BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM THEO
ĐỐI TƯỢNG

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH
TRẦN MINH KHIÊM
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2008-2012

Tháng 06 năm 2012
 

 


THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM THEO ĐỐI TƯỢNG

TÁC GIẢ
NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH – TRẦN MINH KHIÊM

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S TRẨN THỊ KIM NGÀ

Tháng 06 năm 2012

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ
Chí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em những
kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡ chúng
em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Văn Hùng và cô
Trần Thị Kim Ngà đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt
nghiệp.
Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét và
góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã động
viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình hoàn
thành luận văn.
TPHCM, tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện

NGUYỄN ĐỨC THANH TỊNH
TRẦN MINH KHIÊM

ii


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Hệ thống phát hiện và bám theo đối tượng” được thực hiện tại
trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 3 đến tháng 6
năm 2012.

Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quan như: Xây dựng được
hệ thống phát hiện và bám theo đối tượng, dựa trên thuật toán nhận dạng đối tượng đã
thực hiện chúng em phát triển hệ thống theo hướng có khả năng nhận dạng và đi theo
chỉ dẫn biển báo giao thông. Đây được xem là kết quả chính của đề tài.
Để thực hiện tốt kết quả này thì chúng em cũng phải thực hiện thành công quá trình
xử lý ảnh nhận dạng vật thể, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu các biển báo giao thông
đường bộ. Toàn bộ quá trình xử lý ảnh và xây dựng cơ sở dữ liệu được thực hiện trên
Matlab 2011a.
Thực hiện truyền nhận dữ liệu nối tiếp theo chuẩn RS232, truyền nhận dữ liệu
không dây qua sóng RF.
Ngoài ra, chúng em cũng thiết kế giao diện giao tiếp với người quan sát bằng lập
trình GUI của Matlab một cách thân thiện, dễ hiểu và dễ điều khiển.
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, nên dù
đã cố gắng hết sức nhưng phương án giải quyết bài toán của chúng em chắc chắn
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em càng được hoàn thiện hơn.

iii


MỤC LỤC
TRANG TỰA .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
TÓM TẮT...................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................... xi
Chương 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................................1

1.2 Mục đích.................................................................................................................1
Chương 2 TỔNG QUAN.................................................................................................3
2.1 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh ..............................................................3
2.1.1 Phần tử ảnh ..........................................................................................................3
2.1.2 Mức xám của ảnh ................................................................................................3
2.1.3 Ảnh ......................................................................................................................4
2.1.3.1 Ảnh nhị phân ....................................................................................................4
2.1.3.2 Ảnh xám ...........................................................................................................4
2.1.3.3 Ảnh màu ...........................................................................................................4
2.1.4 Độ phân giải ........................................................................................................5
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh ...........................................................................5
2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh .....................................................................................6
2.2.1.1 Khái niệm Camera............................................................................................6
2.2.1.2 Phân loại Camera .............................................................................................6
2.2.2 Thu nhận ảnh và số hóa .......................................................................................8
2.2.3 Lưu trữ ảnh ..........................................................................................................8
2.2.4 Phân tích ảnh .......................................................................................................8
2.2.5 Hệ quyết định ....................................................................................................12
2.3 Tổng quan về vi điều khiển PIC...........................................................................12
2.4 Truyền thông nối tiếp RS 232 ..............................................................................13
2.4.1 Tổng quan về truyền thông nối tiếp RS 232 .....................................................13
iv


2.4.2 Truyền dữ liệu qua cổng RS232........................................................................15
2.4.2.1 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thông qua cổng RS232 .................15
2.4.2.2 Cấu trúc truyền dữ liệu theo chuẩn RS232 ....................................................15
2.5 Truyền tín hiệu không dây sử dụng cặp module thu phát RF ..............................16
2.5.1 Tổng quan sóng RF ...........................................................................................16
2.5.1.1 Biên độ và bước sóng .....................................................................................16

2.5.1.2 Bức xạ điện từ ................................................................................................16
2.5.1.3 Pha ..................................................................................................................16
2.5.2 Các phương thức điều chế sóng RF ..................................................................17
2.5.2.1 Điều biên ........................................................................................................17
2.5.2.2 Điều tần ..........................................................................................................17
2.5.2.3 Điều pha .........................................................................................................18
2.5.3 Mã hóa dữ liệu...................................................................................................18
2.5.3.1 Các phương pháp mã hoá dữ liệu...................................................................18
2.5.3.2 Các dạng mã hóa phổ biến .............................................................................19
2.5.4 Hoạt động của sóng vô tuyến ............................................................................19
2.5.5 Module thu phát RF ..........................................................................................20
2.5.5.1 Tổng quan về IC-PT226 và IC-PT2272 .........................................................20
2.5.5.2 Module phát ...................................................................................................21
2.5.5.3 Module thu .....................................................................................................21
2.6 Phần mền Matlab và ứng dụng xử lý ảnh ...........................................................22
2.6.1 Khái niệm Matlab ..............................................................................................22
2.6.2 Giao diện trong Matlab .....................................................................................23
2.6.3 Khả năng và ứng dụng của Matlab. ..................................................................24
2.6.4 Toollbox hỗ trợ việc xử lý ảnh. ........................................................................24
Chương 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................25
3.1 Thời gian trí thực hiện đề tài ................................................................................25
3.2 Đối tượng và các thiết bị nghiên cứu. ..................................................................25
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu........................................................................................25
3.2.2 Thiết bị nghiên cứu ...........................................................................................25
3.3 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................25
v


Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................26
4.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn bộ hệ thống ...................................................................26

4.1.1 Sơ đồ khối xử lý và điều khiển .........................................................................26
4.1.1.1 Camera sử dụng..............................................................................................26
4.1.1.2 Thiết kế mạch vi điều khiển và kết nối module phát sóng RF .......................28
4.1.2 Sơ đồ khối khâu công tác ..................................................................................30
4.1.2.1 Thiết kế mạch vi điều khiển và kết nối module thu sóng RF ........................31
4.1.2.2 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ. ................................................33
4.1.2.3 Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành ............................................................35
4.2 Xử lý ảnh, xác định và điều khiển bám theo đối tượng .......................................36
4.2.1 Sơ đồ khối các bước xử lý ảnh và điều khiển ...................................................36
4.2.2 Giải thuật xử lý ảnh phát hiện và bám theo đối tượng ......................................37
4.2.2.1 Thu nhận ảnh ..................................................................................................38
4.2.2.2 Chuyển ảnh xám .............................................................................................38
4.2.2.3 Tách đối tượng có màu đỏ..............................................................................39
4.2.2.4 Xác định đối tượng cần bám theo và loại bỏ các đối tượng không đúng yêu
cầu ..............................................................................................................................40
4.2.2.5 Khoanh vùng và định tâm đối tượng..............................................................42
4.2.2.6 Bám theo đối tượng ........................................................................................42
4.3 Xử lý ảnh nhận dạng và đi theo chỉ dẫn biển báo giao thông ..............................47
4.3.1 Một số biển báo giao thông ...............................................................................47
4.3.2 Giải thuật xử lý ảnh nhận dạng và đi theo biển báo giao thông........................48
4.3.3 Quá trình xử lý nhận dạng biển báo giao thông ................................................49
4.3.4 Quá trình điều khiển hệ thống theo chỉ dẫn biển báo giao thông .....................51
4.4 Khảo nghiệm thực tế và kết quả ..........................................................................51
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..........................................................................55
5.1 Kết quả đạt được ..................................................................................................55
5.2 Hướng phát triển của đề tài ..................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................57
PHỤ LỤC ......................................................................................................................58

vi



DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MATLAB: ...............Matrix Laboratory
GUI: .......................Graphical User Interface
CMOS: ....................Complementary Metal-Oxide-Semiconductor.
COM: .....................component object model
IP: ........................... Internet Protocol
PIC: ........................Programmable interrupt controller
RS232: ....................Recommended Standard 232
RF: ..........................Radio Frequency
CCD: ......................Charge Couple Device
CCIR: .....................Consultative Committee On International Radio
AC: .........................Alternating Current
ASK: .......................Amplitude Shift Keying
PSK: .......................... Phase Shift Keying

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Điểm ảnh ...................................................................................................3
Hình 2.2 Ma trận biển diễn ảnh nhị phân.................................................................4
Hình 2.3 Ma trận biểu diễn ảnh xám........................................................................4
Hình 2.4 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần RED ....................................4
Hình 2.5 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần GREEN ...............................5
Hình 2.6 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần BLUE..................................5
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh ..........................................................................5
Hình 2.8 Camera có dây ...........................................................................................7
Hình 2.9 Camera không dây ....................................................................................7

Hình 2.10 IP Camera ................................................................................................7
Hình 2.11 Mô hình không gian màu RGB ...............................................................9
Hình 2.12 Mô hình màu HLS...................................................................................9
Hình 2.13 Mô hình màu L*a*b ..............................................................................10
Hình 2.14 Biến đổi Fourier ....................................................................................10
Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A ...................................................................12
Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A .......................................................................12
Hình 2.17 Cổng nối tếp RS232 ..............................................................................14
Hình 2.18 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thông qua cổng RS232 ........15
Hình 2.19 Khung truyền dữ liệu qua cổng RS 232 ................................................15
Hình 2.20 Điều biên ...............................................................................................17
Hình 2.21 Điều tần .................................................................................................18
Hình 2.22 Điều pha ................................................................................................18
Hình 2.23 Các dạng mã hóa phổ biến. ...................................................................19
Hình 2.24 Hoạt động của sóng vô tuyến ................................................................19
viii


Hình 2.25 Module phát ..........................................................................................21
Hình 2.26 Module thu ............................................................................................22
Hình 2.27 Giao diện Matlab ...................................................................................23
Hình 4.1 Sơ đồ khối xử lý và điều khiển ...............................................................26
Hình 4.2 Camera có dây Nansin ............................................................................26
Hình 4.3 Điện thoại HTC Sensation XE ................................................................27
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF ...........28
Hình 4.5 Mạch vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF ............................29
Hình 4.6 Mạch nguyên lý module phát sóng RF sử dụng PT 2262 .......................30
Hình 4.7 Sơ đồ khối khâu công tác ........................................................................30
Hình 4.8 Mach nguyên lý module thu sóng RF .....................................................31
Hình 4.9 Mạch nguyên lý module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A ..........32

Hình 4.10 Mạch module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A ..........................33
Hình 4.11 Mạch nguyên lý mạch động lực ............................................................34
Hình 4.12 Mạch động lực.......................................................................................34
Hình 4.13 Mô hình thực tế hệ thống ......................................................................35
Hình 4.14 Sơ đồ khối các bước xử lý và điều khiển ..............................................36
Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh bám theo đối tượng...................................37
Hình 4.16 Ảnh thu nhận từ camera kết nối với Matlab .........................................38
Hình 4.17 Ảnh thu nhận từ camera được chuyển sang ảnh xám ...........................39
Hình 4.18 Ảnh xám chứa đối tượng màu đỏ ..........................................................39
Hình 4.19 Ảnh nhị phân của đối tượng màu đỏ .....................................................40
Hình 4.20 Ảnh trước khi lọai bỏ các đối tượng không đúng .................................41
Hình 4.21 Ảnh sau khi lọai bỏ các đối tượng không đúng ....................................41
Hình 4.22 Khoanh vùng và định tâm đối tượng.....................................................42
Hình 4.23 Độ lệch tâm của đối tượng so với khung ảnh .......................................43
ix


Hình 4.24 Hệ thống đang ở vị trí cách tâm l = -65pixel ........................................43
Hình 4.25 Hệ thống đang ở vị trí cách tâm l = 3pixel............................................44
Hình 4.26 Hệ thống đang ở vị trí cách tâm l = 3pixel , S = 16855 ........................45
Hình 4.27 Hệ thống đang ở vị trí cách tâm l = -30pixel , S= 32534 ......................45
Hình 4.28 Hệ thống đang ở vị trí cách tâm l = -52pixel, S=47019 .......................46
Hình 4.29 Hệ thống dừng lại khi đáp ứng đúng các yêu cầu .................................46
Hình 4.30 Một số biển báo giao thông thực tế .......................................................47
Hình 4.31 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh nhận dạng biển báo giao thông.................48
Hình 4.32 Nhận dạng và xuất kết quả biển báo tốc độ 60km/h .............................49
Hình 4.33 Nhận dạng và xuất kết quả biển báo Stop .............................................50
Hình 4.34 Nhận dạng và xuất kết quả biển báo rẽ phải .........................................50

x



DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của module phát ............................................ 21
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của modulee thu ............................................ 22
Bảng 4.1: Khảo nghiệm hệ thống nhận dạng biển báo giao thông .............. 51
Bảng 4.2: Khảo nghiệm khoảng cách nhận dạng biển báo giao thông........ 52
Bảng 4.3: Khảo nghiệm khoảng cách truyền của sóng RF.......................... 52
Bảng 4.4: Khảo nghiệm thời gian xử lý của Camera có dây ....................... 53
Bảng 4.4: Khảo nghiệm thời gian xử lý của IP Camera .............................. 53

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Trong mấy thập kỷ gần đây, xử lý ảnh đã được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có
rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Như trong y học, xử lý ảnh số đã được dùng để phát
hiện và nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X quang, nhận dạng đường biên mạch máu từ
những ảnh chụp mạch bằng tia X. Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xử lý ảnh đã
và đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Robot. Các Robot
thông minh ngày nay không thể thiếu yếu tố xử lý ảnh. Đó là các vấn đề nhận dạng các
đối tượng ngoài môi trường. Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán
như tránh vật cản, dò đường, tìm vật… Từ những cơ sở đó, việc nghiên cứu bài toán
xử lý ảnh trong thời đại ngày nay là rất quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết
các lĩnh vực.
Ngày nay, lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ phát triển một cách nhanh
chóng và mạnh mẽ, đặc biệt là lĩnh vực Robot thông minh. Xử lý ảnh là bài toán
không thể thiếu trong Robot, nó có thể được xem là con mắt của Robot, nó có thể giúp

Robot quan sát, theo dõi đối tượng, dò đường, tìm vật… Điều này rất quan trọng cho
việc điều khiển Robot. Vì thế bài toán xử lý ảnh sẽ giúp cho ta điều khiển Robot một
cách chính xác và dễ dàng hơn.
1.2 Mục đích
Dựa trên những yêu cầu thực tế ngày nay trong lĩnh vực Robot giám sát thông
minh. Chúng tôi thực hiện đề tài “Hệ thống phát hiện và bám theo đối tượng” với mục
đích nhận dạng và bám theo đối tượng, thu tập thông tin phục vụ trong các lĩnh vực an
ninh quốc phòng, các ngành công nghiệp mang tính độc hại cao khi tiếp xúc với các
hóa chất độc hại, phục vụ trong y học, phục vụ trong giao thông đường bộ với việc
nhận dạng các biển báo giao thông ứng dụng trong các hệ thống xe thông minh không
người lái…

1


Vì thời gian giới hạn cũng như mức độ rộng lớn của đề tài nên chúng tôi chỉ
thực hiện nghiên cứu các vấn đề cơ bản sau:
 Dùng Camera có dây thu tín hiệu video trực tiếp và truyền dữ liệu qua
chuẩn giao tiếp USB, dùng IP Camera thu tín hiệu video và truyền dữ
liệu thông qua mạng Internet. Thiết bị thu video được kết nối với máy
tính được cài đặt phần mềm Matlab 2011a và sử dụng các thuật toán để
phát hiện đối tượng cần giám sát, biển báo giao thông...
 Sử dụng truyền thông RS232 để truyền dữ liệu nối tiếp từ Matlab xuống
vi điều khiển PIC 16F877A.
 Sử dụng module thu phát RF để truyền tín hiệu điều khiển không dây.
 Ứng dụng xử lý ảnh vào điều khiển hệ thống bám theo đối tượng xác
định, điều khiển hệ thống đi theo biển báo giao thông đường bộ.

2



Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh
2.1.1 Phần tử ảnh
Ảnh trong tự nhiên là những tín hiệu liên tục về không gian và giá trị độ sáng.
Để có thể lưu trữ và biểu diễn ảnh bằng máy tính, con người phải tiến hành biến đổi
các tín hiệu liên tục đó thành một số hữu hạn các tín hiệu rời rạc thông qua quá trình
lượng tử hóa và lấy mẫu thành phần giá trị độ sáng.
Một phần tử ảnh (Picture Element) là một giá trị biểu diễn cho mức xám hay
cường độ ảnh tại một vị trí sau khi đã biến đổi ảnh thành một số hữu hạn các tín hiệu
rời rạc.
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích
hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu)
của ảnh số gần như ảnh thật.

Hình 2.1 Điểm ảnh
2.1.2 Mức xám của ảnh
Là kết quả của sự biến đổi tương ứng giá trị độ sáng của một điểm ảnh với
một giá trị số nguyên dương. Tùy thuộc vào số giá trị biểu diễn mức xám mà mỗi
điểm ảnh sẽ được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit. Số lượng bit biểu diễn mức
xám càng lớn thì chất lượng ảnh càng cao.
3


2.1.3 Ảnh
Là một tập hợp hữu hạn các điểm ảnh kề nhau. Ảnh thường được biểu diễn
bằng một ma trận hai chiều, mỗi phần tử của ma trận tương ứng với một điểm ảnh.
2.1.3.1 Ảnh nhị phân

Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt, mỗi điểm ảnh của ảnh
nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.

0
1
0
0

1
1
0
1

1
1
1
1

0
0
1
1

Hình 2.2 Ma trận biển diễn ảnh nhị phân
2.1.3.2 Ảnh xám
Ảnh xám là ảnh mà giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 8
bit (giá trị từ 0 đến 255).

0
15

0
0

5
94
0
11

12
21
156
245

0
0
9
12

Hình 2.3 Ma trận biểu diễn ảnh xám
2.1.3.3 Ảnh màu
Thông thường, ảnh màu được tạo nên từ 3 ảnh xám đối với màu nền đỏ
(RED), xanh lá cây (GREEN), xanh lam (BLUE). Tất cả các màu trong tự nhiên đều
có thể được tổng hợp từ 3 thành phần màu trên theo các tỷ lệ khác nhau.

0
115
0
0

7

94
0
11

11
20
15
225

0
0
16
12

Hình 2.4 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần RED
4


0
14
0
0

1
9
0
11

121
210

115
22

0
0
16
2

Hình 2.5 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần GREEN

0
135
0
0

17
93
0
11

21
50
15
25

0
0
67
19


Hình 2.6 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần BLUE
2.1.4 Độ phân giải
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một
ảnh số được hiển thị. Khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt
người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là
một lưới điểm gồm: 320 điểm ảnh chiều ngang * 200 điểm ảnh chiều dọc (320*200).
Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17” độ phân
giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn hình rộng
hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh
Một hệ thống xử lý ảnh điển hình thường bao gồm những thành phần sau:

Lưu
trữ

Lưu
trữ
Thiết bị
thu nhận
ảnh

Thu
nhận ảnh

Phân
tích
ảnh

Số hóa


Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh
5

Nhận
dạng
Hệ
quyết
định

Hiển
thị


2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh
Ảnh có thể thu nhận qua Camera, hoặc ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua
các bộ cảm ứng (Sensor), hay tranh ảnh được quét trên các máy Scanner…
2.2.1.1 Khái niệm Camera
Camera là một thiết bị ghi hình. Với một chiếc Camera, ta có thể ghi lại được
những hình ảnh trong một khoảng thời gian nào đó, lưu trữ và sau đó ta có thể xem lại
bất cứ khi nào. Camera sẽ truyền hình ảnh nhận được tại địa điểm lắp đặt đến các thiết
bị hiển thị như TV, máy tính, MP4…
2.2.1.2 Phân loại Camera
- Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh.
- Phân loại theo đường truyền.
 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
 Camera analog CCIR
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại
Camera này hiện nay ít dùng.
 Camera số CCD

Camera CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp
những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín
hiệu số để đưa vào các bộ xử lý. CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ
thống thấu kính của Camera. CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh
sáng thành những hạt điện tích và được số hoá. Đây là một quá trình chuyển đổi tương
tự sang số. Camera CCD có đường chéo màn hình cảm biến (tính bằng inch). Kích
thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt. (màn hình 1/3 inch Sony
CCD sẽ có chất lượng tốt hơn 1/4 inch CCD, vì 1/3 > 1/4).
 Camera số CMOS
CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Các loại Camera số
sử dụng công nghệ CMOS. Các Camera số thương mại sử dụng công nghệ CMOS thì
chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng hình ảnh với
Camera CCD.
 Phân loại theo đường truyền
Có 3 loại: Camera có dây, Camera không dây, IP Camera.
6


 Camera có dây

Hình 2.8 Camera có dây
Camera có dây có ưu điểm là độ an toàn cao, tính bảo mật tốt được sử dụng để
truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75Ohm. Nếu truyền khoảng cách trên
300m thì cần phải có bộ khuyếch đại để tránh việc mất tín hiệu trên đường truyền.
 Camera không dây

Hình 2.9 Camera không dây
Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây. Các loại Camera không
dây có ưu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây, tuy nhiên Camera có hệ
số an toàn không cao vì dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng

khác như điện thoại di động.
 IP Camera

Hình 2.10 IP Camera
7


Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào Internet qua hệ
thống mạng Wifi, 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.
2.2.2 Thu nhận ảnh và số hóa
Việc thu nhận ảnh có thể thông qua Camera. Các Camera có thể hoặc là tương
tự (loại camera ống kiểu CCIR) hoặc là số (loại camera kiểu CCD). Ảnh cũng có thể
được thu qua các thiết bị khác như máy quét… Nếu ảnh nhận được là tương tự nó phải
được số hóa nhờ quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa trước khi phân tích, xử lý hay lưu
trữ ảnh.
2.2.3 Lưu trữ ảnh
Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hoá được nhúng
trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau. Quá trình lưu trữ ảnh nhằm 2 mục đích:
 Tiết kiệm bộ nhớ.
 Giảm thời gian xử lý.
Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn
và xử lý. Ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sử dụng
càng nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết
của ảnh.
Để lưu trữ ảnh trên máy tính, một số định dạng ảnh sau được sử dụng như:
IMG, PCX, TIFF, GIF…
2.2.4 Phân tích ảnh
 Một số không gian màu
 Không gian màu RGB (Red, Green, Bule)

Còn gọi là ảnh “Truecolor” do tính trung thực của nó. Ảnh này được biểu diễn
bởi một ma trận ba chiều kích thước m x n x 3, với m x n là kích thước ảnh theo
pixels. Ma trận này định nghĩa các thành phần màu red, green, blue cho mỗi điểm ảnh,
các phần tử của nó có thể thuộc kiểu uint 8, uint16 hoặc double.

8


 

Hình 2.11 Mô hình không gian màu RGB
 Mô hình màu HLS
Mô hình màu HLS được xác định bởi tập hợp hình chóp sáu cạnh đôi của
không gian hình trụ. Sắc màu là góc quanh trục đứng của hình chóp sáu cạnh đôi với
màu đỏ tại góc 0o. Các màu sẽ xác định theo thứ tự giống như trong biểu đồ CIE khi
ranh giới của nó bị xoay ngược chiều kim đồng hồ: Màu đỏ, màu vàng, màu lục, màu
xanh tím, màu lam và đỏ thẫm.

 

Hình 2.12 Mô hình màu HLS
9


 Mô hình màu L*a*b
Là không gian màu phổ biến cho việc so sánh sự khác biệt về màu sắc. Trong
đó, hệ thống L*a*b đại diện cho 3 mức tỷ lệ với L (Light) đại diện cho độ sáng.

Hình 2.13 Mô hình màu L*a*b
 Một số công cụ trợ giúp xử lý ảnh

 Kỹ thuật lọc số
Chất lượng hình ảnh kém do rất nhiều nguyên nhân như do nhiễm điện tử của
máy thu hay chất lượng bộ số hóa kém. Nhiễu ảnh số được xem như là sự dịch chuyển
nhanh của tín hiệu thu nhận trên một khoảng cách ngắn. Về mặt tần số, nhiễu ứng với
các thành phần tần số cao trong ảnh. Như vậy để xử lý nhiễu ta có thể lọc các thành
phần tần số cao. Việc lọc dựa vào tính dư thừa thông tin không gian, các pixel lân cận
có thể có cùng hoặc gần cùng một số đặc tính. Kỹ thuật lọc này dùng một mặt nạ và di
chuyển khắp ảnh gốc.
 Biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier cho một tín hiệu có thể biểu diễn như sau:

Hình 2.14 Biến đổi Fourier
10


Biến đổi Fourier thuận cho tín hiệu một chiều gồm một cặp biến đổi :
- Biến đổi Fourier thuận: Chuyển sự biểu diễn từ không gian thực sang không
gian tần số (phổ và pha). Các thành phần tần số này được gọi là các biểu diễn trong
không gian Fourier của tín hiệu.
- Biến đổi Fourier ngược: Chuyển đổi sự biểu diễn của đối tượng từ không gian
Fourier sang không gian thực.
 Biên và các phương pháp phát hiện biên
Biên là vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiểu ảnh.
Cho đến nay chưa có định nghĩa chính xác về biên, trong mỗi ứng dụng người ta đưa
ra các độ đo khác nhau về biên, một trong các độ đo đó là độ đo về sự thay đổi đột
ngột về cấp xám. Ví dụ: Đối với ảnh đen trắng, một điểm được gọi là điểm biên nếu nó
là điểm đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh. Tập hợp các điểm biên tạo nên biên
hay đường bao của đối tượng. Xuất phát từ cơ sở này người ta thường sử dụng hai
phương pháp phát hiện biên cơ bản:
Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến thiên

mức xám của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là kỹ thuật lấy đạo
hàm. Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có các kỹ thuật Gradient, nếu lấy đạo hàm
bậc hai của ảnh ta có kỹ thuật Laplace. Ngoài ra còn có một số các tiếp cận khác.
Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các vùng
thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên. Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là hai bài
toán đối ngẫu nhau vì dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp xong
nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh đã được phân lớp
thành các đối tượng, do đó có thể phát hiện được biên.
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng
của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng không đột ngột, phương pháp tỏ ra kém hiệu
quả, phương pháp phát hiện biên gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại áp dụng khá tốt
trong trường hợp này. Sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này là: Phương pháp
phát hiện biên trực tiếp cho ta kết quả là ảnh biên, còn phương pháp phát hiện biên
trực tiếp cho ta kết quả là đường biên.

11


2.2.5 Hệ quyết định
Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng hiển thị
hay đưa ra các quyết định khác.
2.3 Tổng quan về vi điều khiển PIC
PIC (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên,
con vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650. Hãng Microchip tiếp tục phát triển các
dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã
gần 100 loại, từ họ 10Fxxx đến các họ 12Cxxx, 17Cxx, 16Fxx, 16Fxxx,16FxxxA,
16LFxxxA, 18Fxxx 18LFxxx.

Hình 2.15 Vi điều khiển pic 16F877A


Hình 2.16 Sơ đồ chân pic 16F877A
12


Những tính năng chính của PIC 16F877A:
 8 K Flash ROM.
 368 bytes RAM.
 256 bytes EEPROM.
 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập.
 Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2.
 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm
năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài.
 Bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều
biến xung.
 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào.
 2 bộ so sánh tương tự (Comparator).
 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer).
 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển.
 1 cổng nối tiếp (Serial Port).
 15 nguồn ngắt (Interrupt).
 Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).
 Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSPTM (In-Circuit Serial
Programing).
 Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS.
 35 tập lệnh có độ dài 14 bit.
 Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz.
2.4 Truyền thông nối tiếp RS 232
2.4.1 Tổng quan về truyền thông nối tiếp RS 232
Vấn đề giao tiếp giữa Máy tính và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng
dụng điều khiển, đo lường... Giao tiếp qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ

thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối cá thiết bị ngoại vi với máy tính.
Giao tiếp RS232 là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ,
kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu
là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc

13