ĐỒ án tốt NGHIỆP xử lý ẢNH và điều KHIỂN XE CHẠY tự ĐỘNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.52 MB, 71 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
XỬ LÝ HÌNH ẢNH VÀ ĐIỀU KHIỂN
XE CHẠY TỰ ĐỘNG
GVHD: TS. LÊ THANH PHÚC
SVTH: TÔ THÀNH TÍN
TRƯƠNG MINH HIỂU
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7/2014
10105139
10105035
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Khoa Cơ Khí Động Lực
Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
XỬ LÝ HÌNH ẢNH VÀ ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. LÊ THANH PHÚC
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
I.
1. TÔ THÀNH TÍN
MSSV: 10105139
2. TRƯƠNG MINH HIỂU
MSSV: 10105035
Nội dung :
1. Nhận dạng đường đi và hướng xử lý.
2. Xử lý ảnh và các vấn đề liên quan đến xử lý ảnh.
3. Phần mềm Labview và xử lý ảnh trên Labview.
II.
Trình bày :
1. Thyết minh đề tài: 1 cuốn thuyết minh
2. 1 đĩa CD ghi nội dung của đề tài “Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động ”
III.
Thời gian thực hiện :
1. Ngày bắt đầu : 25 - 03 - 2014
2. Ngày hoàn thành : 28 - 07 – 2014
Tp. Hồ Chí Minh, ngày…,tháng…,năm 2014
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ Ô TÔ
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2014
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
Tp Hồ Chí Minh, ngày……, tháng……, năm 2014
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến tất cả quý thầy cô khoa Cơ Khí Động Lực trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt nhữngkiến thức, kinh nghiệm quý
báu trong hơn bốn năm học vừa qua.
Nhóm xin chân thành cảm ơn đến các thầy trong xưởng điện và xưởng động cơ
đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án.
Đặc biệt xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn - TS. Lê Thanh Phúc đã
tận tình giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Cuối cùng là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã động
viên nhóm hoàn thành nhiệm vụ đồ án được giao.
Nhóm thực hiện
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA G IÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA G IÁO VIÊN PHẢN BIỆN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH
LỜI NÓI ĐẦU
PHẦN A MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
DẪN NHẬP.............................................................................................................................. 2
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................. 2
2. Mục tiêu và nhiệm vụ .......................................................................................................... 2
3. Tầm quan trọng của đề tài................................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................................... 2
4.1 Hình ảnh .............................................................................................................................. 2
4.2 Labview............................................................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................... 3
PHẦN B NỘI DUNG ............................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1: NHẬN DẠNG ĐƯỜNG ĐI VÀ HƯỚNG XỬ LÝ ................................. 5
I. Nhận dạng theo vệt sơn đường ........................................................................................... 5
II. Hướng xử lý khi nhận dạng đường đi ............................................................................... 6
CHƯƠNG 2: XỬ LÝ ẢNH TRÊN LABVIEW ............................................................... 7
I. Xử lý ảnh và cá vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh................................................................. 7
1.1. Xử lý ảnh và quá trình phát triển .................................................................................... 7
1.2 Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh ........................................................... 10
II. Labview và xử lý ảnh dùng Labview.............................................................................. 11
2.1 Giới thiệu Labview .......................................................................................................... 11
2.2 Ngôn ngữ lập trình Labview........................................................................................... 13
2.2.1 Môi trường Labview .................................................................................................... 13
2.2.2 Xử lý ảnh trên Labview ............................................................................................... 18
2.2.3 Cấu trúc lập trình xử lý và xuất giá trị trong Labview............................................. 29
III. Giới thiệu Module thời gian thực NI EVS-1464RT .................................................... 48
III.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 48
III.2 Báo hiện đèn LED và switches DIP ............................................................................ 51
III.3 Báo hiệu đèn LED ......................................................................................................... 51
III.4 Switches DIP .................................................................................................................. 52
III.5 Các cổng kết nối của hệ thống ..................................................................................... 52
III.6 Ứng dụng hệ thống NI EVS-1464RT.......................................................................... 57
PHẦN C KẾT LUẬN .......................................................................................................... 58
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 60
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
Trang
Hình 1.1: Đường với vạch sơn đứt trắng đen rất phổ biến và có nhiều ưu điểm vượt
trội so với các loại hình ảnh khác...........................................................................................6
Hình 2.1: Cấu trúc xử lý ảnh...................................................................................................7
Hình 2.2: Tiến trình xử lý ảnh ................................................................................................8
Hình 2.3 : Thiết lập chương trình mới. ................................................................................13
Hình 2.4: Tìm các ví dụ .........................................................................................................14
Hình 2.5 : Cách thiết lập thứ nhất cho vòng lặp While .....................................................15
Hình 2.6: Cách thiết lập thứ hai cho vòng lặp While ........................................................15
Hình 2.5: Vòng lặp For ..........................................................................................................16
Hình 2.6 : Cấu trúc Case........................................................................................................16
Hình 2.7 : Hai cách thể hiện của cấu trúc chuỗi .................................................................17
Hinh 2.8 : Đoạn chương trình y=x2 +x+1 viết theo hai cách .............................................17
Hình 2.9: Địa chỉ truy cập các hàm Vision .........................................................................19
Hình 2.10 : Thư viện thiết bị camera NI-IMAQdx ............................................................20
Hình 2.11 : Thư viện tiện ích ................................................................................................21
Hình 2.12 : Thư viện quản lý ảnh.........................................................................................21
Hình 2.13: Sơ đồ chân hàm IMAQ Create ..........................................................................22
Hình 2.14 : Sơ đồ chân hàm IMAQ Dispose ......................................................................22
Hình 2.15 : Sơ đồ chân hàm IMAQ GetImageInfo ............................................................23
Hình 2.16 : Sơ đồ chân hàm IMAQ GetImageSize ...........................................................23
Hình 2.17:Sơ đồ chân hàm IMAQ Copy .............................................................................23
Hình 2.18: Thư viện quản lý tập tin .....................................................................................23
Hình 2.19: Sơ đồ chân hàm IMAQ ReadFile .....................................................................24
Hình 2.20: Sơ đồ chân hàm IMAQ WriteFile ....................................................................24
Hình 2.21: Sơ đồ chân hàm IMAQ GetFileInfo .................................................................24
Hình 2.22: Thư viện tiện ích màu.........................................................................................25
Hình 2.23: Sơ đồ chân hàm IMAQ ExtractColorPlanes ...................................................25
Hình 2.24: Sơ đồ chân hàm IMAQ GetColorPixel ............................................................26
Hình 2.25: Thư viện xử lý ảnh..............................................................................................26
Hình 2.26: Sơ đồ chân hàm IMAQ MultiThreshold ..........................................................26
Hình 2.27: IMAQ Multiply ...................................................................................................27
Hình 2.28 : IMAQ Absolute Difference..............................................................................27
Hình 2.29 : Thư viện thị giác máy .......................................................................................27
Hình 2.30: IMAQ Find Patterm 3 ........................................................................................28
Hình 2.31: Cấu trúc xử lý ảnh theo phương pháp học mẫu. .............................................29
Hình 2.32: khai báo các hàm.................................................................................................30
Hình 2.33: Lựa chọn chất lượng theo yêu cầu của đề tài và đặt tên cho khai báo. ........30
Hình 2.34: Kết nối trực tiêp dựa vào Add Sequence Local ..............................................31
Hình 2.35: Sử dụng Local Variable .....................................................................................31
Hình 2.36: Khai báo chế độ màu Green ..............................................................................32
Hình 2.37: Khai báo cho sự kết hợp hai chế độ màu .........................................................32
Hình 2.38: Khai báo cho chế độ màu Blue .........................................................................32
Hình 2.39: Khai báo cho chế độ xác nhập màu Green ......................................................32
Hình 2.40: Khai báo cho chế độ xác nhập màu Blue.........................................................32
Hình 2.41: Khai báo cho chế độ cắt ảnh..............................................................................33
Hình 2.42: Khai báo cho chế độ mở camera .......................................................................33
Hình 2.43: Khai báo thiết lập cổng camera.........................................................................33
Hình 2.44: Kết quả xử lý ảnh................................................................................................34
Hình 2.45: Quá trình tiền xử lý ảnh .....................................................................................34
Hình 2.46: Tiền xử lý tín hiệu. .............................................................................................35
Hình 2.47: Các màu và giá trị trong hàm IMAQ ExtractSingleColorPlane. ..................35
Hình 2.48: Labview nhận tín hiệu liên tục từ camera........................................................36
Hình 2.49: Hình ảnh sau khi được qua xử lý màu Green và hệ số nhân tương ứng. .....36
Hình 2.50: Camera được xử lý với hệ số nhân màu Green ...............................................37
Hình 2.51: Màu ảnh qua hệ thống tiền xử lý. .....................................................................38
Hình 2.52: Chọn thư viện tìm kiếm .....................................................................................38
Hình 2.53: Thiết lập ROI.......................................................................................................39
Hình 2.54: Thiết lập khung ROI...........................................................................................40
Hình 2.55: Giá trị “True” được thiết lập cho vòng lập ......................................................40
Hình 2.56: Bước xác định giá trị “False” cho vòng lập.....................................................41
Hình 2.57: Hình sau khi được cắt từ camera ......................................................................41
Hình 2.58: Cấu trúc lệnh tìm kiếm .......................................................................................41
Hình 2.59: Mức độ chính xác và số ảnh tìm kiếm .............................................................42
Hình 2.60: Khi yêu c ầu số ảnh tìm là 2 ...............................................................................43
Hình 2.61: Khi yêu c ầu số ảnh tìm kiếm là 1. ....................................................................43
Hình 2.62: Hệ thống xử lý hình sau khi tìm kiếm..............................................................44
Hình 2.63: Xác định tạo độ tìm kiếm. .................................................................................45
Hình 2.64: Đổi phầm trăm chiều dài....................................................................................45
Hinh 2.65: Lưu đồ xử lý số liệu tìm kiếm. ..........................................................................46
Hình 2.66: Truyền UART .....................................................................................................47
Hình 3.1: Hệ thống nhúng NI EVS-1464RT và camera....................................................48
Hình 3.2: Mô hình kết nối NI EVS-1464RT với máy tính, camera và màn hình hiển thị
..................................................................................................................................................49
Hình 3.3: Giao diện giao tiếp NI EVS-1464RT .................................................................49
Hình 3.4 : Giao diện NI VIsion Builder ..............................................................................51
Hình 3.5: Các cổng kết nối trên hệ thống............................................................................52
Hình 3.6: Giao diện cổng kết nối chuẩn IEEE 1394b........................................................53
Hình 3.7: Chức năng chân của cổng Ethernet ...................................................................54
Hình 3.8: Giao diện cổng USB trong module.....................................................................54
Hình 3.9: Chức năng chân của cổng USB...........................................................................54
Hình 3.10: Giao diện cổng xuất dữ liệu hình ảnh ..............................................................55
Hình 3.11: Chức năng chân của cổng DVI-I. .....................................................................56
Hình 3.12: Giao diện cổng cấp nguồn điện.........................................................................56
Hình 3.13 : Chức năng chân của cổng cấp nguồn. .............................................................56
Hình 3.14 :Ứng dụng của hệ thống NI EVS-1464RT .......................................................57
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đời sống
của người dân ngày càng nâng cao. Nhu cầu sử dụng ô tô trong đời sống sinh hoạt
cũng như trong các nghành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ là tăng không ngừng.
Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành ô tô, với việc phát triển ô tô phục
vụ nhu cầu của xã hội. Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là việc cung cấp những
chiếc ô tô phuc vụ những nhiệm vụ đặc biệt. Để thực hiện được việc này, yêu cầu đặt
ra là phải có những nghiên cứu mới. Ô tô đã ra đời từ rất lâu và nó ngày càng khẳng
định được vai trò cũng như tầm quan trọng trong việc phát triển xã hội, nâng cao đời
sống nhân dân… Vì vậy đòi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sư ô tô phải nắm vững kiến thức
cơ bản của ô tô. Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình
của thầy cô giáo trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh,
chúng tôi đã kết thúc khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự
đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa, chúng tôi được giao đồ án tốt
nghiệp “XỬ LÝ HÌNH ẢNH VÀ ĐIỀU KHIỂN XE CHẠY TỰ ĐỘNG”: Bằng sự cố
gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của TS. Lê Thanh
Phúc, chúng tôi đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do hạn chế về thời gian và kiến
thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng tôi rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các bạn sinh viên để
bài đồ án này hoàn thiện hơn.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHẦN A
MỞ ĐẦU
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DẪN NHẬP
1. Đặt vấn đề
Trong quá trình phát triển của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ trên
xe hơi hiện nay đòi hỏi quá trình phát triển hệ thống Giáo dục đạo tạo kỹ thuật với
chất lượng đang là tiêu chí đánh giá hàng đầu hiện nay. Đi đôi với vấn đề trên là
quá trình tự nghiên cứu và phát triển các công nghệ hiện có. Để làm được điều này,
ngoài lực lượng cán bộ giảng dạy chuyên môn cao, các thiệt bị hiện đại, mô hình dạy
học hiệu quả thì chúng ta còn cần phải có chững cách tiếp cận nội dung mới phù hợp
với từng đối tượng đào tạo và quá trình tự nghiên cứu trao dồi kiến thức chuyên môn.
Với các vấn đề trên nhóm chúng tôi xin thực hiện đề tài: “Xử lý hình ảnh và điều
khiển xe chạy tự động”
2. Mục tiêu và nhiệm vụ
Mục đích của đề tài là dựa vào phần mềm Labview xây dựng một hệ thống xử
lý ảnh thu thập từ camera, xây dựng thư viện và đi theo đó là quá trình tính toán để
giao tiếp với người dùng nhằm giúp xe có thể tự vận hành.
3. Tầm quan trọng của đề tài
Vẫn chưa có mặt trên thị trường nhưng xe tự hành luôn là chủ đề nóng hổi của
giới sản xuất xe hơi trong vài năm trở lại đây. Mục tiêu hướng tới là giảm tai nạn, hạn
chế ùn tắc do sơ suất của con người. Vì thế xây dựng một hệ thống xử lý ảnh giúp xe
tự vận hành là bước đi đầu tiên nhầm giúp ngành công nghệ ô tô của Việt Nam
tiến bước với công nghệ hiện đại trên ô tô.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hình ảnh ở các chế độ, phần nềm Labview. Qua đó
nghiên cứu cấu trúc trong Labview nhằm xây dựng một chương trình hoàn chỉnh, đầy
đủ và khả thi tiếp theo đó là quá trình giao tiếp thông qua AVR thực hiện các lệnh cài
đặt theo từng hạn mục đã định.
4.1 Hình ảnh
Từ hình ảnh thu thập tính toán và xử lý thành ảnh 8-bit
Thiết lập cách hình ảnh qua xử lý tạo thư viện.
Tìm kiếm hình trong quá trình xử lý.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4.2 Labview
Thu thập ảnh từ camera
Xây dựng chương trình.
Xuất tín hiệu qua cổng giao tiếp..
5. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được hoàn thành đã dựa vào nhiều phương pháp nghiên cứu song song
trong đó phương pháp kham khảo tài liệu. Ý kiến của các thầy từ đó tìm ra hướng đi
và hướng giải quyết vấn đề. Trong quá trình thực hiện nhóm cũng thực hiện nhiều
phương pháp thực nghiệm, quan sát rút ra kết luận để hoàn thành tốt đề tài.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PHẦN B
NỘI DUNG
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1: NHẬN DẠNG ĐƯỜNG ĐI VÀ HƯỚNG XỬ LÝ
I.
Nhận dạng theo vệt sơn đường
Có rất nhiều lựa chọn nhận dạng đường đi đã được nghiên cứu và đưa và khai
thác như: Nhận dạng đường theo GPS, ra-da laser, âm thanh phản hồi và hình ảnh….
mỗi hướng đi đều có ưu và nhược điểm khác nhau. Và đồng thời sẽ ảnh hưởng đến kết
quả sau này, khả năng thực thi và cả triển vọng ứng dụng thực tế trong tương lai. Lựa
chọn một phương án nhận dạng đường là bước đầu tiên cần phải xác định rỏ ràng
trước khi bước tiếp quá trình xử lý sau này. Với quy mô và khả năng kiến thức của
mình nhóm đã đi theo hướng xử lý hình ảnh qua camera.
Hện nay hệ thống giao thông phát triển vược bật ở nước ta, thì kèm theo đó là
sự phát triển hệ thống đường nhựa trãi dài từ Nam đến Bắc là một lợi thế để ngành
công nghiệp xe tự hành sử dụng xử lý ảnh có cơ hội phát triển.
Để áp dụng được một mô hình đơn giản có thể thực thi được những lệnh căn
bản nhất thì cần có những yêu cầu cơ bản như: sự sai khác giữa màu sơn tương đối
lớn, mức độ đồng đều và chính xác về các kích thước màu, mặt đường tương đối tốt....
Bên cạnh đó lựa chọn hình ảnh để làm hình chuẩn cho quá trình nhận dạng đường đi là
một lựa chọn có sự tính toán và cân nhắc cao vì sự thay đổi rất lớn trong hệ thống
đường bộ, với các yêu cầu thách trức trên thì đường nét đứt là đường để thử nghiệm
trong đồ án là lựa chọn có tính khả thi cao phù hợp với yêu cầu và khả năng thực hiện.
Sử dụng thuật toán để nhận dạng sơn đường là sử dụng sự tương phản khác
nhau giữa màu sơn và màu nhựa đường nhằm tăng tính chính xác.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.1: Đường với vạch sơn đứt trắng đen rất phổ biến và có nhiều ưu điểm
vượt trội so với các loại hình ảnh khác.
II.
Hướng xử lý khi nhận dạng đường đi
Ảnh thu thập từ camera sẽ được hiệu chỉnh cho để lấy được những điểm nhấn
mạnh tính đối lập giữa vệt sơn và màu nhựa đường đồng thời loại đi các hình ảnh
nhiễu, thừa. Bước tiếp theo là xác định hình ảnh làm trọng tâm tìm kiếm, từ đó có thể
học và tìm trên camera thực và trục tiếp để xuất ra tín hiệu vị trí tương đối của xe so
với làng đường đang thực thi.
Khi đã có được vị trí tương đối của xe, hệ thống điều khiển sẽ bẻ góc lái thích
hợp để xe chạy trên vị trí mong muốn.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2: XỬ LÝ ẢNH TRÊN LABVIEW
Xử lý ảnh và cá vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
I.
1.1.
Xử lý ảnh và quá trình phát triển
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một ngành
khoa học mới mẽ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất
nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên
dụng riêng cho nó ngày càng đa dạng và mở rộng.
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò
quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử
lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
Xử lý ảnh và đồ họa đóng vai trò quan trọng trong tương lai ngành ô tô.
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho
ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh
“tốt hơn” hay một kết luận.
Ảnh thu nhận
Quá trình xử lý
Các giá trị mong muốn
Hình 2.1: Cấu trúc xử lý ảnh.
Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính như nâng cao chất
lượng ảnh và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng
ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề
nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh.
Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này
có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện
cho quá trình xử lý ảnh sô thuận lợi. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và
nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi
đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất
lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như
mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh
ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Để dễ tưởng tượng, xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Đầu tiên, ảnh tự
nhiên từ thế giới ngoài được thu nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp
ảnh). Trước đây, ảnh thu qua Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu
CCIR). Gần đây, với sự phát triển của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra
từ Camera, sau đó nó được chuyển trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp
theo. (Máy ảnh số hiện nay là một thí dụ gần gũi). Mặt khác, ảnh cũng có thể tiếp nhận
từ vệ tinh; có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh.
Có thể xem một ví dụ minh họa cho quá trình trên.
Hình 2.2: Tiến trình xử lý ảnh
Có thể hiểu tiến trình xử lý trên như sau
a) Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition)
Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera
là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng
có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot
tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh.
Camera thường dùng là loại quét dòng: ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất
lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng,
phong cảnh).
b) Tiền xử lý (Image Processing)
Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền
xử lý để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ
tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 8
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
c) Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh
Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn
phân tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư
cho mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người
thành các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng. Đây là phần
phức tạp khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của
ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.
d) Biểu diễn ảnh (Image Representation)
Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn)
cộng với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng
thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể
hiện ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính
của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng
này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự
trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự
này với ký tự khác.
e) Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình này thường thu được bằng
cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước. Nội suy là phán đoán
theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng. Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên
phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại. Có nhiều cách phân loai ảnh
khác nhau về ảnh. Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được
phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:
- Nhận dạng theo tham số.
- Nhận dạng theo cấu trúc.
Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong
khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận
dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…
f) Cơ sở tri thức (Knowledge Base)
Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng
tối, dung lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 9
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
nhiều khâu xử lý và phân tích ảnh ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học
đảm bảo tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử
lý ảnh theo cách c ủa con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử
lý theo các phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, đây các cơ sở tri thức được phát
huy. Trong tài liệu, chương 6 về nhận dạng ảnh có nêu một vài ví dụ về cách sử dụng
các cơ sở tri thức đó.
1.2
Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
a) Điểm ảnh (Picture Element)
Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý
bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một
ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng
(mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người
không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh
(PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel
ứng với cặp tọa độ (x, y).
Định nghĩa:
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp
sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của
ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh.
b) Độ phân giải của ảnh
Định nghĩa: Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn
định trên một ảnh số được hiển thị.
Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt
người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên
một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong
không gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là
một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh
(320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
17” độ phân giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn
hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
c) Mức xám của ảnh
Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ
xám của nó. Dưới đây chúng ta xem xét một số khái niệm và thuật ngữ thường dùng
trong xử lý ảnh.
- Định nghĩa: Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán
bằng giá trị số tại điểm đó.
- Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là
mức phổ dụng. Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám:
Mức xám dùng 1 byte biểu diễn:
=256 mức, tức là từ 0 đến 255).
- Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với
mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.
- Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1bit mô tả
21mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.
- Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên
thế giới màu, người ta thường dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu:
=
≈ 16,7 triệu.
II.
Labview và xử lý ảnh dùng Labview
2.1
Giới thiệu Labview
LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình hình ảnh do công ty National Instrument
(NI) phát triển. Nó sử dụng các biểu tượng thay cho các dòng lệnh để tạo ra một đoạn
chương trình. Trái ngược với các chương trình viết bằng các lệnh chữ, LabVIEW sử
dụng kiểu lập trình theo luồng dữ liệu (dataflow programming), nơi mà các luồng của
dữ liệu quyết định việc thực thi.
Trong LabVIEW, người xây dựng chương trình sử dụng sẽ xây dựng giao diện
người dùng bởi việc kéo các công cụ hay thực thể. Giao diện người dùng được hiểu là
phần khung mà người sử dụng sẽ thao tác. Sau đó người lập trình sẽ thêm các mã
chương trình bằng cách sử dụng các hàm được viết dưới dạng hình ảnh. Và các thành
phần này sẽ được viết trên một giao diện gọi là sơ đồ khối (block diagram).
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LabVIEW là một công cụ mạnh mẽ, tích hợp đầy đủ các hàm phục vụ chuẩn
giao tiếp với các hệ thống thông dụng như: VXI, RS-232, USB, GPIB… LabVIEW
cũng được xây dựng để kết nối với các ứng dụng với các chuẩn của Web hay các nền
tảng ActiveX của Windows.
Sử dụng LabVIEW, người lập trình có thể xây dựng, kiểm tra, đo lường, trao
đổi dữ liệu, điều khiển… Từ việc mô phỏng trên máy tính cá nhân, người lập trình có
thể kiểm tra chất lượng, tốc độ sản phẩm. Sau đó, LabVIEW cho phép người sử dụng
nhúng các chương trình mang tính mô phỏng này lên hệ thống thực tế và thực thi trên
một hệ thống nhúng độc lập.
Các chương trình LabVIEW được gọi là các thiết bị ảo (Virtual InstrumentsVIs). Các thiết bị ảo bao gồm bốn phần chính: sơ đồ khối, khung trước, biểu tượng, và
các ô kết nối.
Người lập trình xây dựng khung trước bằng các khối điều khiển và hiển thị. Các
khối điều khiển có thể là các nút nhấn, thanh trượt, núm xoay… Các hiển thị có thể là
các biểu đồ, dòng text, LEDs, đồng hồ, nhiệt kế. Các khối điều khiển của LabVIEW
được xây dựng với các điều khiển gần giống với thực tế nhất có thể, chúng có nhiệm
vụ cung cấp dữ liệu cho việc xử lý, hỗ trợ người dùng dễ dàng thay đổi dữ liệu. Các
hiển thị có nhiệm vụ hiển thị dữ liệu sau khi xử lý tùy theo mục đích của người dùng.
Sau khi xây dựng khung trước, người lập trình cần xây dựng các thuật toán,
thao tác xử lý trên các sơ đồ khối. Sơ đồ khối của một chương trình bao gồm các biểu
tượng của các đoạn mã, các đầu cuối điều khiển, đầu cuối hiển thị, các cấu trúc điều
khiển, vòng lặp, hằng số, và các dây nối. Dây nối là thành phần quan trọng trong sơ đồ
khối để nối các thành phần lại với nhau. Các thành phần này phải có cùng kiểu dữ liệu
ra-vào.
Các kết nối các thiết bị ảo hỗ trợ việc xây dựng các hàm con (SubVIs). Chúng
có thể được gọi ở các chương trình lớn hơn. Nhưng để sử dụng được các khối này,
người sử dụng cần xây dựng thêm các ô kết nối để định nghĩa kiểu dữ liệu vào ra cho
một hàm con đã xây dựng.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
2.2
Ngôn ngữ lập trình Labview
2.2.1
Môi trường Labview
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
a) Hộp thoại khởi động
Khi mở labview sẽ xuất hiện hộp thoại như khởi động, tại đây người dùng chọn
các ứng dụng cần thiết đối với công việc cần thực hiện.
Hộp thoại sẽ cho người lập trình lựa chọn các tùy chọn chính sau.
- Create Project : tạo một dự án mới.
- Open Existing: mở các tệp hiện tại.
Có hai lựa chọn cần quan tâm và thiết yếu trong khi bắt đầu làm việc với
Labview .
- File
New VI : thiết lập chương trình mới.
Hình 2.3 : Thiết lập chương trình mới.
-
Help
Find Example : tìm các ví dụ.
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.4: Tìm các ví dụ
Được xây dựng một cách đầy đủ và hệ thống các ví dụ. Find Example sẽ giúp người
lập trình tìm được các code có sẵn hướng dẫn một cách nhanh chóng góp phần cho người
mới tiếp cận và xây dựng thuật toán một cách hiệu quả mang tính thực thi cao.
Để tìm được các ví dụ này cần phải tìm kiếm đúng các từ khóa ứng với yêu cầu
của chương trình. Các ví dụ chỉ được tìm thấy khi các Kit đã được cài đặt và khả dụng
trong chương trình.
b) Các vòng lặp, điều kiện trong LabVIEW
Vòng lặp, cấu trúc điều kiện là một thành phần không thể thiếu trong vấn đề lập
trình. Trong LabVIEW các vòng l ặp, điều kiện được tái hiện dưới dạng hình ảnh cấu
trúc. Sử dụng các cấu trúc trong sơ đồ khối giúp lặp lại các tiến trình, điều khiển dựa
vào điều kiện và cho các mục đích đặc biệt khác. LabVIEW có 5 vòng lặp, cấu trúc cơ
bản: vòng lặp While (While Loop), vòng l ặp For (For Loop), c ấu trúc Case (Case
Structure), cấu trúc chuỗi (Sequence Structure), nút cách thức (Formula Node).
Xử lý ảnh và điều khiển xe chạy tự động
Trang 14
