(Đồ án hcmute) ứng dụng xử lý ảnh để phát hiện và cảnh báo cháy rừng qua tin nhắn điện thoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐỂ PHÁT HIỆN VÀ
CẢNH BÁO CHÁY RỪNG QUA TIN NHẮN ĐIỆN THOẠI

GVHD: TS. NGUYỄN THANH HẢI
SVTH: LÝ HOÀNG ANH
MSSV: 12141467
SVTH: NGUYỄN THANH ĐIỀN
MSSV: 12141059

SKL 0 0 4 5 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017

do an


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
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐỂ PHÁT HIỆN
VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG QUA TIN
NHẮN ĐIỆN THOẠI

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải
SVTH: Lý Hoàng Anh

12141467

Nguyễn Thanh Điền 12141059

Tp. Hồ Chí Minh - 1/2017

do an


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
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
CÔNG NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐỂ PHÁT HIỆN
VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG QUA TIN
NHẮN ĐIỆN THOẠI

GVHD: TS Nguyễn Thanh Hải
SVTH: Lý Hoàng Anh
Nguyễn Thanh Điền

Tp. Hồ Chí Minh - 1/2017

do an

12141467
12141059


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 09 tháng 01 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chun ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Lý Hồng Anh
Nguyễn Thanh Điền
Điện tử Cơng nghiệp
Đại học chính quy
2012

MSSV: 12141467
MSSV: 12141059
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
12141DT1

I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng xử lý ảnh để phát hiện và cảnh báo cháy rừng qua tin
nhắn điện thoại
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Các tài liệu về MATLAB, Giáo trình Xử lý ảnh
Các ví dụ trên trang mathwork.com
2. Nội dung thực hiện:
Thu thập ảnh, video clip, nhận dạng và cảnh báo có khói, lửa.
Thiết kế - Thi công hệ thống cảnh báo qua tin nhắn điện thoại giao tiếp với máy tính.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
04/10/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/01/2017
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. Nguyễn Thanh Hải
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 09 tháng 01 năm 2017

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Lý Hoàng Anh
Lớp: 12141DT1
MSSV: 12141467
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thanh Điền
Lớp:12141DT1
MSSV: 12141059
Tên đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh để phát hiện và cảnh báo cháy rừng qua tin nhắn
điện thoại

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1

(3/10 – 8/10)
Tuần 2
(10/10–15/10)

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,
tiến hành chọn đồ án.

Tuần 3
(17/10–22/10)
Tuần 4
(24/10–29/10)
Tuần 5
(31/10–5/11)
Tuần 6
(7/11–12/11)
Tuần 7
(14/11–19/11)
Tuần 8
(21/11–26/11)
Tuần 9
(28/11–3/12)
Tuần 10
(5/12–10/12)

Gặp GVHD tiến hành xét duyệt đề tài
Viết tóm tắt yêu cầu đề tài đã chọn: đề tài làm cái
gì, nội dung thiết kế, các thông số giới hạn của đề
tài
Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức
năng các khối

- Thiết kế sơ đồ mạch, giải thích nguyên lý hoạt
động của mạch
- Mơ phỏng mạch
- Tiến hành tính tốn để lựa chọn linh kiện, vẽ
PCB
- Tiến hành thi công mạch
- Tiến hành thi công mạch
- Kiểm tra mạch thi công

- Kiểm tra mạch thi công
- Viết báo cáo những nội dung đã làm

do an

Xác nhận
GVHD


Tuần 11
(12/12–17/12)
Tuần 12
Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem
(18/12–24/12)
xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo
Tuần 13
(26/12–31/12)
Tuần 14
(2/1-7/1/2017)
Tuần 15
(9/01-14/01)

Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép từ tài liệu
hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Lý Hồng Anh
Nguyễn Thanh Điền

do an


LỜI CẢM ƠN
Nhóm em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Hải, đã góp ý
và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho em thực hiện tốt đề tài.
Nhóm em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử
và cũng như các bạn bè đã bên cạnh giúp đỡ và đã tạo những điều kiện tốt nhất cho
nhóm hồn thành đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ, người luôn bên cạnh lúc gặp khó khăn và cũng là nguồn
động lực lớn nhất để nhóm hồn thành xong đề tài tốt nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Lý Hoàng Anh
Nguyễn Thanh Điền

do an


MỤC LỤC
Trang bìa .................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án......................................................................................................... ii
Lịch trình ................................................................................................................ iii
Cam đoan ................................................................................................................. v
Lời cảm ơn ............................................................................................................... vi
Mục lục ................................................................................................................... vii
Liệt kê hình vẽ .......................................................................................................... x
Liệt kê bảng vẽ ……………………………………………………………........xiv
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 1
MỤC TIÊU ................................................................................................. 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 2
GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................... 2
BỐ CỤC ...................................................................................................... 3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 4
HỆ THỐNG XỬ LÝ VÀ PHÁT HIỆN KHĨI LỬA ................................. 4
Đặc tính của khói lửa ................................................................................ 4
Các phương pháp nhận biết khói lửa ........................................................ 4
Các q trình xử lý ảnh............................................................................. 7
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .................................................................... 26

Thiết bị thu nhận hình ảnh ...................................................................... 26
Vi điều khiển .......................................................................................... 27

do an


Modul SIM800 ....................................................................................... 30
Module USB UART ............................................................................... 32
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................................ 33
GIỚI THIỆU ............................................................................................. 33
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................. 33
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................. 33
Tính tốn và thiết kế mạch báo động...... Error! Bookmark not defined.
Sơ đồ nguyên lý của tồn mạch .............................................................. 40
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ................................................................... 42
GIỚI THIỆU ............................................................................................. 42
THI CƠNG MẠCH .................................................................................. 42
LẬP TRÌNH CHO KHỐI CẢNH BÁO ................................................... 44
Lưu đồ giải thuật..................................................................................... 44
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .................................................... 45
LẬP TRÌNH XỬ LÝ ẢNH....................................................................... 50
Lưu đồ giải thuật..................................................................................... 50
Phần mềm lập trình và mô phỏng MATLAB ......................................... 55
Chương 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................. 61
THU THẬP DỮ LIỆU .............................................................................. 61
KẾT QUẢ NHẬN DẠNG KHĨI VÀ LỬA............................................. 63
CẢNH BÁO THƠNG QUA SIM800A .................................................... 68
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT

TRIỂN ..................................... 71

KẾT LUẬN............................................................................................... 71
HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................................ 71

do an


TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 72
Phụ lục .................................................................................................................... 73
I.

CODE CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH .............................................................. 73

II. CODE CHƯƠNG TRÌNH TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN................................... 85

do an


LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 2.1: (a) Hình ảnh cháy kèm lửa và khói, (b) Sương bao phủ rừng. ....................... 4
Hình 2.2: (a) Cháy rừng kèm lửa và khói, (b) Cháy rừng nhưng chỉ thấy khói.............. 5
Hình 2.3: Hình mẫu phát hiện được khói trong phương pháp sử dụng phép biến đổi
wavelet của tác giả Toreyin et al [6] (mũi tên cho biết vùng khói được xác định). ....... 6
Hình 2.4: Sơ đồ thuật tốn lọc trung bình. ...................................................................... 8
Hình 2.5: Nhiễu muối tiêu từ ảnh RGB trích kênh Red (a) và sau khi được lọc (b) qua
bộ lọc trung vị. ................................................................................................................ 9

Hình 2.6: Nhiễu muối tiêu được lọc bằng các bộ lọc khác (a) là ảnh gốc, (b) bộ lọc Disk,
(c) bộ lọc Gaussian, (d) bộ lọc Laplacian, (e) bộ lọc Log, (f) bộ lọc Sobel. .................. 9
Hình 2.7: Các màu cơ bản đỏ (Red), xanh (Green), xanh dương (Blue)..................... 10
Hình 2.8: Khơng gian màu HSV. .................................................................................. 11
Hình 2.9: Hình trịn biểu diễn màu sắc (Hue). .............................................................. 12
Hình 2.10: Sơ đồ bộ chuyển đổi RGB sang HSV ......................................................... 12
Hình 2.11: Ví dụ chuyển đổi ảnh từ khơng gian RGB sang không gian HSV, (a) (c) (e)
là ảnh RGB gốc, (b) (d) (e) là ảnh sau khi chuyển đổi. ................................................ 14
Hình 2.12: Lươc đồ xám của một ảnh có sự tách biệt về mức xám ở ngưỡng t0. ........ 15
Hình 2.13: Kết quả phân đoạn dựa trên ngưỡng toàn cục (a) (c) là ảnh gốc ;(b) (d) ảnh
đã được phân ngưỡng. ................................................................................................... 17
Hình 2.14: Một số hình dáng của cấu trúc phẳng. ........................................................ 18
Hình 2.15: Ví dụ về phép tốn co ảnh nhị phân với phần tử cấu trúc phẳng. ............... 19
Hình 2.16: Ví dụ về phép giãn nhị phân trên ảnh với phần tử cấu trúc phẳng. ............ 20
Hình 2.17: Phương pháp lập bảng tìm kiếm ................................................................. 20

do an


Hình 2.18: Lọc nhỏ cho ảnh nhị phân (a) ta được ảnh (b) các vùng nhỏ li ti đã bị mất.
....................................................................................................................................... 21
Hình 2.19: Ảnh sau khi được lọc trơn (b) từ ảnh nhị phân (a)...................................... 22
Hình 2.20: Thuật tốn q trình làm đầy 1 điểm ảnh. .................................................. 23
Hình 2.21: Kết quả của việc thực hiện lấp đầy vùng ảnh: (a) Ảnh nhị phân với các “lỗ
hổng”, (b) Ảnh sau khi được lấp đầy. ........................................................................... 24
Hình 2.22: Sơ đồ tổng quát hệ thống nhận dạng ảnh .................................................... 25
Hình 2.23: Vùng nghi có khói trên nền ảnh gốc. .......................................................... 26
Hình 2.24: Thiết bị thu hình. ......................................................................................... 27
Hình 2.25: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F887. ....................................................... 28
Hình 2.26: Hình ảnh thực tế của module SIM800A. .................................................... 30

Hình 2.27: Tín hiệu tương đương của UART và RS232. ............................................. 31
Hình 2.28: Khung truyền cơ bản trong truyền nhận UART. ........................................ 32
Hình 2.29: Cổng COM vật lý. ....................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.30: Hình dáng modul USB to UART. ............................................................... 32
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống xử lý ảnh nhận biết khói và lửa. ............................ 33
Hình 3.2: Bảng tra cứu tỉ lệ lỗi khi sử dụng UART. ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Đèn báo động nháy đỏ. ................................................................................. 37
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế của module relay. .............................................................. 38
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối của chng cảnh báo............................................................... 38
Hình 3.6: Mặt sau module SIM 800A và sơ đồ kết nối. ............................................... 39
Hình 3.7: Bảng tra cứu dịng tiêu thụ của bộ xử lý theo datasheet. .............................. 39
Hình 3.8: Module nguồn 5V 2A. .................................................................................. 40
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần kết nối........................................................................ 41

do an


Hình 4.1: Mạch in sau khi vẽ. ....................................................................................... 43
Hình 4.2: Mặt sau của mạch. ......................................................................................... 43
Hình 4.3: Hệ thống khi lắp hồn chỉnh trên taplo nhựa. ............................................... 44
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật chương trình cảnh báo. ..................................................... 45
Hình 4.5: Giao diện chương trình CCS. ........................................................................ 47
Hình 4.6: Giao diện soạn thảo code trên phần mềm CCS. ........................................... 47
Hình 4.7: Cấu hình khi tạo project mới trên CCS. ........................................................ 48
Hình 4.8: Cấu hình Tab Communications trong CCS. ................................................. 49
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật chương trình nhận dạng trên máy tính. ............................ 50
Hình 4.10: Lưu đồ q trình Tiền xử lý ảnh. ................................................................ 51
Hình 4.11: Hình ảnh gốc (a) sau khi qua bộ lọc trung vị (b). ....................................... 52
Hình 4.12: Kết quả phép chuyển đổi không gian RGB sang HSV ............................... 52
Hình 4.13: Lưu đồ quá trình Phân vùng và tách khói, lửa. ........................................... 53

Hình 4.14: Kết quả sau khi chọn ngưỡng và phân vùng thứ tự (a) là kênh Hue (b) là kênh
Saturation (c) là kênh Brightness. ................................................................................. 53
Hình 4.15: Lưu đồ q trình nhận dạng khói, lửa. ........................................................ 54
Hình 4.16: Khói được nhận dạng trên khung ảnh đã xử lý (a), khung ảnh gốc được làm
nổi vùng có khói (b). ..................................................................................................... 54
Hình 4.17: Giao diện chương trình MATLAB. ............................................................ 55
Hình 4.18: Bấm vào nút New Script để tạo M-File mới. .............................................. 56
Hình 4.19: Khung soạn thảo code của MATLAB. ....................................................... 57
Hình 4.20: Bấm nút Run để chạy chương trình trong MATLAB. ................................ 57
Hình 4.21: Thêm comment trong code ở MATLAB. ................................................... 58
Hình 4.22: Hộp thoại tạo GUIDE hiện ra. .................................................................... 58

do an


Hình 4.23: Giao diện kéo thả của phần GUIDE. .......................................................... 59
Hình 4.24: Các button được tạo ví dụ trong MATLAB. ............................................... 60
Hình 5.1: Giao diện chương trình nhận dạng trên máy tính. ........................................ 63
Hình 5.2: Trạng thái kết nối của camera trong chương trình. ....................................... 64
Hình 5.3: Hộp thoại để chọn đường dẫn đến file video cần chạy thử........................... 64
Hình 5.4: Phát hiện khói đen. ........................................................................................ 65
Hình 5.5: Phát hiện khói trắng, trường hợp có người đứng bên cạnh và mặc áo trắng.65
Hình 5.6: Khói ít được phát hiện................................................................................... 66
Hình 5.7: Khói xuất hiện ở xa hệ thống khơng phát hiện kịp thời. ............................... 66
Hình 5.8: Hệ thống hoạt động trong khi camera di chuyển, nhận dạng khói sai vị trí. 66
Hình 5.9: Ăn-ten gắn thêm cho module SIM800A. ...................................................... 68
Hình 5.10: Cảnh báo khi phát hiện lửa; cuộc gọi đến điện thoại, hình (a); tin nhắn cảnh
báo cháy, hình (b). ......................................................................................................... 69
Hình 5.11: Tin nhắn thơng báo phát hiện khói trong khu vực quét của camera; cảnh báo
khói nhiều, hình (a); khói ít, hình (b). ........................................................................... 70

do an


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2-1: Thông số của vi điều khiển PIC 16F887. ..................................................... 28
Bảng 4-1: Danh sách các linh kiện sử dụng. ................................................................. 42
Bảng 5-1: Bảng mô tả đoạn clip thu thập được. ........................................................... 61
Bảng 5-2: Bảng hiệu suất kết quả nhận dạng. ............................................................... 67

do an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển của tồn cầu kéo theo diện tích rừng trên thế giới cũng như ở
Việt Nam đang dần thu hẹp. Chính vì thế việc bảo tồn những cánh rừng trước nguy cơ
từ những tác nhân gây ra hỏa hoạn từ chính con người cũng như tự nhiên là thách thức
rất lớn đặt ra cho con người. “Trong vài thập kỷ qua, trung bình mỗi năm Việt Nam mất
đi hàng chục ngàn ha rừng, trong đó mất rừng do cháy rừng khoảng 16.000ha/năm” [1].
Việc phát hiện sớm và cảnh báo cháy rừng sẽ giúp cho ta có biện pháp cũng như
ngăn chặn việc lan rộng của sự cố giúp giảm thiểu tổn thất xuống mức thấp nhất có thể
trước khi ngồi tầm kiểm sốt. Chính vì thế việc nghiên cứu và phát triển hệ thống cảnh

báo cháy rừng ngày càng được coi trọng và đầu tư cả về vật chất lẫn chất xám. Trong
những thập kỷ qua, các loại cảm biến khác nhau được phát triển, chẳng hạn như cảm
biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ và cảm biến khói, đã được sử dụng và phát hiện báo cháy.
Tuy nhiên các phương pháp đó chỉ mang tính cục bộ trong một khu vực nhỏ, chi phí sẽ
tăng lên rất nhiều trong một khu vực lớn. Một trong các phương pháp hiệu quả và chi
phí thấp là sử dụng hình ảnh từ các camera giám sát để phát hiện hỏa hoạn và thơng báo
sớm cho các bên có liên quan có biện pháp kịp thời xử lý.
Những đề tài nghiên cứu trước đây như “Xử lý ảnh để phát hiện khói cho cảnh báo
cháy rừng” [3] đã sử dụng các biện pháp phân ngưỡng ảnh qua màu sắc để nhận dạng
khói và phát hiện cháy hoặc nhận dạng các điểm ảnh có đặc trưng của lửa và đưa ra cảnh
báo cục bộ tại hệ thống mà không thể cảnh báo cho các bên có liên quan khác rằng đang
có hỏa hoạn xảy ra. Dựa trên những yếu tố đó nhóm em đã chọn đề tài: “Ứng dụng xử
lý ảnh để phát hiện và cảnh báo cháy rừng qua tin nhắn điện thoại” để nghiên cứu
phát triển và chọn làm đề tài tốt nghiệp.
Nội dung của đề tài này sẽ xây dựng hệ thống theo dõi và giám sát sự xuất hiện của
khói và lửa ở trong phạm vi quan sát được của camera bằng các phương pháp xử lý và

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
nhận dạng ảnh thơng qua máy tính từ đó đưa ra cảnh báo tại hệ thống cũng như gửi tin
nhắn cảnh báo cho các bên có liên quan kịp thời đưa ra biện pháp xử lý.

MỤC TIÊU
Thiết kế và xây dựng mơ hình hệ thống camera giám sát và cảnh báo cháy sử dụng

phương pháp xử lý ảnh nhận dạng khói và lửa. Cảnh báo qua chng báo và tin nhắn
điện thoại thông qua modul SIM 800A.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
+ NỘI DUNG 1: Xây dựng và thu thập cơ sở dữ liệu bao gồm các hình ảnh tĩnh
chuẩn RGB và các hình thu được qua camera.
+ NỘI DUNG 2: Thực hiện việc nhận dạng hỏa hoạn dựa trên màu sắc của khói và
lửa.
+ NỘI DUNG 3: Thiết kế, tính tốn và thi cơng khối mạch điều khiển chuông báo
và giao tiếp với module SIM900 thông qua máy tính.
+ NỘI DUNG 4: Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính.
+ NỘI DUNG 5: Chạy thử nghiệm hệ thống.
+ NỘI DUNG 6: Cân chỉnh hệ thống.
+ NỘI DUNG 7: Viết báo cáo.
+ NỘI DUNG 6: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
+ Thi cơng mơ hình hệ thống camera giám sát và cảnh báo qua chuông báo và tin
nhắn điện thoại.
+ Camera thu thập hình ảnh được gắn trên trục cố định, hướng chếch xuống so với
mặt đất một góc 45 độ. Camera thu hình ảnh rõ nét trong phạm vi từ [1m-4m].
+ Xử lý được các hình ảnh thu về từ camera trong phạm vi quan sát với điều kiện
đủ ánh sáng, khơng có sương mù và mây.
+ Giao tiếp với module SIM800 và điều khiển chuông báo thông qua máy tính.
+ Thử nghiệm hệ thống với các đoạn clip có sẵn, điều kiện mơi trường đủ ánh sáng
và khơng có sương mù.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Nội dung bao gồm cơ sở lý thuyết của các phương pháp xử lý ảnh dùng trong đề tài
này, giao thức sử dụng để giao tiếp máy tính với thiết bị điều khiển và giới thiệu phần
cứng được sử dụng.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn.
Nêu rõ q trình thiết kế và tính tốn các linh kiện sử dụng, thông số cũng như phần
giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính.
 Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá.
Trình bày kết quả hoạt động của hệ thống, nhận xét độ ổn định cũng như tính chính
xác của hệ thống, đánh giá kết quả đạt được.
 Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Kết luận các nội dung đã thực hiện được và chỉ ra hướng phát triển của đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HỆ THỐNG XỬ LÝ VÀ PHÁT HIỆN KHĨI LỬA
Đặc tính của khói lửa
Theo quan sát từ các hình ảnh cũng như thực tế, ngọn lửa thường hiển thị màu đỏ
hoặc vàng. Ngưỡng màu sắc có thể được xây dựng hoặc tính tốn dựa trên thực nghiệm
để nhận ra ngọn lửa. Tuy nhiên, một số vùng ảnh hiển thị sẽ có thể hiểu nhầm rằng có
thể là lửa do việc chọn ngưỡng chưa thích hợp hoặc phần xử lý nhiễu chưa tốt dẫn đến
sai xót, sương dày cũng gây ra một phần nhiễu cho hệ thống do đó cần phải có những
cách xử lý riêng trong từng trường hợp như trong hình 2.1.

(a)

(b)

Hình 2.1: (a) Hình ảnh cháy kèm lửa và khói, (b) Sương bao phủ rừng.

Các phương pháp nhận biết khói lửa
“Khói và lửa được sinh ra khi nhiệt độ vật thể đạt tới điểm cháy và phát sáng, khói
sinh ra khi chất cháy có lẫn tạp chất” [3]. Khói thường có màu xám, chuyển động hỗn
loạn khơng theo quy luật. Dựa trên những đặc điểm trên tuỳ theo hướng nghiên cứu mà
ta có thể có nhiều phương pháp khác nhau để nhận biết được chúng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

(a)

(b)

Hình 2.2: (a) Cháy rừng kèm lửa và khói, (b) Cháy rừng nhưng chỉ thấy khói.

Các phương pháp phát hiện khói lửa:
+ Dựa vào màu sắc: từ ảnh gốc ta đem so sánh với các màu tương tự như màu của
lửa như cam, vàng, đỏ. Phương pháp này bắt buộc phải phân biệt được màu của
lửa so với màu nền nếu chúng tương tự với màu của lửa. Phương pháp này được
áp dụng trong phương pháp sử dụng camera hồng ngoại, ưu điểm là phát hiện
nhanh và chính xác tuy nhiên giá thành tốn kém so với các phương pháp khác [4].
+ Dựa vào đặc tính chuyển động ngẫu nhiên của khói và lửa: phương pháp này dựa
trên những chuyển động ngẫu nhiên của cả khói và lửa trên các frame ảnh thu
được từ camera, từ đó xác định được đâu là lửa và khói so với các vật thể có màu
tương tự. Phương pháp này có khả năng phát hiện nhanh sự hiện diện của khói
cũng như lửa. Tuy nhiên phương pháp này có khả năng phát hiện sai nếu như có
một nguồn sáng có khả năng nhấp nháy gần giống với ngọn lửa [5].
Phương pháp đầu tiên được sử dụng bởi TY. Le Maoult, tác giả đã sử dụng một lược
đồ màu gần hồng ngoại. Lược đồ này sử dụng lược đồ màu của lửa và phân tích nó thơng
qua chuyển động. Nếu một đối tượng với màu sắc giống lược đồ màu được phát hiện
trong nguồn hình ảnh thì nó sẽ cho rằng đó là lửa.
Phương pháp thứ hai dựa vào đặc tính chuyển động, tác giả Toreyin et al đã đi sâu
vào phân tích sự nhấp nháy của lửa bằng cách sử dụng phân tích Wavelet [6]. Tác giả
sử dụng đến phân tích wavelet, phát hiện sóng dao động, trên cở sở khơng gian và thời
gian từ đó cho phép hệ thống phát hiện những vệt hoặc đốm sáng có khả năng giống lửa,

sau đó được xử lý và chỉ ra sự di chuyển của ngọn lửa [6].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thuật tốn phát hiện khói có độ phức tạp hơn so với phát hiện lửa, do sự nhầm lẫn
dữa sương mù tự nhiên và khói phát ra từ đám cháy. Thêm nữa là độ nhiễu gây ra từ
chính độ đồng nhất giữa mật độ các hạt khói cũng như các đám khói khơng có cạnh rõ
ràng để có thể phân vùng cũng như nhận biết so với lửa.

Hình 2.3: Hình mẫu phát hiện được khói trong phương pháp sử dụng phép biến đổi wavelet
của tác giả Toreyin et al [6] (mũi tên cho biết vùng khói được xác định).

Một hạn chế của hầu hết các phương pháp là đám cháy xuất hiện và được che chắn
bởi một vật gì đó, làm che khuất tầm nhìn cho đến khi đám cháy đã lớn thì việc xử lý
đám cháy sẽ khó khăn hơn lúc đám cháy được phát hiện sớm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các quá trình xử lý ảnh
a. Quá trình lọc nhiễu
Dữ liệu ảnh thu nhận được ban đầu gồm ảnh gốc và nhiễu, do vậy trước khi đem ảnh
đi xử lý ta phải lọc bớt nhiễu để nhiễu không ảnh hưởng nhiều đến kết quả cuối cùng
của q trình nhận dạng khói và lửa. Ta thường xem xét 3 loại nhiễu chính và phổ biến,
gọi một cách khoa học là: nhiễu cộng, nhiễu nhân và nhiễu xung.

- Nhiễu cộng (Additive noise): thường phân bố khắp ảnh và được biểu diễn bởi:
Y = X + n với Y: ảnh quan sát, X: ảnh gốc và n là nhiễu.

- Nhiễu nhân: cũng thường phân bố khắp ảnh và được biểu diễn bởi: Y = X.n
- Nhiễu xung (Impulse noise): là một loại nhiễu khá đặc biệt có thể sinh ra bởi
nhiều lý do khác nhau chẳng hạn: lỗi truyền tín hiệu, lỗi bộ nhớ, hay lỗi định
thời trong q trình lượng tử hóa. Nhiễu này thường gây đột biến tại một số
điểm ảnh.
Nhiễu muối tiêu (Salt-pepper noise) - một ví dụ điển hình nhất của loại nhiễu xung–
sẽ cho thấy rõ hơn tính chất “đột biến” của nó. Các điểm ảnh bị nhiễu (noise pixel) có
thể nhận các giá trị cực đại hoặc cực tiểu trong khoảng giá trị [0, 255]. Với ảnh mức
xám (gray scale), nếu một điểm ảnh có giá trị cực đại (tức cường độ sáng bằng 255) thì
nó sẽ tạo ra một đốm trắng trên ảnh, trông giống như hạt “muối”. Và ngược lại nếu một
điểm ảnh có giá trị cực tiểu (tức cường độ sáng bằng 0) thì sẽ tạo ra một đốm đen, giống
như “tiêu”. Vậy nên còn gọi là ảnh muối tiêu. Thơng thường, khi nói một ảnh nhiễu
muối tiêu 30% nghĩa là trong đó tỉ lệ các điểm ảnh nhiễu mang gia trị cực tiểu là 15%
và cực đại là 15%.
Để loại đi các loại nhiễu trong trường hợp bộ lọc trung bình (hay trung vị) được sử
dụng. Sau khi cho ảnh qua bộ lọc trung bình thì ảnh đã được lọc đi một phần nhiễu. Với
lọc trung bình, mỗi điểm ảnh được thay thế bằng trung bình trọng số của các điểm lân
cận. Để thực hiện được bộ lọc trung bình này phải dựa trên phép xử lý vùng ảnh [7].
Phép xử lý vùng ảnh sử dụng những pixel lân cận nhau của ảnh đầu vào I(i,j) để tạo

ra một pixel của ảnh đầu ra I’(I,j). Phép xử lý vùng ảnh chủ yếu dựa trên phép nhân

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
chập. Phương trình biểu diễn toán học của phép toán nhân chập được áp dụng để tính
bộ lọc trung bình ảnh I(i, j) với mặt nạ [11]:

1 r
I ' (i, j )  
N k r

r

 w(k , l ) * I (i  k , j  l )

l r

(2.1)

Trong đó: w(k,l) là mặt nạ nhân chập và là ma trận vuông (2r+1)*(2r+1); N là số
phần tử trong mặt nạ.
Với mỗi pixel I(i, j) tương ứng ta có thể suy ra được pixel I’(i,j) tương ứng. Ở đây ta
xét mặt nạ 3x3 khi đó ta có lân cận của I(i, j) là từ I1 tới I8.Và trọng số mặt nạ từ w0
đến w8 tức là có 9 phần tử khi đó ta có N=9 .

Hình 2.4: Sơ đồ thuật tốn lọc trung bình.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kết quả ảnh nhiễu muối tiêu đi qua bộ lọc trung vị:

Hình 2.5: Nhiễu muối tiêu từ ảnh RGB trích kênh Red (a)
và sau khi được lọc (b) qua bộ lọc trung vị.

Kết quả sau khi lọc với các bộ lọc khác:
Tiến hành thực hiện quá trình lọc ảnh với nhiều bộ lọc khác nhau: Disk; Gaussian;
Laplacian; Log; Motion; Prewitt; Sobel.

(a)

(d)

(b)

(c)

(e)

(f)

Hình 2.6: Nhiễu muối tiêu được lọc bằng các bộ lọc khác (a) là ảnh gốc, (b) bộ lọc Disk, (c)
bộ lọc Gaussian, (d) bộ lọc Laplacian, (e) bộ lọc Log, (f) bộ lọc Sobel.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

9