ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI TRUNG NGUYÊN THIẾT KẾ MÔ-ĐUN TÁI TẠO HÌNH ẢNH TRONG HỆ THỐNG NÉN ẢNH SỬ DỤNG THUẬT TOÁN NHẬN BIẾT CHUYỂN ĐỘNG SIGMA-DELTA LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2013 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI TRUNG NGUYÊN THIẾT KẾ MÔ-ĐUN TÁI TẠO HÌNH ẢNH TRONG HỆ THỐNG NÉN ẢNH SỬ DỤNG THUẬT TOÁN NHẬN BIẾT CHUYỂN ĐỘNG SIGMA-DELTA Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Trần Xuân Tú HÀ NỘI – 2013 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS. Trần Xuân Tú đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em cũng xin cảm ơn tới các bạn, các anh cán bộ của Phòng thí nghiệm mục tiêu Hệ thống tích hợp thông minh (SIS) đã hỗ trợ và giải đáp các vƣớng mắc của em trong suốt quá trình nghiên cứu.
Em xin cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình truyền đạt những kiến thức bổ ích trong thời gian em học tập tại trƣờng. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên em, cổ vũ và động viên em trong những lúc khó khăn để có thể hoàn thành luận văn này. EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN ! 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận văn do tôi tự làm, không sao chép ở tài liệu hay các công trình nghiên cứu đã có. Những phần có sử dụng tài liệu trong luận văn đã ghi rõ tên tài liệu trong phần tài liệu tham khảo.
Những phần trích dẫn cũng đƣợc ghi rõ nguồn tham khảo. Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013 Mai Trung Nguyên 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. 1 LỜI CAM ĐOAN. KỸ THUẬT NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG.1 Khái niệm về bài toán phát hiện chuyển động .2 Phƣơng pháp trừ nền .3 Phƣơng pháp thống kê .4 Phƣơng pháp chênh lệch tạm thời .5 Phƣơng pháp lƣu lƣợng thị giác .6 Các thuật toán xử lý trong phƣơng pháp trừ nền .7 Lý do lựa chọn thuật toán Sigma-Delta [1].
GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG .2 Quá trình mã hóa .3 Chuyển đổi hệ màu .5 Biến đổi DCT .8 Quá trình giải nén .9 Cấu trúc file JPEG. 33 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG .1 Giới thiệu chung về hệ thống .2 Đề xuất ý tƣởng thiết kế khối tái tạo hình ảnh. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .1 Mô phỏng khối giải mã hình ảnh.2 Mô phỏng khối tổng hợp hình ảnh.
59 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 62 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1. Sơ đồ tổng quan hệ thống nén ảnh. Các bƣớc thực hiện thuật toán Sigma-Delta ……………………….
Dữ liệu khung hình vào [1]. Dữ liệu các khung hình đầu ra. Sơ đồ quá trình mã hóa dựa trên biến đổi DCT. So sánh hệ màu RGB và YCbCr.
Các kiểu lấy mẫu dữ liệu. Các bảng lƣợng tử cho tín hiệu chói và tín hiệu màu theo chuẩn JPEG. Minh họa cho các phân nhóm AC. Mình họa cho các phân nhóm DC.
Bảng mã Huffman tƣơng ứng cho các nhóm. Sơ đồ khối quá trình giải mã. Tiêu đề cơ bản của file JPEG. Marker định nghĩa cho bảng lƣợng tử hóa.
Các hệ số Huffman tƣơng ứng với thành phần DC chói. Các hệ số Huffman tƣơng ứng với thành phần DC màu. Sơ đồ khối hệ thống. Thiết kế khối phát hiện chuyển động (Motion Detection).
Bảng mô tả lối vào ra của khối phát hiện chuyển động. Sơ đồ khối bên trong khối phát hiện chuyển động. Sơ đồ khối tái tạo hình ảnh. Quá trình giải mã hình ảnh.
45 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1b các giá trị marker:. Lƣu đồ thuật toán giải mã một khung hình. Lƣu đồ thuật toán xử lý MCU. Hệ số Huffman cho thành phần DC.
Hệ số Huffman cho thành phần AC. Hệ số lƣợng tử hóa thành phần chói. Hệ số lƣợng tử hóa thành phần màu. Dữ liệu chói trƣớc khi lƣợng tử hóa của một khối 8×8.
Kết quả dữ liệu sau khi lƣợng tử hóa. Kết quả sau khi Dezigzag. Kết quả sau khi biến đổi IDCT. Sơ đồ khối chức năng khối Invert.
Bảng Chức năng các chân tín hiệu của khối Invert. Ảnh gốc và sau khi mã hóa sang định dạng JPEG. Kết quả mô phỏng ở thời điểm xử lý khung hình thứ nhất. Kết quả xử lý ở khung hình thứ hai.
Dữ liệu đầu vào It bằng không ở thời điểm xử lý khung hình thứ 2. 58 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GIỚI THIỆU Ngày nay hệ thống camera giám sát hiện trƣờng đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau (an ninh, giao thông,. Tuy nhiên vấn đề đặt ra đó là lƣợng dữ liệu video thu đƣợc từ camera nếu không đƣợc nén trƣớc khi truyền đi sẽ không tiết kiệm đƣợc băng thông, lãng phí đƣờng truyền. Có rất nhiều kỹ thuật nén ảnh đƣợc đề xuất trong những năm gần đây cho phép xây dựng các hệ thống nhận biết chuyển động với lƣợng thông tin tối thiểu trong khi vẫn đảm bảo đƣợc chất lƣợng đầu ra của hình ảnh.
Dựa vào thuật toán Sigma-Delta, hệ thống nén ảnh có thể xử lý đƣợc chuỗi các hình ảnh liên tiếp, trên 25 hình trong một giây, hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu thời gian thực của một hệ thống giám sát. Bên thu nhận hình ảnh sẽ nén tín hiệu trƣớc khi truyền hoặc lƣu trữ và bên hiển thị sẽ tái tạo lại các hình ảnh dựa trên việc phân tích sự sai khác trong các hình ảnh đƣợc mã hóa. Với yêu cầu đó, đề tài luận văn đã tập trung vào việc phát triển mô-đun tái tạo hình ảnh – một phần của hệ thống nén ảnh sử dụng thuật toán nhận biết chuyển động Sigma-Delta (Hình 1) đƣợc phát triển tại Phòng thí nghiệm mục tiêu Hệ thống tích hợp thông minh (SIS), trên cơ sở áp dụng công nghệ FPGA nhằm tích hợp và tối ƣu phần cứng, phần mềm. Nghiên cứu về các kỹ thuật nén ảnh và tái tạo hình ảnh sau khi nén, đặc biệt quan tâm tới thuật toán và kiến trúc nén ảnh Sigma-Delta.
Nghiên cứu về các kỹ thuật mã hóa dữ liệu hình ảnh, đƣa ra đề xuất thiết kế xây dựng hệ thống tái tạo hình ảnh, tính toán và đƣa ra các kết quả mô phỏng hệ thống. Sơ đồ tổng quan hệ thống nén ảnh. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Toàn bộ hệ thống nén ảnh bao gồm bên thu nhận hình ảnh và bên hiển thị hình ảnh đƣợc nhúng trên chip FPGA. Bên thu nhận hình ảnh sử dụng một thiết bị camera để thu nhận hình ảnh sau đó truyền tín hiệu cho khối phát hiện chuyển động (Motion Detection), dữ liệu sau khi qua khối phát hiện chuyển động đƣợc mã hóa bởi khối mã hóa (Encode) sau đó truyền lên mạng Ethernet và gửi tới bên hiển thị hình ảnh.
Bên hiển thị hình ảnh gồm có mô-đun giải mã (Decode) và mô-đun tổng hợp hình ảnh (Invert). Dữ liệu nén nhận đƣợc bởi bên hiển thị hình ảnh sẽ đƣợc giải mã bởi khối “Decode”. Khối “Invert” có chức năng tổng hợp dữ liệu để hiển thị thành hình ảnh. Mục tiêu của hệ thống là đáp ứng thời gian thực của một hệ thống giám sát, xử lý tối thiểu 25 hình trong một giây do đó thuật toán Sigma-Delta cần đƣợc thực hiện bằng phần cứng và tích hợp vào một hệ vi xử lý để có thể dễ dàng triển khai các ứng dụng trong thực tế.
Để kiểm chứng hoạt động của toàn bộ hệ thống trong việc sử dụng thuật toán nhận biết chuyển động Sigma-Delta phục vụ cho việc tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn bộ hệ thống sau này do đó khối giải mã dữ liệu “Decode” sẽ đƣợc xây dựng bằng phần mềm chạy trên hệ điều hành của vi xử lý Microblaze, một sản phẩm của hãng Xilinx và sử dụng chuẩn nén hình ảnh JPEG-một chuẩn nén ảnh hiệu quả đƣợc sử dụng trong hầu hết các thiết bị số ngày nay. Nhƣ vậy mô-đun tái tạo hình ảnh sẽ là tích hợp của phần cứng và phần mềm trên chip FPGA. Hệ thống sau khi đƣợc hoàn thiện sẽ đƣợc sử dụng để giám sát nhiều vị trí trong cùng một hệ thống (Tòa chung cƣ, khu công nghiệp, các làn đƣờng giao thông. Hệ thống có thể chạy độc lập mà không cần thông qua máy tính do đó có thể lắp đặt nhiều hệ thống giám sát ở nhiều nơi sau đó dữ liệu hình ảnh sẽ đƣợc gửi về trung tâm quan sát cho phép hiển thị các khung hình tại nơi cần giám sát mà không cần phải sử dụng nhiều máy tính cho mỗi một hệ thống thu nhận hình ảnh – hiển thị hình ảnh.
Do đó hệ thống giám sát không những đơn giản và hiệu quả mà còn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế. Do thời gian có hạn nên bản luận văn chƣa thể xây dựng hoàn thiện hệ thống, đề cập đầy đủ những vấn đề liên quan và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và đóng góp ý kiến để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong tƣơng lai. Em xin chân thành cảm ơn.
10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 KỸ THUẬT NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG Trong chƣơng này sẽ giới thiệu về các phƣơng pháp phát hiện chuyển động, ƣu điểm nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp, kết quả mô phỏng của một số thuật toán phát hiện chuyển động đồng thời cũng giới thiệu về thuật toán Sigma-Delta, lý do lựa chọn thuật toán Sigma-Delta.1 Khái niệm về bài toán phát hiện chuyển động Ngày nay, hầu nhƣ tất cả các hệ thống giám sát đều tích hợp và sử dụng chức năng phát hiện chuyển động, nhằm tối ƣu hóa hệ thống trong việc lƣu trữ và truyền dữ liệu. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của hệ thống giám sát trong các lĩnh vực, thuật toán phát hiện chuyển động đã không ngừng đƣợc đổi mới và cải tiến sao cho độ tin cậy ngày càng cao và tốc độ xử lý nhanh.