Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đề tài và các kết quả nghiên cứu trong, ngoài nước. Vào những năm 1960, việc xử lý ảnh số đã ra đời như nén ảnh, nhận dạng… và gần đây nhất cùng với sự ra đời của nhiều trang thiết bị hiện đại thì xử lý video đã mang lại nhiều tiện ích cho cuộc sống. Ngày nay, việc nghiên cứu ảnh số và video số đã khá phổ biến ở các nước tiên tiến nhưng ở nước ta lĩnh vực này cũng còn tương đối mới mẽ.
Khi năng lực tính toán của máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, máy tính có thể xử lý được các hình ảnh, các đoạn video thì xử lý ảnh còn được gọi là thị giác máy tính. Phát hiện, theo dõi và vẽ quỹ đạo của các đối tượng chuyển động trong video đã được ứng dụng rộng rãi trong giám sát, an ninh và vấn đề quan sát trong khoa học tự nhiên và trong các lĩnh vực khác. Video giám sát cho mục đích an ninh là một trong những ứng dụng chính. Phát hiện, theo dõi và vẽ quỹ đạo chuyển động của các đối tượng được ưu tiên cao ở những nơi tôn giáo, các tòa nhà mua sắm, tòa án, trạm xe lửa và sân bay.
Nhiều ứng dụng khác bao gồm quân sự, thiên văn học, luật giao thông đường bộ, robot, ảnh y khoa. Việc phân tích video giám sát về cơ bản bao gồm 3 bước chính: Phát hiện chuyển động: trong thị giác máy tính là công việc phân đoạn ảnh để tách các đối tượng chuyển động ra khỏi nền. Phát hiện chuyển động là hướng nghiên cứu dành được rất nhiều sự quan tâm vì khả năng ứng dụng của nó. Phát hiện chuyển động sử dụng kỹ thuật trừ nền là phương pháp khá phổ biến và đã được nghiên cứu trong [1], [2], [3], [10], [11], [12], [20]… Kỹ thuật này đòi hỏi ảnh nền tham chiếu có cùng đô ̣ sáng với ảnh video cầ n xử lý.
Sự khác biê ̣t về đô ̣ sáng giữa ảnh nề n và ảnh video cầ n xử lý dẫn đế n toàn bộ khung ảnh video bị xem là vùng chuyển động nên không thể phát hiện được đối tượng chuyển động. Các trường hơ ̣p đố i tươ ̣ng đứng yên trong ảnh video nhưng không có trong ảnh nề n hoă ̣c đố i tươ ̣ng 1 Luan van đứng yên trong ảnh nề n nhưng không có trong ảnh video đề u bi ̣nhâ ̣n diê ̣n sai là đối tượng chuyển động. Kỹ thuật trừ ảnh hiện tại và ảnh trước đó để phát hiện đối tượng chuyển động đã đươ ̣c nghiên cứu trong [2], [3], [21]. Tuy nhiên kết quả thu được cũng kém chính xác đối với trường hợp có đối tượng xuất hiện sau đó đứng yên trong các khung hình đang xét hoặc đối tượng đứng yên trong ảnh nền di chuyển ra khỏi ảnh nền thì tại vị trí đó sẽ luôn bị nhận diện sai là đối tượng chuyển động.
Phương pháp Gaussian hỗn hợp dựa vào lý thuyế t xác xuất để xây dựng mô hình nền dùng trong phát hiện đối tượng chuyển động đã đươ ̣c nghiên cứu trong [2], [13], [22]. Phương pháp dòng quang học dựa vào các vectơ chuyển động để phát hiện đối tượng chuyển động đã đươ ̣c nghiên cứu trong [3], [11], [23]. Theo dõi đối tượng: là ước lượng chuyển động của đối tượng trong mặt phẳng ảnh khi nó chuyển động quanh cảnh, các chỉ số đối tượng thích hợp được gán cho các đối tượng được theo dõi qua các khung ảnh của video giám sát. Có nhiều phương pháp được áp dụng để theo dõi đối tượng như: Mean Shift, Cam Shift, bộ lọc Kalman đã được nghiên cứu trong [1], [2], [3],[12] trong đó bộ lọc Kalman được sử dụng phổ biến nhất.
Vẽ quỹ đạo chuyển động: là lưu lại tâm của các đối tượng được theo dõi trong từng khung ảnh của video giám sát, khi xử lý xong toàn bộ video ta sẽ thu được quỹ đạo chuyển động để phân tích hành vi của chúng. Từ tình hình nghiên cứu như trên, với mong muốn giúp các hệ thống giám sát đạt hiệu quả cao hơn như chỉ rút trích các đối tượng chuyển động trong từng ảnh mà không cần quan tâm đến nền và cuối cùng là vẽ được quỹ đạo của các đối tượng chuyển động cần quan tâm để ta có thể phân tích hành vi của chúng nên tôi thực hiện đề tài “Phát hiện vẽ quỹ đạo chuyển động trong xử lý ảnh dùng bộ lọc Kalman”. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng các chương trình mô phỏng có khả năng phát hiện chuyển động, theo dõi và vẽ quỹ đạo của các đối tượng chuyển động được theo dõi qua các khung hình trong video giám sát do camere tĩnh thu được trong điều kiện ánh sáng ít thay đổi. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.
Nhiệm vụ của đề tài - Phát hiện tất cả các đối tượng chuyển động trong video mà không phân biệt là người, vật hay xe cộ…. - Theo dõi các đối tượng chuyển động cần quan tâm. - Vẽ quỹ đạo chuyển động của các đối tượng được theo dõi. Giới hạn của đề tài Các video được quay bởi camera tĩnh trong điều kiện ánh sáng ít thay đổi.
Độ chính xác ở mức tương đối do kết quả cuối cùng là sự tổng hợp của nhiều khâu xư lý như phát hiện đối tượng chuyển động, theo dõi đối tượng cần quan tâm và vẽ quỹ đạo chuyển động của chúng. Xử lý các khung hình có độ phân giải vừa phải để đảm thời gian xử lý không quá lâu. Đề tài chỉ xây dựng chương trình mô phỏng trên máy tính không thi công phần cứng. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, cụ thể là tìm hiểu các tài liệu có liên quan đến đề tài để đưa ra những nhận định và rút ra được nội dung cần trình bày trong luận văn.
Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố trong nước và quốc tế. Sử dụng phương pháp mô hình hóa. Dựa vào mô hình thuật toán trừ nền, phương pháp Gaussian hỗn hợp và bộ lọc Kalman… để phát hiện, theo dõi và vẽ quỹ đạo chuyển động của đối tượng. Người nghiên cứu sử dụng các hàm có sẵn dành cho xử lý ảnh kết hợp với ngôn ngữ lập trình C để xây dựng các chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab.
Sử dụng phương pháp quan sát, phân tích, tổng kết kinh nghiệm. Sau khi xây dựng và chạy các chương trình mô phỏng, người nghiên cứu tiến hành phân tích các kết quả thu được và điều chỉnh lại các thông số hoặc cải tiến chương trình mô phỏng để thu được kết quả mô phỏng tốt nhất. Tổng hợp viết báo cáo. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn Nghiên cứu về phát hiện, theo dõi đối tượng chuyển động để từ đó vẽ quỹ đạo chuyển động của chúng trong vùng quan sát là những bước quan trọng trong phân tích video giám sát do camera tĩnh thu được và có ứng dụng quan trọng trong thực tiễn.
Hiện nay, việc nghiên cứu về xử lí video số ở nước ta đang được tiến hành với các đề tài về giám sát giao thông và theo vết đối tượng bằng lưới. Đồng thời việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ góp phần kiểm chứng phương pháp phát hiện chuyển động bằng phương pháp trừ nền kết hợp phương pháp mô hình Gaussian hỗn hợp và kỹ thuật theo dõi đối tượng bằng các thuật toán của bộ lọc Kalman để thu được sản phẩm cuối cùng là quỹ đạo chuyển động của các đối tượng trong video giám sát. Kết quả nghiên cứu của đề tài là dữ liệu đầu vào của các công trình nghiên cứu khác như kết hợp với phương pháp phân lớp đối tượng và nhận dạng khuôn mặt ta có thể theo dõi được các đối tượng là người mà ta cần giám sát trong một số trường hợp cần thiết. Đề tài góp phần tạo nền tảng cho các ứng dụng trong lĩnh vực thị giác máy tính.
Đề tài có thể được ứng dụng ngay vào lĩnh vực giám sát an ninh để quan sát các đối tượng ra vào cơ quan, dựa vào quỹ đạo chuyển động có thể biết được đối tượng vào đường nào và ra đường nào, hoặc ứng dụng vào lĩnh vực sản xuất để đo đếm hàng hóa, sản phẩm. Cấu trúc của luận văn Với mục tiêu cần nghiên cứu như trên thì các chương tiếp theo của luận văn có nội dụng như sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Phát hiện chuyển động Chương 4: Theo dõi và vẽ quỹ đạo chuyển động Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 4 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống camera quan sát Camera quan sát hay camera giám sát, camera an ninh (Closed-circuit television - CCTV), là việc sử dụng các máy quay video để truyền tín hiệu đến một nơi cụ thể, trên một số màn hình giới hạn. Nó khác với truyền hình phát sóng trong đó các tín hiệu được truyền không công khai. Những thiết bị cơ bản của một bộ camera quan sát là: Camera quan sát, ổ cứng HDD (giúp lưu trữ dữ liệu cho hoạt động của camera quan sát), dây nguồn và dây tín hiệu, màn hình và các phụ kiện khác.1 Cấu tạo chung của hệ thống camera quan sát 2.1 Camera Là bộ phận chính của hệ thống camera quan sát, nó có vai trò quan trọng nhất.
Chức năng thu nhận và ghi lại hình ảnh diễn ra xung quanh nó. Tùy theo từng điều kiện mà có thể lắp đặt các loại camera sao cho phù hợp như camera màu – quan sát hiện tượng trong điều kiện lí tưởng, camera quay quét có thể chụp lại hình ảnh một cách nhanh nhạy, camera hồng ngoại chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu và camera ip (hay còn gọi là camera mạng): 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 ở bất cứ đâu thông qua mạng internet, khi lắp đặt camera ip người ta thường sử dụng dây mạng, ngoài ra dòng camera ip còn có loại sử dụng WIFI, khi lắp đặt camera không cần sử dụng dây (nhưng vẫn phải có dây nguồn). Loại camera WIFI này có tính ổn định và an toàn không cao.2 Đầu ghi hình Đầu ghi hình là thiết bị giúp lưu trữ và kết nối các thiết bị camera quan sát cũng như các thiết bị khác bên ngoài.
Đây là một thành phần quan trọng khi chúng ta muốn lắp đặt camera để giám sát được sử dụng như bộ não của toàn hệ thống. Dù camera quan sát chất lượng có tốt thế nào mà ta sử dụng đầu ghi không hợp tiêu chuẩn hoặc không tốt cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh của camera giám 5 Luan van sát.