Đồ án Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh

ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 16 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Dương Duy MSSV: 13141040 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 01 Khóa: 2013 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG QUA XỬ LÝ ẢNH. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Video đầu vào: 6 video, 2 video khi đường ít xe, 2 video khi làn nhiều xe. - Matlab phiên bản 2017a. - Kit điều khiển chính: Arduino Mega 2560, 2 Module Led 7 đoạn đôi, 6 led đơn (2 đỏ, 2 vàng, 2 xanh). 2. Nội dung thực hiện: Đề tài thực hiện nội dung xây dựng hệ thống đếm đối tượng qua hình ảnh với đầu vào là từ video là ảnh chứa các đối tượng (phương tiện giao thông). Kết quả đếm được sẽ được gửi xuống kit Arduino để điều khiển 2 cặp module led 7 đoạn và led đơn. Nhóm sẽ thực hiện các nội dung như sau:  Tìm hiểu về kit Arduino Mega 2560.  Tìm hiểu về phần mềm matlab.  Cài đặt nguồn thư viện cho kit Arduino, cách kết nối Arduino với Matlab.  Tìm hiểu các thuật toán phát hiện phương tiện giao thông.  Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  Xây dựng hệ thống đếm phương tiện trong ảnh, lập trình giao diện sử dụng để mô phỏng quá trình thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu xuống kit Arduino.  Xây dựng chương trình điều khiển điều tín hiệu đèn giao thông trên kit Arduino.  Đánh giá kết quả thực hiện. iii III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thái Dương Duy. Lớp: 13141DT3A MSSV: 13141040 Tên đề tài: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG QUA XỬ LÝ ẢNH. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 (19-25/3) - Gặp giáo viên hướng dẫn để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc. - Duyệt đề tài. - Viết đề cương cho đề tài. 2 (26/3-1/4) - Tìm hiểu hoạt động Arduino và Matlab. 3 (2/4-8/4) - Cài đặt Matlab, Arduino. - Lập trình Arduino với các chân I/O để nhúng dữ liệu. 4 (9/4-15/4) - Tìm hiểu các thuật toán xử lý ảnh đầu vào. - Các hàm cơ bản xử dụng cho việc sử lý ảnh đầu vào. 5 (16/4-22/4) - Thiết kế sơ đồ khối giải thuật xử lý ảnh đêm đối tượng ảnh đầu vào. 6 (23/4-29/4) - Tìm hiểu cách giao tiếp Arduino với module Led 7 đoạn 2 digit. - Tính toán các thông số dòng và áp. Để lựa v chọn các linh kiện phù hợp. 7 (30/4-6/5) - Viết lưu đồ chương trình đèn giao thông. - Tiến hành viết chương trình và hiệu chỉnh chương trình. 8 (7/5-13/5) - Tìm hiểu cách kết nối giữa matlab và adruino. - Tiến hành gửi dữ liệu từ Matlab sang arduino. 9 (14/5-20/5) - Xây dựng mô hình. - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. Viết báo cáo. 10 (21/5-27/5) - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. - Viết báo cáo. 11 (28/5-3/6) - Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo. 12 (4/6-10/6) - Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) vi LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi cam đoan đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sĩ Võ Đức Dũng. Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông thông qua xử lý ảnh” là trung thực và không sao chép từ công trình nào khác. Người thực hiện đề tài. Nguyễn Thái Dương Duy vii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được rất nhiều sự ủng hộ, giúp đỡ đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Võ Đức Dũng - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong suốt thời gian làm luận án tốt nghiệp. Thầy đã tạo nhiều điều kiện và cho những lời khuyên quý báu giúp chúng em hoàn thành tốt khóa luận. Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trong Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện tử Công Nghiệp – Y Sinh nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu và tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập trong những năm học vừa qua, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài. Nguyễn Thái Dương Duy. viii MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình ................................................................................................................ iv Cam đoan ................................................................................................................ vi Lời cảm ơn .............................................................................................................. vii Mục lục .................................................................................................................. viii Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... xi Liệt kê bảng vẽ ....................................................................................................... xiv Tóm tắt ................................................................................................................... xv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 3 1.3 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 3 1.4. Giới hạn .......................................................................................................... 3 1.5 Bố cục ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 6 2.1 Giới thiệu xử lý ảnh......................................................................................... 6 2.2 Tổng quan về Matlab ....................................................................................... 7 2.3 Giới thiệu về lịch xử hình thành Arduino ........................................................ 8 2.4 Giới thiệu phần cứng ..................................................................................... 10 2.4.1 Kit arduino mega 2560 ............................................................................... 10 2.4.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ........................................................................ 13 2.4.2.1 Led 7 đoạn ............................................................................................... 13 2.4.2.2 Led quét 7 đoạn loại 2 digit ..................................................................... 14 2.4.3 Led đơn ...................................................................................................... 15 2.5 Quy trình xử lý ảnh ....................................................................................... 15 2.5.1 Xử lý ảnh là gì? .......................................................................................... 15 2.5.2 Quá trình thu nhận ảnh ............................................................................... 16 2.5.3 Quá trình tiền xử lý ảnh ............................................................................. 16 2.5.4 Quá trình phân đoạn ảnh ............................................................................. 16 2.5.5 Biểu diễn và mô tả ...................................................................................... 17 ix 2.5.6 Nhận dạng và nội suy ảnh ........................................................................... 17 2.5.7 Cơ sở tri thức.............................................................................................. 18 2.6 Các phương pháp xử lý cơ bản với một đối tượng ảnh đầu vào ..................... 18 2.6.1 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh màu xám ..................................................... 18 2.6.2 Nhị phân hóa ảnh ....................................................................................... 20 2.6.3 Các phương pháp lọc nhiễu ảnh nhằm cải thiện ảnh ................................... 21 2.6.4 Làm trơn nhiễu bằng lọc tuyến tính ............................................................ 21 2.6.5 Làm trơn nhiễu bằng lọc phi tuyến ............................................................. 24 2.6.6 Phân vùng ảnh ............................................................................................ 24 2.7 Các hàm cơ bản được sử dụng trong quá trình phát hiện và đếm số lượng phương tiện trong đề tài ................................................................................ 25 2.7.1 Hàm imread() ............................................................................................. 25 2.7.2 Hàm imshow() và imagesc() ....................................................................... 25 2.7.3 Hàm rgb2gray() .......................................................................................... 26 2.7.4 Hàm imadjust() .......................................................................................... 27 2.7.5 Hàm tự tính ngưỡng để chuyển sang ảnh nhị phân graythresh(), và hàm chuyển đổi ảnh nhị phân imbinarize() ........................................................... 28 2.7.6 Hàm imdilate() ........................................................................................... 28 2.7.7 Hàm imerode() ........................................................................................... 29 2.7.8 Hàm bwareaopen() ..................................................................................... 30 2.7.9 Hàm bwlable .............................................................................................. 31 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ............................................... 32 3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 32 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ........................................................................ 32 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 32 3.2.2 Thiết kế các khối hệ thống ................................................................................. 33 3.2.3 Thiết kế mô hình đèn giao thông ................................................................. 40 3.2.4 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................................... 41 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 43 4.1 Giới thiệu. ...................................................................................................... 43 4.2 Thi công hệ thống ............................................................................................ 43 4.2.1 Thi công bo mạch ......................................................................................... 43 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 44 x 4.2.3 Thiết kế giao diện cho người điều khiển ....................................................... 45 4.3 Đóng gói và thi công mô hình .................................................................................... 45 4.4 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 46 4.4.1 Lập trình trên phần mềm matlab ................................................................... 46 4.4.1.1 Lưu đồ tổng quát trên matlab ..................................................................... 46 4.4.1.2 Chi tiết về hệ thống.................................................................................... 46 4.4.2 Lập trình trên kit arduino mega 2560 ............................................................ 53 4.4.2.1 Lưu đồ tổng quát trên arduino .................................................................... 53 4.4.2.2 Chương trình điều khiển trên arduino ........................................................ 54 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, tháo tác ......................................................... 60 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................................... 60 4.5.2 Quy trình thao tác trên giao diện ................................................................... 60 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................ 61 5.1 Kết quả ............................................................................................................ 61 5.2 Nhận xét .......................................................................................................... 72 5.3 Đánh giá .......................................................................................................... 73 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. .......................... 74 6.1 Kết luận ........................................................................................................... 74 6.2 Hướng phát triển ............................................................................................. 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ........................................................................................................... xi LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega 2560 ................... 9 Hình 2.2: Xe tự hành ............................................................................................ 10 Hình 2.3: Ambilight dùng Arduino uno ............................................................... 10 Hình 2.4: Sơ đồ và chức năng chân Arduino Mega 2560 ...................................... 11 Hình 2.5: Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART ............................................... 13 Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động chuẩn UART ....................................................... 13 Hình 2.7 Sơ đồ chân LED 7 thanh Anode ............................................................. 14 Hình 2.8: Cấu tạo thanh led 7 đoạn 2 digit ............................................................ 14 Hình 2.9: Sơ đồ chân Led 7 đoạn loại 2 digit. ....................................................... 15 Hình 2.10: Led đơn sắc. ........................................................................................ 15 Hình 2.11: Sơ đồ chân led đơn sắc ........................................................................ 15 Hình 2.12: Kết quả đầu ra của quá trình xử lý ảnh ................................................ 16 Hình 2.13: Sơ đồ quá trình xử lý ảnh .................................................................... 16 Hình 2.14: Chuyển ảnh màu thành ảnh xám ......................................................... 19 Hình 2.15: Lược đồ xám ....................................................................................... 20 Hình 2.16: Ảnh xám và ảnh nhị phân ................................................................... 20 Hình 2.17: Ví dụ bộ lọc trung bình ....................................................................... 22 Hình 2.18: Hiển thị ảnh bằng hàm imshow() ......................................................... 26 Hình 2.19: Hiển thị ảnh bằng hàm imagesc() ........................................................ 26 Hình 2.20: Chuyển đổi ảnh màu thành ảnh xám ................................................... 27 Hình 2.21: Tăng cường độ tương phản của anh bằng hàm imadjust() ................... 27 Hình 2.22: Chuyển đổi ảnh xám sang ảnh nhị phân .............................................. 28 Hình 2.23: Ảnh đầu vào ........................................................................................ 29 Hình 2.24: Ảnh sau khi giản nở ............................................................................ 29 Hình 2.25: Ảnh đầu vào ........................................................................................ 30 Hình 2.26: Ảnh sau khi xói mòn ........................................................................... 30 Hình 2.27: So sánh ảnh gốc và ảnh sau khi xử lý bằng hàm bwareaopen() ........... 31 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 32 Hình 3.2: Sơ đồ nối dây vi điều khiển trong Broad Arduino Mega ....................... 34 Hình 3.3: Sơ đồ nối dây mạch nạp trong Arduino Mega ....................................... 35 xii Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý led 7 đoạn 2 digit anode chung ................................... 36 Hình 3.5: Led 7 đoạn 2 digit thực tế ..................................................................... 36 Hình 3.6: Led đơn màu xanh, đỏ, vàng thực tế ..................................................... 38 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối led đơn với điện trở .......................................................... 38 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối led 7 đoạn với điện trở ...................................................... 38 Hình 3.9: Mặt trên của mô hình sau khi thiết kế ................................................... 40 Hình 3.10: Mặt dưới của mô hình sau khi thiết kế ................................................ 41 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................. 42 Hình 4.1 Mô hình sau khi thi công ........................................................................ 43 Hình 4.2. Hỉnh ảnh thực tế sau khi thi công .......................................................... 44 Hình 4.3. Giao diện điều khiển chính trên PC ....................................................... 45 Hình 4.4. Mô hình sau khi thi công ....................................................................... 46 Hình 4.5. Sơ đồ khối tổng quát chính của hệ thống đếm đối tượng trên matlab .... 46 Hình 4.6. Lưu đồ xử lý ảnh đầu vào...................................................................... 48 Hình 4.7. Ảnh đầu vào .......................................................................................... 49 Hình 4.8. Ảnh nền ................................................................................................ 49 Hình 4.9. Ảnh được nhị phân ................................................................................ 50 Hình 4.10. Ảnh sau khi giản nở điểm ảnh ............................................................. 51 Hình 4.11. Ảnh sau khi lấp lỗ trống ...................................................................... 51 Hình 4.12