Đồ Án Tốt Nghiệp - Hệ Thống Giám Sát Camera Và Kỹ Thuật Giải Mã Hình Ảnh

Đại Học …………………………
Lớp : ĐH Điện Tử 3A
Giảng Viên HD :
Đồ Án
HỆ THỐNG GIÁM SÁT CAMERA VÀ KỸ THUẬT MÃ HÓA
GIẢI MÃ HÌNH ẢNH
Cấu Tạo Cơ Bản Của Camera Giám Sát
1, Ống Kính:

Ống kính điều khiển hội tụ ánh sáng thu được từ môi trường vào cảm biến hình
ảnh CCD, tùy theo khoảng cách, môi trường quan sát mà người ta có những
cách chọn ống kính khác nhau
hình ảnh ống kính của camera
- Đối với CCD = 1/2":
W = 6.4/f x L; H = 4.8/f x L
- Đối với CCD = 1/3":
W = 4.8/f x L; H = 3.6/f x L
- Đối với CCD = 1/4:
W = 3.6/f x L; H = 2.7/f x L
Trong đó:
H: Chiều cao của môi trường (vật thể) quan sát(m)
W: Chiều rộng của môi trường quan sát(m)
L: Khoảng cách từ camera quan sát đến vật thể(m)
f: Tiêu cự của ống kính (mm)
Biết được H, W, L chúng ta có thể tính được tiêu cự f của ống kính

 !"#$#%&%'()*%+#%*,$(


/01%01$$


2(345%*,$(6,7345#%*,8+
9):;#<===
4, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory):
-
Bộ nhớ lập trình được, lưu giữ các thông tin cài đặt của người sử dụng (focus,
zoom, bright, contrast tùy theo camera quan sát)
5, Flash memory:

Chứa firmware của thiết bị
6, Lens driver:

IC điều khiển ống kính (auto forcus, auto iris )

- Các ống kính zoom thường được mô tả bằng tỉ số giữa tiêu cự dài nhất và tiêu
cự ngắn nhất. Ví dụ, một ống kính zoom có tiêu cự thay đổi từ 100mm tới 400mm
thì được gọi là zoom 4:1 hay zoom 4x. Người ta gọi các ống kính zoom có tỉ số rất
lớn (tới 10x hay 14x) là superzoom hay hyperzoom. Tỉ số này có thể lên tới 100x
trong các ống kính truyền hình chuyên nghiệp. Hiện nay, ống kính zoom lớn hơn
3x thì có chất lượng ảnh kém hơn ống kính gốc. Vì vậy, những ống kính zoom
chụp ảnh chuyên nghiệp thường có tỉ số nhỏ hơn 3 (ví dụ, ống kính 28-70mm,
70-200mm).
- Đừng lẫn lộn giữa ống kính zoom và ống kính tele, ống kính có góc nhìn rất
hẹp. Một số ống kính zoom thuộc loại tele, một số thuộc loại wide, một số kiêm
luôn vừa wide vừa tele. Các máy ảnh được bán ra thời nay đã thay thế ống kính
gốc bằng ống kính zoom từ wide tới tele.
- Một số máy ảnh số có khả năng cắt và phóng lớn hình, để giả hiệu ứng zoom
xa của ống kính zoom. Đó gọi là zoom số, nó làm giảm chất lượng ảnh.
Ngoài việc ứng dụng trong chụp ảnh, ống kính zoom còn được dùng như một
viễn vọng kính có độ phóng đại thay đổi được, dùng để phát một tia laser có công
suất trên một đơn vị diện tích thay đổi được.

Hoạt động của một ống kính zoom đơn giản
7, Nguồn:

Cấp nguồn cho thiết bị (tuổi thọ của camera quan sát phần lớn do khối nguồn
quyết định)
* Trên đây là những cấu tạo cơ bản của camera quan sát, một số loại có thể tích
hợp hồng ngoại hoặc khối giao tiếp mạng, động cơ, thẻ nhớ
>
hệ thống truyền nhận thông tin hình ảnh của camera:

I. PHÂN LOẠI CAMERA
Có 3 cách phân loại Camera:
- Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh.
- Phân loại theo đường truyền.
- Phân loại theo tính năng sử dụng.
1. Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh:
Camera Analog:
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, đây là loại
Camera được sử dụng nhiều nhất.
Chíp: CCD (Charge Couple Device) (100% số):
Camera 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 đưa vào các bộ xử lý. Nguyên tắc hoạt động của CCD có thể mô tả
dưới đây:
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 được số hoá. Đây là một qúa trình chuyển đổi tương tự số
Các thông số kĩ thuật của Camera CCD là đường chéo màn hình cảm biến (tính
bằng inch ). Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt. (màn
hình 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lượng 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 lượng của
Sharp kém hơn chất lượng của Sony.
Chíp: 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 thương mại sử dụng công nghệ CMOS
thì chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng hình
ảnh với Camera CCD.
Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt về độ rõ
nét và chất lượng hình ảnh.

Hệ thống Camera Analog
2. Phân loại theo kĩ thuật đường truyền:
Có 3 loại:Camera có dây, Camera không dây, IP Camera
- Camera có dây:
- Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt được sử
dụng, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75ohm -1Vpp, dây C5. Đây
là giải pháp được đánh giá là an toàn. Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa
300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu đường truyền suy hao, dẫn
đến chất lượng hình ảnh không tốt.
- Camera không dây:
- Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây. Nhưng rất tiếc là cũng không
hoàn toàn như vậy. Các Camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn. Các loại
Camera không dây có ưu 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 thường tần số dao động từ 1,2 đến 2,4MHZ. Camera không dây
được 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 như các ngôi nhà có nhiều tường chắn.
Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng những thiết bị đầu
cuối đặc biệt hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt. Thiết bị đầu cuối này sẽ bao

gồm Tranceiver và Antenna hoạt động theo hình thức cầu nối point to point.
Việc sử dụng Camera không dây được đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc
bị ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như điện thoại di động.
- IP Camera:

1a. Camera IP không dây
- Một IP Camera hay còn gọi là Network Camera có thể được mô tả như một thiết bị
hai trong một (gồm 1 camera thông thường và 1 máy vi tính). Nó kết nối trực tiếp
vào hệ thống Internet như những thiết bị Network khác. Một Network camera có
riêng cho nó 1 địa chỉ IP và gắn liền với những tính năng của một máy vi tính để
điều khiển việc truyền thông tin trên Internet. Một số Network Camera còn được
trang bị thêm những tính năng có giá trị như : phát hiện những sự chuyển động,
hổ trợ kết hợp các hệ thống tích hợp, hổ trợ đầy đủ các cổng output cho các thiết
bị hiển thị hình ảnh thông thường khác.
Thấu kính sẽ bắt lấy những hình ảnh, hình ảnh được miêu tả như những chiều
dài dải sóng khác nhau của ánh sáng và biến đổi chúng vào tín hiệu điện tử
khác. Những tín hiệu này sau đó được chuyển đổi tỷ biến (tương tự) thành số và
chuyển đến những tính năng “vi tính” nơi mà hình ảnh được đóng gói, nén lại
và gửi đi thông qua Internet .
CPU, Flash memory và DRAM có thể được hình dung như “bộ não” hay những
tín năng tin học của Camera và được thiết kế đặc biệt cho những ứng dụng
mạng. Cùng 1 lúc, chúng điều khiển sự truyền thông tin với hệ thống mạng và
với web server.
Qua cổng Ethernet, một Network Camera có thể đồng thời gởi những hình ảnh
trực tiếp đến 10 máy tính khác hoặc nhiều hơn.
Camera IP là loại có giá thành cao nhất trong tất cả bởi nó được tích hợp những
tính năng tiên tiến nhất.
1b. Camera IP không dây
II. Hệ thống lưu trữ hình ảnh
- Một hệ thống camera hiện đại đòi hỏi phải đi chung với hệ thống lưu trữ hiện

đại.
Digital Video Recorder: Hỗ trợ đầy đũ các cổng in/out dễ dàng cho việc quản lý,
giám sát. Với hệ thống internet sẵn có hiện nay thì nhà sản xuất đã tích hợp đầu
ghi hình thêm cổng kết nối mạng ( Ethernet port ). Kết nối vào hệ thống mạng
LAN (Modem, Swich) là bạn có thể giám sát từ bất kì đâu: trong mạng nội bộ
(LAN) hay mạng internet bên ngoài ( WAN ) bằng máy tính có cài phần mềm
kèm theo của đầu ghi hình.
Bên cạnh đó các DVR còn được tích hợp thêm các port liên kết nhằm phát triển
ứng dụng tích hợp cho việc giám sát như thu âm, báo động …. Hệ thống sẽ thu
âm các khu vực cần quản lý và sẽ báo động, phát ra âm thanh khi có sự cố tháo
gỡ camera hay khu vực báo trộm.
Sử dụng cho các hệ thống nhỏ
Lưu trữ:
Đầu ghi hình kỹ thuật số sử dụng ổ cứng HDD giống như ổ cứng máy tính PC
thông thường để lưu trữ hình ảnh.
DVR có thể hỗ trợ một, hai ổ cứng hay nhiều hơn.
Hình ảnh lưu trữ có thể được backup qua đĩa CD-Rom hay qua cổng USB. Rất
tiện dụng cho bạn lưu trữ những hình ảnh quan trọng trong quá trình làm việc.
Tùy theo mô hình, số lượng camera và nhu cầu lưu trữ của khách hàng ta có thể
chọn loại DVR hỗ trợ số lượng kênh và ổ cứng thích hợp. Công nghê mới nhất
hiện nay của các DVR dạng tích hợp là có khả năng ghi theo từng kênh được chỉ
định ( 1 kênh tương ứng 1 kết nối camera )
Đối với những hệ thống nhỏ, chỉ khoảng vài camera thì giải pháp đưa ra là dùng
card ghi hình 4, 6 kênh gắn trực tiếp vào máy tính thông qua khe PCI của
mainboard và tận dụng ổ cứng của máy tính này lưu trữ hình ảnh ghi lại. Loại
card này cũng tương đối khá rẽ và là giải pháp tốt nhất cho mô hình nhỏ.
Đối với những hệ thống camera lớn, số lượng camera lên đến hàng trăm thiết bị
thì giải pháp đưa ra không còn là những hệ thống DVR gắn được vài ổ cứng. Sử
dụng các dòng server chuyên dụng cho mục đích lưu trữ để làm DVR là lựa chọn
số một cho ứng dụng dạng này, Server có số lượng khe PCI lớn, tính ổn định hệ

thống cao, lưu trữ và sao lưu dễ dàng qua hệ thống Raid 5 và back up tape.
Server được bảo quản trong môi trường IT chuẩn sẽ giúp hệ thống ổn định và an
toàn.
* kỹ thuật mã hóa giải mã hình ảnh:
CÁC NGUYÊN TẮC CỦA NÉN ẢNH
- Một tính chất chung nhất của tất cả các ảnh số đó là tương
quan giữa các pixel ở cạnh nhau lớn, điều này dẫn đến dư thừa
thông tin để biểu diễn ảnh. Dư thừa thông tin sẽ làm cho việc mã hoá
không tối ưu. Do đó công việc cần làm để nén ảnh là phải tìm được
các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất để giảm thiểu độ dư thừa
thông tin của ảnh. Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin được phân
loại như sau:
- Dư thừa trong miền không gian: tương quan giữa các giá trị
pixel của ảnh, điều này có nghĩa rằng các pixel lân cận của ảnh có
giá trị gần giống nhau (trừ những pixel ở giáp đường biên ảnh).
- Dư thừa trong miền tần số: Tương quan giữa các mặt phẳng
màu hoặc dải phổ khác nhau
?
@9%A"#BC<D+%#$(%EFF
GH,:I8%'%<)J+<%E$(+
<+%(%=
?
#8K#;6)JL%#%%J%=
?
M=N;:%+O%POQPR$(F%S%#F
(T
?
=N;0UR#7%6V+%SF;6
>
* Ý tưởng của mã Shannon-Fano:. Sắp xếp các ký hiệu theo tần suất xuất hiện.

Lặp lại việc chia các ký hiệu thành 2 phần, mỗi một phần bằng số lần xuất hiện
(xác sumột phần chỉ còn lại một ký hiệu
?
/=N;WXXR#7%6V+%SF;6YZ%8["
;WXX=%:V%$#$%\#)5%];8^$_3%%C
%]E"%E$L=QT:)$#`a:V%)5%]=
•
4.
•
mã Lemple-Ziv:Mã hóa dựa trên từ điển (xây dựng và tra từ điển)5. Mã dự
đoán :Dựa trên quá trình tạo điểm tuần tự và luật dự đoán.III.các phép biến đổi
sử dụng trong nén ảnh.1. Phép biến đổi Cosine rời rạc –Discrete Cosine
Transform (DCT):Nhằm biểu diễn các gia tsố. DTC được sử dụng trong chuẩn
JPEG và MPEG.2. Phép biến đổi Wavelet rời rạc (DWT): sử dụng các bộ lọc
phân tích đa phân giải3. Phép biến đổi dựa tren hình học fractal (Phép biến đổi
fractal): Sử dụng các phép biến đổi
•
Nén ảnh tĩnh theo chuẩn JPEG
•
JPEG (viết tắt cho Joint Photographic Experts Group) là một trong những
phương pháp nén ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần. Tuy nhiên ảnh
sau khi giải nén sẽ khác với ảnh ban đầu. Chất lượng ảnh bị suy giảm sau khi
giải nén. Sự suy giảm này tăng dần theo hệ số nén. Tuy nhiên sự mất mát thông
tin này là có thể chấp nhận được và việc loại bỏ những thông tin không cần thiết
được dựa trên những nghiên cứu về hệ nhãn thị của mắt người
•
Công đoạn chính là chia nhỏ bức ảnh thành nhiều vùng nhỏ (thông thường là
những vùng 8x8 pixel) rồi sử dụng biến đổi cosin rời rạc để biến đổi những vùng
thể hiện này thành dạng ma trận có 64 hệ số thể hiện "thực trạng" các pixel.
Điều quan trọng là ở đây hệ số đầu tiên có khả năng thể hiện "thực trạng" cao

nhất, khả năng đó giảm rất nhanh với các hệ số khác. Nói cách khác thì lượng
thông tin của 64 pixels tập trung chủ yếu ở một số hệ số ma trận theo biến đổi
trên. Trong giai đoạn này có sự mất mát thông tin, bởi không có biến đổi ngược
chính xác. Nhưng lượng thông tin bị mất này chưa đáng kể so với giai đoạn tiếp
theo. Ma trận nhận được sau biến đổi cosin rời rạc được lược bớt sự khác nhau
giữa các hệ số. Đây chính là lúc mất nhiều thông tin vì người ta sẽ vứt bỏ những
thay đổi nhỏ của các hệ số. Như thế khi bung ảnh đã nén ta sẽ có được những
tham số khác của các pixel. Các biến đổi trên áp dụng cho thành phần U và V
của ảnh với mức độ cao hơn so với Y (mất nhiều thông tin của U và V hơn).
•
Sau đó thì áp dụng phương pháp mã hóa của gernot- hoffman : phân tích dãy số,
các phần tử lặp lại nhiều được mã hóa bằng ký hiệu ngắn (marker). Khi bung
ảnh người ta chỉ việc làm lại các bước trên theo quá trình ngược lại cùng với các
biến đổi ngược.
• Các bước trong nén ảnh JPEG:
• 1. Biến đổi từ bộ màu RGB thành bộ màu YUV
•
2. Thực hiện biến đổi DCT trên các khối ảnh
• 3. Lượng tử hóa
• 4. Sắp xếp zigzag và thực hiện mã hóa RLE
• 5. Mã hóa entropy
• 1. Biến đổi từ bộ màu RGB thành bộ màu YUV
•
Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá cây
và xanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau để tạo
thành các màu khác.
• Biểu diễn dạng số 24 bit
•
Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông thường

được ghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ
của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế.
• Số lượng màu tối đa sẽ là:
• hay hay Ví dụ:
• (0, 0, 0) là màu đen
•
(255, 255, 255) là màu trắng
• (255, 0, 0) là màu đỏ
•
(0, 255, 0) là màu xanh lá cây
• (0, 0, 255) là màu xanh lam
• (255, 255, 0) là màu vàng
•
(0, 255, 255) là màu xanh ngọc
• (255, 0, 255) là màu hồng cánh xen
•
Tín hiệu Y'UV thường được tạo ra từ nguồn RBG ( đỏ , xanh lá cây và mầu
xanh ). Giá trị trọng số của R, G, và B tổng hợp để sản xuất Y ', một thước đo độ
sáng hoặc độ sáng tổng thể. U và V được tính như sự khác biệt quy mô giữa Y và
các giá trị B và R.
• Xác định các hằng số sau đây:
• Y'UV được tính từ RGB như sau:
• Các phạm vi kết quả của "Y, U, V tương ứng là [0, 1], [- U Max , U Max ], và
[- V Max , V Max .
• Chuyển đổi đảo ngược trên chuyển đổi Y'UV RGB:
Tương đương, thay thế giá trị cho các hằng số và biểu lộ chúng như ma trận cho:
Chuyển mức điểm ảnh (trừ 128)
Ví Dụ:
-128