Đồ Án HCMUTE: Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Để Điều Khiển Đèn Giao Thông Tại Ngã Tư

Khám phá đồ án HCMUTE ứng dụng xử lý ảnh trong việc điều khiển đèn giao thông tại ngã tư, nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả điều phối.

• Tác giả: Nguyễn Hoàn Hảo
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Điều Khiển Đèn Giao Thông Tại Nút Giao Thông
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển đèn giao thông tại ngã tư HCMUTE

Đề tài nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để điều khiển đèn giao thông thông minh tại một ngã tư, cụ thể là tại HCMUTE. Đây là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, dẫn đến ùn tắc giao thông. Đề tài tập trung vào việc xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian đèn tín hiệu dựa trên phân tích lưu lượng phương tiện từ hình ảnh camera. Hệ thống sử dụng phần mềm Matlab để xử lý ảnh, vi điều khiển Arduino Mega 2560 để điều khiển đèn giao thông mô hình. Nhận diện biển báo giao thông và phát hiện vật thể là các kỹ thuật xử lý ảnh cốt lõi. Mục tiêu chính là giảm thiểu ùn tắc giao thông, tối ưu hóa lưu lượng giao thông, nâng cao an toàn giao thông. Quản lý giao thông thông minh là mục tiêu hướng đến. Ngã tư HCMUTE được chọn làm điểm nghiên cứu thực tiễn.

1.1. Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu

Việc xử lý ảnh giao thông ngày càng quan trọng. Ùn tắc giao thông gây thiệt hại kinh tế, xã hội lớn. Hệ thống đèn giao thông truyền thống không hiệu quả trong điều kiện lưu lượng thay đổi. Đề tài hướng đến giải pháp điều khiển đèn giao thông thông minh dựa trên xử lý ảnh. Mục tiêu là xây dựng hệ thống tự động đếm phương tiện, phân tích lưu lượng, điều chỉnh thời gian đèn tín hiệu sao cho phù hợp, giảm thiểu ùn tắc. Hệ thống sử dụng OpenCV xử lý ảnh và Python xử lý ảnh, kết hợp với Internet of Things (IOT) giao thông. Mô hình điều khiển đèn giao thông được thiết kế và thử nghiệm. Việc ứng dụng Deep learning xử lý ảnh trong tương lai được đề cập đến.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp xử lý ảnh để phân tích hình ảnh giao thông. Matlab được sử dụng cho việc xử lý ảnh, phân tích dữ liệu. Arduino Mega 2560 điều khiển hệ thống đèn giao thông mô hình. Thuật toán phát hiện vật thể được áp dụng để đếm phương tiện. Dữ liệu đầu vào là video ghi lại lưu lượng giao thông tại ngã tư. Hệ thống được xây dựng dựa trên mô phỏng giao thông. Computer vision giao thông được ứng dụng hiệu quả. Phân tích dữ liệu giao thông đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của hệ thống. Các cảm biến giao thông được xem xét trong các nghiên cứu tương lai. Thống kê giao thông sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

II. Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống bao gồm các thành phần chính: Camera ghi hình lưu lượng giao thông, máy tính cài đặt phần mềm xử lý ảnh (Matlab), vi điều khiển Arduino Mega 2560, và mô hình đèn giao thông. Phần mềm Matlab thực hiện các bước: thu nhận ảnh, tiền xử lý ảnh, phân đoạn ảnh, phát hiện vật thể (phương tiện giao thông), đếm số lượng phương tiện trên từng làn đường. Dữ liệu được gửi đến Arduino qua giao tiếp nối tiếp. Arduino điều khiển thời gian bật/tắt đèn tín hiệu trên mỗi làn đường dựa trên dữ liệu nhận được. Hệ thống điều khiển đèn giao thông được thiết kế để đáp ứng các điều kiện giao thông khác nhau. Giải pháp giao thông thông minh được đề xuất là trọng tâm của nghiên cứu.

2.1. Xử lý ảnh và thuật toán

Quá trình xử lý ảnh gồm các bước: Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám, nhị phân hóa ảnh, lọc nhiễu, phân vùng ảnh, nhận dạng vật thể. Thuật toán phát hiện vật thể được lựa chọn phù hợp với đặc điểm của hình ảnh giao thông. OpenCV là thư viện được sử dụng. Các tham số của thuật toán được tinh chỉnh để tối ưu hóa độ chính xác. Phân tích hình ảnh giao thông là bước quan trọng. Dự án xử lý ảnh HCMUTE tập trung vào việc tối ưu hóa tốc độ xử lý. Học máy xử lý ảnh được đề cập đến trong nghiên cứu tương lai. Việc sử dụng Python xử lý ảnh có thể được xem xét.

2.2. Kiến trúc phần cứng và phần mềm

Phần cứng gồm: Camera, máy tính (PC), Arduino Mega 2560, mô hình đèn giao thông (LED). Phần mềm gồm: Matlab (xử lý ảnh, giao tiếp với Arduino), chương trình điều khiển trên Arduino. Giao diện người dùng đơn giản, dễ sử dụng. Hệ thống đèn giao thông thông minh HCMUTE được xây dựng dựa trên kiến trúc mô đun, dễ dàng mở rộng. Mô phỏng giao thông được sử dụng để kiểm thử hệ thống. Cảm biến giao thông là thành phần quan trọng cần được bổ sung trong tương lai. Dữ liệu giao thông được lưu trữ và phân tích để cải thiện hiệu quả hệ thống.

III. Kết quả và đánh giá

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả trong việc đếm phương tiện và điều khiển đèn giao thông. Độ chính xác của việc nhận diện biển báo giao thông và phát hiện vật thể đạt được mức chấp nhận được. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục như ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, ánh sáng. Tối ưu hóa luồng giao thông đạt được một phần. An toàn giao thông được cải thiện. Giảm ùn tắc giao thông là kết quả quan trọng. Nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển giải pháp giao thông thông minh.

3.1. Phân tích kết quả thử nghiệm

Hệ thống được thử nghiệm với các video ghi lại lưu lượng giao thông khác nhau. Kết quả cho thấy độ chính xác của việc đếm phương tiện khá cao trong điều kiện ánh sáng tốt. Tuy nhiên, độ chính xác giảm đi khi điều kiện ánh sáng kém hoặc có nhiễu. Thời gian phản hồi của hệ thống khá nhanh. Thực tiễn giao thông cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả trong việc điều tiết lưu lượng. Mô hình giao thông đã được sử dụng để kiểm tra tính hiệu quả của hệ thống. Phân tích hình ảnh giao thông đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả hệ thống. Dữ liệu giao thông thu thập được cho thấy hiệu quả của hệ thống trong việc giảm ùn tắc.

3.2. Hạn chế và hướng phát triển

Hệ thống hiện tại còn một số hạn chế như chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, ánh sáng. Độ chính xác của việc nhận dạng phương tiện cần được cải thiện. Việc tích hợp nhiều camera để quan sát toàn bộ ngã tư cần được nghiên cứu. Ứng dụng Deep learning và học máy sẽ cải thiện độ chính xác. Tích hợp với hệ thống quản lý giao thông thông minh. Nghiên cứu thêm các thuật toán xử lý ảnh tiên tiến. Cải tiến hệ thống điều khiển đèn giao thông là hướng phát triển chính. Ứng dụng AI giao thông sẽ là hướng nghiên cứu tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 mô phỏng quá 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 hoàn chỉnh cho toàn 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 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.1 GIỚI THIỆU  Thiết kế được mô 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, thông 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 thông phù hợp với đối tượng đếm được.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. Sơ đồ khối hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN 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 đuôi 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 toán 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 thông: nhận thấy được tín hiệu đèn và tuân thủ, đồng thời sẽ là dữ liệu tiếp theo cho khối ảnh đầu vào.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 mô 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 do an CHƯƠNG 3.

TÍNH TOÁN 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 thông tin về hình thức và cấu trúc của các hoạt động ảnh sử dụng các hình thái học như xói mòn, 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 tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn 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 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Chúng em sử dụng loại Led 7 đoạn đôi Anode chung, màu đỏ, 0.4 Sơ đồ nguyên lý Led 7 đoạn 2 digit anode chung. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Thông số kỹ thuật : LED 7 đoạn 2 digit Số chân 10 chân Dòng tối đa chạy qua mỗi LED 0.

Dòng chạy bình thường 0.1A Điện áp rơi trên LED 2.1 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 dòng qua mỗi Led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ Led. Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển.5 Led 7 đoạn 2 digit thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Bảng 3.1: Mã hiển thị từ 0 – 9 loại anode chung.

Thứ tự các chân khi đặt Led 7 đoạn ở vị trí các điểm thập phân ở dưới cùng. Ở phía dưới cùng, từ trái sang phải: 1, 2, 3, 4, 5. Ở phí trên cùng, từ trái sang phải: 10, 9, 8, 7, 6. Thứ tự hiển thị các số đươc điều khiển bởi chân số 7 và chân số 8.

Hai chân này có thể khác nhau tùy vào nhà sản xuất. Chân 8 ánh xạ đến chữ sô 1 và chân 7 ánh xạ đến chữ số 2 theo như sơ đồ nguyên lý ở trên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Để hiện thị đèn báo ta sử dụng 3 Led đơn với 3 màu xanh, đỏ, vàng ở mỗi trục đường.6 Led đơn màu xanh, đỏ, vàng thực tế.

 Thông số kỹ thuật của LED đơn: LED đơn Nguồn điện cung cấp 12v Hiệu điện thế trung bình 2v Cường độ dòng điện qua Led 0.2 Thông số kỹ thuật LED đơn Để cho Led sáng, ta cần cấp dòng ILED chọn cấp dòng ILED khoảng 10mA và điện áp VLED là 1,7V phù hợp với điều kiện của mỗi Led ở trên.7 Sơ đồ kết nối Led đơn với điện trở. Như vậy ta phải mắc thêm điện trở có giá trị là: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ , RLED= 330Ω Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Led 7 đoạnvới điện trở. Led 7 đoạn 2 digit dòng chạy bình thường là 10mA và điện áp rơi trên Led là 2.

Với thống kê thời gian thực tế mà nhóm chúng em thu thập đ ược, tui em đưa ra bảng sau để quy ết định thời gian chu kì đèn xanh ứng với số lượng xe: Số xe đếm được Số giây đèn xanh Nhỏ hơn 2 xe 25s 2 < Số xe <=4 27s 4 < Số xe <=7 29s 7 < Số xe <=10 35s 10< Số xe<=13 40s 13< Số xe<=17 45 Số xe > 17 50s Bảng 3.2 Số giây đèn xanh ứng với số xe đếm được. Từ số giây đèn xanh ta có số giây đèn đỏ = số giây đèn xanh + 3 giây đèn vàng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Thiết kế khối nguồn.

Điện áp định mức Dòng điện định mức Tên linh kiện Số lượng (VDC) (mA) Arduino mega 1 5 30 2560 Led đơn 12 5 10 Led 7 đoạn 2 digit 4 5 10 Bảng 3.3 Liệt kê điện áp và dòng các linh kiện sử dụng trong mạch Từ bảng trên, ta có khối nguồn như sau: Tổng dòng tiêu thụ Itổng= 30+(12*10)+(10*4)=190 (mA) (3.3) Do yêu cầu của đề tài không cần nguồn di chuyển nên chúng em s ẽ lựa chọn nguồn ngoài để cấp cho vi điều khiển là adapter 9V 1A. Lý do em chọn adapter 9V để cấp cho arduino là vì khi đi cấp nguồn điện sẽ đi qua IC ổn áp AMS1117 giúp hạ điện áp từ 9V thành 5V cấp cho vi điều khiển.9 IC ổn áp AMS1117  Nguồn cung cấp chính cho mạch dùng adapter 9V -1A BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 do an CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.3 Thiết kế mô hình đèn giao thông. Mô hình thực nghiệm đèn giao thông có kích thước 45cm x 45cm, mô hình thiết kế nhằm mô phỏng một ngã tư gồm 2 tuyến đường một chiều giao nhau.

Mỗi trụ đèn gồm có:  1 đèn Led 7 đoạn đôi  3 đèn Led xanh, đỏ, vàng.  Yêu cầu thiết kế mô hình: - Chắc chắn, dễ di chuyển. - Mô hình sẽ có 2 mặt và 4 cạnh bên: Mặt trên sẽ trang trí sao cho giống ngã tư và xác định vị trí đặt 2 Led 7 đoạn 2 digit và 6 Led đơn sao cho phù hợp.