Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc, các thành tựu công nghệ cũng như khoa học kỹ thuật được áp dụng rất nhiều vào đời sống xã hội hội. Sự phát triển đó gắn liền với sự toàn cầu hóa, các hàng hóa cũng như con người trên thế giới ngày càng gắn kết với nhau, đặc biệt là các hình thức vận chuyển hàng không. Trong vận chuyển hàng không, yếu tố an toàn là yếu tố ưu tiên số một. Việc phát triển đa dạng – phong phú các loại hình, đối tượng dẫn tới việc gia tăng nhiều rủi ro nguy hiểm, uy hiếp đến an toàn hàng không.
Đặc biệt, vấn đề về FOD (Foreign Objects Debris) gây uy hiếp đến an toàn hàng không đang được thế giới cực kỳ chú trọng. Đã có nhiều chuyên gia nghiên cứu, và áp dụng các kỹ thuật để nhằm hạn chế mối nguy này. Trong số đó phải kể đến việc phát triển radar sóng ngắn để phát hiện vật thể ngoại lai FOD. Đây là phương pháp được nghiên cứu, và đã áp dụng trong thực tế ở một số quốc gia.
Tuy vậy, việc sử dụng sóng ngắn để phát hiện vật thể có một số các ảnh hưởng tiêu cực sau đây: Đầu tiên là việc bức xạ một sóng tín hiệu ra không gian có con người sinh hoạt chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe. Để thiết kế một hệ thống radar chuyên dụng lắp đặt trên đường lăn sẽ khá tốn kém, đòi hỏi công nghệ, trình độ kỹ thuật chế tạo rất cao. Vấn đề này đối với các nước lớn phát triển thì không sao, nhưng với một quốc gia đang phát triển như Việt Nam thì quả là một điều đáng lưu tâm. Thứ ba là việc bức xạ sóng Radar trong môi trường sân bay sẽ tăng mối đe dọa đến việc truyền nhận tín hiệu vô tuyến.
Thứ tư đó chính là vấn đề bảo trì, vì là thiết bị sử dụng kỹ thuật tiên tiến để chế tạo do đó cần bảo trì với chi phí cũng rất đắt đỏ. 1 Thiệt hại đối với máy bay và thiết bị gây ra bởi các mảnh vỡ của vật thể lạ (FOD) không chỉ là mối đe dọa nghiêm trọng cho sự an toàn, mà còn tốn kém tiếp tục chi phí cho các hãng hàng không hàng triệu đô la hàng năm trong tổn thất trực tiếp từ thiệt hại của máy bay và thiệt hại gián tiếp phát sinh từ máy bay và thiết bị không có dịch vụ , ngoài việc gián đoạn lịch trình. Đối với các hệ thống dò tìm FOD, các công nghệ cảm biến radar mới đã được thực hiện ở các sân bay được lựa chọn. Những cảm biến này bổ sung những quan sát trực quan của con người từ các phương tiện trên đường băng hoặc từ tháp điều khiển lưu lượng không lưu, tăng cường độ chính xác của phát hiện.
Từ những vấn đề trên, một hướng nghiên cứu mới được hình thành, đó chính là sử dụng phương pháp xử lý ảnh để phát hiện vật thể ngoại lai FOD dùng thuật toán trừ nền. Phương pháp này khắc phục được những nhược điểm của phương pháp dùng radar.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng một số mô hình mô phỏng dùng các bộ lọc ảnh kết hợp với thuật toán trừ nền có cập nhật ảnh nền, từ đó hướng đến phát triển một hệ thống phát hiện và cảnh báo FOD dùng trong sân bay có giá thành phù hợp, độ tin cậy cao.3 Phạm vi nghiên cứu Đề xuất phát triển phương pháp phát hiện vật thể dựa vào thuật toán trừ nền, kết hợp với các kỹ thuật tăng cường ảnh, kỹ thuật dò biên, chọn ngưỡng để phát hiện đối tượng FOD trên cơ sở ảnh chụp hoặc video khu vực đường băng cần giám sát. Nền tảng phương pháp phát hiện dựa trên việc phân tích hình ảnh, do đó đối với các vật có màu sắc giống với nền đường băng, khả năng phát hiện sẽ hạ thấp. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện ánh sáng khả kiến, chỉ mới giải quyết được trong điều kiện ban ngày.4 Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện, phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng ở đây là nghiên cứu từ các tài liệu báo khoa học, các tài liệu liên quan đến vấn đề xử lý ảnh số, bộ tiêu chuẩn ICAO trên Internet và các sách vở bằng tiếng việt, quá trình nghiên cứu 2 cũng được xây dựng từ kinh nghiệm thực tiễn của các chuyên gia, các Thầy đã nghiên cứu, những bài báo khoa học đã công bố quốc tế.5 Đối tượng nghiên cứu Tìm hiểu các phép biến đổi ảnh, các bộ lọc ảnh, phương pháp lấy ngưỡng, dò biên.
Đặc biệt trong luận văn này, đi sâu vào tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp phát hiện vật thể dựa trên nền tảng sử dụng thuật toán trừ nền. Ưu điểm của phương pháp này là việc cập nhật ảnh nền thường xuyên, chọn ngưỡng linh hoạt, không cố định, dễ dàng áp dụng thêm các kỹ thuật tăng cường ảnh trong quá trình xử lý. Khi làm việc hay nghiên cứu trong môi trường sân bay, một phương pháp không sử dụng sóng vô tuyến sẽ là một điều cực kỳ đáng quý vì nó làm giảm bớt các lo ngại về uy hiếp an toàn hàng không.6 Các kết quả nghiên cứu đã công bố Các tác giả GUO Xiao-jing, Yang Xue-you, Yu Zhi-jing [1] đã có một nghiên cứu về việc phát hiện vật thể ngoại lai “Foreign Object Debris Detection on the Runway Based on Wavelet Method” đăng trên Trans Tech Publications, Thụy Điển năm 2013. Tùy thuộc vào hệ thống xử lý hình ảnh, một hệ thống phụ lớn trong hệ thống phát hiện các mảnh vỡ của vật liệu nước ngoài trên đường băng, hình ảnh FOD sẽ được quan sát hiệu quả và nhanh chóng với chi phí tiết kiệm và độ chính xác cao và độ tin cậy cao nhằm đảm bảo an toàn cho hành khách.
Luận án phân tích các đặc tính và nguyên tắc của việc chuyển đổi wavelet và áp dụng lý thuyết trong xử lý hình ảnh dưới nền thị giác kém để xác định hình dạng FOD và đánh dấu điểm đặc trưng trên đường băng bằng cách lập trình trong MATLAB. Bên cạnh đó, nó mang lại ý nghĩa sâu sắc để thực hiện việc phát hiện thời gian thực trên FOD và kiểm tra tính khả thi và hiệu quả. Nhà nghiên cứu Haoyuan Lin[2] thuộc trường đại học tiểu ban Iowa Hoa Kỳ cũng đã có công trình nghiên cứu với tựa đề “Foreign object detection (FOD) using multi- class classifier with single camera vs. distance map with stereo configuration”, 2015.
Phát hiện các đối tượng quan tâm là một vấn đề cơ bản trong tầm nhìn máy tính. Phát hiện vật thể ngoại lai (FOD) là phát hiện các đối tượng mà không phải xuất hiện trong một khu vực nhất định. Đối với nhiệm vụ này, trước hết cần phải phát hiện vị trí của các vật lạ, và tính khoảng cách tới các vật lạ để đánh giá xem các vật thể nằm trong 3 vùng nguy hiểm hay không. Ba nguồn chính của khó khăn trong việc thực hiện nhiệm vụ này là: a) Số lượng lớn các loại vật thể ngoại lai, b) tính toán khoảng cách sử dụng máy ảnh, và c) hệ thống thời gian thực chạy hiệu năng.
Hầu hết các máy dò hiện đại đều tập trung vào một loại hoặc một loại đối tượng. Không có giải pháp duy nhất tập trung vào một bộ phát hiện nhiều vật thể ngoại lai một cách tích hợp. Trong một số trường hợp, nhiều máy dò có thể hoạt động đồng thời để phát hiện các đối tượng quan tâm trong một đầu vào nhất định. Điều này không hiệu quả.
Mục tiêu của nghiên cứu là tập trung vào việc phát hiện một tập hợp các đối tượng được xác định là vật thể ngoại lai một cách tích hợp và hiệu quả. Thiết kế một máy dò đa lớp. Cách tiếp cận là sử dụng một chiến lược thô-to-fine, trong đó phân chia không gian phức tạp thành các không gian nhỏ hơn và tốt hơn. Với mục đích này, thuật toán phân cụm dựa trên dữ liệu được thực hiện để thu thập các mẫu vật thể ngoại lai tương tự, và sau đó một thuật toán tăng cường vector mở rộng được phát triển để đào tạo trình phân loại đa lớp.
Mục đích của thuật toán tăng cường vector mở rộng là để tách tất cả các vật thể ngoại lai khỏi nền. Đối với nhiệm vụ ước tính khoảng cách với nước ngoài các đối tượng, thiết kế một bảng tra cứu dựa trên diện tích các vật thể ngoại lai đã được phát hiện. Cách tiếp cận là sử dụng âm thanh stereo kết hợp thuật toán để có được thông tin chênh lệch dựa trên cường độ hình ảnh từ máy ảnh âm thanh stereo, và sau đó sử dụng mô hình máy ảnh để lấy thông tin về khoảng cách. Khoảng cách được tính bằng cách chênh lệch chính xác hơn so với sử dụng bảng tra cứu khoảng cách.
Tính toán bản đồ khoảng cách ban đầu khi không có vật gì ở hiện trường. Block of interest (BOI) là vùng có khoảng cách nhỏ hơn vùng tương ứng trong bản đồ khoảng cách ban đầu. Sử dụng phương pháp lấp lũ cùng với phương pháp ức chế tiếng ồn để kết hợp BOI lân cận với mức độ tin cậy cao hơn. Hệ thống mẫu nguyên mẫu phát hiện vật thể ngoại lai đã được thực hiện và đánh giá trên một số bộ test theo các kịch bản làm việc thực.
Các kết quả thực nghiệm cho thấy thuật toán khá hiệu quả. Tác giả Li Ang[3] thuộc đại học khoa học kỹ thuật Nanjing, Trung Quốc công bố công trình nghiên cứu với tựa đề ‘Research and Design of an Airfield Runway FOD Detection System Based on WSN’, 2013. Các mảnh vỡ của vật thể ngoại lai (FOD) sẽ có thể gây ra thiệt hại lớn khi nó xuất hiện trên đường băng sân bay, vì vậy hệ thống 4 giám sát FOD là một trong những vật bảo vệ thiết yếu cho sự an toàn của máy bay. Bài báo này giới thiệu một phương pháp thiết kế hệ thống phát hiện FOD trên đường băng sân bay dựa trên WSN, phân tích các chức năng của các bộ cảm biến thu nhận hình ảnh khác nhau, và giới thiệu thuật toán phân tích hình ảnh FOD.
Cuối cùng công nghệ tổng hợp dữ liệu WSN được sử dụng để phân tích hình ảnh FOD. Nhóm các tác giả Satish Kumar V. Shantha Kumar[4]tại phòng thí nghiệm không gian quốc gia Ấn Độ cũng đã có công trình nghiên cứu về vấn đề phát hiện các mối nguy FOD với đề tài “Detection of runway and obstacles using Electro-optical and Infrared Sensors before Landing” đăng trên tạp chí khoa học quốc phòng năm 2014. Đối với các hoạt động của máy bay an toàn, việc phát hiện các vật lạ trên đường băng đặc biệt là trong khi hạ cánh và cất cánh là rất cần thiết.