Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển đèn giao thông tại ngã tư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN
ĐÈN GIAO THỐNG TẠI NÚT GIAO THÔNG

GVHD: VÕ ĐỨC DŨNG
SVTH: NGUYỄN HOÀN HẢO
HUỲNH NGỌC GIANG

SKL 0 0 6 9 9 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019

15141148
15141140


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
------------------o0o------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN
ĐÈN GIAO THỐNG TẠI NÚT GIAO
THƠNG

GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Nguyễn Hồn Hảo
Huỳnh Ngọc Giang

Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019

15141148
15141140


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Nguyễn Hoàn Hảo
Huỳnh Ngọc Giang
Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thơng
Đại học chính quy
2015

MSSV: 15141148
MSSV: 15141140
Chuyên ngành:
Mã ngành:
01

Hệ đào tạo:
Mã hệ:
01
Khóa:
Lớp: 15141DT1A
15141DT2B
I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG
TẠI NÚT GIAO THÔNG
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Matlab phiên bản R2017a.
- Vi điều khiển Arduino Mega 2560.
- 4 video đầu vào, 2 video khi đường ít xe hay lượng xe vừa phải, 2 video khi
đường nhiều xe.
2. Nội dung thực hiện:
Xây dựng hệ thống đèn giao thông tự động dựa trên việc đếm đối tượng qua
hình ảnh. Đầu vào là từ video chứa các đối tượng là phương tiện giao thơng nói
chung. Kết quả đếm được sẽ được gửi xuống vi điều khiển là Arduino Mega 2560 để
điều khiển 4 cột đèn giao thông mô hình. Nhóm chúng em sẽ thực hiện các nội dung
như sau:
 Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về phần mềm matlab, kit Arduino Mega
2560, cách kết nối Arduino với matlab, xây dựng thư viện cho Arduino.
 Nội dung 2: Tìm hiểu các thuật tốn phát hiện vật thể, phương tiện giao thơng.
 Nội dung 3: Tìm hiểu, nghiên cứu, xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.
 Nội dung 4: Thiết kế, xây dựng hệ thống đếm phương tiện qua ảnh, lập trình
giao diện sử dụng để thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu xuống kit Arduino.
 Nội dung 5: Thiết kế mơ hình thành phẩm.
 Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
06/09/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
25/12/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
i


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
------------------o0o------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN
ĐÈN GIAO THỐNG TẠI NÚT GIAO
THÔNG
GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Nguyễn Hoàn Hảo
MSSV: 15141148
SVTH: Huỳnh Ngọc Giang
MSSV: 15141140

Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019

MỤC LỤC
TRANG BÌA ................................................................................................................. i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN .................................................................................................... ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ..................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... vi
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ vii
MỤC LỤC ................................................................................................................ viii
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH................................................................................................ xi
LIỆT KÊ BẢNG VẼ ................................................................................................ xiv
TÓM TẮT .................................................................................................................. xv

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ........................................................................................... 3
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................... 3
1.4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI............................................................................................ 3
1.5 BỐ CỤC .............................................................................................................. 4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 6
2.1 GIỚI THIỆU XỬ LÝ ẢNH................................................................................ 6
2.2 TỔNG QUAN MATLAB .................................................................................. 7
2.3 GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH ARDUINO ........................................ 8
2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................ 10
2.4.1 Kit arduino mega 2560 .............................................................................. 10
2.4.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ....................................................................... 13
2.4.2.1 Led 7 đoạn .......................................................................................... 13
2.4.2.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ................................................................ 14
2.4.3 Led đơn ...................................................................................................... 15
2.5 QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH ............................................................................. 15

2.5.1 Xử lý ảnh là gì? ......................................................................................... 15
2.5.2 Quá trình thu nhận ảnh .............................................................................. 16
2.5.3 Quá trình tiền xử lý ảnh ............................................................................ 16
2.5.4 Quá trình phân đoạn ảnh ........................................................................... 16

v


2.5.5 Biểu diễn và mô tả ..................................................................................... 17
2.5.6 Nhận dạng và nội suy ảnh ......................................................................... 17
2.5.7 Cơ sở tri thức ............................................................................................. 18
2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CƠ BẢN VỚI MỘT SỐ ẢNH ĐỐI TƯỢNG
ĐẦU VÀO .............................................................................................................. 18
2.6.1 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh màu xám ................................................... 18
2.6.2 Nhị phân hóa ảnh ....................................................................................... 20
2.6.3 Các phương pháp lọc nhiễu ảnh nhằm cải thiện ảnh ................................. 21
2.6.4 Làm trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính .......................................................... 21
2.6.5 Làm trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến............................................................ 24
2.6.6 Phân vùng ảnh ........................................................................................... 24
2.7 CÁC HÀM CƠ BẢN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT HIỆN
VÀ ĐẾM SỐ LƯỢNG PHƯƠNG TIỆN TRONG ĐỀ TÀI ........................................... 25
2.7.1 Hàm imread() ............................................................................................ 25
2.7.2 Hàm imshow() và imagesc() ..................................................................... 25
2.7.3 Hàm rgb2gray() ......................................................................................... 26
2.7.4 Hàm imadjust() .......................................................................................... 27
2.7.5 Hàm tự tính ngưỡng để chuyển sang ảnh nhị phân graythresh(), và hàm
chuyển đổi ảnh nhị phân imbinarize() ............................................................. 28
2.7.6 Hàm imdilate() .......................................................................................... 28
2.7.7 Hàm imerode() .......................................................................................... 29
2.7.8 Hàm bwareaopen() .................................................................................... 30

2.7.9 Hàm bwlable.............................................................................................. 31

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 32
3.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 32
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................... 32
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ...................................................................... 32
3.2.2 Thiết kế các khối hệ thống ............................................................................... 33
3.2.3 Thiết kế mơ hình đèn giao thơng ............................................................... 40
3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................................. 41

CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................... 43
4.1 GIỚI THIỆU. ................................................................................................... 43
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................................. 43
4.2.1 Thi cơng bo mạch ...................................................................................... 43
vi


4.2.2 Láp ráp và kiểm tra .................................................................................... 44
4.2.3 Thiết kế giao diện cho người điều khiển ..................................................... 45
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH..................................................................... 45

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................ 46
4.4.1 Lập trình trên phần mềm matlab ................................................................. 46
4.4.1.1 Lưu đồ tổng quát trên matlab ............................................................... 46
4.4.1.2 Chi tiết về hệ thống ............................................................................... 46
4.4.2 Lập trình trên kit Arduino Mega 2560 ........................................................ 53
4.4.2.1 Lưu đồ tổng quát trên arduino .............................................................. 53
4.4.2.2 Chương trình điều khiển trên arduino .................................................. 54
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................. 60
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................................. 60

4.5.2 Quy trình thao tác trên giao diện ................................................................. 60

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................. 61
5.1 KẾT QUẢ ......................................................................................................... 61
5.2 NHẬN XÉT ...................................................................................................... 72
5.3 ĐÁNH GIÁ ....................................................................................................... 73

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................... 74
6.1 KẾT LUẬN....................................................................................................... 74
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................... 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

..............................................................................................................

CODE ARDUINO
CODE MATLAB

vi


LỜI CAM ĐOAN
Đồ án tốt nghiệp đây là cơng trình tự thực hiện và nghiên cứu của nhóm
chúng em dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Võ Đức Dũng. Các số liệu và kết quả
trong đồ án “ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG
TẠI NÚT GIAO THÔNG” là trung thực và khơng sao chép từ cơng trình nào
khác. Nhóm chúng em sẽ chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.

Người thực hiện đề tài.

Nguyễn Hồn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang

iii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Hoàn Hảo
Lớp: 15141DT2B
MSSV: 15141148
Họ tên sinh viên 2: Huỳnh Ngọc Giang
Lớp: 15141DT1A
MSSV: 15141140
Tên đề tài: ỨNG DỤNG XỬ LÍ ẢNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI
NÚT GIAO THÔNG.
Xác nhận
Nội dung
Tuần/ngày
GVHD
1

(26/8 – 08/9)
2
(11/9 – 17/9)
3-4-5
(18/9 – 7/10)
5-6-7
(7/10 – 21/10)
8-9-10
(21/10 – 10/11)
11-12-13
(11/11 – 2/12)
15
(3/12 – 18/12)
16
19/10/2019

Nhận đề tài, tìm hiểu đề tài.
Tìm hiểu hoạt động arduino và matlab.
Tìm hiểu các hàm cơ bản sử dụng
Tìm hiểu các thuật tốn xử lý ảnh đầu vào.
Lựa chọn linh kiện.
Xây dựng cách giao tiếp giữa vi điều khiển và led
7 đoạn đôi, led đơn.
Viết lưu đồ chương trình.
Tiến hành viết chương trình .
Xây dựng mơ hình.
Kiểm tra, viết báo cáo,kiểm tra phần cứng.
Làm slide trình chiếu
Hoàn thành nhiệm vụ đồ án

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1. Máy in 3D Materia 101 ............................................................................ 9
Hình 2.2. Xe điều khiển từ xa .................................................................................. 9
Hình 2.3 Board Arduino Mega 2560........................................................................ 10
Hình 2.4: Sơ đồ và chức năng chân Arduino Mega 2560 ........................................ 10
Hình 2.5: Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART ................................................. 12
Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động chuẩn UART ......................................................... 13
Hình 2.7 Sơ đồ chân LED 7 thanh Anode ............................................................... 13
Hình 2.8: Cấu tạo thanh led 7 đoạn 2 digit .............................................................. 14
Hình 2.9: Sơ đồ chân Led 7 đoạn loại 2 digit. ......................................................... 14
Hình 2.10: Led đơn sắc. ........................................................................................... 15
Hình 2.11: Sơ đồ chân led đơn sắc........................................................................... 15
Hình 2.12: Kết quả đầu ra của quá trình xử lý ảnh .................................................. 15
Hình 2.13: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh ....................................................................... 16
Hình 2.14: Chuyển ảnh màu thành ảnh xám ............................................................ 19
Hình 2.15: Lược đồ xám .......................................................................................... 20
Hình 2.16: Ảnh xám và ảnh nhị phân ...................................................................... 20
Hình 2.17: Hiển thị ảnh bằng hàm imshow() ........................................................... 25
Hình 2.18: Hiển thị ảnh bằng hàm imagesc() .......................................................... 26
Hình 2.19: Chuyển đổi ảnh màu thành ảnh xám ...................................................... 26

Hình 2.20: Tăng cường độ tương phản của anh bằng hàm imadjust()..................... 27
Hình 2.21: Chuyển đổi ảnh xám sang ảnh nhị phân ................................................ 27
Hình 2.22: Ảnh đầu vào ........................................................................................... 29
Hình 2.23: Ảnh sau khi giản nở ............................................................................... 29
Hình 2.24: Ảnh đầu vào ........................................................................................... 30
Hình 2.25: Ảnh sau khi xói mịn .............................................................................. 30
Hình 2.26: So sánh ảnh gốc và ảnh sau khi xử lý bằng hàm bwareaopen() ............ 30
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................. 32
Hình 3.2: Sơ đồ nối dây vi điều khiển trong Board Arduino Mega......................... 34
Hình 3.3: Sơ đồ nối dây mạch nạp trong Arduino Mega ......................................... 35
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý led 7 đoạn 2 digit anode chung ..................................... 36
Hình 3.5. Led 7 đoạn 2 digit thực tế ........................................................................ 36
viii


Hình 3.6. Led đơn màu xanh, đỏ, vàng thực tế ........................................................ 38
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối led đơn với điện trở............................................................ 38
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối led 7 đoạn với điện trở ....................................................... 38
Hình 3.9. Mặt trên của mơ hình sau khi thiết kế ...................................................... 40
Hình 3.10. Mặt dưới của mơ hình sau khi thiết kế ................................................... 41
Hình 3.11. Sơ đồ ngun lý tồn mạch .................................................................... 42
Hình 4.1. Mơ hình sau khi thi cơng.......................................................................... 43
Hình 4.2. Hỉnh ảnh thực tế sau khi thi cơng............................................................. 44
Hình 4.3. Giao diện điều khiển chính trên PC ......................................................... 45
Hình 4.4. Mơ hình sau khi thi cơng.......................................................................... 46
Hình 4.5. Sơ đồ khối tổng quát chính của hệ thống đếm đối tượng trên matlab ..... 46
Hình 4.6. Lưu đồ xử lý ảnh đầu vào......................................................................... 48
Hình 4.7. Ảnh đầu vào ............................................................................................. 49
Hình 4.8. Ảnh nền .................................................................................................... 49
Hình 4.9. Ảnh được nhị phân ................................................................................... 50

Hình 4.10. Ảnh sau khi giản nở điểm ảnh................................................................ 51
Hình 4.11. Ảnh sau khi lấp lỗ trống ......................................................................... 51
Hình 4.12. Ảnh sau khi sói mịn............................................................................... 52
Hình 4.13. Ảnh sau xóa các đối tượng nhỏ .............................................................. 52
Hình 4.14. Kết quả sau khi xử lý ............................................................................. 53
Hình 4.15. Sơ đồ khối chương trình nhận dữ liệu từ Matlab sang Aruduino .......... 53
Hình 4.16. Lưu đồ chương trình điều khiển ứng dụng trên Arduino ....................... 54
Hình 4.17. Quy trình thao tác với thuật tốn đếm số lượng phương tiện ................ 60
Hình 5.1. Mơ hình khi hồn thiện và cho chạy thử với 2 cột chính......................... 61
Hình 5.2. Giao diện điều khiển chính ...................................................................... 62
Hình 5.3. Giao diện lựa chọn mật độ phương tiện để quan sát ................................ 63
Hình 5.4. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi lượng xe bình thường ............. 64
Hình 5.5. Kết quả hiển thị trên mơ hình ở làn 1 với chế độ bình thường ................ 64
Hình 5.6. Kết quả hiển thị trên mơ hình ở làn 2 song song với kết quả trên ........... 65
Hình 5.7. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 sau khi chuyển làn với lượng xe bình
thường....................................................................................................................... 65
Hình 5.8. Kết quả quan sát trên mơ hình ở làn 2 khi lượng xe bình thường ........... 66
Hình 5.9. Kết quả quan sát trên mơ hình ở làn 1 song song với kết quả trên (bình
thường) ..................................................................................................................... 66
ix


Hình 5.10. Kết quả quan sát trên giao diện làn 1 khi đơng xe ................................. 68
Hình 5.11. Kết quả quan sát trên mơ hình ở làn 1 khi đơng xe ............................... 68
Hình 5.12. Kết quả quan sát trên mơ hình ở làn 2 song song với kết quả trên (đông)
.................................................................................................................................. 69
Hình 5.13. Kết quả quan sát trên giao diện làn 2 sau khi chuyển làn ở chế độ đông xe
.................................................................................................................................. 69
Hình 5.14. Kết quả quan sát trên mơ hình ở làn 2 sau khi chuyển làn đơng xe....... 70
Hình 5.15. Kết quả quan sát trên mơ hình khi làn 1 song song với kết quả trên (đơng)

.................................................................................................................................. 70
Hình 5.16. Kết quả trên giao diện ở chế độ điều khiển bằng tay ............................. 71
Hình 5.17. Kết quả hiển thị trên mơ hình khi điều khiển bằng tay ở làn 1 ………. 73
Hình 5.18. Kết quả hiển thị trên mơ hình ở làn 2 song song với kết quả trên ( bằng
tay)………………………………………………………………………………73
Hình 5.19. Kết quả hiển thị trên mơ hình ở làn 2 khi điều khiển bằng tay ………. 74
Hình 5.20. Kết quả hiển thị trên mơ hình ở làn 1 song song với kết quả trên …….74
Hình 5.21. Nhập dữ liệu dạng kí tự khơng phải số ………………………………..75
Hình 5.22. Hệ thống báo lỗi yêu cầu nhập dữ liệu có dạng số ……………………75

ix


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Võ Đức Dũng, giảng viên trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo cho chúng em trong suốt q trình làm khố luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, các thầy cơ trong Bộ mơn Điện Tử
Cơng Nghiệp nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng
như các mơn chun ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt q trình học tập và hồn
thành đồ án tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài.

Nguyễn Hoàn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang

iv


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1: Mã hiển thị từ 0 – 9 loại anode chung ...................................................... 37
Bảng 3.2 Số giây đèn xanh ứng với số xe đếm được ................................................. 39
Bảng 3.3 Liệt kê điện áp và dòng các linh kiện sử dụng trong mạch ........................ 39
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện .............................................................................. 47
Bảng 5.1 Kết quả đếm xe làn 1 khi ít xe .................................................................... 64
Bảng 5.2 Kết quả đếm xe làn 2 khi ít xe .................................................................... 65
Bảng 5.3 Thống kê kết quả đếm xe làn 1 khi vừa xe ................................................. 67
Bảng 5.4 Thống kê kết quả đếm xe làn 2 khi vừa xe ................................................. 68
Bảng 5.5 Kết quả đếm xe làn 1 khi đông xe .............................................................. 70
Bảng 5.6 Kết quả đếm xe làn 2 khi đông xe .............................................................. 71

xii


TÓM TẮT
Sự phát triển của một quốc gia tuỳ thuộc vào tốc độ phát triển trên nhiều
lĩnh vực như kinh tế, văn hố, giáo dục, tài ngun, vị trí địa lí, … và khơng thể
khơng nói đến vấn đề về giao thông. Đối với nước ta nhu cầu đi lại và vận
chuyển những năm gần đây tăng lên không ngừng do sự phát triển nhanh chóng
của nền kinh tế và số lượng người dân đông đúc ồ ạt đổ về những thành phố lớn.

Và thế lại là bài toán tắc nghẽn ùn tắc giao thông được nêu ra nhưng lại chưa có
câu trả lời. Ùn tắc giao thơng là ngun nhân gây thiệt hại cho sự phát triển kinh
tế ở quốc gia ta nói riêng và tồn thế giới nói chung, hiệu suất lao động suy giảm
và tăng các chi phí khơng cần thiết, đặc biệt hơn nữa là gây ơ nhiễm mơi trường
trầm trọng, hiện tượng nóng lên tồn cầu cũng được xướng lên. Nguyên nhân
chính của vấn đề này một phần là do cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng được nhu cầu
lưu thông hiện nay, xe máy, ô tô ngày càng nhiều, không thể không nói đến
những cột đèn giao thông được phân chia thời gian đèn tín hiệu chưa hợp lý ở
những giao lộ, tuyến đường lớn khiến cho số lượng phương tiện giao thông bị ùn
tắc dần rồi dẫn đến tắc nghẽn giao thông. Cũng vì lí do nói trên, nhóm chúng em
quyết tâm xây dựng một hệ thống điều tiết giao thông một cách tự động, hệ
thống phân tích dữ liệu hình ảnh trên camera để cho ra thời gian phù hợp trên
từng tuyến đường.
Nhóm chúng em quyết tâm thực hiện đề tài: “ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO THÔNG” nhằm mục
tiêu xây dựng một hệ thống đèn tín hiệu được điều khiển thơng qua máy tính một
cách tự động. Chu kì đèn tín hiệu sẽ thay đổi theo lưu lượng phương tiện trên
đường. Hệ thống này được kì vọng phịng ngừa và giải quyết được phần nào vấn
nạn kẹt xe đang gây đau đầu cho toàn thế giới.
Người thực hiện đề tài.

Nguyễn Hoàn Hảo - Huỳnh Ngọc Giang
xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học

và cơng nghệ. Nó là ngành khoa học mới mẽ so với nhiều ngành khoa học khác
nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh chóng với rất nhiều ứng dụng trên
nhiều lĩnh vực khác nhau. Có thể nói rằng ứng dụng của xử lý ảnh có mặt hầu
hết rất nhiều cơng nghệ, góp phần khơng nhỏ trong thời đại công nghệ 4.0 ngày
nay [1].
Ngày nay với sự phát triển vượt trội của nền kinh tế kéo theo đó là việc ùn
tắc giao thơng là điều khơng thể tránh khỏi. Có thể nói đây là vấn đề bức xúc
của xã hội , điển hình là các đơ thị lớn như TP HCM, Hà Nội. Do đó chống ùn
tắc giao thông đang và sẽ là một nhiệm vụ cực kỳ cấp bách và quan trọng của
ngành giao thông vận tải. Thiệt hại kinh tế, xã hội của việc ùn tắc giao thơng là
vơ cùng to lớn, có lẽ khơng ai có thể lượng hố bằng các con số cụ thể (ước tính
thiệt hại năm 2007 tại thành phố Hồ Chí Minh vào khoảng 14.000 tỷ đồng). Ùn
tắc giao thông đã tác động đến mọi mặt của đời sống xã hội (kinh tế, giao thông,
giáo dục…) và tất cả mọi người, từ những người có mặt trực tiếp trong vùng ảnh
hưởng, đến các đối tượng gián tiếp khác (không phân biệt không gian và thời
gian). Trong thời đại “tồn cầu hố”, ùn tắc giao thơng tại thành phố Hồ Chí
Minh có thể sẽ ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh của nhiều công ty
tại Hoa Kỳ, Nhật, Anh, Úc, Achentina… trong nhiều ngày, nhiều tháng và nhiều
năm [2].
Con người ta đã đưa ra khá nhiều biện pháp để giải quyết vấn đề nói trên
như lập trình bộ điều khiển tín hiệu theo khung giờ cao điểm, hay trực tiếp phân
luồng bởi con người. Tuy nhiên thì dù sao giải pháp cũng chỉ mang một tính
chất vừa tương đối, và đặc biệt là vẫn hao tốn về mặt kinh tế và con người, chưa
giải quyết một cách rõ ràng triệt để.
Ở các quốc gia tiên tiến, giải pháp đưa ra là lắp đặt các hệ thống camera để
tự động điều tiết giao thông tại các giao lộ trọng yếu. Trong q trình phát triển
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

hệ thống kiểm sốt giao thơng, đã có rất nhiều cơng bố về việc nghiên cứu thơng
qua mơ phỏng và thực nghiệm nhằm tối ưu hóa các bộ điều khiển đèn tín hiệu
[6-9]. Các hệ thống này có giá rất cao, ví dụ một hệ thống đèn giao thơng thơng
minh thương mại sử dụng máy tính cơng nghiệp và các camera giám sát lên đến
hàng tỉ đồng cho mỗi chốt giao thông [10].
Ở nước ta, hầu hết các hệ thống đèn giao thông hiện đại đều được nhập
khẩu với giá thành cao và kèm theo hàng loạt các vấn đề cần khắc phục, do
chúng ta chưa làm chủ được công nghệ. Chẳng hạn, để lắp đặt 121 trụ đèn giao
thông do Tây Ban Nha sản xuất, trong dự án “Tăng cường năng lực giao thông
thành phố Hồ Chí Minh”, cần đến 3,5 triệu USD. Tuy nhiên, chưa đầy một năm
sử dụng, chúng ta đã “phơi nắng” số tiền khổng lồ này, do các trụ đèn giao
thông trên không hoạt động được [11]. Năm 2007, Sở Giao Thông Cơng Chánh
thành phố Hồ Chí Minh triển khai lắp đặt 48 chốt đèn gắn cảm biến để điều tiết
giao thông tự động, bằng nguồn vốn ODA [12]. Tuy vậy, mới sau một thời gian
ngắn sử dụng, các chốt đèn giao thông này đã bị bệnh “nan y”. Ủy Ban Nhân
Dân thành phố Hồ Chí Minh phải chi hơn 8.456USD để mời chuyên gia nước
ngoài “chẩn bệnh” [13]. Rõ ràng làm chủ công nghệ đèn giao thông là nhu cầu
thiết thực mà xã hội đã và đang đặt ra.
Từ những số liệu nói trên, liệu rằng một giải pháp hợp lý dựa vào việc xử
lý ảnh mà có thể ghi lại hình ảnh phương tiện qua lại trên đường. Bên cạnh đó là
việc canh chỉnh số đèn xanh vàng đỏ sao cho hợp lý với số lượng xe ở giao lộ,
việc này cũng giúp làm giảm đi phần nào vấn nạn ùn tắc giao thông hiện nay .
Một hệ thống dùng 2 camera để quan sát trên 2 tuyến đường của 1 giao lộ hoặc
ngã tư, tuyến đường nào nhiều xe hơn thì số giây đèn xanh dài hơn và ngược lại.
Cũng vì điều đó, nhóm em dưới sự hướng dẫn của Thạc Sĩ Võ Đức Dũng
đã thực hiện đồ án với đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống ứng dụng xử lý ảnh
điều khiển đèn tín hiệu tại nút giao thơng”. Với hi vọng có thể góp phần vào

công cuộc xây dựng nên một phương án điều tiết giao thơng hợp lý, cải thiện
tình trạng ùn tắc hiện nay, giúp lưu thông thoải mái hơn được phần nào.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Xây dựng một hệ thống có thể đếm được các đối tượng là các phương tiện
lưu thông trên đường của một ngã tư bằng cách đọc hình ảnh đầu vào được chụp
từ một đoạn trích xuất video, thơng qua q trình xử lý ảnh sẽ cho ra kết quả
gồm số phương tiện, thông tin làn đường và số giây đèn xanh phù hợp. Những
dữ liệu nói trên sẽ được gửi sang vi điều khiển Arduino Mega và xuất ra giá trị
đèn phù hợp cho mỗi làn.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Mục tiêu xây dựng đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống ứng dụng xử lý
ảnh điều khiển đèn tín hiệu tại nút giao thơng” nhóm chúng em sẽ thực hiện
những nội dung như sau:
 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về phần mềm matlab.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về kit Arduino Mega 2560.
 NỘI DUNG 3: Cài đặt matlab, tìm hiểu phương thức kết nối giữa matlab
và Arduino
 NỘI DUNG 4: Tìm hiểu các thuật tốn phát hiện phương tiện giao thơng,
ngun lý hoạt động của đèn giao thơng ở ngồi thực tế.
 NỘI DUNG 5: Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình
giao diện sử dụng để mơ phỏng quá trình thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu

xuống kit Arduino.
 NỘI DUNG 6: Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.
 NỘI DUNG 7: Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao
thơng trên kit Arduino Mega.
 NỘI DUNG 8: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
 Mơ hình gồm có kit Arduino Mega 2560, 4 Module led 7 đoạn loại 2 digit
anode chung , 12 led đơn hiển thị đèn đỏ, xanh, vàng, máy tính laptop để
thực hiện hệ thống đếm đối tượng qua hình ảnh trên phần mềm Matlab
sau đó gửi dữ liệu xuống kit Arduino điêu khiển mơ hình đèn giao thơng.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

 Hệ thống đếm đối tượng ảnh đầu vào với ngõ vào là ảnh chụp từ camera,
sau đó được xử lý bằng các phương pháp tiền xử lý ảnh đầu vào, thuật
toán dán nhãn đối tượng, phát hiện và đếm số lương phương tiện có trong
ảnh. Do điều kiện phải đặt camera ở trên cột đèn giao thơng ngồi thực tế,
điều đó là bất khả thi với nhóm thực hiện đề tài. Nên trong đề tài này
nhóm thực hiện sẽ quay video của 2 làn đường ngoài thực tế bằng điện
thoại. Với mật độ vừa phải trong điều kiện ánh sáng, thời tiết tốt vào ban
ngày, sau đó nhúng vào Matlab được cài đặt trên PC để mô phỏng camera
quay 2 làn đường.

1.5 BỐ CỤC.
Đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công hệ thống ứng dụng xử lý ảnh điều

khiển đèn tín hiệu tại nút giao thơng” trình bày trong 6 chương với bố cục như
sau:
 Chương 1: Tổng quan
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
 Chương 3: Tính tốn và thiết kế
 Chương 4: Thi công hệ thống
 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Chương 1: Tổng quan đề tài.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Giới thiệu về phần Matlab, giới thiệu về Arduino, giới thiệu về xử lý ảnh
Giới thiệu về kit Arduino, Module led 7 đoạn đơi.
Giới thiệu về các phương pháp trong q trình xử lý ảnh đầu vào. Giới thiệu
về thuật toán phát hiện và đếm số lượng phương tiện.
Chương 3: Thiết kế và tính tốn.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Phân tích, xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ phần cứng, thiết kế chương trình cho
hệ thống đếm phương tiện qua hình ảnh được viết trên phần mềm matlab.
Thiết kế giao diện mơ phỏng q trình thực hiện việc lấy ảnh và gửi dữ liệu
qua Arduino. Thiết kế chương trình nhận dữ liệu và điều khiển hệ thống đèn
giao thông trên Arduino.

Chương 4: Thi công hệ thống.
Xây dựng chương trình hồn chỉnh cho tồn hệ thống, các hàm, các lưu đồ,
các chương trình được sử dụng. Lắp ráp và chạy chương trình. Viết tài liệu
hướng dẫn sử dụng, quy trình thao tác.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.
Nêu các kết quả đạt được khi thực hiện chương trình, phân tích, nhận xét,
đánh giá kết quả thực thi được.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát
triển trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.
3.1 GIỚI THIỆU
 Thiết kế được mơ hình và giao diện chương trình trên matlab đếm đối tượng
từ ảnh lấy từ video .
 Đếm đối tượng bằng cách xử lý lý ảnh đầu vào bằng các phương pháp, thuật
toán khác nhau như đã nêu ở chương 2 để đưa ra được kết quả là số đối
tượng cụ thể có trong ảnh, thơng tin của làn và số giây đèn phù hợp.
 Cuối cùng truyền tín hiệu điều khiển xuống vi điều khiển để điều khiển tín
hiệu đèn giao thơng phù hợp với đối tượng đếm được.

3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.

Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

32


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Chức năng của từng khối:
 Khối ảnh đầu vào: Ảnh được lấy từ camera được lắp đặt trên cao của đèn tín
hiệu ở ngã tư, ảnh được chụp sau khi nhấn nút bắt đầu và sau khi chuyển làn
của mỗi chu kì đèn xanh. Ảnh trong hệ thống chúng em sử dụng có đi
PNG.
 Khối xử lý ảnh: Máy tính nhận nhiệm vụ chụp hình ảnh từ camera quan sát.
Sau đó chuyển cho hệ thống xử lý là phần mềm matlab, hệ thống sẽ xuất ra
các thông số về làn đường, số lượng xe, số giây đèn cho phép chạy.
 Khối điều khiển: Sau khi nhận được giá trị từ bộ xử lý ảnh thông qua chuẩn
kết nối UART, khối điều khiển sẽ xử lý tính tốn thời gian các đèn xanh, đỏ,
vàng trên mỗi tuyến đường.
 Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho khối điều khiển để điều khiển các chân I/O
với dòng ra đủ cung cấp cho khối hiển thị.
 Khối hiển thị: Nhận tín hiệu ngõ ra từ khối điều khiển hiển thị số giây đèn
xanh, đỏ, vàng trên Led 7 đoạn và đèn xanh, đỏ, vàng trên Led đơn.
 Người tham gia giao thơng: nhận thấy được tín hiệu đèn và tuân thủ, đồng
thời sẽ là dữ liệu tiếp theo cho khối ảnh đầu vào.

3.2.2 Thiết kế các khối hệ thống.
 Khối ảnh đầu vào.
Khối ảnh đầu vào được thiết kế trên mô phỏng của camera được lắp ở trên cao

tại nút giao của mỗi ngã tư. Nhiệm vụ chính là để cho người sử dụng phần mềm
quan sát, chụp lại hình ảnh số phương tiện đang lưu thống trên đường và chuyển
hình ảnh này cho bộ xử lý ảnh. Trên thực tế nhóm em thực hiện thì khối ảnh đầu
vào là một đoạn video được quay lại từ smart phone và nhúng vào matlab vì để
thuận tiện cho việc mơ phỏng.

 Khối xử lý ảnh.
Khối xử lí ảnh chính là máy tính, việc thiết kế dựa trên các lệnh, hàm được thư
viện matlab hỗ trợ. Để đếm được số phương tiện từ hình ảnh được đưa vào cần có
một ảnh gọi là ảnh nền và ảnh đầy đủ các phương tiện cần đếm. Đầu tiên dùng hàm
rbg2gray()để chuyển đổi hình ảnh màu sang ảnh xám. Tiếp theo là so sánh giữa ảnh
gốc và ảnh màu xem có bao nhiêu điểm khác biệt bằng cách chuyển ảnh sang nhị
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

33


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
phân. Trước khi chuyển sang ảnh nhị phân ta nên tìm cường độ ngưỡng phù hơp
cho ảnh bằng hàm graythresh() từ ngưỡng đó ta tạo ảnh nhị phân bằng cách sử dụng
hàm im2bw(I,graythresh). Tiếp theo là loại bỏ khuyết điểm, tình trạng thiếu trong
hình ảnh và cung cấp thơng tin về hình thức và cấu trúc của các hoạt động ảnh sử
dụng các hình thái học như xói mịn, giản nỡ, đóng hoặc mở đối tượng,… Cuối
cùng sử dụng thuật toán đánh nhãn để thực hiện phép đếm đối tượng.

 Khối hiển thị.
a) Led 7 đoạn 2 digit:
 Giới thiệu chung về Led 7 đoạn :
- Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 Led đơn có dạng thanh xếp theo hình
dạng số 8 và có thêm một Led đơn hình trịn nhỏ thể hiện dấu chấm trịn ở

góc dưới, bên phải của Led 7 đoạn 8 Led đơn trên Led 7 đoạn có
Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một
điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện. 8 cực còn lại trên
mỗi Led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết
nối với mạch điện.
- Nếu Led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với
+Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các Led
đơn, Led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Nếu Led 7
đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground
(hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các
Led đơn, Led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

34


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

 Chúng em sử dụng loại Led 7 đoạn đôi Anode chung, màu đỏ, 0.56 inch.

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý Led 7 đoạn 2 digit anode chung.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

35


CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ

 Thơng số kỹ thuật :
LED 7 đoạn 2 digit
Số chân

10 chân

Dòng tối đa chạy qua mỗi LED

0.25A.

Dịng chạy bình thường

0.1A

Điện áp rơi trên LED

2.2V

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật LED 7 đoạn 2 digit
- Vì Led 7 đoạn chứa bên trong nó các Led đơn, do đó khi kết nối cần
đảm bảo dịng qua mỗi Led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ Led.
Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dịng bằng điện trở 330Ω trước các
chân nhận tín hiệu điều khiển.

Hình 3.5 Led 7 đoạn 2 digit thực tế.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

36