ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY NGOÀI TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
CHO PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY NGOÀI TRỜI

Họ và tên sinh viên: PHẠM QUỐC SỸ
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2014-2018


Tháng 06 năm 2018


ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
CHO PHÁT HIỆN ĐÁM CHÁY NGOÀI TRỜI

TÁC GIẢ

PHẠM QUỐC SỸ

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S TRẨN THỊ KIM NGÀ

Tháng 06 năm 2018
i

LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ
Chí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những
kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ
chúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với cô Trần Thị Kim Ngà đã tận
tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét
và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã
động viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình
hoàn thành luận văn.

TPHCM, ngày tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

PHẠM QUỐC SỸ

ii


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng Xử lý ảnh trong phát hiện đám cháy ngoài trời”
được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ
tháng 1 đến tháng 5 năm 2018.
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu ứng dụng xử lý ảnh vào việc phát hiện đám cháy
ngoài trời và đưa ra cảnh báo một cách tự động. Giải thuật xử lý ảnh phát hiện đám

cháy được xây dựng trong đề tài dựa trên đặc điểm của khói, lửa, gồm ba bước chính:
-

Giám sát sự suy giảm năng lượng của ảnh.

-

Nhận dạng màu.

-

Phát hiện hiện chuyển động.
Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab, giao diện giao tiếp với

người quan sát đơn giản, dễ sử dụng; ứng dụng Module Sim 800L và vi điều khiển
Arduino Uno để thiết kế hệ thống báo cháy.
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, nên
dù đã cố gắng hết sức nhưng phương án giải quyết bài toán của em chắc chắn không
thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý
thầy cô và bạn bè để đề tài của em càng được hoàn thiện hơn.

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................ii
TÓM TẮT.................................................................................................................... iii
MỤC LỤC.................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.........................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.........................................................................................viii

Chương 1....................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề................................................................................................................ 1
1.2 Mục đích.................................................................................................................. 2
Chương 2....................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN...............................................................................................................3
2.1 Một số nghiên cứu...................................................................................................3
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh.............................................................................4
2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh....................................................................................4
2.2.2 Thu nhận ảnh và số hóa......................................................................................7
2.2.3 Lưu trữ ảnh.........................................................................................................7
2.2.4 Phân tích ảnh......................................................................................................8
2.2.5 Hệ quyết định...................................................................................................11
2.3 Tổng quan về vi điều khiển Arduino R3................................................................12
2.3.1 Thông số kỹ thuật.............................................................................................12
2.3.2 Nguồn sử dụng..................................................................................................13
2.3.3 Các chân năng lượng.........................................................................................13
2.4 Tổng quan về Module Sim 800L...........................................................................13
2.4.1 Thông số kỹ thuật.............................................................................................14
iv


2.4.2 Chức năng các chân..........................................................................................14
2.5 Phần mền Matlab và ứng dụng xử lý ảnh...............................................................15
2.5.1 Khái niệm Matlab.............................................................................................15
2.5.2 Giao diện trong Matlab....................................................................................15
2.5.4 Khả năng và ứng dụng của Matlab...................................................................16
2.5.5 Toollbox hỗ trợ việc xử lý ảnh.........................................................................17
Chương 3..................................................................................................................... 18
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............................................18

3.1 Thời gian thực hiện đề tài......................................................................................18
3.2 Đối tượng và các thiết bị nghiên cứu.....................................................................19
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................19
3.2.2 Thiết bị nghiên cứu..........................................................................................19
3.3 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................19
Chương 4..................................................................................................................... 20
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................................20
4.1 Sơ đồ khối hệ thống và lưu đồ thuật toán...............................................................20
4.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống...................................................................................20
4.1.2 Lưu đồ giải thuật phát hiện đám cháy..............................................................21
4.2 Xử lý ảnh phát hiện cháy.......................................................................................22
4.2.1 Thu nhận ảnh....................................................................................................22
4.2.1 Suy giảm năng lượng của ảnh..........................................................................23
4.2.2 Nhận dạng màu................................................................................................25
4.2.3 Phát hiện chuyển động.....................................................................................29
4.2.4 Giao diện của chương trình..............................................................................30
4.3 Cảnh báo cháy thông qua Module Sim 800L.........................................................31
v


4.3.1 Hộp điều khiển cảnh báo..................................................................................31
4.3.2 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển kết nối Module Sim 800L................................32
4.3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn LM2596............................................................33
4.3.4 Mạch vi điều khiển kết nối với Module Sim 800L...........................................34
4.4 Khảo nghiệm độ ổn định của hệ thống...................................................................35
4.4.1 Phát hiện khói, lửa............................................................................................35
4.4.2 Phát hiện và cảnh báo qua điện thoại...............................................................36
Chương 5..................................................................................................................... 37
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ..........................................................................................37
5.1 Kết quả đạt được....................................................................................................37

5.2 Hướng phát triển của đề tài....................................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................39
PHỤ LỤC.................................................................................................................... 40

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MATLAB:...............Matrix Laboratory
GUI: .......................Graphical User Interface
COM: .....................component object model
IP: ........................... Internet Protocol
CMOS:....................Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CCD: ......................Charge Couple Device
CCIR: .....................Consultative Committee On International Radio
LED:.......................Light Emitting Diode

DANH SÁCH CÁC HÌNH
vii


Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh................................................................................4
Hình 2.2 Camera có dây................................................................................................6
Hình 2.3 Camera không dây..........................................................................................6
Hình 2.4 IP Camera.......................................................................................................7
Hình 2.5 Mô hình không gian màu RGB......................................................................8
Hình 2.6 Mô hình màu HLS..........................................................................................9
Hình 2.7 Mô hình màu L*a*b.......................................................................................9
Hình 2.8 Biến đổi Fourier...........................................................................................10
Hình 2.9 Mạch vi điền khiển Arduino Uno R3............................................................12

Hình 2.10 Module Sim 800L và sơ đồ chân.................................................................14
Hình 2.11 Giao diện Matlab........................................................................................16
Hình 4.1 Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống.........................................................................20
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật phát hiện cháy...................................................................21
Hình 4.3 Camera Logitech C905.................................................................................22
Hinh 4.4 Ảnh thu nhận từ camera kết nối với matlab..................................................23
Hình 4.5 Ảnh gốc và biến đổi Fourier 2 chiều của ảnh...............................................24
Hình 4.6 Ảnh không khói và biến đổi Fourier 2 chiều của ảnh...................................25
Hình 4.7 Ảnh có khói và biến đổi Fourier 2 chiều của ảnh.........................................25
Hình 4.8 Ảnh thu nhận từ camera chuyển sang ảnh xám............................................26
Hình 4.9 Kênh màu đỏ của ảnh...................................................................................27
Hình 4.10 Ảnh sau khi đã trừ kênh màu đỏ với ảnh xám............................................27
Hình 4.11 Ảnh sau khi lọc và chuyển sang nhị phân...................................................28
Hình 4.12 Ảnh sau khi loại bỏ các đối tượng nhỏ.......................................................28
Hinh 4.13 Ảnh phần tử đỏ lấy ra từ hai khung ảnh liên tiếp........................................29
Hình 4.14 Ảnh cho thấy sự khác biệt giữa 2 khung.....................................................29
Hình 4.15 Giao diện chương trình...............................................................................30
Hình 4.16 Hộp điều khiển cảnh báo............................................................................31
Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển kết nối Module Sim 800L..........................32
Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn LM2596......................................................33
Hình 4.19 Mạch vi điều khiển kết nối với Module Sim 800L.....................................34

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno...................................................................12
viii


Bảng 2.2 Chức năng các chân Module Sim 800L........................................................14
Bảng 4.1 Khảo nghiệm hệ thống phát hiện cháy.........................................................35
Bảng 4.2 Khảo nghiệm thiết bị điều khiển cảnh báo...................................................36

ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Trong mấy thập kỷ gần đây, xử lý ảnh đã được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có
rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Như trong y học, xử lý ảnh số đã được dùng để phát
hiện và nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X quang, nhận dạng đường biên mạch máu từ
những ảnh chụp mạch bằng tia X. Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh đã
và đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Camera giám sát.
Đó là các vấn đề nhận dạng các đối tượng ngoài môi trường. Từ việc nhận dạng có thể
giải quyết rất nhiều bài toán như chống trộm, tìm vật, nhận dạng…. Từ những cơ sở
đó, việc nghiên cứu bài toán xử lý ảnh trong thời đại ngày nay là rất quan trọng và
không thể thiếu trong hầu hết các lĩnh vực.
Hiện trên thế giới cũng như ở Việt Nam, mỗi năm có hàng nghìn vụ cháy, gây
thiệt hại lớn về người và kinh tế. Trong khi đó, hầu hết các đám cháy khi được phát
hiện là những đám cháy đã xuất hiện, phát triển từ lâu (hàng chục phút đến hàng giờ).
Hiện tại, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất những biện pháp phát hiện và cảnh báo cháy
như dùng các đầu báo cháy nhiệt, đầu báo cháy khói, đầu báo cháy lửa và ứng dụng xử
lý ảnh. Hệ thống phát hiện và cảnh báo cháy dựa trên đầu báo cháy truyền thống đã
phát huy hiệu quả trong nhiều tình huống, cảnh báo cháy chính xác khi nhiệt độ, khói
lan tỏa tới đầu báo cháy đạt ngưỡng hoạt động của thiết bị. Tuy nhiên, phương pháp
này vẫn có hạn chế là các đầu báo cháy làm việc trong phạm vi khá hẹp khi nhiệt độ,
khói đã lan truyền tới đầu cảm biến và đạt ngưỡng hoạt động, khi đó thường đám cháy
đã phát triển lớn. Còn các phương pháp ứng dụng xử lý ảnh mang lại tầm hoạt động
vượt trội hơn hẳn, các đám cháy được phát hiện nhanh chóng, chính xác miễn là trong
phạm vi quan sát của camera

1


Vì vậy, việc tìm kiếm và phát triển những phương pháp phát hiện sớm các khu
vực sắp cháy, cháy nhỏ một cách chính xác, kịp thời thực sự cấp thiết. Từ đó đã mở ra
một hướng mới trong nghiên cứu cảnh báo cháy là sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh thông
qua hệ thống quan sát camera.
1.2 Mục đích
Mục đích của đề tài là tìm hiểu các hệ thống cảnh báo cháy, xây dựng một hệ
thống phát hiện cháy ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh và đưa ra cảnh báo một cách tự
động. Giải thuật phát hiện đám cháy trong đề tài dựa trên đặc điểm màu sắc và chuyển
động của khói, lửa. Việc ứng dụng xử lý ảnh đem lại hiệu quả cao hơn trong việc xử lý
và phát hiện đám cháy so với các hệ thống sử dụng cảm biến truyền thống. Một hệ
thống phát hiện cháy xử dụng xử lý ảnh không những tiết kiệm chi phí mà còn có thể
ứng dụng trong không gian hẹp lẫn không gian ngoài trời, có thể dùng giám sát các tòa
nhà, các cánh rừng,…
Dựa trên những yêu cầu thực tế trên, em thực hiện đề tài “Ứng dụng Xử lý ảnh
trong phát hiện đám cháy ngoài trời” với mục đích phát hiện cháy sớm, thu thập thông
tin phục vụ trong các lĩnh vực phòng cháy chữa cháy, cảnh báo sớm giúp hạn chế thiệt
hại không đáng có do hỏa hoạn gây ra.
1.3 Nội dung thực hiện
-

Tìm hiểu về các phương pháp phát hiện và cảnh báo đám cháy.

-

Kết nối trực tiếp Camera với Matlab 2015a.

-

Xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình xử lý ảnh phát hiện đám cháy.

-

Thu nhận và hiển thị các khung ảnh lên GUI, thiết kế giao diện chương trình.

-

Tính toán năng lượng, phát hiện khói.

-

Nhận dạng màu đỏ, phát hiện chuyển động.

-

Giao tiếp giữa Arduino và Matlab.

-

Xây dựng chương trình điều khiển cảnh báo cháy.

-

Thiết kế hộp điều khiển cảnh báo cháy dùng Module Sim 800L.

-

Khảo nghiệm độ ổn định của hệ thống, đánh giá hệ thống.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Một số nghiên cứu
-

“Nghiên cứu thiết kế, lắp đặt hệ thống thiết bị tự động phát hiện sớm và truyền

tin cháy rừng cho các khu vực có nguy cơ cháy cao tại tỉnh Đồng Nai” : đề tài tiến
hành nghiên cứu xây dựng thuật toán và phương pháp phát hiện sớm và truyền tin
cháy rừng bằng hệ thống trạm quan trắc. Trên cơ sở kết quả khảo sát các thiết bị trạm
quan trắc, đề tài sẽ lựa chọn camera có khả năng thu ảnh và giám sát tốt, đồng thời
cũng nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng giám sát của thiết bị. Mỗi trạm
quan trắc sẽ gồm 4 camera IP lắp đặt vuông góc với nhau được kết nối với Internet để
thực hiện truyền tín hiệu quan sát được về trung tâm xử lý. Phần mềm máy chủ sẽ tự
động truy cập vào các trạm quan sát và lấy về hình ảnh quan sát được ở các trạm để xử
lý.
-

Đề tài “Phát hiện và cảnh báo hảo hoạn dùng xử lý ảnh thời gian thực nhúng

trên KIT-Friendlyarm mini 2440”: Đề tài này sử dụng camera giám sát để theo dõi sự
xuất hiện của khói và lửa ở bất kỳ nơi nào trong phạm vi quan sát của camera. Thuật
toán xử lý ảnh xử lý các tín hiệu video thu về từ camera để phát hiện khói –lửa được
xây dựng thực thi trên KIT-Friendlyarm mini 2440. Sử dụng các đặc điểm, tính chất
của lửa - khói về màu sắc và sự chuyển động của chúng để so sánh từ đó đưa ra các
kết luận.
-

“Hệ thống cảnh báo cháy tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây

(wireless sensor network)”: Đề tài sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây, hệ
thống được thiết kế sử dụng ở những khu vực khó tiếp cận, đòi hỏi năng lượng tiêu thụ
thấp, không yêu cầu cấp nguồn điện lưới, chương trình có khả năng phát hiện sớm
nguy cơ cháy và giám sát hệ thống theo thời gian thực từ xa thông qua phần mềm quản
lý và mạng Internet/GPRS/3G.

3


-

“Hệ thống tự động cảnh báo và phát hiện sớm cháy rừng FireWatch”:

FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất dùng để quan trắc một vùng rừng
rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệu thu thập. FireWatch có thể tính toán
và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết nối với trạm trung tâm. Trong trường
hợp phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động đưa ra cảnh báo.
Kết luận: Hiện nay trong và ngoài nước có rất nhiều công trình nghiên cứu phát
hiện và cảnh báo cháy ứng dụng xử lý ảnh và cảm biến, mang lại nhiều ưu điểm, khắc
phục được nhược điểm của các hệ thống truyền thống, tuy nhiên cũng còn tồn tại khá
nhiều hạn chế như: Chi phí lắp đặt khá cao, chưa phù hợp với điều kiện thời tiết nước
ta, phạm vi sử dụng hạn chế,… Vì vậy, em đã thực hiện đề tài “Ứng dụng Xử lý ảnh
cho phát hiện đám cháy ngoài trời” .
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh
Một hệ thống xử lý ảnh điển hình thường bao gồm những thành phần sau:
Lưu
trữ

Lưu
trữ
Thiết bị
thu nhận
ảnh

Thu
nhận ảnh

Phân
tích
ảnh

Số hóa

Nhận
dạng
Hệ
quyết
định

Hiển
thị

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh
2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh
Ảnh có thể thu nhận qua Camera, hoặc ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua
các bộ cảm ứng (sensor) hay ảnh, tranh được quét trên các máy scanner…
2.2.1.1 Khái niệm Camera

Camera là một thiết bị ghi hình. Với một chiếc camera, ta có thể ghi lại được
những hình ảnh trong một khoảng thời gian nào đó, lưu trữ và sau đó ta có thể xem lại
bất cứ khi nào bạn muốn. Camera sẽ truyền hình ảnh nhận được tại địa điểm lắp đặt
đến các thiết bị hiển thị như TV, computer, MP4,…
4


2.2.1.2 Phân loại Camera
-

Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh.

-

Phân loại theo đường truyền.

 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
-

Camera analog CCIR: Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog xử lý tín hiệu

màu vector màu, loại Camera này hiện nay ít dùng.
-

Camera số CCD: 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. 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 quá trình

chuyển đổi tương tự số. Camera CCD có 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).
-

Camera số CMOS: 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.

 Phân loại theo đường truyền
Có 3 loại: Camera có dây, Camera không dây, IP Camera.
-

Camera có dây
5


Hình 2.2 Camera có dây
Camera có dây có ưu điểm là độ an toàn cao, tính bảo mật tốt được sử dụng để
truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75ohm – 1Vpp, dây C5. Nếu truyền
khoảng cách > 300m thì cần phải có bộ khuyếch đại để tránh việc mất tín hiệu trên
đường truyền.
-

Camera không dây

Hình 2.3 Camera không dây
Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây. 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 vì dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng
khác như điện thoại di động.
-

IP Camera
6


Hình 2.4 IP Camera
Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng qua hệ thống
mạng Wifi, tín hiệu hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng.Với Camera IP
người dùng có thể điều khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng Internet.
2.2.2 Thu nhận ảnh và số hóa
Việc thu nhận ảnh có thể thông qua Camera. Các Camera có thể hoặc là tương
tự (loại camera ống kiểu CCIR) hoặc là số (loại camera kiểu CCD). Ảnh cũng có thể
được thu qua các thiết bị khác như máy quét… Nếu ảnh nhận được là tương tự nó phải
được số hóa nhờ quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa trước khi phân tích, xử lý hay lưu
trữ ảnh.
2.2.3 Lưu trữ ảnh
Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hoá được
nhúng trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau. Quá trình lưu trữ ảnh nhằm 2 mục đích:
-

Tiết kiệm bộ nhớ.

-

Giảm thời gian xử lý.
Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn

và xử lý ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sử dụng
càng nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết
của ảnh người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải.
7


Để lưu trữ ảnh trên máy tính, một số định dạng ảnh sau như IMG, PCX,
TIFF, GIF…
2.2.4 Phân tích ảnh
 Một số không gian màu
-

Không gian màu RGB (Red, Green, Bule)
Còn gọi là ảnh “truecolor” do tính trung thực của nó. Ảnh này được biểu diễn

bởi một ma trậnba chiều kích thước m x n x 3, với m x n là kích thước ảnh theo pixels.
Ma trận này định nghĩacác thành phần màu red, green, blue cho mỗi điểm ảnh, các
phần tử của nó có thể thuộc kiểu uint 8, uint16 hoặc double.

Hình 2.5 Mô hình không gian màu RGB
-

Mô hình màu HLS
Mô hình màu HLS được xác định bởi tập hợp hình chóp sáu cạnh đôi của

không gian hình trụ.Sắc màu là góc quanh trục đứng cảu hình chóp sáu cạnh đôi với
màu đỏ tại góc 0o. Các màu sẽ xác định theo thứ tự giống như trong biểu đồ CIE khi
ranh giới của nó bị xoay ngược chiều kim đồng hồ: Màu đỏ, màu vàng, màu lục, màu
8

xanh tím, màu lam và đỏ thẫm. Điều này cũng giống như thứ tự sắc xếp trong mẫu
hình chóp sáu cạnh đơn HSV.

Hình 2.6 Mô hình màu HLS
-

Mô hình màu L*a*b
Là không gian màu phổ biến cho việc so sánh sự khác biệt về màu sắc. Trong

đó, hệ thống L*a*b đại diện cho 3 mức tỷ lệ với L(light) đại diện cho độ sáng.

Hình 2.7 Mô hình màu L*a*b
 Một số công cụ trợ giúp xử lý ảnh
-

Kỹ thuật lọc số
Chất lượng hình ảnh kém do rất nhiều nguyên nhân như do nhiễm điện tử của

máy thu hay chất lượng bộ số hóa kém. Nhiễu ảnh số được xem như là sự dịch chuyển
nhanh của tín hiệu thu nhận trên một khoảng cách ngắn. Về mặt tần số, nhiễu ứng với
9


các thành phần tần số cao trong ảnh. Như vậy để xử lý nhiễu ta có thể lọc các thành
phần tần số cao. Việc lọc dựa vào tính dư thừa thông tin không gian, các pixel lân cận
có thể có cùng hoặc gần cùng một số đặc tính. Kỹ thuật lọc này dùng một mặt nạ và di
chuyển khắp ảnh gốc.
-

Biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier cho một tín hiệu có thể biểu diễn như sau:

Hình 2.8 Biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier thuận cho tín hiệu một chiều gồm một cặp biến đổi :
 Biến đổi Fourier thuận: chuyển sự biểu diễn từ không gian thực sang
không gian tần số (phổ và pha) . Các thành phần tần số này được gọi là các biểu diễn
trong không gian Fourier của tín hiệu.
 Biến đổi Fourier ngược: Chuyển đổi sự biểu diễn của đối tượng từ
không gian Fourier sang không gian thực.
 Biên và các phương pháp phát hiện biên
Biên là vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiểu ảnh.
Cho đến nay chưa có định nghĩa chính xác về biên, trong mỗi ứng dụng người ta đưa
ra các độ đo khác nhau về biên, một trong các độ đo đó là độ đo về sự thay đổi đột
ngột về cấp xám. Ví dụ: Đối với ảnh đen trắng, một điểm được gọi là điểm biên nếu
nó là điểm đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh. Tập hợp các điểm biên tạo nên
biên hay đường bao của đối tượng. Xuất phát từ cơ sở này người ta thường sử dụng
hai phương pháp phát hiện biên cơ bản:
Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến thiên
mức xám của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là kỹ thuật lấy đạo
10


hàm. Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có các kỹ thuật Gradient, nếu lấy đạo hàm
bậc hai của ảnh ta có kỹ thuật Laplace. Ngoài ra còn có một số các tiếp cận khác.
Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các vùng
thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên. Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là hai bài
toán đối ngẫu nhau vì dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp xong
nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh đã được phân lớp

thành các đối tượng, do đó có thể phát hiện được biên.
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng
của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp tỏ ra kém hiệu
quả, phương pháp phát hiện biên gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt
trong trường hợp này. Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này là: Phương pháp
phát hiện biên trực tiếp cho ta kết quả là ảnh biên, còn phương pháp phát hiện biên
trực tiếp cho ta kết quả là đường biên.
2.2.5 Hệ quyết định
Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng hiển thị
hay đưa ra các quyết định khác.

2.3 Tổng quan về vi điều khiển Arduino R3

11


Hình 2.9 Mạch vi điền khiển Arduino Uno R3
2.3.1 Thông số kỹ thuật
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash

SRAM
EEPROM
2.3.2 Nguồn sử dụng

Atmega328 (họ 8bit)
5V – DC ( chỉ được cấp qua cổng
USB)
16 MHz
30mA
7-12V - DC
6-20V – DC
6 ( độ phân giải 10bit )
30mA
500mA
50mA
32 KB (Atmega 328) với 0.5KB dùng
bởi bootloader
2 KB (ATmega328)
1 KB (ATmega328)

Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ
cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino
UNO.
12


2.3.3 Các chân năng lượng


GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với
nhau.


5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.



3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.



Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương

của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.


IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở

chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.


RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với

việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
2.4 Tổng quan về Module Sim 800L

Thừa kế các chức năng từ các thế hệ module sim trước, Module Sim 800L có
khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi, GPRS, … như một điện thoại nhưng có kích
thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25 mm x 22 mm). Module Sim 800L kết
hợp với MCU tạo nên ứng dụng điều khiển từ xa thông minh thông qua SMS hoặc
GPRS qua giao thức TCP/IP. Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ dàng, chân
kết nối dùng rào đực thông dụng (male header) chuẩn 100mil.
Nguồn cấp Module Sim 800L tốt nhất tại điện áp 4V.
2.4.1 Thông số kỹ thuật
 Nguồn cung cấp : 3.8 – 4.2VDC.
 Dòng cung cấp: 1A trở lên để đảm bảo trong quá trình khởi động cũng như
thực hiện gọi điện hay gửi SMS.
 Dòng ở chế độ chờ: 10mA – rất tiết kiệm.
 Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến ở Việt Nam, sim mạng nào dùng cũng được.
13


 Khe cắm sim: chuẩn Micro sim ( sim IP4)

Hình 2.10 Module Sim 800L và sơ đồ chân.
2.4.2 Chức năng các chân
Bảng 2.2 Chức năng các chân Module Sim 800L
PIN
RST

Chức năng

Sử dụng

Chú thích

Reset Sim

Kết nối đến chân I/O

Cấp xung điện áp cao (<1s) để rết

800L

MCU
Kết nối đến chân TXD

Sim 800L

RXD Nhận dữ liệu
TXD

Truyền dữ

MCU
Kết nối đến chân RXD

liệu

điều khiển

Net

Antena

Ring

Báo chuông

Mic+
MicSPK+
SPKVCC
GND

Mic

Loa ngoài

Cấp nguồn

Giao tiếp thông qua tập lệnh AT

Được kết nối đến Mic thu
âm thanh
Kết nối đến loa ngoài
Cấp nguồn ổn áp 3.8-

Nguồn không đủ cồn suất sẽ

4.2V/2A

không khởi động được Sim 800L

14