Tải bản đầy đủ (.pdf) (74 trang)

Xác định vùng tìm kiếm trên hình ảnh địa hình và ứng dụng (LV thạc sĩ)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.79 MB, 74 trang )

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Nguyễn Thị Chuyên

XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA
HÌNH VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, 2017


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Nguyễn Thị Chuyên

XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA HÌNH
VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60. 48. 01. 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:


TS. NGUYỄN VĂN HUÂN

Thái Nguyên, 2017


i

LỜI CẢM ƠN

T


TS. N

yễ V

H â –T

Đ

yề

C



.M
â

y


ế nên

k

E

k

ns
k

y



n còn

ếu sót.

ế

â

y TS. Nguyễn Văn Huân


y
.


E
Đ

ế
C

G





yề

T y
T y

y

kế
y

â

T

y

y


.

X

è
ũ



ổ ũ
k ó

.


ii

LỜI CAM ĐOAN

T

ộ ộ
ế

ó

y


k


y



. Nộ






Nộ
không sao

y
é



.
ũ

.

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Chuyên



iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................ v
DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ......................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
C

1 ................................................................................................................ 3

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM
................................................................................................................................ 3
1.1. K



1.1.1. X

ý

ý

...................................................................................... 3

.................................................................................................... 4

1.1.2. C


ý

1.1.3. Mộ



1.2. C
C

........................................................ 6

.............................................................................. 8



kế

............................................. 10

2 MỘT SỐ KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM ...................... 12
2.1. P

C

2.1.1. N

y

2.2. Kỹ


y ........................................................................................ 12

ý

2.1.2. M

.......................................................................... 12
........................................................................................ 12

S

2.3. T

C

ý
ý

1.3. Tổ

........................................................... 4

................................................................................................ 13
â

2.4. Kỹ

H


2.5. Kỹ

T

T

................................................................ 14

............................................................................................... 17
k

........................................................................................... 18

3 MÁY AY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ QUY TRÌNH XỬ LÝ TÌM

KIẾM VÙNG AN TOÀN ..................................................................................... 22


iv

3.1. K





3.1.1. L




3.1.2. V
3.2. P â

UAV ..................................................................... 22

k

UAV .................................................. 23

UAV ................................................................................................ 24

3.3. T
3.3.1 P

ể UAV ở


y

y

3.3.2. N
3.4. Mộ
3.5. Q y

3.5.3. Tìm

ởVệ N



y

ý

y

....................................... 29
................................................... 29

yk

................................. 31

kế

ý

............................................... 33
....................................................................... 35

3.5.1. T
3.5.2. T ề

UAV ................................... 22

.............................................................................. 35
ý ................................................................................................. 36
C

y.................................................................................. 42


3.5.4. X

........................................................................ 43

3.5.5. L

................................................................... 47

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................... 49
4.1. C



4.2. Kế

ệ .................................................... 49


............................................... 52

4.2.1. Kế

k

1 ............................................................................. 52

4.2.2. Kế

k


2 ............................................................................. 56

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 62


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

UAV

Unmanned Aerial Vehicles

SLZ

Safe Landing Zone

MALE

Medium Altitude Long Endurance

MAV

Micro Aerial Vihicles

VTOL

Vertical Take-Off and Landing


ULE

Ultra Long Endurance

DF

Dragon Fly

UCAV

Unmanned Combat Aerial Vehicles


vi

DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 1. 1: Quá trình x lý nh .................................................................................... 4
H

1. 2: C

Hình 2. 1: Biế
Hình 2. 2: C
H

2. 3: H

n chính trong x lý nh. ......................................................... 4
ổ H


ng thẳng............................................................. 17
õ

i

ng. ...................................................... 20

c c a bộ l c Kalman .................................................................... 21

Hình 3. 1: Global Hawk RQ4 (Northrop Grumman) ................................................ 25
Hình 3. 2: Predator MQ-1 trang b tên l a ch

H

f

................................ 26

Hình 3. 3: UAV Aerosonde ....................................................................................... 26
Hình 3. 4: UAV Cam-Copter S-100 .......................................................................... 27
Hình 3. 5: UAV Cypher ............................................................................................ 27
Hình 3. 6: UAV Pointer ............................................................................................ 28
Hình 3. 7: UAV Micro Bat ........................................................................................ 29
Hình 3. 8: M c tiêu bay M94 .................................................................................... 30
Hình 3. 9: M c tiêu bay M96-A ................................................................................ 30
Hình 3. 10: M c tiêu bay M100 ................................................................................ 31
Hình 3. 11: M c tiêu bay M100-CT ......................................................................... 32
Hình 3. 12: M c tiêu bay M400-CT ......................................................................... 32
Hình 3. 13: Quy trình tìm kiếm vùng h cánh an toàn cho UAV ............................. 34

Hình 3. 14: Quy trình x lý nh tìm kiếm vùng an toàn ........................................... 35
Hình 3. 15: Ả

u vào ........................................................................................... 36

Hình 3. 16: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t

( )

v i Sobel k ch b n 2 .................................................................................................. 38
Hình 3. 17: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t

( )

v i Sobel k ch b n 1. ................................................................................................. 38
Hình 3. 18: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t

( )

v i Laplace k ch b n 2 .............................................................................................. 39
Hình 3. 19: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t

( )

v i Blur k ch b n 2 .................................................................................................... 41


vii

Hình 3. 20: Kết qu khi s d ng Canny v


ng (50,50) (a) và (50,100)

(b) l c GaussianBlur ................................................................................................. 42
Hình 3. 21: Kết qu khi s d ng Canny v

ng (50,50) (a) và (50,100)

(b) l c Blur ................................................................................................................ 43
Hình 3. 22: Các vùng an toàn th c tế ........................................................................ 44
H

3. 23: S

ồ tìm v trí an toàn kh thi............................................................... 44
∆=0.1 ............................................................... 45

Hình 3. 24: Kết qu th nghiệm v

Hình 3. 25: Kết qu th c hiện thu t toán tìm các v trí an toàn kh
k ch b

1

( )

ng h p k ch b n 2 v

( )


ng h p

∆=0.3. ................................................. 45

Hình 3. 26: Kết qu th nghiệm v

∆=0.5 ............................................................... 46

Hình 3. 27: Kết qu th nghiệm v

∆=0.7 ............................................................... 46

Hình 3. 28: Kết qu th nghiệm v

∆ ...................................................................... 47

Hình 3. 29: Ảnh Ribs ................................................................................................ 48
Hình 3. 30: Kết qu th c hiện thu t toán l a ch n vùng an toàn t
h p k ch b

1

Hình 4. 1: Ả

( )

ng

ng h p k ch b n 2. ........................................................... 48


u vào k ch b n 1............................................................................ 50

Hình 4. 2: Các v trí an toàn t
Hình 4. 3: Hình

ng h p k ch b n 1 ....................................... 50

u vào cho k ch b n 2 ............................................................. 51

Hình 4. 4: V trí an toàn t
Hình 4. 5: Ả

( )

ng h p k ch b n 2 ............................................. 51

u vào k ch b n 1............................................................................ 52

Hình 4. 6: Ảnh sau khi tìm biên và ng d ng Hough ............................................... 52
Hình 4. 7: Ả

k

ổ màu ................................................................................. 53

Hình 4. 8: Ảnh cho biết v trí có kh

................................................... 53

Hình 4. 9: Kết qu tìm kiếm vùng an toàn t


...................................................... 54

Hình 4. 10: Biể

ồ kết qu s

Hình 4. 11: Biể

ồ % so sánh khi th c hiện v i thu

Hình 4. 12: Ả

u vào k ch b n 2 ......................................................................... 56

ng cho k ch b n 1 ............................................... 55
ề xu t k ch b n 1 ...... 55

Hình 4. 13: Kết qu dò biên v i ng d ng Hough v i k ch b n 2 ............................ 56
Hình 4. 14: Ảnh k ch b

2

k

ổ màu .............................................................. 57


viii


Hình 4. 15: Ảnh hiển th các v trí có thể là an toàn ................................................. 57
Hình 4. 16: Ả

c b t và tìm v trí an toàn t

Hình 4. 17: Biể

ồ kết qu s

Hình 4. 18: Biể

ồ % so sánh khi th c hiện v i thu

............................................... 58

ng cho k ch b n 2 ............................................... 59
ề xu t k ch b n 2 ...... 59


1

MỞ ĐẦU
C


kỷ

ây




y

ý



y

k



k



X
kỹ



ĩ



k
y.

ó




ũ



yể



ề ĩ

ý

ế ềk

y:

R




y ó
â

â

kỹ


k


ẩy

k

kể








N
A

ây

V

)

k






y k







ế



ó








yk ók

ế

.

ó


ây

ệ UAV ở
ể ỗ

UAV

.L


à


ó











kế

y




.D

ó

ây

ế



k

y


ế ệ

yề

ổ.Ở

.T y
y

ế
UAV

â


kế
D

(UAV-Unmanned



ế
UAV

y

UAV

â





. Mộ









ề ó
y



“X



kế
ý


UAV

ó.


2

Đ



y

UAV.
V



y

y





y

â

sau:
C

1: T

y ổ



ý

kế .
C

2: Mộ

kỹ


C

3: T



kế

kế .


y

yk

y

ý

.
C
kế

4: Xây
.



ệ .S


ó


3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN
XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM

1.1. Khái quát về xử lý ảnh


ý

.X

ý



é
ý
















:

T

ế



:

ế

â

y



kỹ



ý


ồ :

.M
T

ộ ĩ





ó

ý



ế



.X


yề



.




y



.
N

ế



ó. Q



yế

. Có

-M

kể

(

).


-M

(

N

trúc).

ế


ó

ó

ó


:

ĩ



â

â


y


ể mô
â
y

(

ý ế

ế



k
ó

.D




T

k

.

ể ệ k






... Kỹ



ể).
kỹ

:
). N

y

k
â



y
y

(


4







y


ế

ế kể

y(



ộ k



...).

1.1.1. Xử lý ảnh
C

ó
.N
ý








.X

ây


ý







ó

ó
máy



ó





máy.

X

ý


. Kế





ộ kế



ý

ó



kế


.

XỬ LÝ ẢNH




Kế

Hình 1. 1: Quá trình xử lý ảnh
1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
G

ý





:

Hình 1. 2: Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh.




5

-T

: Đây
ý

.Ả




sensor, máy quét, …


y

- Tề
k





k

y











.
ý
ó


y

.T









ng liên thông có
…M





k ổ



.V





ó


y

ó

ồ y. Q

y



â



â






cho

ó






yể




y



ề ó.
â


yế

ó

ý

y

â






ó. T


y
ế . Để





: Kế







ó

yế .


yể

â

k
k



ó




xám hay cùng ộ

-

k



â

ể ó

ề ộ

:P â





.



y

ó .C



ộ ệ

-P â

y ẽ

â

ý: Ở
ó

ế

ó
ế



yế










ế





.





k
y

â
ó. S




ý ề

.C


yể
















6



yể





ó

â






-N

ế

ý chúng.

: Đây

N

ó



ý





.



.G

ĩ




ế.
C

ó

ũ





y ằ

k

kỳ

â




ý



ý






ý. Mộ



ý

ó

t

â












k

thô
ế


y,…

1.1.3. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
1.1.3.1. Điểm ảnh – Pixel

Để ó

ế



ý


ế

y

(

y








.


.T


)
â

k



ế


k
y

ềk

ềk


N



mà ề





P

kề

.T



y

P



y
.

-

Pixel.

1.1.3.2. Mức xám – Gray level
M

kế


k



ó



kế



16 32
y

ỗ P





y 64
ó

ở 8

.P ổ
.






ó .C

ó

ó ở

256


7

1.1.3.3. Biên




â





y

ế ở ó ó

y ổ

k . Mộ



y







ó

.T




.

1.1.3.4. Láng giềng
T


ý

ó

. Có


4






ộ k





:4





( y)



ó
8



k




.





ó:
((

8

))



*(

)(

( y)

)(



)(

4

)+ (1.1)








é :
((

))

((

)(

))

*(

)(

)(

)+ (1.2)

1.1.3.5. Vùng liên thông
Mộ

R




ế
R

(

)

(

R

)(
kỳ

(

)

)

) ế (

)

(






) và (



)(

(



(

ế

ó

kỳ

)

(

ó. Mộ







(

)



)

)



kề

(

ế

(

(






)


ề kề

)



)

1.1.3.6. Biểu diễn ảnh


T








ế

y
yể



ó





.

.




ó .Vệ




ý

ó
y




8

Mộ

ý

k .

1.1.3.7. Tăng cƣờng và khôi phục ảnh
T



kỹ

:



k

K



1.1.3.8. Biến đổi ảnh
T
ế

ổ F

ế
C



.
ể ó


ế








S



ý

y

kỹ
:







. Mộ

H


K

k

ế



ế



ế

ổ K


1.1.3.9. Phân tích ảnh
L
ế

ộ mô

y




.C




kỹ

ở ây





.
1.1.3.10. Nhận dạng ảnh
L

ế





ó. Q



yế

.



kể

ó

:

(

(

)

).

1.1.3.11. Nén ảnh
D



ũ

ệ k


y é








y





.D

yề

ó

ế.

1.2. Các ứng dụng của xử lý ảnh
X

ý
ý

ó




kỷ 60. Hệ

ế. Mộ

R

7



J P
ũ

ó



ế


9

ềk

ó

é



H

ề .C


ó

ý


y

yể

.N y

.V


ó


ĩ
kỹ

ók



ế


é

.N


.



y
y



ý



y ế. S
)



ế

ế

ý
ĩ

y




y



(

.

y

ý ằ
kỹ

y

yk



ý

â

k

ý



X




X (angiograms).
k


y

.X



ý

ó




ó

ó

bi rung ri

yế


ế 100


ó

. C



yề

ó




ây. Nế

y




yề

bit/giây.










máy không




y

k
y








y ở


ộk

y ó



các


ế



ó

100



.N



.Vệ
ó

y

â

yề

õ
N






ó


ế



y

yế

.H





. Mộ



k





yề


â

ế

“ ể ”


.K

ẽ ó

y
phát






y”


10



.X

N
ó


ý

ó



ế

ĩ

y

ế



k

ó

ế

ế

.

ý

. N


k
.N



ế

.

N

ý



.N



ĩ
ý

ĩ



k




.K

ý

â

y
ó




ế
ý



yk

ề k

ó

k

k


k



k

kỹ

.

1.3. Tổng quan về bài toán xác định vùng tìm kiếm
L



UAV ó







ók
ó



an toàn cho




yế .

:

- Đầu vào: Ả



UAV

- Đầu ra: X

y

.



UAV ó



cánh an toàn.
C

ệ k



ó ề


k ẩ



kệ

. Tuy nhiên, UAV ó
kệ

ó



ể ây
.V

y
UAV





y








ế






yề

UAV


này
k ẩ

.

cho


11

C

ế





Landing Zone)


y



[13] [14]

Thứ nhất: SLZ ề




C
ó



k





y ổ




y



.K

k
ây

ó



.Q

k












k


Trong giai đoạn thứ hai: SLZ ề


ế



ế ộ


ó



.


SLZ ề

.D kế


yể và do




ộ ồ

kế






ế

.



ở. T

y

vùng an toàn (SLZ – Sale



k



ế

â

ệ SLZ ẽ
.C


SLZ

k

y


kệ


.


12

Chƣơng 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM

2.1. Phƣơng pháp Canny
2.1.1. Nguyên lý của thuật toán
N

1986

.C

y

y


y ở



MIT k ở






C

C

C





ó. P

y

y.

y








ó :
M

ỗ:P

ó
k

Đ

.C

ế

.

y



ó.


:K


y

é

ế ằ





k

â









ó

:K

Hệ




.V

ó

â

G



â





ók



y ồ






ặt




ở trên.

2.1.2. Mô tả thuật toán
T

C
1: K

y

:

ễ –

ộ ộ



2:
-C



-S

G


3: X

4: T

S

ặ P
ng c nh ( )
(0 1); (1 0);


13

(1,1); (-1;1);... T

90 0 45 135 ộ.

5: K

ế

non-

k





.N ằ

6: D


n.



.

2.2. Kỹ thuật Sobel

C

ế

y

ó



ế



ĩ

k



ó










ó







.
y ổ





y

ế





ó





.N






.T



.

P



ế

. Kỹ

yế





ế


ở ây

kỹ

y

.
P





ế G

ó





.T

ĩ G


y ổ



(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

.T


ó

{
T

ó

T y


y

ó

k

(



ể )

y.

y

kỹ

â


k



Gi x

,

( ộ

)



.
1

{

ó:
(

)

(

)

(


)

(

)


14

D

ó



â

A = (-1 1)
=( )

y

V
Kỹ

S

2




â

2

y



HSI ...)



:
(

)

(

C

kỹ

)
S

+ Bước 1: Tính I  Hx và I  Hy
+ Bước 2: Tính I  Hx + I  Hy

2.3. Thuật toán phân ngƣỡng Threshold
K
(

ý

y)

ế

k

k
ế

ể ây k ó k





.Đề

ây

â
â

(RG




(T



) ể

ó

yể

ế ó

ý.

k

ó
â

(

ý. V

ềk

Phân ngƣỡng với ngƣỡng cố định. G
_


y ó

_

k

.

( )
( )

{

)



V

(1)

Hoặc
(
V

1,

Ư




(

{

y

k

)

(2)

c2

N
kệ

)

k ó
.



.






15

Phân ngƣỡng với ngƣỡng tối ƣu. T y
y



â





.
C

2

:

-T

â

-T

â

.

ế

.

a. Thuật toán phân ngƣỡng tối ƣu từ ảnh xám
P â

O

ĩ

.T

ĩ



:
( )

T

( )

( )

ó
( )

P( )


∑ ()



( )

()



.
( )

()
( )



( )

C



()
( )

:
( )


( )
D yệ

k

( )-

∑,

( )-

∑,

()
( )
()
( )
( )

[0 ÷ 255]

ó

.
b. Thuật toán phân ngƣỡng tối ƣu trực tiếp từ ảnh màu
T

ó




â

ế

. Đây



C
R G

. Mộ

k
.

3


ó. Mộ



:
ó

3



×