 7 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera 1.2.2.Một số thuộc tính đặc trƣng của video Video có 4 đặc tính chung là: màu(color), kết cấu(texture), hình dáng(shape), chuyển động(motion). 1.2.2.1. Màu(Color) Màu là một thuộc tính đặc trƣng của ảnh. Biểu đồ màu, biểu diến sự phân bố màu, là một đặc trƣng màu phổ biến nhất hiện nay. Biểu đồ màu không phụ thuộc vào sự quay, dịch chuyển ảnh cũng nhƣ chiều nhìn ảnh. Tuy nhiên với biểu đồ màu không biểu diễn thông tin về không gian phân bố các điểm ảnh, do đó hai điểm ảnh có cùng biểu đồ màu có thể lại có nội dung khác nhau. Hình 1.8: Các ảnh khác nhau nhưng có cùng biểu đồ màu P(rk) P(rk) Dark image Bright image rk rk (a) (b) P(rk) P(rk) High-contrast image Low-contrast image rk rk (c) (d) Hình 1.9: Các ảnh khác nhau nhưng có cùng biểu đồ màu SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 8 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera 1.2.2.2. Kết cấu (Texture) Đây là một đặc trƣng quan trọng của bề mặt, nơi xảy ra việc lặp lại mẫu cơ bản. Có hai dạng biểu diễn texture phổ biến đó là : biểu diễn dạng ma trận đồng thời và biểu diễn Tamura. 1.2.2.3. Hình dáng (Shape) Các đặc trƣng hình dánh có thể đƣợc biểu diễn sử dụng phân tích truyền thống nhƣ bất biến mômen, mô tả Fourier, mô hình học tự động quay lui, và các thuộc tính hình học. 1.2.2.4. Chuyển động (Motion) Motion là một thuộc tính quan trọng của video. Thông tin về chuyển động có thể đƣợc sinh ra bằng các kỹ thuật ghép khối hoặc luồng ánh sáng. Chƣơng 2: PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP Có 2 cách tiếp cận chính để giải quyết bài toán phát hiện đối tƣợng đột nhập đó là: -Dựa hoàn toàn vào phần cứng. -Dựa vào các kỹ thuật xử lý ảnh. 2.1. BÀI TOÁN PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP Sự phát triển của công nghệ thông tin đẩy nhanh sự phát triển của các lĩnh vực xã hội khác. Với sự phát triển của phần cứng cả về phƣơng diện thu nhận và hiển thị cũng nhƣ tốc độ xử lý đã mở ra nhiều phƣơng hƣớng cho sự phát triển phần mềm. Trong đó phải kể đến lĩnh vực giám sát tự động. Một trong những bài toán quan trọng và then chốt là bài toán phát hiện đối tƣợng đột nhập dƣới sự trợ giúp của camera. Ở nƣớc ta hiện nay, việc giải quyết bài toán phát hiện đối tƣợng đột nhập còn chủ yếu dựa vào phần cứng và chƣa đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu từng cách tiếp cận để giải quyết bài bài toán này. SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 9 Phát hiện đối tượng đột nhập dưới sự trợ giúp của Camera 2.2. PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP DỰA VÀO PHẦN CỨNG Trong cách tiếp cận này các hệ thống giám sát tự động này thƣờng sử dụng các camera có gắn chip cảm ứng và đặt tại các nơi nhạy cảm hoặc sử dụng hệ thống các tia quét. Mỗi camera có thể đƣợc gắn với các thiết bị báo động, khi phát hiện thấy có biến động thì nó sẽ tự động báo động. Ƣu điểm của hƣớng tiếp cận sử dụng phần cứng là cho độ chính xác và độ tin cậy cao, tốc độ xử lý nhanh. Tuy nhiên nó có một nhƣợc điểm là chi phí cho một hệ thống giám sát có thể rất lớn không phù hợp với mức thu nhập của ngƣời Việt Nam hiện nay. 2.3. PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG ĐỘT NHẬP DỰA VÀO CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH Ta có thể sử dụng nhiều kỹ thuật xử lý ảnh khác nhau để phát hiện ra đối tƣợng đột nhập nhƣ sử dụng phép trừ nền (background subtraction), dò biên (edge detection),… 2.3.1 Các kỹ thuật trừ ảnh Ký hiệu D(f1, f2) là sự sai khác nhau giữa hai khung hình f 1,f2. Sự sai khác này lớn hơn một ngƣỡng nào đó sẽ xác định đƣợc có đối tƣợng chuyển động giữa hai khung hình. Sự thay đổi trên khung hình đƣợc tính toán trên một đặc trƣng nhất định. Ngƣời ta thƣờng dùng đặc trƣng là nội dung màu sắc, là biểu đồ (biểu đồ màu, biểu đồ mức xám), hoặc đôi khi là cạnh, vector chuyển động, góc hay kết cấu (texture). Nhƣ vậy khi thực hiện việc phát hiện có sự biến động giữa các khung hình, trƣớc hết ta phải xác định đặc trƣng mang ra so sánh, thứ hai là xác định công thức trừ ảnh D, và cuối cùng là quyết định ngƣỡng sai khác Tb. Giá trị ngƣỡng này thƣờng đƣợc xác đinh trƣớc. Hoặc đôi khi ngƣời ta cũng dùng ngƣỡng thích ứng. Chỉ những sai khác lớn hơn ngƣỡng T b mới đƣợc xem xét và xử lý. Hiện nay có nhiều kỹ thuật trừ ảnh và có thể chia thành 5 loại nhƣ sau: SV: Bùi Thanh Liêm CT702 ĐH DL HẢI PHÒNG 10