Tóm tắt Luận án Ứng dụng xử lý ảnh thiết kế thi công mạch chống trộm thông minh

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH CHỐNG TRỘM THÔNG MINH GVHD : ThS. Võ Đức Dũng SVTH: Tăng Nguyễn Công Thiên MSSV : 13141328 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH CHỐNG TRỘM THÔNG MINH GVHD : ThS. Võ Đức Dũng SVTH: Tăng Nguyễn Công Thiên MSSV : 13141328 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 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 7 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Tăng Nguyễn Công Thiên MSSV: 13141328 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH CHỐNG TRỘM THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Matlab 2017a.  Sử dụng Webcam Logitech.  Kit điều khiển chính: Arduino Uno R3, Servo SG90, Module Sim 800A, Nguồn tổ ong 10V-5A, Chuông, 2 Led đơn. 2. Nội dung thực hiện:  Để tài thực hiện nội dung phát hiện người và nhận diện khuôn mặt với đầu vào là hình ảnh lấy được từ webcam, kết quả sẽ được gửi qua arduino để điều khiển Servo SG90, Module Sim 800A, Chuông, 2 Led đơn. Nhóm sẽ thực hiện các nôi dung như sau:  Tìm hiểu về Matlab.  Tìm hiểu về Arduino Uno R3.  Cài đặt thưc viện cho Arduino và các liên kết giữa Matlab và Arduino.  Tìm hiểu các thuật toán nhận diện, phát hiện người và khuôn mặt.  Xây dựng quá trình xử lý ảnh đầu vào.  Xây dựng hệ thống phát hiện người và nhận diện khuôn mặt đồng thời gửi dữ liệu thu được qua Arduino.  Xây dựng chương trình điều khiển servo SG90, Module Sim 800A, chuông, 2 Led đơn.  Đánh giá kết quả thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 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 Tp.HCM, ngày 19 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Tăng Nguyễn Công Thiên .................................................................. Lớp:13141DT3B .......................................................... MSSV:13141328 ....................... Tên đề tài: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH CHỐNG TRỘM THÔNG MINH Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 (19-25/3)  Gặp GVHD 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 và các kiến thức liên quan tới Arduino và Matlab. 3 (2/4-8/4)  Cài đặt Matlab, kết nối Arduino với Matlab. 4 (9/4-15/4)  Lập trình và xây dựng chương trình cho xử lý hình ảnh đầu vào trên Matlab. 5 (16/4-22/4)  Xây dựng hệ thống nhận diện và phát hiện chuyển động con người. 6 (23/4-29/4)  Xây dựng hệ thống nhận diện và so sánh khuôn mặt  Tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu để lưu giữ khuôn mặt 7 (30/4-6/5)  Lập trình Arduino với các chân I/O để nhúng dữ liệu. 8 (7/5-13/5)  Thiết kế sơ đồ khối giải thích chức năng các khối của kết nối ngoại vi.  Tính toán số liệu. 9 (14/5-20/5)  Thi công mô hình.  Lắp đặt và kết nối các thiết vị ngoại vi. 10 (21/5-28/5)  Kiểm tra lỗi và chạy thử chương trình trên mô hình hoàn chỉnh.  Viết báo cáo hoàn chỉnh. ii 11 (29/5-3/6)  Hoàn thiện chính sửa báo cáo gửi cho GVHD để xem xét và góp ý lần cuối. 12 (4/6-11/6)  Nộp quyển báo cáo hoàn chỉnh và làm slide powerpoint báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm sinh viên Tăng Nguyễn Công Thiên tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Tăng Nguyễn Công Thiên v LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài: Tăng Nguyễn Công Thiên vi MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ........................................................................................................ ii Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ...................................................................... iii Cam đoan ................................................................................................................ iv Lời cảm ơn ................................................................................................................ v Mục lục .................................................................................................................... vi Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... ix Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xi Tóm tắt ................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ...................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ......................................................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu ......................................................................................................... 2 1.2.2 Giới hạn ......................................................................................................... 2 1.3 BỐ CỤC ĐỒ ÁN TỐT NHIỆP ........................................................................... 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 4 2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ ẢNH .................................................... 4 2.1.1 Phần thu nhận ảnh (Image Acquisiton) ......................................................... 5 2.1.2 Tiền xử lý (Image Processing) ...................................................................... 6 2.1.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh ............................................. 6 2.1.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) .......................................................... 6 2.1.5 Nhận dạng và nội suy (Image Recognition and Interpretation) .................... 6 2.1.6 Cơ sở tri thức ................................................................................................. 7 2.1.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống ............................................................ 7 2.2 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÝ ẢNH ........................................ 8 2.2.1 Điểm ảnh (Picture Element) .......................................................................... 8 2.2.2 Độ phân giải của ảnh ..................................................................................... 8 2.2.3 Mức xám của ảnh .......................................................................................... 9 2.2.4 Định nghĩa ảnh số .......................................................................................... 9 vii 2.3 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ, THI CÔNG ĐỀ TÀI .......................................................................................... 9 2.3.1 Mạch Arduino Uno R3 .................................................................................. 9 2.3.2 Tổng quan về động cơ Servo ....................................................................... 14 2.3.3 Tổng quan về Buzzer................................................................................... 14 2.3.4 Module SIM 800A ...................................................................................... 15 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 16 3.1 TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NHẬN BIẾT MÀU DA DỰA TRÊN TÍNH CHẤT ĐIỂM ẢNH ................................................................................................ 16 3.1.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 16 3.1.2 Không gian màu sử dụng cho mô hình hóa màu da .................................... 16 3.1.2.1 Không gian màu RGB ............................................................................ 17 3.1.2.2 Không gian RGB chuẩn hóa .................................................................. 17 3.1.2.3 Không gian màu HIS, HSV, HSL .......................................................... 18 3.1.2.4 Không gian màu HIS ............................................................................. 18 3.1.2.5 Không gian màu HSV ............................................................................ 19 3.1.2.6 Không gian màu HSL ............................................................................ 20 3.1.2.7 Không gian màu TSL ............................................................................. 21 3.1.2.8 Không gian màu Y ......................................................................... 21 3.1.2.9 Các hệ tọa độ không gian màu khác ...................................................... 22 3.1.3 Mô hình hóa màu da .................................................................................... 22 3.1.3.1 Xác đinh ngƣỡng cụ thể một điểm ảnh là màu da ................................. 22 3.1.3.2 Phƣơng pháp mô hình hóa màu da sử dụng phân phôi không tham số . 23 3.1.3.3 Bảng tra cứu chuẩn cứu (LUT – Lookup Table) ................................... 23 3.1.3.4 Phân lớp Bayes (bayes Classifier) ......................................................... 24 3.1.3.5 Tổng kết phƣơng pháp không tham số ................................................... 25 3.1.3.6 Mô hình hóa phân phối màu da có tham số ........................................... 25 3.1.3.7 Mô hình dựa trên phân phối Gauss đơn ................................................. 26 3.1.3.8 Mô hình kết hợp trên dựa trên phân phối Gauss .................................... 26 3.1.3.9 Đa phân phối Gauss ............................................................................... 27 3.1.3.10 Tổng kết các phƣơng pháp mô hình hóa theo tham số ........................ 27 3.1.4 So sánh kết quả các mô hình ....................................................................... 27 3.1.5 Đánh giá phƣơng pháp ................................................................................ 29 viii 3.1.6 Chọn lựa không gian màu và phƣơng pháp mô hình hóa dùn để nhận biết màu da cho đồ án .................................................................................................. 29 3.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA ................................................... 30 3.2.1 Tổng quan về phƣơng pháp PCA ................................................................ 30 3.2.1.1 Giới thiệu ............................................................................................... 30 3.2.1.2 Ý tƣởng .................................................................................................. 30 3.2.2 Trích chọn đặc trƣng khuôn mặt ngƣời dựa trên phƣơng pháp PCA .......... 34 3.2.2.1 Chuyển đổi ảnh ...................................................................................... 34 3.2.2.2 Tính khuôn mặt ngƣời trung bình .......................................................... 35 3.2.2.3 Trừ mỗi ảnh cho mặt trung bình ............................................................ 35 3.2.2.4 Xây dựng ma trận hợp phƣơng sai ......................................................... 35 3.2.2.5 Phép chiếu .............................................................................................. 36 3.3 PHÂN TÍCH HOG ........................................................................................... 37 3.3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 37 3.3.2 Chuẩn hóa hình ảnh trƣớc khi xử lý ............................................................ 38 3.3.3 Tính toán gradient ....................................................................................... 38 3.3.4 Lấy votes trong mỗi cell .............................................................................. 39 3.3.5 Chuẩn hóa các block ................................................................................... 40 3.3.6 Sử dụng trong bài toán object recognition .................................................. 40 3.3 KẾT NỐI VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI ............................................................. 41 3.4.1 Khối xử lý trung tâm ................................................................................... 42 3.4.2 Khối Module Sim 800A .............................................................................. 42 3.4.3 Khối động cơ servo ..................................................................................... 43 3.4.4 Khối hiển thị và báo động ........................................................................... 44 3.4.5 Khối nguồn .................................................................................................. 45 3.4.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống ngoại vi .............................................................. 46 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................... 47 4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 47 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................... 47 4.2.1 Hệ thống nhận hiện chuyển động ................................................................ 47 4.2.1 Hệ thống nhận diện khuôn mặt ................................................................... 50 4.2.2.1 Lƣu đồ giải thuật của hệ thống nhận diện khuôn mặt ............................ 50 4.2.2.2 Lƣu đồ giải thuật của hệ thống huấn luyện ............................................ 51 4.2.2.3 Yêu cầu về dữ liệu ảnh ........................................................................... 52 ix 4.2.2.4 Chuẩn hóa ảnh đầu vào .......................................................................... 53 4.2.2.5 Trích xuất đặc trƣng của khuôn mặt ...................................................... 53 4.2.2.6 Xuất kết quả ........................................................................................... 54 4.2.3 Hệ thống cảnh báo ....................................................................................... 55 4.3 GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH ....................................................................... 57 4.3.1 Hệ thống phát hiện chuyển động ................................................................. 57 4.3.2 Hệ thống nhận diện khuôn mặt ................................................................... 58 4.4 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................... 62 4.4.1 Đóng gói bộ điều khiển ............................................................................... 62 4.4.1 Thi công mô hình ........................................................................................ 63 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................... 65 5.1 KẾT QUẢ. .......................................................................................................... 65 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ................................................................................ 76 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................... 77 6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 77 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 79 PHỤ LỤC.. ............................................................. 80 ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh ................................................................... 5 Hình 2.2 Các thành phần chính cảu hệ thống xử lý ảnh ............................................... 7 Hình 2.3 Arduino UNO R3 .......................................................................................... 10 Hình 2.4 Sơ Đồ Chân Arduino UNO R3 ...................................................................... 10 Hình 2.5 Động cơ Servo ................................................................................................ 14 Hình 2.6 Buzzer ............................................................................................................ 14 Hình 2.7 Module Sim 800A .......................................................................................... 15 Hình 3.1 Không gian màu RGB .................................................................................... 17 Hình 3.2 Không gian màu HSV .................................................................................... 19 Hình 3.3 Ý tưởng chính của PCA ................................................................................. 34 Hình 3.4 Biểu đồ dựa trên Gy,Gx .................................................................................. 39 Hình 3.5 Các cell trong một block ................................................................................. 40 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối ngoại vi .................................................................................... 41 Hình 3.7 Module Sim 800A .......................................................................................... 42 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý kết nối Module Sim 800A vào Arduino Uno R3 ................ 43 Hình 3.9 Động cơ Servo ................................................................................................ 43 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno R3 với động cơ Servo ..................... 44 Hình 3.11 Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với Buzzer .................................................. 45 Hình 3.12 Nguồn tổ ong 12V 5A .....................................