Nghiên cứu phương pháp xử lý tín hiệu nhiều chiều và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
TÍN HIỆU NHIỀU CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THÙY LINH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
TÍN HIỆU NHIỀU CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN HỮU TRUNG

Hà Nội, 2013

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
MỤC LỤC HÌNH ......................................................................................................4
MỤC LỤC BẢNG .....................................................................................................6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ...........................................7
I.1 Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 7
I.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 8
I.2.1 Mục đích nghiên cứu ....................................................................................... 8
I.2.2 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 9
I.2.3 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 9
I.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 10
I.4 Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 10
I.4.1 Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế ...................................................... 10
I.4.2 Thử nghiệm với các số liệu giả định ............................................................. 11
I.4.3 Thử nghiệm với các số liệu thật .................................................................... 11

CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .....12
II.1 Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng siêu âm .................................................. 12
II.1.1 Sóng âm ....................................................................................................... 12
II.1.2 Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm ......................................................... 15
II.2 Xử lý, tái tạo tín hiệu hình ảnh 2D ..................................................................... 18
II.2.1 Các hình ảnh miền liên tục x(t) = x(t1, t2) .............................................. 18
II.2.2 Sự diễn dịch vật lý của giả thuyết miền liên tục .......................................... 19
II.2.3 Một hình ảnh 2D miền xáo trộn: Một bức ảnh quét .................................... 19
II.2.4 Một tín hiệu 2D miền rời rạc: Tấm ảnh lấy mẫu hình chữ nhật.................. 20
II.2.5 Xem các tín hiệu 2D tương tự miền rời rạc sử dụng các điểm ảnh ............. 21
II.2.6 Nhận thức khơng gian .................................................................................. 22
II.2.7 Thuộc tính trên những hình khối vng nhỏ khơng gian đơn khung ........... 23
II.2.8 Lượng tử hố và mã hố các giá trị hình ảnh để thể hiện bởi bộ máy ........ 24
II.2.9 Chuyển động thời gian mượt mà ................................................................. 26

II.3 Khảo sát thực tế ................................................................................................... 27
II.3.1 Công nghệ SONAR trên thế giới .................................................................. 27
II.3.2 Một số cảm biến đo khoảng cách có bán trên thị trường ............................ 29
II.4 Cảm biến siêu âm SRF05 và các kết quả đo đạc mẫu hình búp sóng............. 30

1


II.4.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05 ............................................................ 30
II.4.2 Thiết lập hệ thống đo mẫu hình búp sóng cho cảm biến SRF05 ................. 34
II.4.3 Quy trình đo ................................................................................................. 36
II.4.4 Kết quả đo .................................................................................................... 38

CHƯƠNG III. ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN XỬ LÝ .............................................55
III.1 Nhiệm vụ của thuật toán xử lý .......................................................................... 55
III.2 Vấn đề định vị và đo khoảng cách tới một vật cản đơn lẻ .............................. 56
III.3 Vấn đề định vị và đo khoảng cách tới hai vật cản rời rạc .............................. 58
III.4 Vấn đề định vị và đo khoảng cách tới nhiều vật cản liên hoàn...................... 59
III.5 Đề xuất mơ hình nâng cao khả năng phân biệt các vật cản liên hoàn .......... 59
III.5.1 Sơ lược ý tưởng........................................................................................... 59
III.5.2 Bố trí cảm biến ........................................................................................... 60

CHƯƠNG IV. LỰA CHỌN MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ SƠ
ĐỒ KHỐI .................................................................................................................62
IV.1 Các giải pháp thực hiện đề tài ........................................................................... 62
IV.1.1 Giải pháp nghiên cứu hoàn toàn trên lý thuyết .......................................... 62
IV.1.2 Giải pháp nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm với số liệu giả định ........... 62
IV.1.3 Giải pháp nghiên cứu lý thuyết và kiểm nghiệm với mơ hình thật ............. 63
IV.2 Thiết kế sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm ......................................................... 63
IV.2.1 Sơ đồ khối tổng quát ................................................................................... 63

IV.2.2 Sơ đồ khối chi tiết của các mô đun ............................................................. 64
IV.3 Một số phần tử chính trong mơ hình và thơng số hoạt động ......................... 66
IV.3.1 Cảm biến đo khoảng cách .......................................................................... 66
IV.3.2 Động cơ quay dàn cảm biến ....................................................................... 66
IV.3.3 Khả năng xử lý và ghép nối máy tính ......................................................... 67

CHƯƠNG V. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM ..............68
V.1 Mô đun đo khoảng cách ...................................................................................... 68
V.1.1 Cảm biến đo khoảng cách ............................................................................ 68
V.1.2 Khối mạch đo và tiền xử lý........................................................................... 68
V.2 Mô đun động lực quay dàn cảm biến ................................................................. 69
V.2.1 Mạch công suất điều khiển động cơ............................................................. 69
V.2.2 Vấn đề cách ly tín hiệu điều khiển và chống nhiễu ...................................... 70
V.3 Mơ đun mạch điều khiển chính .......................................................................... 71
V.3.1 Mạch vi điều khiển ....................................................................................... 71
V.3.2 Khối truyền thông RS232 ............................................................................. 72
V.3.3 Khối ghép nối USB....................................................................................... 72

2


V.3.4 Khối chỉ thị màn hình chỉ thị LCD và GLCD .............................................. 73
V.3.5 Khối nguồn ................................................................................................... 74

CHƯƠNG VI. THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM ....75
VI.1 Thiết kế phần mềm cho các IC vi điều khiển................................................... 75
VI.1.1 Nhiệm vụ của IC vi điều khiển .................................................................... 75
VI.1.2 Phân tích và lựa chọn cơng cụ lập trình..................................................... 76
VI.1.3 Thiết kế lưu đồ thuật toán ........................................................................... 76
VI.2 Thiết kế phần mềm chạy trên máy tính PC ..................................................... 78

VI.2.1 Các chức năng của phần mềm chạy trên PC .............................................. 78
VI.2.2 Lựa chọn cơng cụ lập trình......................................................................... 78
VI.2.3 Triển khai thiết kế chi tiết các chức năng chính ......................................... 79
VI.3 Thiết kế các khung truyền dữ liệu .................................................................... 84
VI.3.1 Truyền dữ liệu giữa mô đun đo khoảng cách và mô đun điều khiển chính 85
VI.3.2 Truyền dữ liệu giữa mơ đun điều khiển chính và máy tính PC .................. 87
VI.4 Một số kết quả thử nghiệm ................................................................................ 88

KẾT LUẬN ..............................................................................................................91
Kết quả đã đạt được ................................................................................................... 91
Kết luận chung ............................................................................................................ 92
Hướng phát triển của đề tài và đề xuất .................................................................... 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................93

3


MỤC LỤC HÌNH
Hình II.1 Sóng âm .....................................................................................................13
Hình II.2 Ngun lý thời gian truyền ........................................................................15
Hình II.3 Búp sóng của cảm biến siêu âm ................................................................16
Hình II.4 Tín hiệu 2D miền xáo trộn quét mành x(t 1 , n 2 T) một tấm ảnh quét .........20
Hình II.5 Hoạt động giữ mẫu 2D để chuyển đổi một xung 2D thành điểm ảnh 2D .22
2
Hình II.6 Hai cách thể hiện của một ma trận số với một bức ảnh trên Rrec
..............22
Hình II.7 Các khối con khơng gian của một hình ảnh truyền hình đặc trưng ...........24
Hình II.8 Phương trình thu gọn-phủ định Q[.] ..........................................................25
Hình II.9 Thể hiện của một hình ảnh truyền hình số x(n 1 , n 2 , n 3 )............................26

Hình II.10 Tạo ảnh backprojection: Xử lý tuyến tính ...............................................28
Hình II.11 Tạo ảnh bằng Compressive sensing: Tối ưu hóa có tương tác ................29
Hình II.12 Cảm biến siêu âm SRF05 .......................................................................30
Hình II.13 Cách bố trí chân trên cảm biến siêu âm SRF05 (Chế độ 1) ....................31
Hình II.14 Đồ thị thời gian của cảm biến SRF05 (Chế độ 1) ...................................32
Hình II.15 Cách bố trí chân trên cảm biến siêu âm SRF05 (Chế độ 2) ....................32
Hình II.16 Đồ thị thời gian của cảm biến SRF05 (Chế độ 2) ...................................33
Hình II.17 Cột gắn cảm biến .....................................................................................34
Hình II.18 Cột gắn cảm biến và mạch đo .................................................................35
Hình II.19 Các vật mẫu có đường kính khác nhau ...................................................35
Hình II.20 Vật mẫu gắn quả dọi ................................................................................36
Hình II.21 Khơng gian tiến hành đo .........................................................................36
Hình II.22 Hệ thống vạch chia độ và chia khoảng cách ...........................................37
Hình II.23 Tiến hành đo đạc với các vật mẫu ...........................................................38
Hình II.24 Kết quả đo hiện trên LCD .......................................................................38
Hình II.25 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 15 cm .............................41
Hình II.26 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 12.5 cm ...........................44
Hình II.27 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 10cm ...............................47
Hình II.28 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 7.5 cm .............................50
Hình II.29 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 5 cm ................................53
Hình III.1 Khoảng cách và thời gian truyền sóng siêu âm........................................56
Hình III.2 Búp sóng rộng của chùm siêu âm ............................................................57
Hình III.3 Xác định góc hướng qua các phép đo liên tiếp ........................................57
Hình III.4 Vấn đề gặp phải khi các vật cản ở gần nhau ............................................58
Hình III.5 Hai vật cản rời rạc ....................................................................................58
4


Hình III.6 Nhiều vật cản liên hồn ............................................................................59
Hình III.7 Minh họa việc tối ưu góc mở cảm biến....................................................60

Hình III.8 Cách bố trí cảm biến ................................................................................61
Hình III.9 Hình ảnh thực tế cách bố trí cảm biến...................................................... 61
Hình IV.1 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm...............................................................64
Hình IV.2 Sơ đồ khối mơ đun đo khoảng cách .........................................................64
Hình IV.3 Sơ đồ khối mơ đun điều khiển chính .......................................................65
Hình IV.4 Sơ đồ khối mơ đun động lực quay dàn cảm biến .....................................65
Hình V.1 Các giắc cắm kết nối cảm biến siêu âm với mạch điều khiển...................68
Hình V.2 Vi điều khiển ATmega32 ..........................................................................69
Hình V.3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý của mô đun đo khoảng cách ........................69
Hình V.4 Mạch cơng suất điều khiển động cơ ..........................................................70
Hình V.5 Sơ đồ ngun lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển ...................................70
Hình V.6 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển trong mơ dun điều khiển chính .......71
Hình V.7 IC MAX232 và mạch chuyển đổi điện áp sử dụng IC MAX232 .............72
Hình V.8 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi UART – USB ....................................73
Hình V.9 Mạch LCD đồ họa và LCD thường ...........................................................73
Hình V.10 Khối nguồn cung cấp...............................................................................74
Hình VI.1 Lưu đồ thuật toán IC vi điều khiển trong mơ đun (1) ..............................76
Hình VI.2 Lưu đồ thuật tốn IC vi điều khiển trong mơ đun (2) ..............................77
Hình VI.3 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm...............................................................84
Hình VI.4 Ghép 3 cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng ........................................89
Hình VI.5 Ghép 3 cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng so với 1 cảm biến gốc ...89
Hình VI.6 Giao diện phần mềm chỉnh các thông số kết nối tới máy tính PC ...........90
Hình VI.7 Màn hình SONAR đang hoạt động và các vật cản được phát hiện .........90

5


MỤC LỤC BẢNG
Bảng II.1 Thông số của một số cảm biến siêu âm ....................................................30
Bảng II.2 Kết quả đo của vật có bán kính 15 cm ......................................................39

Bảng II.3 Kết quả đo của vật có bán kính 15 cm trên hệ tọa độ x-y .........................40
Bảng II.4 Kết quả đo của vật có bán kính 12.5 cm ...................................................42
Bảng II.5 Kết quả đo của vật có bán kính 12.5 cm trên hệ tọa độ x-y ......................43
Bảng II.6 Kết quả đo của vật có bán kính 10 cm ......................................................45
Bảng II.7 Kết quả đo của vật có bán kính 10 cm trên hệ tọa độ x-y .........................46
Bảng II.8 Kết quả đo của vật có bán kính 7.5 cm .....................................................48
Bảng II.9 Kết quả đo của vật có bán kính 7.5 cm trên hệ tọa độ x-y ........................49
Bảng II.10 Kết quả đo của vật có bán kính 5 cm ......................................................51
Bảng II.11 Kết quả đo của vật có bán kính 5 cm trên hệ tọa độ x-y .........................52
Bảng VI.1 Dữ liệu truyền giữa mô đun đo và mô đun điều khiển chính ..................85
Bảng VI.2 Dữ liệu truyền giữa mơ đun điều khiển chính và máy tính PC ...............87

6


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Chương I trình bày các vấn đề mang tính tổng quan của đề tài nghiên cứu
như: Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và giới hạn
phạm vi nghiên cứu. Đây là cơ sở để xác định hướng nghiên cứu chính trong q
trình thực hiện luận văn và là căn cứ để đánh giá các kết quả đạt được. Chương I
cũng chỉ ra các ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn của đề tài và đề xuất một số
phương pháp nghiên cứu cụ thể để chọn ra phương pháp phù hợp nhất.

I.1 Lý do chọn đề tài
Xử lý tín hiệu là một trong những ngành khoa học được đầu tư nghiên cứu
rất nhiều trong các ngành khoa học của lĩnh vực điện tử. Nó là cơ sở mang tính cốt
lõi của nhiều ngành khoa học khác. So với nhiều ngành, xử lý tín hiệu ra đời muộn
hơn nhưng cho đến ngày nay, sự phát triển của cơng nghệ xử lý tín hiệu đã đạt
những bước tiến rất xa, vượt bậc và liên tục có thên những kết quả mới.
Hầu hết chúng ta đều biết đến ít nhất là một hoặc vài khái niệm trong quá

trình xử lý tín hiệu. Khi nói đến những khái niệm này, chúng ta liên tưởng ngay đến
những quá trình xử lý các tín hiệu đơn lẻ một cách độc lập như: lọc nhiễu khỏi tín
hiệu từ các cảm biến nhiệt, nén tín hiệu âm thanh, điều chế và giải điều chế các tín
hiệu trong truyền thơng đi xa v.v… Những cơng nghệ này đã đạt được những thành
tựu rất lớn và vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Cùng với sự phát triển của khoa học, việc xử lý các tín hiệu đơn lẻ, rời rạc
như trên đã dần dần không đáp ứng kịp những yêu cầu mới, thách thức mới. Hơn
thế, các công nghệ vượt trội liên tục ra đời cho phép chúng ta tạo ra các công cụ xử
lý mạnh mẽ hơn, nhanh chóng hơn. Điều đó tất yếu thúc đẩy sự phát triển của các
nghiên cứu liên quan đến việc kết hợp xử lý nhiều tín hiệu độc lập nhưng cùng liên
quan đến một đối tượng để tạo ra những kết quả hoàn toàn mới mà việc xử lý đơn lẻ
khơng có được. Đó chính là việc xử lý các tín hiệu nhiều chiều.
Xử lý tín hiệu nhiều chiều không phải là một khái niệm quá mới mẻ. Tuy
nhiên đây là một lĩnh vực rất rộng và phức tạp nên việc đầu tư nghiên cứu là rất cần
7


thiết. Các nghiên cứu về vấn đề xử lý tín hiệu nhiều chiều sẽ là những cơ sở khoa
học quan trọng để xây những ứng dụng cao cấp mà các tín hiệu đơn chiều khơng thể
đem lại được. Việc xử lý tín hiệu nhiều chiều cũng cho phép tạo ra các cơng nghệ
mới hay cỗ máy mới có khả năng phân tích, xem xét và tổng hợp vấn đề từ nhiều
mặt, nhiều khía cạnh trong mối tương tác với nhiều yếu tố khác liên quan. Đó sẽ là
những cơng cụ tuyệt vời cho phép chúng ta thúc đẩy sự phát triển của toàn bộ nền
khoa học kỹ thuật theo hướng sâu hơn và ngày càng tiến gần tới bản chất của sự
việc, hiện tượng. Đó chính là nền tảng để chúng ta từng bước số hóa, nhận thức và
kiểm sốt các yếu tố trong môi trường xung quanh nhằm nâng cao chất lượng cuộc
sống.
Để cụ thể hóa các nghiên cứu về ứng dụng của xử lý tín hiệu nhiều chiều, ta
đi sâu nghiên cứu vấn đề tạo ảnh cho hệ thống SONAR. Đây là một ứng dụng khá
đặc trưng cho q trình xử lý tín hiệu nhiều chiều (2 đến 3 chiều tùy theo mục đích).

Q trình tạo ảnh cho hệ thống SONAR về mặt nguyên lý khá giống với các hệ
thống RADAR, đều dựa trên hệ tọa độ cực. Tuy nhiên, hệ thống RADAR được xây
dựng dựa trên nguyên lý thu phát sóng điện từ nên yêu cầu về mặt tốc độ xử lý dữ
liệu là rất lớn, gây khó khăn cho việc thử nghiệm. Trong khi đó, hệ thống SONAR
hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát sóng siêu âm – sóng cơ, tốc độ truyền lan khá
thấp – nên rất thuận lợi cho quá trình thử nghiệm với mơ hình thực tế. Bên cạnh đó,
hệ thống SONAR cũng có những ứng dụng khơng thể phủ nhận và không thể thay
thế trong định vị và đo khoảng cách dưới nước (nơi không dùng được RADAR),
được ứng dụng nhiều trong khoa học và trong lĩnh vực quân sự.

I.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
I.2.1 Mục đích nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả cố gắng nghiên cứu và đưa ra một
số khái niệm đơn giản về tín hiệu nhiều chiều, về xử lý tín hiệu nhiều chiều và thử
nghiệm một ứng dụng cơ bản. Cụ thể, luận văn này hướng tới:
− Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về tín hiệu nhiều chiều.
− Lựa chọn và nghiên cứu một ứng dụng cụ thể: Ứng dụng tạo ảnh trong hệ
thống SONAR.
8


− Đề xuất một phương pháp xử lý tín hiệu trong ứng dụng hẹp đã chọn.
− Nghiên cứu và thử nghiệm phương pháp bằng mơ hình thật để kiểm tra và
đánh giá kết quả.
I.2.2 Đối tượng nghiên cứu
Căn cứ vào mục đích của luận văn, đối tượng nghiên cứu của đề tài được xác
định là:
− Tín hiệu nhiều chiều và các đặc trưng cơ bản.
− Hệ thống SONAR và phương pháp tạo ảnh trong hệ thống SONAR.
− Các thuật toán tạo ảnh 2D và 3D.

− Mơ hình phần cứng của một hệ SONAR thu nhỏ.
− Các thuật toán tạo ảnh cho hệ SONAR trong đề tài.
I.2.3 Phạm vi nghiên cứu
Khái niệm xử lý tín hiệu nhiều chìều là một khái niệm rộng, có hệ thống cơ
sở lý thuyết mang tính học thuật từ cơ bản đến cao cấp. Vì vậy, việc nghiên cứu để
tiếp cận với xử lý tín hiệu nhiều chiều khơng thể chỉ nói chung chung mà cần hướng
tới một ứng dụng cụ thể. Trong luận văn này, tác giả hướng những nghiên cứu của
mình vào việc tìm tín hiệu nhiều chiều và ứng dụng trong phạm vi thu hẹp như sau:
− Nghiên cứu, xử lý tín hiệu nhiều chiều ở mức độ sơ lược: Đưa ra định nghĩa
và một số phương án xử lý nguồn tín hiệu nhiều chiều.
− Đề xuất và thử nghiệm một số thuật tốn tạo ảnh cho hệ SONAR để có thể
phát hiện vật cản và đo khoảng cách ở mức độ đơn giản: vật cản đơn, hai vật
cản, nhiều vật cản rời rạc. Việc thực hiện đề tài dừng lại ở kết quả xác định
vật cản chứ chưa nhận dạng được vật cản, qua đó đề xuất các phương án giải
quyết để nâng cao khả năng xử lý của hệ thống.
− Do đặc trưng của các cảm biến đo khoảng cách khả dụng ngoài thị trường,
việc phát hiện và định vị các vật cản nằm phía sau một vật cản ở gần hơn
(tính từ cảm biến) là khơng thể. Do đó trong luận văn này, ta coi các vùng
không gian nằm ngay sau một vật cản là vùng mù đối với hệ thống SONAR
được thiết kế.

9


I.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xử lý tín hiệu nhiều chiều và các ứng dụng của nó có ý nghĩa lớn trong đời
sống, trong khoa học kỹ thuật và trong lĩnh vực quân sự. Các nghiên cứu được trình
bày trong luận văn này tuy mới chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu và vận dụng nhưng
cũng đã bước đầu có những ý nghĩa như:
− Nghiên cứu để tiếp cận với công nghệ xử lý tín hiệu nhiều chiều nói chung.

− Nghiên cứu phương pháp sử dụng SONAR để đo khoảng cách và định vị vật
cản dưới nước để ứng dụng trong các thiết bị hoạt động dưới tàu ngầm, thuỷ
lôi, tàu chiến.
− Ngày nay, nền công nghiệp và khoa học quân sự ở Việt Nam đang dần được
chú trọng và nâng cao. Qua việc nghiên cứu một ứng dụng là hệ thống
SONAR mà luận văn đề cập đến sẽ giúp ta hiểu thêm về các vấn đề trong
định vị và đo khoảng cách dưới nước, bước đầu tiếp cận dần với công nghệ
mới để tiến tới làm chủ và tự chế tạo các thiết bị khí tài qn sự phục vụ cho
cơng nghiệp quốc phòng.

I.4 Phương pháp nghiên cứu
I.4.1 Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát thực tế
Xử lý tín hiệu nói chung và xử lý tín hiệu nhiều chiều nói riêng là một lĩnh
vực mang tính học thuật cao. Hàm lượng tốn học và vật lý chứa đựng trong lĩnh
vực này là rất lớn. Vì vậy, để xử lý tín hiệu, nhất là tín hiệu nhiều chiều, chúng ta
phải dựa trên những nền tảng lý thuyết rất vững chắc.
Mặt khác, để tạo ra các tín hiệu đầu ra có ích, việc nghiên cứu và mơ hình
hóa yếu tố đầu ra cũng là một cơng việc vơ cùng quan trọng. Ví dụ: Để gây ra cảm
giác liên tục khi phát lại một chuỗi ảnh động, tốc độ chuyển ảnh phải ngắn hơn thời
gian lưu ảnh của mắt. Hay để tạo ra hình ảnh sắc nét, ta phải chú ý đến độ phân dải
của một bức ảnh hay video. Do đó, việc nghiên cứu lý thuyết để lượng hóa các tham
số đầu ra là cơ sở để xác định các kết quả cần đạt tới của chuỗi các hàm tốn học
trong suốt q trình xử lý.

10


I.4.2 Thử nghiệm với các số liệu giả định
Việc nghiên cứu lý thuyết đơn thuần chỉ giúp ta hiểu và là cơ sở đề xuất các
thuật tốn xử lý tín hiệu. Việc thử nghiệm và đánh giá kết quả một thuật tốn xử lý

địi hỏi phải được thử nghiệm với các số liệu. Số liệu thử có thể lấy từ thực tế hoặc
lấy từ các bộ dữ liệu giả lập. Việc sử dụng các bộ dữ liệu giả tuy không phản ánh và
giúp ta đánh giá chính xác một thuật tốn xử lý nhưng lại là một cơng cụ hữu hiệu
trong quá trình thử nghiệm ban đầu. Giúp ta rút ngắn thời gian thử nghiệm sơ lược
một thuật toán hay một mơ hình xử lý dữ liệu mới đề xuất. Đây có thể coi là một
khâu trung gian trong quá trình xây dựng các cơng cụ xử lý mới.
I.4.3 Thử nghiệm với các số liệu thật
Khâu cuối cùng trong quá trình nghiên cứu là việc kiểm nghiệm các thuật
tốn hay mơ hình xử lý bằng các số liệu thật thu được trong thực tế. Các số liệu này
phản ánh chính xác tính ngẫu nhiên của dữ liệu. Một q trình thử nghiệm thực tế
cẩn thận với đầy đủ các trường hợp đặc biệt sẽ cho một kết quả rất đáng tin cậy.
Quá trình thử nghiệm thực tế càng lâu dài, kết quả càng chính xác và đây cũng
chính là những nền tảng để ta nghiên cứu và tối ưu các kết quả đã có.

11


CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Chương II trình bày những nghiên cứu khởi đầu về lý thuyết để làm cơ sở
cho các chương sau này. Để nghiên cứu và thử nghiệm mơ hình hệ thống SONAR,
các vấn đề về sóng siêu âm, về nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng siêu âm được
đề cập khá chi tiết. Tiếp theo, vấn đề xử lý và tái tạo ảnh 2D, 3D được trình bày với
vai trị là cơ sở lý thuyết của việc xử lý tín hiệu 2 chiều và 3 chiều. Chương II cũng
trình bày một số kết quả khảo sát thực tế để làm cơ sở thiết kế cho mơ hình thử
nghiệm hệ thống SONAR tại chương sau.

II.1 Nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng siêu âm
II.1.1 Sóng âm
II.1.1.1 Bản chất của sóng âm

Các mơi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi
trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi
phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó
bên trong mơi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên
bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí
cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di
chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động
dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của
mơi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi
trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là
một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của
các phần tử vật chất của mơi trường truyền sóng.
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với
sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
truyền âm.
12


Ví dụ 1: Tác động một lực làm rung lên âm thoa, gây ra cho các phân tử
trong khơng khí bị nén lại hay dãn ra tùy theo hướng chuyển động của âm thoa,
phân tử đầu tiên bị tác động sẽ ảnh hưởng đến phân tử kế tiếp… và cứ thế mà có sự
lan truyền sóng ra mọi hướng (và cũng nhờ thế mà tai người ở bất kỳ vị trí nào xung
quanh âm thoa đều nghe được âm vang của âm thoa). Hiện tượng này tương tự như
khi ta thả một viên sỏi vào giữa lòng hồ đang lặng sóng, viên sỏi sẽ tạo ra những
gợn sóng có hình dạng các vòng tròn đồng tâm lan tỏa ra xung quanh mà tâm của
chúng là vị trí mà viên sỏi rơi xuống hồ nước.
Ví dụ 2: Đánh vào mặt trống, tác động dòng điện làm rung màng loa, đạn
bay trong khơng khí.
II.1.1.2 Các đại lượng đặc trưng của sóng âm
Hình II.1 là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và

dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao
nhất cịn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

Hình II.1 Sóng âm

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:
− Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn.
− Tần số f(Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây.
− Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau
một đơn vị thời gian.
13


− Độ dài bước sóng λ(μm) là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng
thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là
khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.
II.1.1.3 Phân loại sóng âm
 Phân loại theo phương dao động
Dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và
sóng ngang.
− Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của mơi trường
vng góc với tia sóng. Sóng ngang xuất hiện trong các mơi trường có tính
đàn hồi về hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn.
− Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử mơi trường trùng với
tia sóng. Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích,
do đó nó truyền được trong các vật rắn cũng như trong mơi trường lỏng và
khí.
 Phân loại theo tần số
Sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính.
− Sóng âm tần số cực thấp, hay cịn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz.

Ví dụ: sóng địa chấn.
− Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f = 16 Hz – 20 kHz.
− Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz.
II.1.1.4 Ứng dụng của sóng siêu âm
Sóng siêu âm có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Trong cơng nghiệp,sóng
siêu âm được dùng để phát hiện các vết rạn nứt trên bề mặt cũng như là những
khiếm khuyết bên trong của sản phẩm. Siêu âm còn được ứng dụng rộng rãi trong
kỹ thuật gia cơng kim loại. Sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có
thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia công như mạ, hàn. Trong y tế, sóng
siêu âm được ứng dụng trong chẩn đốn bệnh.… Ngồi ra cịn rất nhiều những ứng
dụng khác.

14


II.1.2 Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thơng qua
phát và thu sóng siêu âm.
Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim
loại hoặc không phải kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục
(những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).
II.1.2.1 Nguyên lý thời gian truyền
Nguyên lý thời gian truyền (time of flight - TOF) là nguyên lý đo khoảng
cách bằng thời gian truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với
các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong khơng khí và
trong các vật liệu khác tương đối chậm (khoảng 343m/s trong khơng khí), và người
ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ. Phương pháp này không được dùng
trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận
tốc ánh sáng (300.000 km/s). Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật
được tính bằng vận tốc của sóng trong mơi trường tương ứng nhân với một nửa thời

gian truyền của sóng.

Hình II.2 Ngun lý thời gian truyền

Cơng thức:
d =v

Trong đó:
d: Khoảng cách cần đo,
15

t
2


v: Vận tốc sóng siêu âm trong mơi trường truyền sóng,
t: Thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại.
II.1.2.2 Búp sóng của cảm biến siêu âm
Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp cho
ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi đó, dường như
trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm khơng gặp bất
cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thơng số cảm biến ghi nhận được, có
một chướng ngại vật. Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mơ hình hóa thành
một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như khơng có chướng ngại vật, cịn
các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.

Hình II.3 Búp sóng của cảm biến siêu âm

II.1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm
 Ưu điểm:

− Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m.
− Sóng phản hồi của cảm biến khơng phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối
tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng.
− Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng
cách. Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức vật
chất, mức độ chuyển động của đối tượng.
 Nhược điểm:
− Cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị
này tùy thuộc vào từng loại cảm biến).
16


− Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh
tạp âm.
− Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng
phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Do đó kết quả cảm biến tiệm cận
siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác.
− Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải quần áo rất khó để
phát hiện ở khoảng cách xa.
− Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoảng cách nhỏ nhất.
− Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ, áp suất, sự chuyển động khơng đều
của khơng khí, bụi bẩn trong khơng khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo.
− Nhiệt độ bề mặt của đối tượng đo ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm
biến, hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm
cho khoảng cách phát hiện của đối tượng ngắn lại và giá trị khoảng cách
khơng chính xác.
− Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm tốt hơn bề mặt gồ ghề, tuy
nhiên bề mặt trơn phẳng lại đòi hỏi khắt khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm
biến và mặt phẳng đối tượng.
II.1.2.4 Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Từ lâu, siêu âm đã được ứng dụng trong thực tế như:
− SONAR: Dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm dò đáy biển,
phát hiện tàu ngầm, đàn cá. Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong mơi
trường nước.
− Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp (MBA). Khi có phóng điện
cục bộ trong MBA sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu. Nhờ bộ
cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản
xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn MBA có phóng
điện cục bộ.
− Trong ngành y tế, SONAR siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội
tại của cơ thể, chẩn đốn chính xác khối u, thai nhi. Trong kĩ thuật đo và
kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được
17


chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện được trạng thái bề mặt và
các khuyết tật bên trong cấu trúc.
− Ngoài ra cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng, đo khoảng
cách độ cao hay vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền, dùng để phát hiện ra
người, phát hiện dây bị đứt, phát hiện xe, phát hiện chiều cao… và nhiều ứng
dụng quan trọng khác trong cuộc sống.

II.2 Xử lý, tái tạo tín hiệu hình ảnh 2D
Phần này giới thiệu về một vài loại tín hiệu hình ảnh 2D và 3D đặc trưng, đó
là những tín hiệu tương ứng với những hình ảnh được nhìn bởi thị giác con người
(Human vision system – HVS). Những biểu diễn về miền và toán học được thảo
luận cùng với một số đặc tính của chúng. Chúng ta xem xét ví dụ về một bức ảnh
hình chữ nhật, một phiên bản quét mành của tấm ảnh này và những hình ảnh số, bao
gồm những chuỗi hình ảnh số tạm thời ví như các hình ảnh truyền hình số.
II.2.1 Các hình ảnh miền liên tục x(t) = x(t1, t2)

Các hình ảnh được nhận biết bởi HVS (Human vision system – Thị giác con
người) ở dạng những hình ảnh miền liên tục. Ví dụ, một hình ảnh đen trắng đặc
trưng được nhìn bởi HVS từ một khoảng cách phù hợp từ một hướng bất kỳ tới bề
mặt x(t) = x(t 1 , t 2 ) có một miền là hình chữ nhật 2D:
2
Rrec
= [(a; b )(c; d )]∈ R 2

Tại đây giá trị của x(t 1 , t 2 ) được định nghĩa là một số thực tỷ lệ trực tiếp với
thang đo cường độ sáng (gray-level) của bức ảnh chụp tại 2 tập hợp điểm (t 1 , t 2 ).
Một tấm ảnh đen trắng đặc trưng, bao gồm các viền đen này được giới thiệu
như một tín hiệu 2D miền liên tục, có giá trị 0 khi cường độ sáng trên thang đo là
màu đen và giá trị ngược lại khi cường độ sáng trên thang đo là màu trắng. Trong ví
dụ này, miền hình chữ nhật R rec 2 bao gồm viền đen nơi tín hiệu được định nghĩa là
0. Do đó, như được định nghĩa, vùng ROS (region of support – vùng hỗ trợ) của tín
hiệu sẽ là hình chữ nhật nhỏ hơn R ros 2 ở bên trong, phần mà không chứa phần viền
giá trị 0 này. Các tín hiệu ảnh 2D, và cuối cùng là tất cả những hình ảnh khơng gian
2D đều được xác định về phạm vi giới hạn; trong đó, các miền là các tập con đóng

18


của R rec 2 có các điểm bao là các khoảng cách giới hạn từ tất cả các điểm trong R2.
Vậy, biểu trưng cho hình ảnh 2D miền liên tục là phần bề mặt 2D và phần đường
viền.
Nếu giá trị của một tín hiệu được gán với tỉ lệ của một vài đại lượng vật lý đo
được (như cường độ sáng trong ví dụ cụ thể này) thì tín hiệu được gọi là một tín
hiệu tương tự. Do đó, một bước ảnh là một tín hiệu miền liên tục tương tự x(t 1 , t 2 ).
II.2.2 Sự diễn dịch vật lý của giả thuyết miền liên tục
Theo quan điểm vật lý, đặc tính khơng gian của miền liên tục là một giả

thuyết được tạo nên từ ví dụ trên bởi HVS chấp nhận cường độ để định nghĩa nên
miền giá trị liên tục R rec 2. Chúng ta thấy rằng, trong thực tế, nhận định này sẽ là
không đúng nếu chúng ta nhìn hình ảnh ở một quy mơ thích hợp (dưới một kính
hiển vi chẳng hạn). Từ đó, ta có thể quan sát được rằng một dải xám (gray tone)
hiển nhiên là được tạo thành thì một bộ các chấm trịn đen khơng chạm vào được
trên một nền trắng theo cái cách mà mức độ của dải xám được thể hiện bởi mật độ
trung bình của các đốm đen. HVS biểu diễn cho độ trung bình khơng gian 2D, cho
phép những tập các chấm tròn được nhận từ một khoảng cách thích hợp như một
bức tranh miền liên tục.
Có rất nhiều ví dụ khác nữa về hệ thống sinh học tự nhiên hay hệ thống nhận
thức nhân tạo khơng có sự ý thức về các chi tiết khơng gian nhỏ, do đó nó tạo ra ảo
ảnh hoặc sự nhận thức rằng một bức ảnh là miền liên tục. Thiết bị ống chiếu tia
cathode đặc trưng (CRT) thường dùng trong truyền hình là một ví dụ.
II.2.3 Một hình ảnh 2D miền xáo trộn: Một bức ảnh quét
Các bộ chuyển đổi được sử dụng để biến đổi các bức ảnh thành dạng điện tử.
Ví dụ, một cơng nghệ phổ biến sử dụng thiết bị quét để quét một bức ảnh theo các
hàng ngang khơng gian đóng, tạo nên các bức ảnh được gọi là ảnh quét mành được
chỉ ra trên hình II.4. Máy ghi hình truyền hình làm việc theo cách này. Các hình ảnh
được quét tương ứng là thể hiện cho một tín hiệu 2D miền xáo trộn x(t 1 , n 2 T), tại
đó:

19


t1 ∈ [0;Trow ]
Trow ∈ R1

Và
n2 ∈ [0; ( N 2 − 1)]
N 2 ∈ N 1 , T ∈ R1

Độ dài của mỗi dòng là T row , số dòng là N 2 , và khoảng cách giữa 2 dịng là
T. Rõ ràng, tín hiệu là miền liên tục trên khía cạnh dịng t 1 và miền rời rạc trên khía
cạnh cột n 2 . Từ đó mà ta có một tín hiệu miền xáo trộn và dmn[x(t 1 , n 2 T)]

R1xN1.

Hình II.4 Tín hiệu 2D miền xáo trộn quét mành x(t1, n2T) một tấm ảnh quét

II.2.4 Một tín hiệu 2D miền rời rạc: Tấm ảnh lấy mẫu hình chữ nhật
Tấm ảnh qt mành ở trên có thể được biến đổi thành dạng lấy mẫu hình chữ
nhật bằng cách lấy mẫu từng dòng quét mành ở các khoảng cách bằng nhau, khoảng
cách T, kết quả ta có tín hiệu 2D tương tự miền rời rạc x(n 1 T, n 2 T). Nếu chúng ta có
N 1 mẫu trên một dịng và N 2 dịng, thì:
dmn[x(n1T ; n2T )] = ((n1T )(n2T ))

n1 = [0; N1 ]

n2 = [0; N 2 ]

Chúng ta sẽ tiêu chuẩn hoá khoảng cách T để đồng nhất và viết tín hiệu 2D
miền rời rạc có khoảng cách đồng nhất lấy mẫu tiêu chuẩn là x(n 1 ,n 2 ), trong trường

20


2
2
hợp này dmn[x(n1T ; n2T )]∈ N rec
mà N rec

≡ [((0 )(0 )); (( N1 )( N 2 ))] là một mảng hình chữ

nhật của 2 tập hợp số nguyên.
Chuỗi hoàn chỉnh {x(n 1 ,n 2 )} thường được thể hiện bởi một ma trận thể hiện
theo n 1 hàng và n 2 cột có giá trị x(n 1 ,n 2 ). Do đó, chuỗi được thể hiện bởi ma trận:

Giá trị của các thành phần của ma trận phụ thuộc vào các khoảng trong R 1 .
Theo cách thể hiện này, tấm ảnh hiện giờ khơng có gì ngồi các bộ số thực.
II.2.5 Xem các tín hiệu 2D tương tự miền rời rạc sử dụng các điểm ảnh
Ma trận trong các phương trình trên có thể dễ dàng được chuyển đổi thành
một bức ảnh có miền R rec 2. Mỗi thành phần x(n 1 ,n 2 ) của ma trận có thể được biến
đổi thành một ơ vng nhỏ có cường độ đồng nhất mà tâm của nó ở ((n 1 T)(n 2 T))
trong R2. Cường độ ánh sáng của dải xám là tỉ lệ với giá trị của x(n 1 ,n 2 ). ROS của
bức ảnh kết quả là toàn bộ R rec 2 nếu viền của mỗi ô có độ dài T
Chúng ta có thể thay mỗi thành phần ma trận x(n 1 ,n 2 ) bằng độ dài của xung
chức năng 2D miền thực x(n 1 ,n 2 ) được cho bởi:

Ô thành phần kết quả được quy như một điểm ảnh p(t 1 ,t 2 ) được miêu tả theo
toán học ở dạng sản phẩm của 2 mảnh của độ dày T như sau:

Phương trình của sự biến đổi xung 2D miền thực tới các ô vuông điểm ảnh
miền thực được gọi là hoạt động giữ mẫu 2D (2D sample-hold) và được chỉ ra trên
hình II.5. Ảnh kết quả được chỉ ra trên hình II.6.

21


Một bức ảnh như biểu đồ bề mặt 2D (surface-histogram) trên hình 2.6 là dễ
dàng để hiển thị, ở đó, mỗi (bin) thể hiện một mẫu trong chuỗi 2D có độ cao bằng
giá trị của mẫu.

Hình II.5 Hoạt động giữ mẫu 2D để chuyển đổi một xung 2D thành điểm ảnh 2D

2
Hình II.6 Hai cách thể hiện của một ma trận số với một bức ảnh trên Rrec

II.2.6 Nhận thức không gian
Nhận thức không gian của cảm giác tự nhiên bởi HVS là một vấn đề rất phức
tạp. Ở dạng thường thấy, hệ thống HVS hiển nhiên xử lý các chi tiết trong một cảnh
bằng cách nhận biết hình dạng chung của đối tượng quan trọng trong cảnh, tuỳ
22


thuộc vào đường nét chung và phụ thuộc vào các thuộc tính như hình dáng, bố cụ,
màu sắc của chúng. Việc tiến tới phân loại yêu cầu rằng các viền của các vật thể và
các thuộc tính bên trong được xử lý như một vấn đề về ưu tiên thời gian. Rất nhiều
hệ thống như máy tính mơ phỏng hướng tiếp cận này. Nhận thức không gian thực tế
của vật thể và theo dõi đúng đắn chuyển động của vật thể yêu cầu các vật thể cần đủ
lớn, trong điều kiện số lượng mẫu sử dụng thể hiện chúng đủ lớn – những thứ cấu
thành nên các hình dạng có thể nhận biết được với bố cục và sắc thái có thể nhận ra.
Một khẳng định rõ ràng giải thích tại sao hệ thống thị giác của chúng ta không ngu
ngốc như việc cố gắng xử lý một hình ảnh bằng cách mô phỏng hướng quét mành
thường được sử dụng trong các máy quay hình.
Phải cơng nhận rằng chúng ta cần một lượng lớn các mẫu để thể hiện một
đường nét, sắc thái và bố cục, có ứng dụng khả thi quan trọng. Ví dụ, trong một
cảnh truyền hình đặc trưng chúng ta có thể hi vọng rằng nhiều vật thể khá nhỏ có
thể nhận ra sẽ bao gồm bởi hàng trăm mẫu. Do đó, một vật thể hình vng bao gồm
100 mẫu lấp đầy 1 cm2 trong một màn hình vng kích thước (50)x(50) cm2 có
(1000)x(1000) mẫu. Các vật thể bao gồm nhỏ hơn 25 mẫu sẽ thường khó được nhận
ra và có chi tiết nhỏ hoặc khơng có chi tiết viền và các viền này sẽ thường không

được mượt. Để những bố cục và sắc thái bên trong vật thế có thể được nhận ra thì
cần phải có hàng trăm mẫu.
Thảo luận bên trên chỉ ra rằng các vật thể thường được hỗ trợ bởi ít nhất
hàng trăm mẫu mặc dù những bố cục của chúng có thể được thể hiện bởi chi tiết
quan trọng ở những khoảng cách không gian chỉ bởi một vài mẫu. Sắc thái yêu cầu
hàng trăm mẫu để thể hiện được tính chân thực.
Thông thường phép làm gần đúng tốt để tạo cảm giác rằng những hình ảnh
truyền hình được gắn kết bởi một bộ các vật thể có những đường viền và những
phần bên trong như sắc thái, bố cục, độ sáng... là vơ cùng mượt mà.
II.2.7 Thuộc tính trên những hình khối vuông nhỏ không gian đơn khung
Nếu một phân chia một khung truyền hình đặc trưng thành các hình khối
vng khơng gian với kích cỡ nhỏ phù hợp, thường là 32x32 mẫu, thì phần lớn
những khối vng bao phủ 2 loại nguyên lý của những hình ảnh nhỏ (sub). Chúng

23