Nghiên cứu phương pháp xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HOÀNG TRỌNG TÚ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
TRẠNG THÁI GIAO THÔNG TRONG HẦM
ĐƯỜNG BỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số:

8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS. HỒ PHƯỚC TIẾN

Đà Nẵng - Năm 2019


i


ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI GIAO
THƠNG TRONG HẦM ĐƯỜNG BỘ
Học viên: Hồng Trọng Tú. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 8520203 Khóa: K35. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Hệ thống camera quan sát ngày càng được sử dụng một cách rộng rãi nhờ những lợi

ích và hiệu quả thiết thực mà nó mang lại. Việc xác định trạng thái giao thơng trong hầm đường bộ
dựa vào hình ảnh từ camera trong hầm để hỗ trợ công tác vận hành của nhân viên giám sát nhằm cung
cấp cảnh báo nhanh chóng, đúng lúc và giảm thiệu rủi ro tai nạn là điều cần thiết.
Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ.
Dựa vào các phương pháp đã nghiên cứu và xây dựng thuật tooán về bài toán xác định trạng thái giao
thông trong hầm đường bộ qua camera, đề xuất giải pháp xác định trạng thái bằng phương pháp trừ
nền và phương pháp luồng quang học.
Kết quả luận văn đã xác định 3 trạng thái giao thông: xe dừng, xe đang di chuyển và đường thơng
thống khơng có xe.
Từ khóa - Luồng quang học, Trừ nền, Camera giám sát, Phát hiện chuyển động, thị
giác máy tính .
STUDY METHODS TO DETERMINE TRAFFIC STATUS IN THE ROAD
TUNNEL
Abstract – CCTV system is increasingly used extensively thanks to its benefits and
practical effects. The determination of road traffic state, based on the image from the
camera in the tunnel to support the operation of the supervisor in providing a quick, timely
warning and reducing the risk of accident is very necessary.
The thesis focuses on researching methods to determine traffic status in the road tunnel.
Based on studied method and algorithm of determining traffic condition in road tunnels
through camera, solutions to determine the state by subtraction method and optical flow
method are proposed.
Thesis results have identified 3 traffic states in the tunnel: stopping vehicles, moving
vehicles and clear roads without vehicles.
Key words – Opticalflow, background subtraction, Surveillance camera, Motion
Detection, computer vision.


iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Dịch nghĩa Tiếng Việt

CCTV

Closed Circuit Television

Truyền hình mạch kín

DIVAR

Digital Vesatile Recorder

Bộ ghi hình kỹ thuật số đa năng

OCC

Operation Control Center

Trung tâm điều hành

PTZ

Pan Tilt Zoom

Phóng to thu nhỏ, xoay nghiêng

SCADA

Supervisory Control and Data Điều khiển giám sát và thu thập
Acquisition
dữ liệu

CCD

Charge Coupled Device

Linh kiện tích điện kép

CRT

Creative Transceiver

Bộ truyền tín hiệu

CRR

Creative Receiver

Bộ nhận tín hiệu

AVI

Audio Video Interleave

Tệp tin đa phương tiện

IP

Internet Protocol

giao thức Internet

IR

Infrared

Hồng ngoại

CMOS

Complementary Metal Oxide
Bán dẫn kim loại ơ-xít bù
Semiconductor


iv

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

1.

Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................... 2

3.1.

Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................2

3.2.

Phạm vi nghiên cứu............................................................................................2

4.

Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu ................................ 2

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................. 2

6.

Kết quả dự kiến...................................................................................... 2

7.

Kết cấu của luận văn.............................................................................. 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN CHUYỂN ĐỘNG TRONG HẦM
ĐƯỜNG BỘ ................................................................................................................... 4

1.1. Giới thiệu chương........................................................................................... 4
1.2. Bài toán chuyển động trong hầm đường bộ ................................................... 4
1.3. Hầm đường bộ hải Vân .................................................................................. 4
1.3.1. Bài toán chuyển động trong hầm đường bộ Hải Vân ............................................4
1.3.2. Hệ thống giám sát giao thơng và CCTV (truyền hình mạch kín) .........................6
1.3.3. Hệ thống vòng từ cảm ứng (Inductive loop) .........................................................8
1.3.4. Các vấn đề cần giải quyết ....................................................................................10

1.4. Tổng quan về Camera số và video ............................................................... 10
1.4.1

Khái niệm về Camera số ..................................................................................10

1.4.2

Phân loại Camera ............................................................................................. 10

1.4.3

Hệ thống Camera quan sát ...............................................................................11

1.4.4

Khái niệm về Video .........................................................................................12

1.4.5

Video số ...........................................................................................................12

1.5. Kết luận chương ........................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG ................................. 14

2.1. Giới thiệu chương......................................................................................... 14
2.2. Tổng quan về phát hiện đối tượng ............................................................... 14
2.3. Phương pháp trừ nền .................................................................................... 14
2.3.1.

Tổng quan về trừ nền .......................................................................................14


v
2.3.2.

Trừ khung hình.................................................................................................15

2.3.3.

Trung bình trượt Gaussian ...............................................................................16

2.3.4.

Bộ từ mã ...........................................................................................................17

2.3.5.

So sánh và Đánh giá các phương pháp ............................................................ 20

2.4. Phương pháp luồng quang học ..................................................................... 21
2.4.1.

Tổng quan về luồng quang học ........................................................................21

2.4.2.

Xác định luồng quang học ...............................................................................21

2.5. Kết luận chương ........................................................................................... 25
CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI GIAO THÔNG TRONG HẦM ĐƯỜNG
BỘ ................................................................................................................................. 26

3.1. Giới thiệu chương......................................................................................... 26
3.2. Bài toán xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ qua Camera . 26
3.3. Bối cảnh và một số giả thiết cho bài toán xác định trạng thái chuyển
động.
27
3.4. Phương pháp giải quyết bài toán xác định trạng thái chuyển động ............. 28
3.4.1. Mơ hình tổng thể .................................................................................................28
3.4.2. Tiền xử lý.............................................................................................................29

3.5. Ước lượng chuyển động bằng phương pháp trừ nền ................................... 30
3.5.1.

Mơ tả phương pháp ..........................................................................................30

3.5.2.

Xây dựng thuật tốn trừ nền ............................................................................31

3.6. Phương pháp xác định chuyển động dựa trên luồng quang học .................. 32
3.6.1.

Ước lượng chuyển động...................................................................................33

3.6.2.

Xác định trạng thái chuyển động .....................................................................33

3.7. Kết luận chương ........................................................................................... 37
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................ 38

4.1. Giới thiệu chương......................................................................................... 38
4.2. Cơ sở dữ liệu ................................................................................................ 38
4.3. Kết quả ......................................................................................................... 38
4.3.1. Phương pháp trừ nền ........................................................................................... 38
4.3.2. Phương pháp luồng quang học ............................................................................40

4.4. Phân tích và đánh giá ................................................................................... 41
4.4.1. Phương pháp trừ nền ........................................................................................... 42
4.4.2. Phương pháp luồng quang học ............................................................................43


vi

4.5. Kết luận chương ........................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN ................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 49

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

2.1

Giải thuật bộ từ mã [8]

18

2.2

Thuật toán trừ nền với bộ từ mã [8]

20

3.1

Thuật toán của giải thuật 1

34

3.2

Thuật toán của giải thuật 2

36

3.3

Thuật tốn của giải thuật 3

37

4.1

Các tình huống tương ứng với các trạng thái trong video

45

4.2

Bảng thống kê kết quả các tình huống xảy ra của 3 giải thuật
khi chạy 18 video

45

4.3

Bảng thống kê kết quả của 3 giải thuật với các camera khác nhau

46

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1

Tổng quan hầm đường bộ Hải Vân [2]

5

1.2

Biểu đồ lưu lượng giao thông trung bình/ngày trong hầm [2]

5

1.3

Lưu thơng trong hầm đường bộ Hải Vân

6

1.4

Camera Bosch LTC 0455/51 lắp đặt trong hầm (nguồn

Internet)

7

1.5

Sơ đồ hệ thống truyền hình mạch kín [2]

8

1.6

Sơ đồ điều khiển giao thơng vịng từ cảm ứng [2]

9

1.7

Màn hình giám sát tình trạng giao thơng thơng qua vịng từ
cảm ứng [2]

9

1.8

Camera có dây và camera khơng dây (nguồn Internet)

11

1.9

Chuỗi các ảnh trong video số [4]

12

2.1

Tổng quan các khối xử lý trong phát hiện đối tượng

14

2.2

Trừ khung hình trong các trường hợp ngưỡng quá cao và quá
thấp [7]

16

2.3

Video đầu vào và trừ nền cho giải thuật trung bình trượt
Gaussian [7]

17

2.4

Mơ hình từ mã [8]

19

2.5

So sánh giữa thuật toán bộ từ mã với phương pháp trung bình
trượt Gaussian. (a) Ảnh ban đầu (b) Trừ nền với Guassian (c)
Trừ nền với Bộ từ mã [8]

20

2.6

Sự chuyển động của luồng quang học [10]

22

2.7

Sự thay đổi luồng quang học giữa 2 khung hình và phát hiện
đối tượng [10]

24

2.8

Biểu đồ so sánh mức độ lỗi, nhiễu giữa các kĩ thuật trừ ảnh,
trừ nền, luồng quang học [1]

24

3.1

Hệ thống vòng từ cảm ứng bị hư hỏng nhiều [2]

26

3.2

Phương tiện giao thông làn này che khuất một phận phương
tiện ở làn ngược lại

27

3.3

Camera được lắp cố định bên thành hầm

28

3.4

Sơ đồ xử lý bài tốn

28

3.5

Hình ảnh lấy mẫu xuống 1/3

29

ix
3.6

Xét làn đường bên phải cùng hướng với camera

29

3.7

Mặt nạ nhị phân tương ứng với một camera

30

3.8

Ảnh (a) là ước lượng nền cơ sở, ảnh (b) thu được ở bước tiếp
theo. ảnh (c) thể hiện bản đồ điểm ảnh nổi trội phát hiện được
bằng cách sử dụng phép trừ nền [1]

31

3.9

Khung hình ảnh tại thời điểm t trước và sau khi vẽ các vector
có hướng

33

3.10

Sơ đồ khối hệ thống

35

4.1

Làn đường thơng thống khơng có xe di chuyển (chỉ xét làn
đường bên phải)

39

4.2

Xe dừng gây ùn tắc trong hầm

39

4.3

Xe di chuyển bình thường

40

4.4

Xe đang di chuyển bình thường (Giải thuật 1-2-3)

40

4.5

Khơng có xe di chuyển trong hầm (Giải thuật 1-2-3)

41

4.6

Phát hiện có xe dừng (Giải thuật 1-2-3)

41

4.7

Kết quả thực hiện khơng đúng so với thực tế

42

4.8

So sánh phương pháp trừ nền với luồng quang học

42

4.9

Xe đang di chuyển nhưng kết quả là khơng có xe

43

4.10

So sánh kết quả của giải thuật 1 và giải thuật 2

44

4.11

Làn đường khơng có xe nhưng lại thơng báo có xe dừng

44

4.12

So sánh kết quả của giải thuật 2 và giải thuật 3

45


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển nhanh chóng của các loại máy móc hiện đại như máy ảnh số, máy
quay số, máy vi tính, điện thoại đi động … thì lượng thơng tin con người thu được dưới
dạng hình ảnh là khá lớn. Để lượng thơng tin này trở nên có ích hơn con người cần có
các thao tác để tiến hành xử lý nó và từ đó tạo điều kiện cho sự phát triển khơng ngừng
của các kỹ thuật xử lý hình ảnh. Xử lý ảnh là một trong những công nghệ được ứng dụng
rộng rãi hiện nay trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Không chỉ dừng lại ở việc
xử lý những vết nhòe, tái chế và phục hồi các ảnh cũ, ngày nay công nghệ xử lý ảnh đã

mang lại những tiến bộ vượt bậc như nhận dạng vân tay, nhận dạng khn mặt, nhận
dạng đối tượng …v.v khi nó kết hợp với lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.
Bên cạnh đó, hệ thống camera quan sát ngày càng được sử dụng một cách rộng rãi
nhờ những lợi ích và hiệu quả thiết thực mà nó mang lại: giám sát hoạt động, giám sát
an ninh, tích hợp các ứng dụng báo động tức thời giúp phát hiện và xem lại ngay lập tức
khi có báo động xảy ra….
Hầm đường bộ ngày càng phổ biến ở nước ta, có vai trị lớn trong việc tiết kiệm chi
phí và an tồn cho người tham gia giao thông. Hầm đường bộ Hải Vân xuyên qua đèo
Hải Vân là hầm đường bộ dài nhất nước ta và cả Đông Nam Á, nối liền tỉnh Thừa Thiên
Huế và thành phố Đà Nẵng, đóng vài trị quan trọng đối với giao thông của miền Trung
Việt Nam. Đến nay, sau hơn 12 năm vận hành và với sự phát triển mạnh mẽ của phương
tiện giao thông, việc lưu thông 01 ống hầm với 02 làn xe 2 chiều dễ gây ra ùn tắc, hỏa
hoạn và mất an toàn do lưu lượng giao thông trong khu vực quá lớn. Do đó việc theo
dõi, giám sát và quản lý xe lưu thơng trong hầm rất khó khăn.
Vì vậy việc xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ dựa vào hình ảnh từ
camera trong hầm để hỗ trợ cơng tác vận hành của nhân viên giám sát nhằm cung cấp
cảnh báo nhanh chóng, đúng lúc và giảm thiệu rủi ro tai nạn là điều cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu các thuật tốn phát hiện, từ đó xác định đối
tượng giao thơng từ hình ảnh camera, làm cơ sở để xây dựng hệ thống xác định trạng
thái giao thông trong hầm đường bộ.
 Xác định đối tượng giao thông đang chuyển động, xe dừng hay khơng có xe.
 Sử dụng phương pháp Optical flow (luồng quang học).
 Tạo tiền đề cho việc xác định trạng thái của các đối tượng giao thông.
Bên cạnh đó đề tài cịn mong muốn giúp cho mọi người có một cái nhìn tồn diện
hơn về vai trị và khả năng ứng dụng của công nghệ xử lý ảnh vào trong thực tế của đời
sống xã hội.


2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
 Trong luận văn này, dữ liệu được xử lý là các đoạn video có sẵn được quay từ
một camera tĩnh ghi lại với chuẩn AVI (Audio Video Interleave).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
 Phạm vi nghiên cứu của đề tài liên quan đến lĩnh vực xử lý ảnh số thông qua việc
sử phần mềm Matlab.
4. Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
 Tìm hiểu cách lập trình với Matlab.
 Tìm hiểu phương pháp trừ nền (Background subtraction) để phát hiện chuyển
động.
 Tìm hiểu phương pháp luồng quang học để phát hiện đối tượng chuyển động.
 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
 Tiến hành phân tích và cài đặt: thuật tốn trừ nền để phát hiện chuyển động,
thuật toán luồng quang học để phát hiện đối tượng chuyển động từ dữ liệu
video, từ đó xác định trạng thái của đối tượng chuyển động.
 So sánh và đánh giá kết quả đạt được.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Về mặt lý thuyết
 Nghiên cứu việc ứng dụng xử lý ảnh vào việc giải quyết các vấn đề thực tế.
 Phân tích, đánh giá sự hiệu quả của các giải thuật phát hiện chuyển động.
 Tạo tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
 Về mặt thực tiễn
 Giúp giảm công sức, tăng hiệu quả trong việc cung cấp cảnh báo nhanh chóng,
đúng lúc và giảm thiệu rủi ro tai nạn trong hầm.
 Đề tài có thể ứng dụng cho các bài toán liên quan trong các lĩnh vực khác như
giáo dục, y tế, công cộng, ….
6. Kết quả dự kiến
 Nắm vững và cài đặt thành cơng các thuật tốn: phát hiện chuyển động bằng

phương pháp trừ nền, ước lượng luồng quang học để phát hiện đối tượng chuyển
động từ đó xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ.
 Tạo được bảng so sánh kết quả, độ chính xác của các phương pháp phát hiện dựa
trên tập các video có sẵn .


3
7. Kết cấu của luận văn
Luận văn bao gồm có 4 chương được tóm tắt như sau:
 Chương 1 - Tổng quan về bài toán chuyển động trong hầm đường bộ:
Chương này trình bày các vấn đề ở hầm đường bộ, tổng quan bài toán chuyển
động trong hầm đường bộ và tìm hiểu các khái niệm, phân loại, và các thông số
cơ bản của Camera và Video để làm tiền đề cho xử lí ảnh
 Chương 2 – Phát hiện đối tượng chuyển động: Trong chương này sẽ trình bày
các phương pháp phát hiện chuyển động: phương pháp trừ nền và phương pháp
luồng quang học.
 Chương 3 – Xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ: chương này
sẽ trình bày về bài tốn xác định trạng thái giao thông trong hầm đường bộ qua
camera, đề xuất giải pháp xác định trạng thái bằng phương pháp trừ nền và
phương pháp luồng quang học. Từ kết quả đã có, xác định phương pháp nào áp
dụng hiệu quả vào bài toán.
 Chương 4 - Thực hiện và đánh giá: Nội dung chương trình bày các kết quả thực
hiện thơng qua tổng hợp, chạy chương trình đồng thời so sánh kết quả đạt được
giữa các phương pháp.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN CHUYỂN ĐỘNG TRONG
HẦM ĐƯỜNG BỘ

1.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày các vấn đề ở hầm đường bộ, tổng quan bài toán chuyển động
trong hầm đường bộ và tìm hiểu các khái niệm, phân loại, và các thông số cơ bản của
Camera và Video để làm tiền đề cho xử lí ảnh.
1.2. Bài toán chuyển động trong hầm đường bộ
Hầm đường bộ là cơng trình được đào qua núi, qua sơng, qua đường bộ và ngày càng
phổ biến ở nước ta, giúp người dân lưu thơng nhanh chóng, dễ dàng hơn, có vai trị lớn
trong việc tiết kiệm chi phí và an tồn cho người tham gia giao thông.
Việc lưu thông trong hầm rất phức tạp do khơng gian hẹp, tầm nhìn bị hạn chế, ánh
sáng yếu, lưu lượng xe nhiều. Hầm đường bộ là điểm giao thơng nguy hiểm nhất khi có
sự cố xảy ra như xe dừng, xe chạy chậm, ùn tắc kéo dài, đặc biệt là sự cố cháy/nổ hay
tai nạn giao thơng vì đây là những tuyến đường “độc đạo”. Khi xảy ra sự cố ở hầm
đường bộ, nếu không được khắc phụ kịp thời sẽ gây ra ùn tắc kéo dài, khó khăn trong
việc cấp cứu người bị tai nạn cũng như việc tiếp cận giải tỏa ùn tắc. Khi sự cố kèm thay
cháy/nổ thì sẽ gây ra thiệt hại rất lớn về người và tài sản.
Hầm đường bộ vốn đã nguy hiểm và cịn có những rủi ro trong giao thông công cộng
hơn là giao thông cơ giới khác. Trọng tâm của hầm đường bộ là an tồn cho người sử
dụng hầm và vận hành, bảo trì hầm.
1.3. Hầm đường bộ hải Vân
1.3.1. Bài toán chuyển động trong hầm đường bộ Hải Vân
Hầm đường bộ qua đèo Hải Vân là cơng trình giao thơng tổng hợp gồm hầm, cầu,
đường và các hệ thống, thiết bị phục vụ vận hành an tồn giao thơng qua Hầm. Hầm Hải
Vân được xây dựng nhằm mục đích phục vụ giao thơng trên tuyến Quốc lộ 1 xuyên qua
dãy núi Hải Vân, giảm thiểu các tai nạn khi các phương tiện tham gia lưu thơng trên đèo
Hải Vân, giảm chi phí và tiết kiệm thời gian cho phương tiện và người tham gia giao
thông, thúc đẩy sự phát triển kinh tế của 2 vùng Đà Nẵng, Huế và hành lang kinh tế
Đông-Tây. Là 1 trong 30 hầm lớn, hiện đại, dài nhất trên thế giới và khu vực ASEAN,
lần đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam. Cơng trình được thiết kế vĩnh cửu, tổng chiều
dài hầm 6280 mét, tốc độ thiết kế 80 km/giờ, tải trọng 30 tấn. Nằm giữa địa phận hai
tỉnh: Điểm đầu phía Bắc cầu Hải Vân lý trình Km1+643 thuộc địa phận xã Lộc Hải huyện Phú Lộc - tỉnh Thừa Thiên Huế, điểm cuối lý trình Km7+923 thuộc phường Hoà

Hiệp Bắc - Quận Liên Chiểu - Thành phố Đà Nẵng, địa phận hành chính lý trình
Km5+330. Cửa hầm phía Bắc ở cao độ 38,92m, cửa hầm phía Nam ở cao độ 127,17m
so với mực nước biển. Cơng trình được khởi cơng xây dựng từ tháng 8 năm 2000 và
hoàn thành đưa vào vận hành ngày 05 tháng 06 năm 2005.


5

Hình 1.1 Tổng quan hầm đường bộ Hải Vân [2]
Sau hơn 13 năm vận hành, lưu lượng giao thông trung bình/ngày trong hầm có xu
hướng tăng theo từng năm, dễ dẫn đến các vấn đề gây mất an toàn giao thông cũng tăng
theo như xe dừng, xe tai nạn, xe cháy…. Đồng thời mặc dù vận tốc tối đa cho phép chạy
trong hầm là 70km/h, tuy nhiên vận tốc xe chạy trung bình thực tế lớn nhất chỉ là
49.8km/h và vận tốc này có xu hướng giảm trong những năm gần đây. Điều này cho
thấy lưu lượng giao thông qua hầm đã gần đạt tới năng lực thông hành tối đa của hầm.

Hình 1.2 Biểu đồ lưu lượng giao thông trung bình/ngày trong hầm [2]


6
Các phương tiện lưu thơng trong hầm chỉ có thể chạy 1 làn xe theo hướng Bắc –
Nam hoặc Nam - Bắc và phải tuân thủ các quy định khi vào hầm như cấm vượt, không
được quay đầu xe trong hầm. Khi có một phương tiện dừng lại hay gặp sự cố chắc chắn
sẽ gây ra ùn tắc kéo dài.

Hình 1.3 Lưu thông trong hầm đường bộ Hải Vân
1.3.2. Hệ thống giám sát giao thơng và CCTV (truyền hình mạch kín)
Hệ thống giám sát giao thơng và truyền hình mạch kín của hầm Hải Vân bao gồm 4
bộ DIVAR (ghi hình kỹ thuật số đa năng), 1 bộ video matrix (ma trận video), 1 bộ quản
lý tín hiệu, 1 bộ báo động được lắp đặt tại OCC (Trung tâm điều hành), 58 camera cố

định hãng Bosch và 09 bộ camera PTZ (camera qt xoay trịn) được bố trí ở hai trạm
thu phí, hai đầu cửa hầm và trong hầm, tầm quan sát bao phủ 100% hầm. Tất cả được
tích hợp hoàn toàn với SCADA (điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) cho phép người
vận hành quan sát và điều khiển camera quét xoay tròn trực tiếp từ máy trạm điều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu. Chức năng chính của các camera này là giám sát giao thơng
nên hệ thống camera này hồn tồn độc lập (khơng được kết nối) với hệ thống mạch
Loop (vòng từ cảm ứng), do đó các camera này khơng thẻ ghi nhận lại được hình ảnh
các các sự cố trong hầm Hải Vân.
Cơ chế giám sát và phát hiện trạng thái giao thông trong hầm đường bộ chủ yếu được
thực hiện thủ công bởi các nhân viên trực vận hành trực tiếp, theo dõi qua màn hình hiển
thị các camera lắp đặt trong hầm để giám sát giao thông trong hầm, xe đang di chuyển
bình thường, xe dừng, xe chạy chậm, xe tai nạn….. Việc sử dụng một thiết bị chuyên
dùng trong ngành để xác định trạng thái giao thơng có nhiều hạn chế như tốn kém chi
phí cho việc mua thiết bị và nhân lực để sử dụng.


7

Hình 1.4 Camera Bosch LTC 0455/51 lắp đặt trong hầm (nguồn Internet)
Hãng sản xuất

BOSCH

Loại

Compact Camera

Cảm biến hình

1/3 inch Color CCD

Độ phân giải

540 TV lines

Trọng lượng

540g

Điện áp sử dụng

12VDC

Độ nhạy sáng

0,018

Nhiệt độ làm việc

-20o C ~ + 50o C

Kích thước (mm)
Hệ màu

58 x 66 x 122
PAL, NTSC

Nguyên lý truyền tín hiệu từ Camera về màn hình:
Cơ sở hạ tầng hiện tại truyền hình mạch kín của hầm Hải Vân dựa trên giải pháp
cơng nghệ tương tự. Camera truyền tín hiệu về các trạm trong Hầm bằng Eneo truyền

(nhận tín hiệu từ Camera và khuyếch đại tín hiệu vì trong q trình truyền tín hiệu bị
suy hao ) qua cáp xoắn đơi → các trạm chuyển qua cáp đồng trục kết nối với bo mạch
nguồn qua bộ Eneo nhận (lọc tín hiệu ) → chuyển qua bộ CRT 431, 441 chuyển đổi tín
hiệu điện thành tín hiệu quang và truyền về trung tâm điều hành bằng cáp quang →
trung tâm điều hành có bộ nhận quang CRR431, CRR441 nhận tín hiệu quang và chuyển
thành tín hiệu điện → 4 bộ ghi hình kỹ thuật số đa năng ghi và lưu hình ảnh → bộ
chuyển mạch ma trận video → màn hình


8

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống truyền hình mạch kín [2]
1.3.3. Hệ thống vòng từ cảm ứng (Inductive loop)
Vòng từ cảm ứng là vòng cảm biến được lắp đặt dưới làn đường, mỗi làn đường có
hai vịng cảm ứng tương ứng với một điểm đo. Cáp đặt dưới vòng từ cảm ứng là cáp có
điện trở lớn, bền dẻo chống dập, nhiễu.
Dòng điện tạo ra các từ trường xoay chiều quanh vịng. Khi có phương tiện đi qua
vịng làm méo từ trường. Tín hiệu này được truyền về tủ các trạm bằng cáp xoắn đôi đến
card MC2014 giải mã phân loại phương tiện, đếm phương tiện, phân loại tốc độ truyền
qua bộ PLC→ thiết bị chuyển tín hiệu cáp quang RT1-TP/EL chuyển tín hiệu điện thành
tín hiệu quang truyền về trung tâm điều hành qua thiết bị chuyển tín quang thành tín
hiệu điện truyền đến máy tính vận hành.


9

Vịng từ cảm ứng

Máy tính vận hành

Đèn

Hộp đấu nối

MC 2014

Rơle điều khiển

Trạm SS1, 2, 3, 5

Trạm SS7, 8
PLC (các trạm)
Cáp quang
Trung tâm vận hành

Trung tâm vận hành

Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển giao thơng vịng từ cảm ứng [2]
Có tổng cộng 34 vịng từ cảm ứng, trong đó 32 vịng được lắp đặt trong hầm và 2
vòng được lắp đặt ở 2 đầu cửa hầm. Các vòng được lắp đặt cách nhau 200m bên dưới
mỗi làn xe chạy. Theo hướng Nam Bắc thứ tự các vòng từ cảm ứng từ 1 đến 34.

Hình 1.7 Màn hình giám sát tình trạng giao thơng thơng qua vịng từ cảm ứng [2]


10
Các vòng từ cảm ứng được lắp đặt dưới làn đường nên nếu có sự cố hay hư hỏng xảy
ra thì gần như khơng thể sửa chữa được, mỗi cặp vịng từ cảm ứng cách nhau 200m nên
đơi khi khơng thể phát hiện sự cố kịp thời, ảnh hưởng đến cơng tác vận hành hầm an
tồn.

1.3.4. Các vấn đề cần giải quyết
Để giúp cải thiện và hỗ trợ cho vòng từ cảm ứng, giảm tắc nghẽn giao thông do sự
cố thông qua việc tăng cường thời gian tương tác của người điều khiển hầm, tăng độ an
toàn cấu trúc hầm, giảm lượng khí thải trong suốt thời gian sự cố diễn ra và tăng cường
an tồn cũng như lợi ích chung của người tham gia giao thông trên tuyến đường dưới sự
giám sát của hệ thống truyền hình mạch kín, luận văn nghiên cứu xác định trạng thái
giao thông trong hầm sử dụng các camera đang có:
 Dịng xe trong hầm đang di chuyển bình thường.
 Dịng xe trong hầm đã dừng lại, gây ùn tắc.
 Làn đường thơng thống, khơng có xe lưu thơng.
Kết quả nghiên cứu mang lại nhiều lợi ích bằng cách cung cấp thơng tin phát hiện sự
cố tự động trong thời gian thực, để có thể tiến hành các biện pháp khắc phục trước khi
phát sinh các sự cố quá mức cho phép. Hệ thống truyền hình mạch kíntruyền dữ liệu
hình ảnh video dưới định dạng AVI, thuận tiện cho việc trích xuất dữ liệu khi cần.
1.4. Tổng quan về Camera số và video
1.4.1 Khái niệm về Camera số
Camera là một thiết bị ghi hình có thể ghi lại được những hình ảnh trong một khoảng
thời gian nào đó và lưu trữ các dữ liệu hình ảnh này.
1.4.2 Phân loại Camera
Có 3 cách phân loại Camera:
 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
 Camera Analog: Ghi hình vào băng từ và xử lý tín hiệu tương tự.
 Camera CCD: Sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. Kĩ thuật CCD là
tập hợp những ơ tích điện có thể cảm nhận ánh sáng, sau đó chuyển tín hiệu
ánh sáng sang tín hiệu số để xử lí.
 Camera CMOS: Là các loại Camera sử dụng cơng nghệ CMOS, loại này cho
hình ảnh rõ nét hơn Camera Analog, nhưng giá thành còn khá cao nên chưa
thể đáp ứng được nhu cầu của thị trường.
 Phân loại theo kĩ thuật đường truyền
 Camera có dây: Tính an toàn cao, bảo mật tốt, thường được sử dụng để truyền

tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75 Ohm- 1Vpp. Nếu truyền xa hơn
300m thì phải có bộ khuyếch đại để tránh suy hao tín hiệu trên đường truyền.
Loại này đang được dùng trên Hầm Đường Bộ Hải Vân.


11
 Camera khơng dây: Ưu điểm đó là dễ thi cơng lắp đặt do khơng cần đi dây,
tuy nhiên nó có hệ số an tồn khơng cao bởi nó sử dụng sóng vơ tuyến để
truyền tín hiệu nên sóng của nó dễ bị thu hoặc dễ bị nhiễu bởi các nguồn sóng
khác như điện thoại di động. Vì vậy nó được đánh giá là khơng an tồn.
 Camera IP: được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh và điều khiển
được truyền qua mạng.Với Camera IP người dùng có thể điều khiển và giám
sát bất cứ đâu thơng qua mạng Internet.

Hình 1.8 Camera có dây và camera khơng dây (nguồn Internet)
 Phân loại theo tính năng sử dụng
 Camera áp trần: có nhiều hình dạng, kích thước khác nhau, thường được đặt
trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã và có tính năng bảo mật cao.
 Camera ẩn: có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau rất khó để nhận biết
được. Nó được dùng khi ngụy trang để tránh bị phát hiện.
 Camera quét xoay tròn: là loại có khả năng hỗ trợ quét dọc, quét ngang, phóng
to, thu nhỏ, cho phép kết nối với hệ thống cảm ứng và cảnh báo để phát hiện
đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó.
 Camera IR: là loại có khả nnăng quan sát đêm.
1.4.3 Hệ thống Camera quan sát
Ngày nay hệ thống Camera an ninh đã trở nên hết sức thơng dụng đối với mọi người
và có thể được lắp đặt để giám sát hoạt động của mọi nơi như các nhà máy, văn phịng,
cơ quan xí nghiệp, khách sạn, cửa hàng,…v.v mà không cần phải đi đến tận nơi quan
sát hoặc có thể ở bất cứ đâu, bất cứ lúc nào mà vẫn theo dõi được công việc hàng ngày
diễn ra. Hệ thống này giúp cho những nhà quản lý có thể kiểm sốt cơng việc một cách

chặt chẽ hơn, tiết kiệm được chi phí và làm cho hình ảnh của doanh nghiệp được chuyên
nghiệp, hiện đại hơn.
Một số hệ thống Camera quan sát thường được sử dụng hiện nay như là:
 Theo dõi trực tiếp không cần ghi hình: Phù hợp với hộ gia đình và cửa hàng kinh
doanh nhỏ.
 Theo dõi và ghi hình dùng đầu ghi: Phù hợp với công ty, nhà máy hoặc cửa hàng.


12
1.4.4 Khái niệm về Video
Thuật ngữ video dùng để chỉ nguồn thơng tin hình ảnh trực quan (pictorial visual
information), bao gồm một chuỗi các ảnh tĩnh (still image) liên tiếp nhau, được sắp xếp
theo chiều thời gian. Video còn được gọi là ảnh thay đổi theo thời gian (time-varying
image), kí hiệu là s( x1, x2, t), trong đó x1, x2 là các biến chỉ vị trí trong khơng gian, cịn
t là biến thời gian. Xét về mặt vật lý, ở cấp thấp nhất, video tồn tại dưới dạng các tín
hiệu. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thu được ta có 2 loại video khác nhau: video tuần tự và
video số. Tuy nhiên dữ liệu mà chúng ta xử lý là dữ liệu video số vì thế ta chỉ tập trung
vào việc tìm hiểu rõ về Video số [3].
1.4.5 Video số
1.4.5.1. Tín hiệu video số
Tín hiệu video số được lưu trữ dưới dạng số, do đó chúng được lấy mẫu và lượng tử
hóa. Tín hiệu video số là một thơng tin 3 chiều gồm 2 chiều không gian và 1 chiều thời
gian hay còn được gọi là chuỗi ảnh số với mỗi ảnh số là một ảnh được lấy mẫu và lượng
tử hóa.

Hình 1.9 Chuỗi các ảnh trong video số [4].
1.4.5.2. Ưu và nhược điểm của video số
 Ưu điểm
Với tín hiệu số, ta không cần phải chuyển đổi giữa các tín hiệu như trong tín hiệu
tuần tự. Ngồi ra, cịn có thể chỉnh sửa, tạo các hiệu ứng trên tín hiệu video số. Video

số khơng chỉ có vai trị giải trí mà nó cịn cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin quan
trọng trong nhiều lĩnh vực như là các ảnh giám sát quân sự, điều khiển giao thông, và
rút trích thơng tin từ các dữ liệu ảnh và video.
 Nhược điểm
Nhược điểm của video số đó là nó địi hỏi khối lượng lưu trữ lớn và băng thông rộng
để truyền tải. Do đó hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp nén video để
giảm kích thước của nó.


13
1.4.5.3. Chuẩn video số AVI
AVI (Audio Video Interleave) là một đa phương tiện định dạng container của
Microsoft được giới thiệu vào tháng 11 năm 1992. AVI là tập tin có thể chứa cả âm
thanh và video dữ liệu trong một container cho phép đồng bộ tập tin âm thanh với video.
Đây là một trong những định dạng video chuẩn và được ứng dụng khá rộng rãi nên
luận văn sẽ chọn định dạng AVI để làm định dạng cho các tập tin video xử lý, vì thế từ
đây về sau khi đề cập đến video tức là đề cập đến video số với định dạng AVI.
1.5. Kết luận chương
Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu được các vấn đề ở hầm đường bộ, tổng quan
bài toán chuyển động trong hầm đường bộ và các khái niệm, thông số cơ bản, cấu trúc
của Camera số và Video. Đề tài này sẽ áp dụng chuẩn Video “AVI”. Và sử dụng khung
ảnh với định dạng “JPG” được trích ra từ Video trên. Sau đó sẽ xử lí các ảnh tĩnh “JPG”
này để xác định đối tượng với phương pháp trừ nền và luồng quang học.


14

CHƯƠNG 2: PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG
2.1. Giới thiệu chương
Phát hiện đối tượng là một trong những bài toán quan trọng của thị giác máy tính.

Trong chương này sẽ tìm hiểu về các phương pháp phát hiện đối tượng chuyển động là
phương pháp trừ nền và phương pháp luồng quang học. Đối với mỗi phương pháp, ta đi
tìm hiểu các khái niệm, các tính chất, đặc biệt là các giải thuật cụ thể cho từng phương
pháp. Nêu các ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp.
2.2. Tổng quan về phát hiện đối tượng
Phát hiện đối tượng chuyển động là quá trình đưa ra các đối tượng chuyển động từ
các khung hình video. Quá trình này thực chất là quá trình xử lý chuỗi ảnh liên tiếp trong
một đoạn video để phát hiện ra các đối tượng chuyển động.
Các khung hình video (các frame từ video)

Phát hiện các vùng ảnh nổi (Foreground Detection)

Các đối tượng chuyển động, các tính chất của chúng

Xử lý các vùng ảnh nổi (Foreground Processing)
Hình 2.1 Tổng quan các khối xử lý trong phát hiện đối tượng
Phát hiện đối tượng chuyển động trong video là một trong các bài tốn được nghiên
cứu rộng rãi và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay. Phần lớn các đối tượng
được phát hiện dựa vào những thông tin có trong một frame (khung hình) ảnh. Hiện này
có rất nhiều hướng tiếp cận để giải quyết bài toán này như phát hiện đối tượng dựa trên
điểm (point detectors), dựa trên việc phân đoạn (segmentation) hoặc dựa trên việc dùng
phương pháp trừ nền hay dựa vào phương pháp luồng quang học. Tuy nhiên việc lựa
chọn phương pháp thì dựa vào tình huống cụ thể. Và trong luận văn này thì dữ liệu video
thu được cần được xử lý theo thời gian thực vì thế việc phát hiện đối tượng bằng các
phương pháp trừ nền và phương pháp luồng quang học là những phương pháp thích hợp.
2.3. Phương pháp trừ nền
2.3.1. Tổng quan về trừ nền


15

Trong những ứng dụng về thị giác máy tính, vấn đề cơ bản nhất là làm thế nào để
phát hiện được các đối tượng chuyển động trong video (foreground) và biết được đâu là
phần nền không thay đổi (background). Để giải quyết được vấn đề này thì ta dùng
phương pháp trừ nền, là một trong những phương pháp cơ bản nhất trong lĩnh vực thị
giác máy tính.
Ý tưởng chung của các phương pháp trừ nền là: Để phát hiện ra được các đối tượng
chuyển động trong video chúng ta phải có được mơ hình nền (background model). Mơ
hình nền này có thể được học qua nhiều khung hình ảnh nếu nền bị thay đổi, ngược lại
ta có thể chọn một nền có sẵn nếu nền khơng bị thay đổi. Sau đó, ta sẽ dùng mơ hình
nền này để so sánh với khung hình ảnh hiện tại và kết quả là ta sẽ nhận biết được đâu là
phần nền, đâu là các phần chuyển động.
Phương pháp trừ nền là phương pháp đơn giản nhất dùng để phát hiện chuyển động
vì khá dễ dàng để cài đặt và tốc độ xử lý nhanh đáp ứng được cho các ứng dụng đòi hỏi
xử lý thời gian thực hơn so với các phương pháp khác. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ
cho kết quả chính xác không cao trong các trường hợp:
 Thay đổi về độ sáng: thay đổi dần dần theo thời gian khi Camera đặt ngoài trời
quay dữ liệu theo thời gian hoặc thay đổi đột ngột khi Camera ngoài trời quay dữ
liệu và có đám mây bay qua.
 Thay đổi về chuyển động khi Camera lung lay hoặc các đối tượng nền dao động
với tần suất cao (nhánh cây trước gió hoặc sóng biển).
 Thay đổi về thành phần cấu tạo của nền, ví dụ như khi xe chạy vào bãi đậu và
dừng ln ở đó thì xem như xe đã thuộc về đối tượng nền.
Hiện nay có nhiều giải thuật khác nhau về trừ nền và trong phạm vi luận văn này
chỉ tập trung nghiên cứu 3 giải thuật: Frame Difference (trừ khung hình), Running
Gaussian Average (trung bình trượt Gaussian) và Codebook (bộ từ mã).
2.3.2. Trừ khung hình
Ý tưởng chính trong phương pháp trừ khung hình là các đối tượng chuyển động sẽ
được phát hiện dựa trên sự khác biệt giữa hai khung hình ảnh liên tiếp nhau cùng với
một ngưỡng được chọn trước. Giải thuật trên được thực hiện bằng phương pháp trừ hai
khung hình liên tiếp, đối với mỗi giá trị pixel (điểm ảnh) kết quả ta so sánh giá trị tại

điểm ảnh đó với ngưỡng đã được chọn. Nếu giá trị này nằm trong ngưỡng cho phép thì
tại đó ta xem như là nền, ngược lại là phần chuyển động (foreground) [5].
Ft+1 – Ft < th

(2.1)

Trong đó:
Ft+1: khung hình ảnh thứ t + 1
Ft : khung hình ảnh thứ t
th: ngưỡng được chọn và độ chính xác của thuật toán phụ thuộc vào giá trị ngưỡng
này.