Xác định tốc độ xe dựa trên phát hiện chuyển động trong hệ thống giao thông thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN THANH HẢI

XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG
TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH
Ngành: Khoa học máy tính
Mã ngành: 8480101

Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Kim Nga

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đề án thạc sĩ Khoa học máy tính “XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ
XE DỰA TRÊN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG GIAO
THƠNG THƠNG MINH” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và cùng với
sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn TS. Lê Thị Kim Nga. Trong toàn
bộ nội dung của đề án, những điều đã được trình bày hoặc là của chính cá nhân
tơi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các nguồn tài liệu tham
khảo đều có xuất xứ rõ ràng và hợp pháp.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan này.

Bình Định, ngày tháng 10 năm 2023
Người cam đoan

Nguyễn Thanh Hải

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi đến lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Lê
Thị Kim Nga – đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian bắt đầu
thực hiện cho đến khi hoàn thành đề án của mình.

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô khoa CNTT – Trường Đại học Quy Nhơn
đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên sâu về chuyên ngành để tôi có
được nền tảng kiến thức giúp tơi hồn thành đề án thạc sĩ.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến những người thân yêu trong gia đình cùng
tồn thể bạn bè, đồng nghiệp những người đã ln hỗ trợ giúp đỡ, khuyến khích,
động viên tơi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Quy
Nhơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Bình Định, ngày tháng 10 năm 2023
Người cam đoan

Nguyễn Thanh Hải

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................... 1
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH
TỐC ĐỘ XE..................................................................................................... 4
1.1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH ................................................................. 4
1.1.1 Một số khái niệm...................................................................................... 4

1.1.1.1 Ảnh.................................................................................................... 4
1.1.1.2 Video .................................................................................................. 5
1.1.1.3 Khái niệm Background và Foreground............................................. 6
1.1.1.4 Motion-based và video-based ............................................................ 7
1.1.2 Một số chuẩn Video thông dụng........................................................... 8
1.2 BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DI CHUYỂN TRÊN ĐƯỜNG ......... 9
1.2.1. Xác định tốc độ xe ............................................................................... 9
1.2.2. Một số hướng tiếp cận. ...................................................................... 10

1.2.2.1 Dựa vào trừ nền:.......................................................................................................................... 11
1.2.2.2 Dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian: .................................................................................. 11
1.2.2.3. Dựa vào luồng quang học........................................................................................................... 12

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................... 13
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN PHÁT
HIỆN CHUYỂN ĐỘNG ............................................................................... 14
2.1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG............................................... 14
2.2. TIỀN XỬ LÝ VÀ HIỆU CHỈNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH 16

2.2.1 Phép co (Erosion)................................................................................ 17
2.2.2 Phép giãn nở (Dilation)....................................................................... 18

2.2.3. Phép toán mở (Opening) .................................................................... 19
2.2.4 Phép tốn đóng (Closing)................................................................... 19
2.2.5. Tơ đầy vùng – Region fill .................................................................. 20
2.2. KỸ THUẬT PHÁT HIỆN XE TRONG VIDEO..................................... 21
2.3. NHẬN DIỆN PHƯƠNG TIỆN................................................................ 22
2.4 KỸ THUẬT THEO DÕI XE TRONG VIDEO ........................................ 27
2.5. KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DI CHUYỂN............................ 30

2.6 PHÁT HIỆN VI PHẠM ............................................................................ 31
2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................... 31
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ...................................................................... 32
3.1 PHÂN TÍCH BÀI TỐN.......................................................................... 32
3.2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MƠI TRƯỜNG VÀ CƠNG CỤ .................. 34
3.2.1 Mô tả dữ liệu ....................................................................................... 34
3.2.2 OpenCV và EmguCV ......................................................................... 34
3.2.3 Môi trường cài đặt............................................................................... 36
3.3 KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH.................................................................. 37
3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................... 40
KẾT LUẬN .................................................................................................... 41
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................... 42
QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI ĐỀ ÁN THẠC SĨ (BẢN SAO)

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1: CẤU TRÚC PHÂN ĐOẠN VIDEO .............................................. 6
HÌNH 1.2: VÍ DỤ VỀ ẢNH CỤ THỂ ............................................................. 7
HÌNH 2.1: LƯU ĐỒ CÁC BƯỚC ĐO TỐC ĐỘ PHƯƠNG TIỆN ............... 15
HÌNH 2.2: MINH HỌA CÁC PHẦN TỬ CẤU TRÚC ................................. 17
HÌNH 2.3: MINH HỌA EROSION ................................................................ 18
HÌNH 2.4: MINH HỌA DILATION .............................................................. 19
HÌNH 2.5: MINH HỌA CÁC PHƯƠNG THỨC BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI... 20
HÌNH 2.6: MINH HỌA TƠ ĐẦY VÙNG...................................................... 21
HÌNH 2.7 VÍ DỤ ROI:.................................................................................... 22
HÌNH 2.8 KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TRỪ NỀN:................... 23
HÌNH 2.9 KẾT QUẢ PHÁT HIỆN PHƯƠNG TIỆN: ................................... 24
HÌNH 2.10 : KẾT QUẢ CỦA BỘ LỌC MAXIMUM BLOB: ...................... 25
HÌNH 2.11: KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC THEO NGƯỠNG: .......... 26
HÌNH 2.12: KẾT QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH LỌC THEO QUỸ ĐẠO .......... 27

HÌNH 2.13: SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA THUẬT TOÁN THEO VẾT
PHƯƠNG TIỆN .............................................................................................. 29
HÌNH 2.14: CÁC MẪU KẾT QUẢ THEO VẾT PHƯƠNG TIỆN TRÊN CÁC
KHUNG HÌNH KHÁC NHAU ...................................................................... 30
HÌNH 3.1: LƯU ĐỒ CÁC BƯỚC XỬ LÝ ĐỂ CÓ THỂ XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ
XE.................................................................................................................... 32
HÌNH 3.2: KHUNG HÌNH GỐC.................................................................... 37
HÌNH 3.3: KẾT QUẢ SAU KHI ÁP DỤNG TRỪ NỀN............................... 38
HÌNH 3.4: KẾT QUẢ SAU KHI ÁP DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI.
......................................................................................................................... 39
HÌNH 3.5: KẾT QUẢ TÍNH TỐN VẬN TỐC XE. .................................... 39

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, các vấn đề giao thông như ô nhiễm môi trường, giảm nguồn
năng lượng và thiệt hại kinh tế gây ra bởi tai nạn xe hơi gia tăng nhanh chóng theo
xu hướng tăng trưởng của nhu cầu vận tải, đặc biệt là trong giờ cao điểm đã trở
thành một thách thức ở tất cả các thành phố trên thế giới. Hệ thống giao thông
thông minh (ITS) là hệ thống tập hợp các công cụ, phương tiện, bao gồm quản lý
giao thơng và cơng nghệ viễn thơng [4]. ITS có nhiều module khác nhau cung
cấp các giải pháp để giải quyết vấn đề đã đề cập ở trên. Một trong những ứng dụng
chính của ITS là đo tốc độ tự động. Trong q trình tham gia giao thơng có nhiều
mối nguy hiểm như tai nạn xe cộ. Do đó, quy trình kiểm sốt tốc độ trên đường
đơ thị rất quan trọng.

Hệ thống đo tốc độ xe dựa trên video là một trong những ứng dụng hiệu

quả cho Hệ thống giao thông thông minh (ITS) do khả năng phát triển và chi
phí thấp. Hệ thống sử dụng tín hiệu ngõ ra camera để áp dụng kỹ thuật xử lý
video và trích xuất các thơng tin mong muốn. Phương pháp dựa trên phát hiện
chuyển động khác với các phương pháp dựa trên các đặc điểm trực quan của
phương tiện như biển số xe hoặc kính chắn gió, phương pháp đề xuất có thể
ước tính tốc độ của xe bằng cách phân tích chuyển động của nó với các tham
số bên trong Vùng quan tâm (ROI) được xác định trước, với kích thước quy
định sẵn. Do đó cung cấp khả năng tính tốn theo thời gian thực và hoạt động
tốt hơn so với dựa trên dựa trên các đặc điểm của đối tượng. Phương pháp đề
xuất bao gồm ba mơ-đun chính: phát hiện phương tiện, theo dõi, và đo tốc độ.

Kết quả đầu ra của hệ thống bao gồm hình ảnh của chiếc xe, tốc độ và
thời gian phát hiện.

Trên cơ sở đó, tơi quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu đề án: “Xác định
tốc độ xe dựa trên phát hiện chuyển động trong hệ thống giao thông minh”
để nghiên cứu.

2

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp đo tốc độ xe dựa trên chuyển động. Xây dựng

ứng dụng nhận diện hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ và thời gian phát
hiện nhằm truy xuất, tìm kiếm, xác thực thơng tin phương tiện chính xác và
hiệu quả.

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhằm đạt đến mục đích đã trình bày, đề tài hướng đến những nhiệm vụ cụ

thể như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về bài toán đo lường tốc độ phương tiện tham gia

giao thông.
- Nghiên cứu phương pháp đo tốc độ xe dựa trên chuyển động
- Xây dựng ứng dụng nhận dạng hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ

và thời gian phát hiện.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: các xe ô tô di chuyển trên đường, dữ liệu thu từ
các camera giám sát giao thông .

- Phạm vi nghiên cứu: nhận diện hình ảnh của chiếc xe, xác định tốc độ
và thời gian phát hiện trong xác định phương tiện vi phạm trong quản lý
giao thông đường bộ.

4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài được lựa chọn là lý thuyết kết hợp
với thực nghiệm. Các vấn đề cần giải quyết liên quan đến các thuật toán xử lý
ảnh và thị giác máy được thực hiện trên phần mềm máy tính với đầu vào là
các thơng tin thu nhận được từ thực tế. Quá trình được tiến hành dựa trên việc
tìm hiểu tài liệu, cài đặt thử nghiệm sau đó đánh giá kết quả thực nghiệm và
cải tiến nhằm nâng cao chất lượng chương trình.

3

Như vậy, cần tiến hành tìm hiểu lý thuyết về phương pháp đo tốc độ xe
dựa trên chuyển động. Tìm hiểu kỹ thuật về mặt lý thuyết sẽ được kết hợp với
việc cài đặt thực nghiệm để kiểm chứng và đánh giá những nội dung tìm hiểu
lý thuyết và từ đó cải tiến và hồn thiện chương trình.

4

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN XÁC
ĐỊNH TỐC ĐỘ XE

1.1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH
1.1.1 Một số khái niệm

1.1.1.1 Ảnh

Ảnh kỹ thuật số là dữ liệu được các thiết bị ghi hình kỹ thuật số như máy
ảnh số, camera số ghi lại từ phép chiếu hình ảnh ba chiều của vật thể từ thế giới
thực lên mặt phẳng hai chiều. Ánh sáng từ nguồn sáng phản xạ trên bề mặt vật
thể, đi qua thấu kính đến bề mặt cảm biến điện tử. Cảm biến này tiếp nhận ánh
sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử dạng tương tự. Sau đó bộ phận chuyển
đổi tương tự - kỹ thuật số thực hiện việc lấy mẫu (sampling) để chuyển tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số và lưu xuống thiết bị lưu trữ.

Ảnh số bao gồm một lưới các điểm ảnh (pixel), được lưu trữ dưới dạng
mảng hai chiều. Trong đó, mỗi điểm ảnh là một thành phần ảnh nhỏ nhất biểu diễn
giá trị cường độ sáng tại vị trí của nó. Giá trị của mỗi điểm ảnh là rời rạc. Mảng
hai chiều lưu trữ dữ liệu ảnh gồm một số lượng hữu hạn số hàng và số cột.

a. Ảnh nhị phân

Mỗi điểm ảnh chỉ là màu đen hoặc trắng, được biểu diễn bằng 0 và 1. Vì
chỉ có hai giá trị có thể cho mỗi điểm ảnh, chúng ta chỉ cần một bit cho mỗi
điểm ảnh. Như vậy, việc lưu trữ khá hiệu quả. Ảnh nhị phân có thể phù hợp với
văn bản (in hoặc viết tay), dấu vân tay, thiết kế kiến trúc.

b. Ảnh đa mức xám (Grayscale)

Giá trị cường độ điểm ảnh được mã hóa trong L mức. Trong đó mức độ
đen hay trắng được chia thành L khoảng đều nhau. Giá trị mỗi điểm ảnh nằm
trong L khoảng này, là giá trị rời rạc biểu diễn mức cường độ sáng tại vị trí
điểm ảnh. Giá trị điểm ảnh càng cao, cường độ sáng càng lớn và ngược lại.
Ngày nay các thiết bị thường sử dụng mỗi 8bit để mã hóa giá trị một điểm ảnh,

5

nghĩa là L = 256 khoảng. Giá trị điểm ảnh nằm giữa 0 và 255. Trong trường
hợp L = 2, một điểm ảnh chỉ có 2 mức giá trị 0 và 1, ta được ảnh nhị phân với
mức 0 biểu diễn màu đen tuyệt đối và mức 1 biểu diễn màu trắng tuyệt đối. Nếu
L > 2 ta được ảnh đa mức xám. Ảnh nhị phân có thể thu được qua phép tách
ngưỡng ảnh đa mức xám: Giá trị điểm ảnh lớn hơn ngưỡng cho trước tương
ứng với giá trị 1, nhỏ hơn ngưỡng tương ứng với giá trị 0 trên ảnh kết quả.

Ảnh đa mức xám được lưu trữ trên một mảng hai chiều duy nhất. Rất
nhiều kỹ thuật trong xử lý ảnh số được thực hiện trên ảnh đa mức xám khi
không cần thiết phải quan tâm đến thông tin màu sắc của ảnh, giúp giảm độ
phức tạp tính tốn.

c. Ảnh màu

Qua nghiên cứu thị lực của người với màu sắc, các tế bào hình nón chia
thành 3 loại: một loại nhạy cảm với ánh sáng đỏ, một loại nhạy cảm với xanh
lá, loại còn lại nhạy cảm với xanh dương, mắt người có thể tổng hợp một màu
sắc bất kỳ dựa trên ba màu cơ bản trên. Các cuộc thử nghiệm thành cơng sau
đó đã mở ra một kỉ ngun mới về nhiếp ảnh màu.

Máy ảnh màu kỹ thuật số có bộ phận phân tách ánh sáng thành ba phổ màu
cơ bản riêng biệt: đỏ (R); xanh lá (G); xanh dương (B). Mỗi phổ màu này được
biến đổi thành tín hiệu số và lưu trữ riêng biệt. Mỗi kênh màu được lưu trữ tương
tự như ảnh đa mức xám. Nếu dùng 8bit để mã hóa giá trị một kênh màu của điểm
ảnh, với 3 kênh màu, để biểu diễn một điểm ảnh cần 24bit. Nghĩa là cần gấp 3 lần
không gian lưu trữ cho ảnh màu so với ảnh đa mức xám. Các kỹ thuật phân đoạn
ảnh dựa trên màu sắc được thực hiện trên ảnh màu [8].

1.1.1.2 Video

Video là tập hợp các khung hình, mỗi khung hình là một ảnh. Shot (lia)
là đơn vị cơ sở của video. Một lia là một đơn vị vật lý của dòng video, gồm các
chuỗi các khung hình liên tiếp, khơng thể chia nhỏ hơn, ứng với một thao tác
camera đơn. Scene (cảnh) là các đơn vị logic của dòng video, một cảnh gồm
các lia liên quan về không gian và liền kề thời gian, cùng mô tả một nội dung

6

ngữ nghĩa hoặc tình tiết.

Hình 1.1: Cấu trúc phân đoạn video

Thuật ngữ video dùng để chỉ nguồn tin hình ảnh trực quan (pictorial
visual information), bao gồm một chuỗi các ảnh tĩnh (still image) liên tiếp nhau,

được sắp xếp theo chiều thời gian. Video còn được gọi là ảnh thay đổi theo thời
gian (timevarying image), ký hiệu là s(x1, x2, t), trong đó x1, x2 là các biến chỉ
vị trí trong khơng gian, cịn t là biến thời gian. Xét về mặt vật lý, ở cấp thấp
nhất, video tồn tại dưới dạng các tín hiệu. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thu được
ta có 2 loại video khác nhau: video tương tự và video số. Tuy nhiên dữ liệu mà
chúng ta xử lý là dữ liệu video số vì thế ta chỉ tập trung vào tìm hiểu về
video số.

Tín hiệu video số được lưu trữ dưới dạng số, do đó chúng được lấy mẫu
và lượng tử hóa. Tín hiệu video số là một thông tin 3 chiều gồm 2 chiều khơng
gian và 1 chiều thời gian hay cịn gọi là chuỗi ảnh số với mỗi ảnh số là một ảnh
được lấy mẫu và lượng tử hóa.

1.1.1.3 Khái niệm Background và Foreground
Trong 1 bức ảnh được chia làm 3 thành phần là background, middle
ground và foreground. Background là nền sau hay nền phụ. Nó được hiểu là
phần giúp làm nổi bật phần ở phía trên nó cụ thể ở đây là middleground và
foreground. Foreground hay còn gọi là tiền cảnh, nền trước là phần được nổi
bật ở phía trên 1 bức ảnh.
- Ta cùng xem xét ví dụ sau để hiểu rõ hơn khái niệm về background,

7
foreground và middle ground

Hình 1.2: Ví dụ về ảnh cụ thể

1.1.1.4 Motion-based và video-based
Motion-based và video-based là hai phương pháp phân loại và xử lý dữ

liệu video khác nhau. Dưới đây là sự so sánh giữa hai phương pháp này:

Motion-based:

• Phương pháp motion-based (dựa trên chuyển động) tập trung vào phát
hiện và theo dõi chuyển động trong video.

• Đối tượng và vùng quan tâm được xác định dựa trên sự thay đổi và
chuyển động trong khung hình.

• Thường sử dụng các thuật toán như Optical Flow, Background
Subtraction (phân đoạn nền), hoặc phát hiện đối tượng để nhận diện và theo dõi
chuyển động.

• Thích hợp để phát hiện vật thể di chuyển, đếm số lượng, và tính tốn
tốc độ chuyển động.
Video-based:

• Phương pháp video-based (dựa trên video) tập trung vào phân tích tồn

8

bộ video và xử lý dựa trên thơng tin hình ảnh trong từng khung hình.

• Đối tượng và vùng quan tâm không chỉ được xác định dựa trên chuyển
động, mà cịn dựa trên thơng tin hình ảnh, màu sắc, hình dạng, hoặc các đặc
trưng khác của đối tượng.

• Thường sử dụng các thuật toán phân loại, nhận diện đối tượng, phân
tích hình dạng, hoặc Deep Learning để xử lý và phân loại video.

• Thích hợp để nhận diện đối tượng, phân loại và phân tích hành vi, nhận

dạng khn mặt, hoặc phát hiện sự kiện phức tạp trong video.

Tóm lại, motion-based tập trung vào phát hiện và theo dõi chuyển động
trong video, trong khi video-based tập trung vào phân tích tồn bộ video dựa
trên thơng tin hình ảnh.

1.1.2 Một số chuẩn Video thông dụng

Có nhiều chuẩn video thơng dụng được sử dụng trên tồn cầu cho nhiều
mục đích khác nhau. Dưới đây là một số chuẩn video thông dụng:

- MPEG-4 (H.264/AVC): Được sử dụng rộng rãi trong việc nén video
cho streaming, video trên mạng, và video chất lượng cao trên đĩa Blu-ray.

- MPEG-2: Thường được sử dụng cho video SD (Standard Definition)
và đã được sử dụng rộng rãi trong ngành truyền hình và video DVD.

- AVI (Audio Video Interleave): Một định dạng video rất phổ biến được
phát triển bởi Microsoft. AVI có thể sử dụng nhiều mã hóa video khác nhau.

- MKV (Matroska Video): Đây là một định dạng container, cho phép bạn
lưu trữ nhiều luồng video, âm thanh và phụ đề trong một tệp duy nhất.

- MP4 (MPEG-4 Part 14): MP4 là một định dạng container phổ biến cho
video, âm thanh, và phụ đề. Nó được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị di động
và trình phát đa phương tiện.

- WMV (Windows Media Video): Được phát triển bởi Microsoft, WMV
thường được sử dụng cho video trên nền tảng Windows.

9

- FLV (Flash Video): Thường được sử dụng cho video trực tuyến và được
sử dụng rộng rãi trên các trang web sử dụng Adobe Flash.

- WebM: WebM là một định dạng video mã nguồn mở được phát triển
bởi Google, thường được sử dụng cho video trên web và hỗ trợ nén video chất
lượng cao.

- 3GP và 3G2: Thường được sử dụng cho video trên điện thoại di động,
đặc biệt trên các thiết bị di động cũ.

- QuickTime (MOV): Được sử dụng bởi các sản phẩm và ứng dụng của
Apple, như QuickTime Player.

1.2 BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DI CHUYỂN TRÊN ĐƯỜNG

1.2.1. Xác định tốc độ xe

Xác định tốc độ xe di chuyển trên đường là một bài toán thực tế phổ biến
và quan trọng trong lĩnh vực giao thơng. Có nhiều phương pháp và cơng nghệ
khác nhau để giải quyết bài toán này, bao gồm sử dụng cảm biến và hệ thống
đo lường vận tốc, camera giám sát giao thông, và cảm biến trên xe hơi. Dưới
đây là một số phương pháp phổ biến để xác định tốc độ xe di chuyển trên đường:

Radar và Lidar: Sử dụng radar (Radio Detection and Ranging) hoặc
Lidar (Light Detection and Ranging) để đo tốc độ xe bằng cách phát sóng điện
từ hoặc tia laser và đo thời gian mà tín hiệu phản xạ trở về. Điều này cho phép
đo tốc độ di chuyển của xe một cách chính xác và khơng phụ thuộc vào đèn
chiếu sáng hoặc điều kiện thời tiết.

Sử dụng GPS: GPS (Global Positioning System) có thể được sử dụng để
xác định tốc độ xe di chuyển bằng cách tính tốn khoảng cách di chuyển và thời
gian giữa hai vị trí liên tiếp của xe. Tuy nhiên, độ chính xác của GPS có thể bị
ảnh hưởng bởi mơi trường và điều kiện tín hiệu.

Sử dụng camera giám sát giao thơng: Hệ thống camera giám sát giao
thơng có thể được sử dụng để xác định tốc độ xe dựa trên phân tích hình ảnh
và theo dõi vị trí của xe qua các khung hình liên tiếp. Kỹ thuật này yêu cầu đảm

10

bảo rằng hệ thống có đủ số lượng và góc nhìn hợp lý để phát hiện và theo dõi
các phương tiện.

Sử dụng các cảm biến trên xe hơi: Nhiều xe hơi hiện đại được trang bị
các cảm biến vận tốc như cảm biến vận tốc bánh xe hoặc cảm biến ABS. Các
cảm biến này giúp đo tốc độ của xe và cung cấp thông tin này cho hệ thống
điều khiển và bảng đồng hồ trên xe.

Sử dụng hệ thống V2X (Vehicle-to-Everything): Công nghệ V2X cho
phép giao tiếp giữa các phương tiện và hạ tầng giao thông thông qua mạng di
động. Từ đó, thơng tin về tốc độ và vị trí của các phương tiện có thể được trao
đổi và sử dụng để xác định tốc độ di chuyển trên đường.

Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng, và việc sử dụng phương
pháp nào phụ thuộc vào mục đích ứng dụng cụ thể, điều kiện mơi trường và
u cầu về độ chính xác. Ngồi ra, kết hợp nhiều phương pháp có thể giúp cải
thiện tính chính xác và độ tin cậy của việc xác định tốc độ xe di chuyển trên
đường [3].

1.2.2. Một số hướng tiếp cận.

Để có thể xác định được tốc độ xe cần phát hiện được đối tượng chuyển
động, trước hết bài toán đặt ra là phát hiện tất cả các chuyển động trong vùng
camera theo dõi, sau đó phân tích và đưa ra những cảnh báo khác nhau khi đối
tượng vào những khu vực giám sát. Bài toán phát hiện chuyển động (Motion
Detection) là bài tốn cơ sở, mà từ đó xây dựng rất nhiều ứng dụng: hệ thống
giám sát và đo tốc độ xe.

Có rất nhiều cách tiếp cận bài toán phát hiện chuyển động khác nhau.
Nhưng quy về mức tổng quát, có ba phương pháp phát hiện chuyển động chính
hiện nay là:

Phương pháp trừ nền - Background Subtraction, Phương pháp dựa vào
sự biến đổi giá trị theo thời gian - Temporal Differencing và Phương pháp luồng
quang học – Optical Flow, cụ thể như sau:

11

1.2.2.1 Dựa vào trừ nền:

Trong những ứng dụng về thị giác máy tính, vấn đề cơ bản nhất là làm
thế nào để phát hiện được các đối tượng chuyển động trong video và biết được
đâu là phần nền không thay đổi (background). Để giải quyết được vấn đề này
thì ta dùngphương pháp trừ nền, là một trong những phương pháp cơ bản nhất.

Ý tưởng chung của các phương pháp trừ nền là: Để phát hiện ra được các
đối tượng chuyển động trong video chúng ta phải có được mơ hình nền
(background model). Mơ hình này có thể được học qua nhiều frame ảnh nếu nền

bị thay đổi, ngược lại ta có thể chọn một nền có sẵn nếu nền khơng bị thay đổi.
Sau đó ta sẽ nhận biết được đâu là phần nền, đâu là phần chuyển động [6].

Phương pháp trừ nền là phương pháp đơn giản nhất dùng để phát hiện
chuyển động vì khá dễ dàng để cài đặt và tốc độ xử lý nhanh đáp ứng được cho
các ứng dụng đòi hỏi xử lý thời gian thực hơn so với các phương pháp khác.

Tuy nhiên phương pháp này sẽ cho kết quả không cao trong các trường
hợp:

- Thay đổi độ sáng: thay đổi dần dần theo thời gian khi Camera đặt ngoài
trời quay dữ liệu theo thời gian hoặc thay đổi đột ngột khi Camera quay dữ liệu
bị ảnh hưởng bởi độ sáng từ ánh sáng mặt trời.

- Thay đổi về chuyển động khi Camera lung lay hoặc các đối tượng nền
daođộng với tần suất cao (bị ảnh hưởng bởi gió, người….).

- Thay đổi về thành phần cấu tạo nền

1.2.2.2 Dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian:

Phương pháp này dựa vào sự biến đối của một giá trị ảnh theo thời gian
để xác định đối tượng chuyển động (Ví dụ: Temporal Gradient – dựa trên biến
đối của Gradient theo thời gian. Khả năng chuyển động của đối tượng theo
phương pháp này được đo bằng sự thay đổi tức thời của cường độ hình ảnh).
Phương pháp này thích ứng với sự thay đổi của mơi trường, nhưng nó bị phụ
thuộc vào tốc độ và kích thước và số lượng đối tượng chuyển động. Phương

12

pháp này được áp dụng hiệu quả nhất trong trường hợp phát hiện và theo dõi
một đối tượng chuyển động.

1.2.2.3. Dựa vào luồng quang học
Phương pháp này chỉ ra sự chuyển động dự kiến của đối tượng trong ảnh.
Phương pháp cho kết quả khá tốt với những ảnh đầu vào phức tạp. Tuy nhiên,
nó địi hỏi độ phức tạp tính tốn cao [6]. Chính điều này đã tạo ra khó khăn
trong việc áp dụng, triển khai thực tế.
Tóm lại, một hệ thống giám sát, đo tốc độ phương tiện bằng camera có
thể được mơ tả bằng Sơ đồ tổng quát sau:
Input:
Chuỗi video đầu vào thu được từ camera giám sát.
Output:
- Phát hiện đối tượng chuyển động.
- Theo vết đối tượng chuyển động.
- Tính tốc độ phương tiện.
Chuỗi video đầu vào được hình thành từ những frame khác nhau tùy
thuộc vào thông số kỹ thuật của camera (16fps, 24fps, 25fps…). Giải thuật sẽ
tính tốn và xử lý trên những frame này.
Các chức năng chính của hệ thống giám sát, đo tốc độ phương tiện bằng
camera:
(1)- Xác định các vùng có khả năng chứa đối tượng chuyển động - Mặt
nạ vùng chuyển động.
(2)- Trên cơ sở mặt nạ vùng chuyển động, ta sẽ xác định các đối tượng
chuyển động (vị trí, kích thước)
(3)- Khi phát hiện được đối tượng chuyển động, ta thực hiện chức năng
theo dõi đối tượng chuyển động. Đối tượng chuyển động sẽ được theo dõi khi
chuyển động trong vùng camera theo dõi.

13

(4)- Tổng hợp hệ thống phát hiện và giám sát đối tượng chuyển động.
(5) – Tính tốc độ phương tiện.
1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 trình bày tổng quan về xử lý video bao gồm các khái niệm về
video, phần tử ảnh, giới thiệu khái quát về bài toán xác định tốc độ xe, một số
phương pháp xác định tốc độ xe và nêu ra được các chức năng chính của hệ
thống giám sát, đo tốc độ phương tiện bằng camera. Chương 2 sẽ trình bày các
nội dung lý thuyết tương ứng với các bước xử lý trong quy trình đã xây dựng.

14

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XE DỰA TRÊN
PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG

2.1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG
Phương pháp được trình bày nhằm đo tốc độ tức thì của các phương tiện

bằng cách theo dõi đặc điểm chuyển động của chúng trong đầu ra video của
một máy ảnh tĩnh. Hệ thống này nhắm vào các khu vực đô thị do giới hạn tốc
độ của các phương tiện. Phương pháp đề xuất khơng phụ thuộc vào các đặc
điểm hình ảnh của phương tiện như biển số xe hoặc đèn đi, điều này giúp
thực hiện tồn bộ quy trình trong thời gian ngắn hơn và không cần phải khớp
thêm các tham số hình ảnh. Các phương tiện được phát hiện qua các khung hình
liên tiếp sau đó được theo dõi và tốc độ tương ứng của chúng được tính tốn
bằng cách phân tích số khung hình cần thiết cho phương tiện vượt qua một khu
vực được xác định trước (ROI). Phương pháp đề xuất bao gồm năm bước tuần
tự bao gồm tiền xử lý, phát hiện phương tiện, theo dõi phương tiện và đo tốc
độ, sau đó là một mơ-đun phát hiện vi phạm.