ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trịnh Hiền Anh
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH
ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trịnh Hiền Anh
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH
ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG
Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Công nghệ phần mềm
Mã số : 60 48 10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn
Hà Nội - 20113
MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 999
CHƯƠNG 1 111111
KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ GIÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG 111111
1. 1. Khái quát về xử lý ảnh 111111
1. 1. 1. Xử lý ảnh là gì? 111111
1. 1. 2. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 121212
1. 1. 3. Một số ứng dụng cơ bản trong xử lý ảnh 121212
1. 1. 3. Xử lý video 131313

2. 2. 2. Kỹ thuật bám sát đối tượng 474546
CHƯƠNG 3 595657
CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 595657
3. 1. Bài toán 595657
3. 1. 1. Phát biểu bài toán 595657
3. 1. 2. Yêu cầu của hệ thống 595657
3. 1. 3. Tư tưởng 595657
3. 2. Cài đặt chương trình và một số hình ảnh thử nghiệm 615758
3. 2. 1. Yêu cầu phần cứng 615758
3. 2. 2. Một số hình ảnh thử nghiệm 615859
PHẦN KẾT LUẬN 646061
TÀI LIỆU THAM KHẢO 666263
PHỤ LỤC 686465
Các bước thao tác với file . AVI 686465
5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
Ý nghĩa
CRT
Cathode Ray Tube
CCTV
Closed-Circuit Television
EM
Expectation Miximization
GMM
Gaussian Mixture Model

Hình 2. 1- Các cửa sổ cơ sở trong thuật toán so sánh thực 303030
Hình 2. 2- So sánh biểu đồ giữa hai ảnh 323232
Hình 2. 3- Mẫu vector cho các di chuyển camera 363636
Hình 2. 4- Qui trình trừ nền 383738
Hình 2. 5- Thể hiện đối tượng bằng điểm (a) điểm trọng tâm (b) tập hợp điểm
464445
Hình 2. 6- Thể hiện đối tượng bằng hình bao (a) bao đối tượng bằng hình chữ
nhật (b) bao đối tượng bằng hình ellipse 464445
Hình 2. 7- Thể hiện đối tượng (a) các khớp kết nối (b) đường biên đầy đủ (c)
điểm điểm khiển trên đường biên đối tượng (d) bằng bóng của đối tượng 474546
Hình 2. 8- Phân loại kỹ thuật bám sát đối tượng 484647 7
Hình 2. 9- (a) Tiếp cận bám sát đa điểm tương ứng (b) bám sát theo dịch chuyển
khung hình chữ nhật (c,d) bám sát theo đường biên 494748

Hình 2. 10- (a) Các cạnh quan sát được theo biên thông thường (b) Thể hiện
mức đường biên, mỗi vị trí trên lưới mã hóa khoảng cách Euclide giữa các điểm
trên lưới và trên đường biên; thể hiện giá trị mức xám của lưới 575455
Hình 3. 1- Tiến trình xử lý của bài toán 605758
Hình 3. 2- Giao diện của chương trình 615859
Hình 3. 3- Đếm số đối tượng có trong khung hình ở thời điểm hiện tại 625859
Hình 3. 4- Đánh dấu vùng quan sát đối tượng bằng đường thẳng 635960
Hình 3. 5- Đánh dấu vùng quan sát đối tượng bằng hình chữ nhật 635960
8
DANH MỤC BẢNG BIỂU

hiện được đối tượng ta cần các kỹ thuật xử lý ảnh nhằm phân biệt giữa đối tượng
cần bám sát với nền trong đoạn video thu nhận được. Quá trình bám sát đối
tượng thực chất là sự so sánh về vị trí của đối tượng trong chuỗi hình ảnh được
ghi nhận được. 10
Xuất phát từ hoàn cảnh đó, luận văn lựa chọn đề tài “Nghiên cứu một số
thuật toán xử lý ảnh ứng dụng trong bài toán giám sát tự động”. Đây là vấn
đề không chỉ có tính khoa học mà còn mang đậm tính thực tiễn, nhất là trong
hoàn cảnh Việt Nam, chưa có nhiều các nghiên cứu này.
Bố cục của luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận và ba chương nội
dung được bố cục như sau:
Chương 1- Khái quát về xử lý ảnh và giám sát đối tượng
Chương này đưa ra các khái niệm tổng quan về ảnh và video. Các khái
niệm cơ bản về giám sát đối tượng cũng được lần lượt trình bày trong chương.
Chương 2- Một số kỹ thuật xử lý ảnh trong giám sát tự động đối tượng
Nội dung chính của chương 2 đề cập tới một số kỹ thuật chính trong giám
sát đối tượng tự động và một số thuật toán xử lý ảnh ứng dụng trong giám sát
đối tượng.
Chương 3- Chương trình thử nghiệm
Kế thừa những nghiên cứu đã được trình bày trong chương 2, chương 3 sẽ
ứng dụng một kỹ thuật giám sát tự động đã được trình bày để cài đặt thử nghiệm
một chương trình.
11
CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH

Hình 1. 2- Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh
1. 1. 2. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
Tiền xử lý:
Tiền xử lý là giai đoạn đầu tiên trong xử lý ảnh số. Tùy thuộc vào quá
trình xử lý tiếp theo trong giai đoạn này sẽ thực hiện các công đoạn khác nhau
như: nâng cấp, khôi phục ảnh, nắn chỉnh hình học, khử nhiễu…
Trích chọn đặc điểm
Các đặc điểm của đối tượng được trích chọn tùy theo mục đích nhận dạng
trong quá trình xử lý ảnh. Trích chọn hiệu quả các đặc điểm giúp cho việc nhận
dạng các đối tượng ảnh chính xác, với tốc độ tính toán cao và dung lượng nhớ,
lưu trữ giảm
Đối sánh, nhận dạng
Nhận dạng tự động, mô tả đối tượng, phân loại và phân nhóm các mẫu là
những vấn đề quan trọng trong thị giác máy, được ứng dụng trong nhiều ngành
khoa học khác nhau. Mẫu có thể là ảnh của vật nào đó được chụp, một chữ
viết tay…
1. 1. 3. Một số ứng dụng cơ bản trong xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một trong những ngành khoa học mới nhưng có những thành
tựu và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. [3]
- Công việc văn phòng: nhận dạng ký tự quang học, xử lý tài liệu, nhận
dạng kịch bản, nhận dạng logo và biểu tượng, xác định vị trí địa chỉ trên phong
bì tài liệu…. 13

- Công nghiệp tự động hóa: Công nghệ chế tạo rô-bốt…
- Xử lý ảnh y tế: Phân tích ảnh điện tâm đồ ECG- Electrocardiogram, điện
não đồ EEG- Electroencephalogram, đo điện cơ EMG- Electromyography; phân
tích ảnh X-quang,…

(nguồn http://courses. ncssm. edu/gallery/collections/toys/html/exhibit10. htm)
Kỹ thuật video được phát triển đầu tiên cho hệ thống ti vi sử dụng bóng
cathode CRT. Trong thời kỳ này cũng có nhiều nhà khoa học nghiên cứu để phát
minh ra những kỹ thuật mới cho thiết bị hiển thị video. Charles Ginsburg đã
cùng với đội nghiên cứu của mình phát triển chiếc băng ghi hình đầu tiên VTR-
Video Tape Recorder.
Năm 1951, băng từ lần đầu tiên được sử dụng để ghi lại hình ảnh và đã
thu được 50,000 bảng vào năm 1956. Tiếp sau đó lần lượt là sự ra đời của băng
cát sét ghi VCR- Video Cassette Recorder năm 1971. Ngày nay, công nghệ máy
tính phát triển chúng ta đã có thể ghi, lưu trữ, chỉnh sửa và truyền thông tin hình
ảnh qua mạng máy tính dưới dạng các video clips.
Tóm lại, video được chia thành hai giai đoạn phát triển chính: giai đoạn
tín hiệu analog và digital.
1. 1. 3. 2. Một số khái niệm và định nghĩa xử lý video
Video là một tập hợp các khung hình (frames). Mỗi khung hình là một
hình ảnh, là đơn vị dữ liệu cơ bản nhất của video. Video có thể được hiểu là một
chuỗi các hình ảnh liên tiếp. Để mắt người có thể cảm nhận được sự chuyển 15
động của các hình ảnh thì các khung hình phải được phát liên tục với một tốc độ
nhất định. Thông thường, tốc độ đó là 25 hình/giây hoặc 30 hình/giây.

Hình 1. 4 - Khung hình
Không gian độ xám, không gian màu
Không gian độ xám chỉ có một thành phần, biến đổi từ đen đến trắng.
Không gian độ xám thường được sử dụng trong hiển thị và in trắng đen.

Hình 1. 5- Thước đo độ xám
Một không gian màu là một mô hình đại diện cho màu về mặt giá trị độ

của Hiệp hội Viễn thông Quốc tế ITU- “T standardizes formats for the
International Telecommunications Union”.
Chuẩn do hai tổ chức quy định được chia thành hai nhóm chính đó là
chuẩn MPEG-Moving Pictures Experts Group, chịu trách nhiệm về các dạng
thức nén MPEG-1, MPEG-2 và MPEG-4; và các dạng chuẩn thức nén T như
H. 261, H264.
Trên thị trường hiện có nhiều file video được lưu dưới định dạng khác
nhau như VCD, SVCD, AVI, MOV…. Các định dạng file này đều tuân theo các
chuẩn nén được quy định. Dưới đây là bảng so sánh về chuẩn nén, dung lượng
cũng như chất lượng hình ảnh của các file.
Chuẩn MPEG-1: Chuẩn MPEG-1 là chuẩn MPEG đầu tiên, được phát
triển cho quá trình lưu trữ hình ảnh video trên Compac Disk, đĩa có dung lượng
70 phút và có số vòng quay là 1. 4Mbits/giây.
Chuẩn MPEG-2: Chuẩn MPEG-2 là chuẩn được phát triển dựa trên nền
MPEG-1. MPEG-2 hỗ trợ nén luồng âm thanh 4 kênh. Chuẩn MPEG-2 được sử
dụng trong truyền hình kỹ thuật số vệ tinh, truyền hình cáp và dành cho định
dạng đĩa DVD.
Chuẩn MPEG-4: Là chuẩn cho các ứng dụng Multimedia. MPEG-4 là
chuẩn dùng trong truyền hình số, các ứng dụng về độ họa, video tương tác
(game, video conference).
Trong MPEG-4, các đối tượng khác nhau trong một khung hình có thể
được mô tả, mã hóa truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng
cơ bản khác nhau. Cũng nhờ xác định, tách và xử lý riêng các đối tượng như
nhạc nền, âm thanh xa gần, đồ vật, đối tượng ảnh video ( con người, nền khung
hình…) nên người dùng có thể loại bỏ được tượng khỏi khuôn hình. Quá trình
tương tác trở nên đơn giản và dễ dàng hơn. 18
Chuẩn H. 261 là chuẩn mã hóa và giải mã video cho giải thông 64Kbps.

640x480²
640x480²
320x240²
Chuẩn nén video
MPEG1
MPEG2
MPEG2,
MPEG1
MPEG2
(WMV-
MPEG4)
MPEG4
Sorenson,
Cinepak,
MPEG4 . . .
RM
Video bitrate
1150kbps
~2000kbps
~5000kbps
~20Mbps
(~8Mbps)
~1000kbps
~1000kbps
~350kbps
Chuẩn nén âm thanh
MP1
MP1
MP1, MP2,
AC3, DTS,

MB/phút
4-20
MB/phút
2-5
MB/phút
Phút/74phút CD
74phút
35-60phút
10-20phút
~4phút
(~10phút)
60-180phút
30-180
phút
120-300
phút
Giờ/DVD
N/A
N/A
1-2giờ
(2-5giờª)
~30phút
(~1giờ)
7-18giờ
3-18giờ
14-35giờ
Giờ/
DualLayerDVD
N/A
N/A

Rất tốt
Rất tốt
Tốt
Tốt
Bảng 1. 1- So sánh một số định dạng file video trên thị trường 21
1. 1. 3. 4. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý video
Video là do một chuỗi ảnh liên tiếp chuyển động tạo thành. Để có thể
truyền tải video, các thông tin và dữ liệu này được mã hóa. Do đó, để có thể xử
lý được các tín hiệu video bên cạnh việc xử lý các vấn đề khách quan như điều
kiện ánh sáng, vị trí đặt camera… ta cũng cần quan tâm tới các vấn đề về tiêu
chuẩn nén của video.
Về cơ bản hệ thống xử lý video gần giống với hệ thống xử lý ảnh. Tuy
nhiên, do đặc trưng chuyển động của hình ảnh nên ta cần quan tâm tới các
vấn đề:
- Xác định đối tượng, số lượng đối tượng có trong ảnh
- Xác định đối tượng chuyển động trong ảnh: các đối tượng dời đi hay
chuyển tới, chuyển động đơn hay chuyển động trong đám đông
- Tách đối tượng từ một nhóm đối tượng chuyển động
- Tách đối tượng với bóng của bản thân.
1. 2. Giám sát đối tượng
1. 2. 1. Lịch sử phát triển của hệ thống giám sát đối tượng
Dù ra đời muộn, vào nửa cuối của thập niên 90, hệ thống giám sát đối
tượng đã trải qua những thăng trầm và có những kết quả đáng khích lệ và vẫn
đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển.
Hệ thống giám sát đối tượng trước tiên là thời kỳ của mạch tivi khép kín
(CCTV-Closed Circuit Television). CCTV là một hệ thống gồm các camera được
kết nối theo một mạch kín hay vòng với các hình ảnh được gửi tới màn hình

Trong hệ thống giám sát đối tượng, tất cả các thông tin về hình ảnh thu
nhận được từ camera hoặc hệ thống camera được truyền về trung tâm. Tại đây,
các thông tin sẽ được phân tích, xử lý để đưa ra các quyết định phù hợp.
Hệ thống giám sát đối tượng với quy mô nhỏ hay lớn đều cần có:
- Camera (hoặc hệ thống camera -với quy mô lớn): Trong hệ thống nhỏ có
thể chỉ cần một camera. Đối với các hệ thống lớn, ta có một hệ thống camera
được đặt tại các khu vực cần quan sát.
Ví dụ: tại một tòa nhà ta cần đặt camera tại bãi đỗ xe, tại sảnh, cầu thang
(cầu thang bộ, cầu thang máy), tại các tầng….
- Màn hình theo dõi (hoặc hệ thống màn hình): Trên một màn hình có thể
đặt tương ứng với một camera hoặc chia chế độ màn hình hiển thị với các phân
vùng ứng với số lượng camera…
- Đầu ghi hình DVR độc lập ( hoặc card DVR cắm máy tính)
- Phòng điều khiển (giám sát): Tại đây đặt màn hình theo dõi của hệ
thống. Phòng có bố trí nhân viên để phụ trách quản lý và điều hành hệ thống.

Hình 1. 10- Mô hình hệ thống giám sát đối tượng 24
1. 2. 3. Các bước chính cần thực hiện trong hệ thống giám sát đối tượng
Để có thể xây dựng hệ thống giám sát thông minh, bên cạnh việc thiết lập
một hệ thống phần cứng phục vụ quá trình giám sát, ta cần phát triển hệ thống
phần mềm hỗ trợ quá trình xử lý. Lược đồ dưới đây chỉ ra các bước cơ bản cần
thực hiện trong quá trình xây dựng phần mềm hỗ trợ giám sát tự động.

Hình 1. 11- Các bước cần thực hiện trong quá trình giám sát tự động
1. 2. 4. Ứng dụng của giám sát đối tượng
Giám sát đối tượng là một lĩnh vực có khả năng ứng dụng thực tế cao.
Thật vậy, hệ thống giám sát đối tượng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: