Đo tốc độ xe dựa vào camera giám sát

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là :
Lớp

:

ĐỒNG NGỌC VŨ
08DT4

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ
luật của Khoa.
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2014

Ký tên

Đồng Ngọc Vũ


LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học
Bách khoa Đà Nẵng, đặc biệt là thầy giáo TS. NGUYỄN LÊ HÙNG đã hướng dẫn
tận tình cho em trong suốt thời gian làm đồ án.

MỤC LỤC

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

1.1 Giới thiệu chƣơng………………………….………...………………..………...3
1.2 Tổng quan về video số.………………………………………………..………...3
1.2.1 Khái niệm về video.………………………………………………...….……..3
1.2.2 Tín hiệu Video số..……………………………………………………………4
1.2.3 Chuẩn Video số AVI. ……………………….………………………...……..4
1.3 Tổng quan về camera số ………………………………………………...……...5
1.3.1 Khái niệm về camera số ………………………………………………………5
1.3.2 Các chức năng chính của camera………...………….………………….……..5
1.3.3 Phân loại camera………………………………………………………………6
1.4 Hệ thống camera giám sát…………………………………………...…..………8
1.5 Kết luận chƣơng………………………………………………………..………12
CHƢƠNG 2

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG.

2.1 Giới thiệu chƣơng………………………………………………………..….…13
2.2. Các phƣơng pháp phát hiện đối tƣợng………………………...………………13
2.2.1 Tổng quan về phát hiện đối tƣợng…………………………….……………..13
2.2.2 Phƣơng pháp trừ nền…………………………………………………………14
2.2.2.1 Tổng quan về trừ nền…………………………….………………………...14
2.2.2.2 Giải thuật Frame Difference……………………………………………….15

2.2.2.3 Giải thuật Running Gaussian Average……………..………………………16
2.2.2.4 Giải thuật Codebook……………………………………………………….18
2.2.3 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng Opticalflow……….………………………………..18
2.2.3.1 Tổng quan về ƣớc lƣợng Opticalflow………….…………………………..18


MỤC LỤC

2.2.3.2 Thuật toán Opticalflow…………………………………………………….19
2.3 Theo vết đối tƣợng……………………………..………………………………20
2.3.1 Tổng quan về theo viết đối tƣợng……………………………………………20
2.3.2 Phƣơng pháp phân mảnh vùng (Region Segmentation)…...…………………22
2.3.2.1 Giới thiệu về Region………….……………………………………………22
2.3.2.2 Phân mảnh dựa theo vùng (Region-Based Segmentation………….………23
2.3.2.3 Các hàm phân vùng trong Matlab……………………….…………………23
2.3.3 Bộ lọc Kalman…………………………………………………………….…24
2.3.4 Thuật toán theo vết Mean Shift…………..…………………………………..25
2.4 Xây dựng thuật toán phát hiện và theo vết đối tƣợng chuyển động……..……..26
2.5 Kết luận chƣơng…………………………………………..……………………27
CHƢƠNG 3

XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ĐỐI TƢỢNG CHUYỂN ĐỘNG.

3.1 Giới thiệu chƣơng…………………………………………………..………….28
3.2 Hiệu chỉnh camera để xác đinh vận tốc………..………………………………28
3.2.1 Tổng quan về hiệu chỉnh camera…………………………………………….28
3.2.2 Phân loại………………………………….…………………………………..29
3.2.3 Các phƣơng pháp hiệu chỉnh camera……….……………………………..…29
3.2.4 Hiệu chỉnh Camera…………………………….…………………………..…32
3.3 Xây dựng thuật toán xác định vận tốc……………………………………….…36

3.3.1 Giới thiệu…………………………………………………………………….36
3.3.2 Phƣơng pháp tính khoảng cách…………………..………………………..…36
3.3.3 Thuật toán xác định vận tốc của đối tƣợng chuyển động ……………………37
3.4 Kết luận chƣơng………………………………………..………………………38


MỤC LỤC

CHƢƠNG 4

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH VẬN TỐC XE MÁY

4.1 Giới thiệu chƣơng…………………………………..……………………….…39
4.2 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình……………………..………………………….39
4.3 Cài đặt chƣơng trình.……………………..…………………….………………40
4.3.1 Yêu cầu hệ thống.…………………………………………………………….40
4.3.2 Hiệu chỉnh Camera………………………..……………………………….…41
4.4 Kết quả mô phỏng xác định vận tốc……………………………………………46
4.5 Kết luận chƣơng………………………………….…………………….………53
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI…………..……………………55
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………….………………57
PHẦN PHỤ LỤC………………………………………..…………………………59


Danh mục

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ

Từ viết tắt

ATM

Automated teller machine

AVI

Audio Video Interleave

Camshift

Continue Adaptive Meanshift

CCD

Charge Couple Device

CF

CompactFlash

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

DVR

Digital Video Recorder

JPEG

Joint Photographic Experts Group

JPG

Joint Photographic Group

MMC

Multimedia Card

NVR

Network Video Recorder

PTZ

Pan, Tilt, Zoom

SD

Secure Digital


Danh mục

DANH MỤC BẢNG
Số
hiệu

Tên bảng

Trang

bảng
2.1

Bảng so sánh hai hướng tiếp cận.

23

2.2

Bảng giá trị sử dụng trong hàm bwconncomp.

24

2.3

Bảng kết quả trả về của hàm bwconncomp.

24

3.1

Mô tả các phương pháp hiệu chỉnh camera.

30

4.1

Kết quả truy xuất vết đối tượng của phương pháp trừ nền.

49

4.2

Khoảng cách di chuyển dist giữa các frame.

51


DANH MỤC HÌNH
Tên hình

Số

Trang

1.1

Cấu trúc phân đoạn của video.

3

1.2

Chuỗi các ảnh trong video số.

4

1.3

Một số loại camera.

5

1.4

Mô hình hệ thống camera quan sát Analog.

9

1.5

Mô hình hệ thống camera quan sát IP.

10

1.6

Mô hình hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và IP.

11

2.1

Tổng quan các khối xử lý trong phát hiện đối tượng.

13

2.2

Kết quả thực hiện thuật toán Frame Difference.

16

2.3

Kết quả thực hiện thuật toán Running Gaussian Average.

17

2.4

Kết quả thực hiện thuật toán Codebook.

18

3.1

Độ chính xác của đo lường tọa độ 3D.

31

3.2

Độ chính xác của đo lường tọa độ 2D.

31

3.3

Bàn cờ dùng cho hiệu chỉnh camera.

33

3.4

Mô hình của hệ thống Camera Calibration.

33

3.5

Tọa độ điểm p.

34

4.1

Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc.

39

4.2

Lưu đồ thuật toán phương pháp trừ nền .

40

4.3

Giao diện công cụ hiệu chỉnh camera.

41

4.4

Các ảnh mẫu được nạp.

42

4.5

Kết quả tìm góc hình chữ nhật của hình mẫu thứ nhất.

44

4.6

Kết quả tìm góc chữ nhật kèm theo trục x-y.

44

4.7

Kết quả hiệu chỉnh camera.

45

4.8

Phần mềm GOM Player.

47

4.9

Phần mềm Xilisoft Video Converter Ultimate.

47

4.10

Hình nền mẫu tham chiếu trong phương pháp trừ nền.

48

4.11

Thể hiện các frame trong video.

51


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
Bước vào cuối thế kỷ XX, đặc biệt là đầu thế kỷ XXI với sự phát triển không
ngừng của khoa học công nghệ, nhiều loại thiết bị máy móc được ra đời, lượng

thông tin mà con người cần trao đổi hay lưu trữ là rất lớn, con người cần có quá
trình xử lý và lưu trữ để phục vụ cho việc trao đổi thông tin. Lĩnh vực xử lý ảnh
cũng là một công việc mà cần đòi hỏi sự phát triển không ngừng nghỉ. Hiện nay, có
rất nhiều các công cụ hỗ trợ để việc xử lý ảnh có hiệu quả hơn, có tính bảo mật tốt
hơn, mà còn có nhiều ứng dụng được áp dụng vào thực tiễn đời sống con người.
Không chỉ dừng lại ở công việc xử lý các vết nhòe, tái chế và phục hồi những tấm
ảnh đã bị hư hỏng mà hiện nay lĩnh vực xử lý ảnh được phát triển nhiều ứng dụng
đã mang lại những tiến bộ vượt bậc như nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng vân tay,
nhận dạng các đối tượng chuyển động… Việc tiếp thu và phát triển các ứng dụng
vào thực tiễn là rất quan trọng.
Ngày nay, việc áp dụng camera vào đời sống có ý nghĩa rất thực tiễn. Nó giúp
con người tiết kiệm được thời gian nhưng vẫn có thể quan sát được các công việc,
các vị trí quan trọng. Có ý nghĩa quan trọng trong việc trợ giúp cảnh sát theo dõi các
phương tiện tham gia giao thông tại các nút điểm giao thông, quản lý các phương
tiện mà không cần tham gia trực tiếp, từ đó giúp phát hiện ra các phương tiện giao
thông vi phạm luật giao thông.
Ở Việt Nam, vấn đề về giao thông luôn là vấn đề nan giải. Lượng người và
phương tiện tham gia giao thông là rất lớn và đa chủng loại, bên cạnh đó ý thức
tham gia giao thông của hầu hết người là còn yếu kém. Chỉ lực lượng cảnh sát thì
không thể quản lý tốt được, do vậy việc sử dụng các camera giám sát giao thông là
rất cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn. Ở nước ta, các công trình giao thông đang phát
triển, đặc biệt là các hầm đường bộ, việc ứng dụng camera giám sát là quan trọng vì
cảnh sát giao thông dừng xử lý các phương tiện vi phạm ngay trong hầm là điều
không thể.
.

1


LỜI MỞ ĐẦU

Vì vậy việc xác định vận tốc của xe là dựa vào video đã được ghi lại phục vụ cho
mục đích xử lý và quản lý tốc độ của các phương tiện tham gia giao thông tại các
nút giao thông, trong các hầm đường bộ, góp phần vào việc làm giảm các tai nạn
giao thông do vượt quá tốc độ. Và đây là ý tưởng cho em tìm hiểu và thực hiện đề
tài này : “Đo tốc độ xe dựa vào camera giám sát”.
Nội dung đồ án : bao gồm 4 chương, trình bày về vấn đề xác định vận tốc xe
trong hầm đường bộ dựa trên dữ liệu video thu được từ camera.
 Chương 1 : Giới thiệu về video và camera giám sát.
Chương này trình bày các khái niệm về video số, khái niệm, các tính năng chính
của camera và ứng dụng của hệ thống camera quan sát vào thực tế.
 Chương 2 : Phát hiện và theo vết đối tượng.
Chương này trình bày một số phương pháp cơ bản để xác định đối tượng đó là
phương pháp trừ nền và opticalflow, và phương pháp theo vết đối tượng là phân
mảnh vùng.
 Chương 3 : Xác định vận tốc của đối tượng chuyển động.
Chương này tìm hiểu về các công cụ hiệu chỉnh camera, và phương pháp xác
định vận tốc đối tượng.
 Chương 4 : Kết quả mô phỏng xác định vận tốc xe máy.
Đây là chương trọng tâm của đồ án, trình bày các bước cài đặt chương trình,
chạy mô phỏng trong trình trên phần mềm Matlab. Đánh giá kết quả thu được và
nêu nhận xét về các ưu điểm, nhược điểm.
Em xin chân thành cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện, cám ơn sự dạy bảo tận
tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông, và đặc biệt là TS NGUYỄN
LÊ HÙNG đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng nội dung đồ án này vẫn còn nhiều thiếu sót
cần phải khắc phục và phát triển thêm nữa, mong quý thầy cô và các bạn đọc góp ý
thêm cho em.

2

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG
Chƣơng này trình bày các khái niệm tổng quát về nhƣ thế nào là tín hiệu video
số, các chuẩn video thông dụng, và sử dụng chuẩn video cho đề tài là .AVI. Giới
thiệu về camera số, các chức năng chính của camera mà ngƣời sử dụng cần biết và
sử dụng các tính năng đó. Bên cạnh đó là phân loại các camera, các hệ thống
camera quan sát đƣợc sử dụng trong thực tế.
1.2 TỔNG QUAN VỀ VIDEO SỐ
1.2.1 Khái niệm về 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, không 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 ngữ nghĩa hoặc tình tiết.

Hình 1.1 Cấu trúc phân đoạn của 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, đƣợc sắp
xếp theo chiều thời gian. Video còn đƣợc 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
không gian, còn t là biến thời gian. Xét về mặt vật lý, ở cấp thấp nhất, video tồn tại
dƣới dạng các tín hiệu. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thu đƣợc ta có 2 loại video khác
3


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

nhau: video tƣơng 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.
1.2.2 Tín hiệu Video số
Tín hiệu video số đƣợc lƣu trữ dƣới dạng số, do đó chúng đƣợc lấy mẫu và
lƣợng tử hóa. Tín hiệu video số là một thông tin 3 chiều gồm 2 chiều không gian và
1 chiều thời gian hay còn gọi là chuỗi ảnh số với mỗi ảnh số là một ảnh đƣợc lấy
mẫu và lƣợng tử hóa.

chiều dọc
chiều thời gian

chiều ngang
Hình 1.2 Chuỗi các ảnh trong Video số


Ƣu điểm
Tín hiệu video số có thể chỉnh sửa, tạo các hiệu ứng. Video số không chỉ có vai

trò giải trí mà nó còn cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin quan trọng trong nhiều
lĩnh vực nhƣ là các ảnh giám sát quân sự, điều khiển giao thông, và trích thông tin
từ các video và ảnh.


Nhƣợc điểm
Nhƣợc điểm của video số đó là nó đòi hỏi khối lƣợng lƣu trữ lớn và băng thông

rộng để truyền tải. Do đó hiện nay ngƣời ta đang nghiên cứu các phƣơng pháp nén
video để giảm kích thƣớc của nó.
1.2.3 Chuẩn Video số AVI

4


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

AVI (Audio Video Interleave) là một đa phƣơng tiện định dạng container của
Microsoft đƣợc giới thiệu vào tháng 1 năm 1992. AVI là tệp tin có thể chứa cả âm
thanh, video dữ liệu trong cùng một container cho phép đồng bộ tập tin âm thanh
với video.
Đây là một trong những định dạng video chuẩn và đƣợc ứng dụng khá rộng rãi
nên đồ án này em chọn định dạng AVI để làm định dạng cho các tệp tin video xử lý,
vì thế khi đề cập đến video tức là đề cập đến video số có định dạng AVI.
1.3 TỔNG QUAN VỀ VIDEO SỐ
1.3.1 Khái niệm về camera số
Camera là một thiết bị ghi hình, có thể ghi lại hình ảnh, có thể chụp lại khung
cảnh đƣợc theo dõi trong một khoảng thời gian nào đó. Với chức năng cơ bản là ghi

hình, nó đƣợc ứng dụng rộng rãi rất nhiều trong nhiều lĩnh vực, rất nhiều ở các vị trí
khác nhau để phục vụ mục đích chính là theo dõi, quan sát trong một thời gian dài.
Với các địa điểm rộng, nhƣ là các nhà máy, cơ quan, xí nghiệp thì sẽ sử dụng hệ
thống camera thay vì sử dụng camera đơn lẻ.

Hình 1.3 Một số loại camera
1.3.2 Các chức năng chính của video.

5


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

 Độ phân giải: Nếu máy ảnh chỉ để chụp và lƣu lại trong máy tính hay gởi
e-mail thì bất kỳ máy ảnh số ở độ phân giải nào cũng có thể thực hiện đƣợc. Nhƣng
đối với những máy ảnh có độ phân giải cao thì có thể in ảnh khổ lớn, có thể in khổ
nhỏ hoặc in một phần mà vẫn giữ đƣợc độ sắc nét.


Độ zoom của thấu kính: Camera giá thành thấp thƣờng thiếu các thấu kính

zoom quang. Nếu phải lựa chọn giữa máy ảnh có chức năng zoom quang tốt hơn và
một máy ảnh có độ phân giải cao thì nên chọn cái đầu tiên. Máy ảnh có zoom quang
tốt hơn sẽ thuận tiện hơn trong việc phóng to các chi tiết nhỏ. Chú ý phân biệt giữa
zoom quang học và zoom số bởi vì các nhà quảng cáo sản phẩm thƣờng kết hợp hai
loại zoom này với nhau để tạo ra sản phẩm đƣợc quảng cáo có độ zoom rất lớn.


Trọng lƣợng, kích thƣớc và thiết kế: Hiện nay có xu hƣớng ngƣời sử dụng

thích những máy ảnh có trọng lƣợng nhỏ khoảng từ 130g đến gần 200g. Kích thƣớc
máy ảnh số nhỏ là cần thiết, nhƣng việc điều chỉnh các nút bấm hay các chức năng
điều chỉnh sẽ gặp nhiều khó khăn.


Thẻ nhớ: Thẻ nhớ của máy ảnh có nhiều loại nhƣ Compactflash (CF),

Secure Digital (SD), Smartmedia, Multimedia Card (MMC)…và các hãng thƣờng
hỗ trợ những loại thẻ nhớ khác nhau cho mỗi dòng sản phẩm của mình.


Thiết lập chế độ phơi sáng: Tất cả các camera số thông thƣờng luôn đƣợc

mặc định ở chế độ tự động hoàn toàn. Các loại máy ảnh số cao cấp phải có thêm chế
độ mở thấu kính và chế độ phơi sáng ƣu tiên.


Trình đơn (menu): Khi đánh giá camera, ngƣời sử dụng cũng nên quan tâm

đến các chức năng thiết lập nhƣ: Độ phân giải, chế độ marco, điều chỉnh phơi sáng,
xem lại hình đã chụp có dễ dàng hay không.


Hiển thị LCD: Một màn hình LCD đạt yêu cầu phải thực hiện đƣợc trung

thực bức ảnh vừa chụp để ngƣời chụp có thể đánh giá và phải thể hiện đƣợc chế độ
phơi sáng thiết lập đã thích hợp hay chƣa. Chất lƣợng màn hình có thể thay đổi tùy
thuộc vào điều kiện sáng bên ngoài nhƣ bị mờ dƣới ánh mặt trời, nổi hạt dƣới ánh

sáng yếu.
1.3.3 Phân loại camera

6


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

Có 3 cách để phân loại camera
 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh
- Camera Analog: Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu vector
màu. Hiện nay ít sử dụng camera analog.
- Camera CCD (Charge Couple Device): Sử dụng kỹ 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 đƣa vào các bộ xử lý. CCD thu nhận
hình ảnh thông qua các hệ thống của camera. CCD có hàng ngàn điểm ảnh sẽ
chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và đƣợc số hóa. Đây là một quá trình
chuyển đổi tƣơng tự số.
Các thông số kỹ thuật của camera CCD là đƣờng chéo màn hình cảm biến (tính
bằng inch). Kích thƣớc màn hình cảm biến càng lớn thì chất lƣợng càng tốt.
- Camera CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): CMOS có
nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Loại Camera này cho hình ảnh sắc
nét tuy nhiên giá thƣờng khá cao.
Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS có ƣu điểm rất rõ rệt so với Camera
Analog về độ rõ nét và chất lƣợng hình ảnh.


Phân loại theo kỹ thuật đƣờng truyền

- Camera có dây: có ƣu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt,

truyền tín hiệu trên dây đồng trục khoảng 75ohm - 1Vpp, dây C5. Khi truyền với
khoảng cách xa hơn 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu đƣờng
truyền suy hao, dẫn đến chất lƣợng hình ảnh không tốt.
- Camera không dây: có ƣu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây,
tuy nhiên nó có hệ số an toàn không cao bởi nó sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín
hiệu nên sóng của nó dễ bị thu hoặc dễ bị nhiễu bởi các nguồn sóng khác. Camera
không dây đƣợc sử dụng để lắp đặt tại các khu vực có địa hình phức tạp. Đối với
khoảng cách xa hàng ngàn mét cần phải sử dụng các thiết bị đặc biệt hoạt động ở
tần số cao và giá thành đắt.

7


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

- Camera mạng (IP camera): đƣợc kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh
và điều khiển đƣợc truyền qua mạng vì thế ngƣời dùng có thể điều khiển và giám
sát ở bất cứ đâu thông qua mạng Internet.


Phân loại theo chức năng
- Camera cáp trần: có nhiều hình dạng, kích thƣớc khác nhau. Đây là loại

camera thƣờng đƣợc đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã và có tính năng bảo mật
cao do đƣợc bọc trong hộp kín.
- Camera ẩn: có nhiều hình dạng và kích thƣớc khác nhau rất khó để nhận biết

đƣợc. Nó đƣợc dùng khi ngụy trang để tránh bị phát hiện. Tuy nhiên, khi sử dụng
camera này cần phải đảm bảo tính hợp pháp.
- Box camera: là loại camera truyền thống, thƣờng đƣợc sử dụng trong siêu thị.
Đây là loại camera có giá thành rẻ. Camera đƣợc bảo vệ trong hộp để bảo vệ trƣớc
tác động phá hoại hay điều kiện môi trƣờng.
- Camera PTZ (Pan, Tilt, Zoom): Camera với tính năng hỗ trợ quét dọc, quét
ngang, phóng to, thu nhỏ, cho phép kết nối với hệ thống cảm ứng và cảnh báo để
phát hiện đối tƣợng di chuyển trong vùng hoạt động của nó. Camera có thể lập trình
để hoạt động, nên có thể làm tất cả công việc.
- Camera có khả năng quan sát đêm: Khoảng cách quan sát của camera tùy
thuộc vào công suất của đèn hồng ngoại, khoảng cách quan sát của camera dao
động khoảng 10 ÷ 300m.
1.4 Hệ thống Camera quan sát
Với sự phát triển của kinh tế hiện nay, sự phát triển chóng mặt về cơ sở hạ
tầng, sự phát triển của giao thông, lƣợng phƣơng tiện giao thông rất lớn. Do đó, việc
sử dụng hệ thống camera là việc quan trọng. Ở các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp,
văn phòng, khu dân cƣ, nhà hàng, khách sạn…v.v việc lắp đặt hệ thống camera
giám sát, giúp theo dõi, quản lý đƣợc các công việc diễn ra hằng ngày. Hệ thống
camera giúp ngƣời sử dụng kiểm soát đƣợc không gian và thời gian, tiết kiệm đƣợc
chi phí và có thể lƣu trữ đƣợc.

8


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

Giải pháp camera quan sát hiện nay sử dụng hai công nghệ chính là Camera
quan sát công nghệ Analog (gọi tắt là Camera Analog) và Camera quan sát công

nghệ IP (gọi tắt là Camera IP). Đặc điểm phân biệt chính của hai hệ thống Camera
quan sát này nhƣ sau:
 Hệ thống camera quan sát Analog:
Trong ứng dụng camera quan sát analog truyền thống, các camera bắt tín hiệu
hình ảnh analog và truyền tín hiệu analog này đi trên cáp đồng trục để đến đầu ghi
hình kỹ thuật số (gọi tắt là DVR). Mỗi camera có thể đƣợc hỗ trợ cấp nguồn hoạt
động bằng cách cung cấp nguồn DC trực tiếp ngay tại camera hoặc bằng cách sử
dụng bộ chuyển đổi cấp nguồn và tín hiệu chung trên cáp CAT5e. Các tính năng
thông minh đƣợc tích hợp vào DVR để xử lý những việc nhƣ lập kế hoạch ghi hình,
phát hiện chuyển động, zoom kỹ thuật số, ... Màn hình quan sát đƣợc kết nối trực
tiếp với DVR, hoặc nó có thể đƣợc thiết lập để truyền tín hiệu đi trên một mạng nội
bộ hoặc mạng Internet để xem trên máy tính, điện thoại smartphone. Khi tín hiệu
truyền qua môi trƣờng mạng nội bộ hoặc Internet, tín hiệu video của tất cả các
camera đƣợc truyền đi chung theo một luồng dữ liệu – video stream (với cùng một
địa chỉ IP). Ngoài ra DVR còn thực hiện việc nén các tín hiệu camera nhằm giảm
tối thiểu băng thông của luồng dữ liệu khi truyền đi trên mạng IP, vì vậy, nó rất hiệu
quả trong việc tiết kiệm băng thông.

Hình 1.4 Mô hình hệ thống camera quan sát Analog

9


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

 Hệ thống camera quan sát IP:
Trong thế giới IP, mỗi IP camera cũng sẽ bắt tín hiệu hình ảnh analog nhƣng
ngay lập tức nó chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số ngay bên trong camera. Một số

xử lý kỹ thuật số có thể xảy ra ngay khi vào camera, ví dụ nhƣ nén và phát hiện
chuyển động,… Hình ảnh video kỹ thuật số này sau đó đƣợc truyền đi qua mạng IP
bằng cách sử dụng giao tiếp Ethernet (CAT5). Việc cung cấp nguồn điện cho
camera có thể đƣợc cấp trực tiếp từ nguồn DC hoặc có thể đƣợc cấp thông qua cáp
ethernet bằng công nghệ Power-Over-Ethernet (PoE). Nhƣ vậy giống nhƣ với tất cả
các thiết bị mạng, mỗi IP Camera sẽ yêu cầu phải thiết lập một địa chỉ IP riêng cho
nó và các thuộc tính nhận dạng liên quan khác.
Phần mềm quản lý đƣợc yêu cầu cài trên máy tính mà bạn muốn giám sát hình
ảnh của các Camera IP. Một máy tính công suất cao đƣợc thiết lập với phần mềm
quản lý thích hợp để ghi lại toàn bộ các hình ảnh quan sát của hệ thống Camera IP.
Hoặc có thể là một thiết bị ghi hình mạng thực hiện chức năng lƣu trữ và giám sát
chung cho hệ thống camera IP của nhà cung cấp (gọi tắt là NVR – Network Video
Recorder). Thông thƣờng phần mềm giám sát cài trên PC hoặc NVR sẽ phải cùng
nhà sản xuất với Camera IP do sự chƣa thống nhất trong các chuẩn sản xuất của các
nhà cung cấp khác nhau.

Hình 1.5 Mô hình hệ thống camera quan sát IP
Các tín hiệu camera IP đƣợc truyền đi qua Internet cũng tƣơng tự với cách
mà một tín hiệu DVR thực hiện. Tuy nhiên, mỗi một Camera IP là một luồng tín

10


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

hiệu riêng biệt và có địa chỉ IP hoặc cổng riêng của mình. Điều này có thể ảnh
hƣởng rất nhiều đến băng thông sử dụng khi quan sát từ xa.


Hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và Ip:

Một giải pháp tốt hơn có thể đƣợc sử dụng để giải quyết vấn đề trên là giải
pháp kết hợp giữa việc sử dụng công nghệ analog và IP. Giải pháp kết hợp các lợi
ích và lợi thế của công nghệ giám sát analog và kỹ thuật số. Phƣơng pháp này cho
phép bạn sử dụng một sự kết hợp của camera analog và camera IP, đầu ghi hình kỹ
thuật số (DVR), và máy chủ camera IP. Giải pháp mạnh mẽ này là hoàn hảo cho các
doanh nghiệp lớn và mở rộng nhƣ chuỗi nhà hàng, các tòa nhà y tế, trƣờng học,
hoặc văn phòng lớn hay môi trƣờng công nghiệp.

Hình 1.6 Mô hình hệ thống camera quan sát kết hợp Analog và IP
 Đánh giá, lựa chọn giữa hai loại camera
-

Điểm khác nhau chủ yếu giữa camera analog và camera IP chính là ở phƣơng

pháp tín hiệu hình ảnh đƣợc truyền tải và nơi hình ảnh đƣợc nén hoặc đƣợc mã
hóa.
-

Camera analog có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với camera IP vậy nên chúng

đƣợc sử dụng rất phổ biến tuy nhiên camera IP lại có lợi thế khi là một thiết bị
mạng, dễ dàng lắp đặt và cấu hình hơn so với camera Analog.
11


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VIDEO VÀ CAMERA GIÁM SÁT

Vì vậy sử dụng camera IP hay camera Analog sẽ tuỳ thuộc vào từng nhu cầu
cụ thể của mỗi khách hàng.
1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG
Trong chƣơng mở đầu này, chúng ta đã tìm hiểu đƣợc tổng quát về video số
và camera giám sát. Nhận định đƣợc tầm quan trọng của camera, việc sử dụng
camera giám sát vào thực tiễn là tối quan trọng, phục vụ cho việc quan sát, theo
dõi những không gian, địa điểm cần thiết. Bên cạnh đó, việc ghi lại các video
giám sát, có ý nghĩa về mặt giữ gìn an ninh trật tự. Qua chƣơng giới thiệu này, ta
có cái nhìn tổng quát về video số, camera giám sát, tạo tiền đề cho các chƣơng
tiếp theo.

12


CHƢƠNG 2

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG

CHƢƠNG 2

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG

2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG
Chƣơng này tập trung tìm hiểu thế nào là phát hiện và theo vết đối tƣợng chuyển
động trong video. Tìm hiểu một số phƣơng pháp phát hiện và theo vết đối tƣợng đó
là phƣơng pháp trừ nền, phƣơng pháp ƣớc lƣợng optical flow. Đối với mỗi phƣơng
pháp, ta đi tìm hiểu các khái niệm, các tính chất, đặc biệt là các giải thuật cụ thể cho
từng phƣơng pháp. Nêu các ƣu điểm, nhƣợc điểm của các giải thuật của từng

phƣơng pháp. Đối với phần theo vết đối tƣợng, ta tìm hiểu các thuật toán đƣợc dùng
rộng rãi trong việc theo vết đối tƣợng chuyển động, tập trung vào thuật toán phân
mảnh vùng.
2.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ĐỐI TƢỢNG CHUYỂN ĐỘNG
2.2.1 Tổng quan về phát hiện đối tƣợng chuyển động
Phát hiện đối tƣợng chuyển động là quá trình đƣa ra vết các đối tƣợng chuyển
động từ các khung hình video. Quá trình này thực chất là quá trình xử lý chuỗi ảnh
liên tiếp trong một đoạn video để phát hiện ra các đối tƣợng chuyển động.
Các khung hình video (các frame từ video).

Phát hiện các vùng ảnh nổi
(Foreground Detection)

Xử lý các vùng ảnh nôi.
(Foreground Processing)

Các đối tƣợng chuyển động, các tính chất của chúng
Hình 2.1 Tổng quan các khối xử lý trong phát hiện đối tượng

13


CHƢƠNG 2

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG

Phát hiện đối tƣợng chuyển động trong video là một trong các bài toán đƣợc
nghiên cứu rộng rãi và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay. Phần lớn các
đối tƣợng đƣợc phát hiện dựa vào thông tin có trong một frame ảnh. Hiện nay có rất
nhiều hƣớng tiếp cận để giải quyết bài toán này nhƣ là phát hiện đối tƣợng dựa trên

điểm(point detectors), dựa trên việc phân đoạn(segmentation), dựa trên việc dùng
phƣơng pháp trừ nền hay dựa vào phƣơng pháp ƣớc lƣợng optiacal flow. Tuy nhiên
việc lựa chọn phƣơng pháp thì dựa vào tình huống cụ thể. Và trong luận văn này thì
dữ liệu video thu đƣợc cần đƣợc xử lý theo thời gian thực vì thế việc phát hiện đối
tƣợng bằng các phƣơng pháp trừ nền và phƣơng pháp ƣớc lƣợng optical flow là
những phƣơng pháp thích hợp.
2.2.2 Phƣơng pháp trừ nền.
2.2.2.1 Tổng quan về trừ nền
Trong những ứng dụng về thị giác máy tính, vấn đề cơ bản nhất là làm thế nào
để phát hiện đƣợc các đối tƣợng chuyển động trong video và biết đƣợc đâu là phần
nền không thay đổi (background). Để giải quyết đƣợc vấn đề này thì ta dùng
phƣơng pháp trừ nền, là một trong những phƣơng pháp cơ bản nhất .
Ý tƣởng chung của các phƣơng pháp trừ nền là: Để phát hiện ra đƣợc các đối
tƣợng chuyển động trong video chúng ta phải có đƣợc mô hình nền (background
model). Mô hình này có thể đƣợc học qua nhiều frame ảnh nếu nền bị thay đổi,
ngƣợc lại ta có thể chọn một nền có sẵn nếu nền không bị thay đổi. Sau đó ta sẽ
nhận biết đƣợc đâu là phần nền, đâu là phần chuyển động.
Phƣơng pháp trừ nền là phƣơng 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 đƣợc cho các ứng
dụng đòi hỏi xử lý thời gian thực hơn so với các phƣơng pháp khác. Tuy nhiên
phƣơng pháp này sẽ cho kết quả không cao trong các trƣờng hợp:

14


CHƢƠNG 2

-

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG

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 hƣởng bởi độ sáng từ ánh sáng mặt trời

-

Thay đổi về chuyển động khi Camera lung lay hoặc các đối tƣợng nền dao
động với tần suất cao (bị ảnh hƣởng bởi gió, ngƣời….).

-

Thay đổi về thành phần cấu tạo nền

Hiện nay có khá nhiều giải thuật khác nhau về trừ nền và trong phạm vi của luận
văn này em tập trung nghiên cứu 3 giải thuật : Frame Difference, Running Gaussian
Average và Codebook.
2.2.2.2 Giải thuật Frame Difference
Ý tƣởng chính trong giải thuật Frame Difference là các đối tƣợng chuyển động
sẽ đƣợc phát hiện dựa trên sự khác biệt giữa hai frame ảnh liên tiếp nhau cùng với
một ngƣỡng đƣợc chọn trƣớc. Giải thuật trên đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp trừ
hai frame liên tiếp, đối với mỗi giá trị pixel kết quả so sánh tại pixel đó với ngƣỡng
đã đƣợc chọn. Nếu giá trị này nằm trong ngƣỡng cho phép thì tại đó ta xem là
nền(background), và ngƣợc lại là phần chuyển động(foreground).

F
Trong đó:

F

t 1

F

t

t 1

 F t  th

(2.1)

: frame thứ t+1.

: frame thứ t.

th : ngƣỡng đƣợc chọn và độ chính xác của thuật toán phụ thuộc
vào giá trị ngƣỡng này.

15


CHƢƠNG 2

PHÁT HIỆN VÀ THEO VẾT ĐỐI TƢỢNG

Hình 2.2 Kết quả thực hiện thuật toán Frame Difference
 Ƣu điểm:
-

Dễ cài đặt, tốc độ thực thi nhanh và tốn ít bộ nhớ.

-

Thuật toán chạy chính xác trong trƣờng hợp các đối tƣợng di chuyển liên tục
và nền tĩnh.

 Nhƣợc điểm:
-

Độ chính xác của thuật toán tƣơng đối thấp khi nền thay đổi liên tục.

-

Thuật toán chỉ xác định phần chuyển động chính xác với những điểm biên
của đối tƣợng. Đối với những điểm ảnh bên trong long đối tƣợng(các đối
tƣợng chiếm số pixel lớn) do sự dịch chuyển của những điểm ảnh này là
không đáng kể do đó sẽ bị xem là phần nền.

Trong trƣờng hợp khi một đối tƣợng ngừng chuyển động trong một khoảng thời
gian thì nó cũng có thể đƣợc xem là nền.
2.2.2.3 Giải thuật Running Gaussian Average
Phƣơng pháp này đƣợc Wren, Azarbayejani, Darrell và Pentland đƣa ra vào
năm 1997. Phƣơng pháp này đặt một phân phối Gaussian G(  ,  ) lên sự biến thiên
giá trị của mỗi pixel trong đoạn video.Ví dụ, với một dãy frame từ F1 tới Fn, ta xét

16