Tải bản đầy đủ

Luận văn thạc sĩ hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng cảm biến và camera trong gia đình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LÊ VĂN KHANH

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO SỬ DỤNG CẢM
BIẾN VÀ CAMERA TRONG GIA ĐÌNH
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Quản lý hệ thống thông tin
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH QUẢN LÝ CNTT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐINH VĂN DŨNG

Hà Nội - 2014


DANH MỤC NỘI DUNG
DANH MỤC ẢNH.....................................................................................................2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.........................................................................................3
CHƯƠNG 2: ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG HIỆN TẠI ........................5
2.1 Đánh giá các hệ thống hiện tại......................................................................5
2.1.1
Hệ thống giám sát của FPT....................................................................5
2.1.2
Hệ thống giám sát của VNPT ................................................................6
2.1.3
Hệ thống giám sát của Viettel................................................................7
2.2 Các nhược điểm chung của các hệ thống hiện tại..........................................8
CHƯƠNG 3: CÁC CƠ SỞ LÍ THUYẾT ....................................................................9
3.1 Tổng quan về hệ thống giám sát cho gia đình ...............................................9
3.2 Giới thiệu về camera trong hệ thống giám sát và cảnh báo............................9
3.2.1
Định nghĩa ................................................................................................9
3.2.2
Phân loại...................................................................................................9
3.3.2.1
Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh.............................................................9
3.3.2.2
Phân loại theo kĩ thuật đường truyền ................................................... 10
3.3.2.3
Phân loại theo tính năng sử dụng......................................................... 11
3.2.3
Các thông số cơ bản của camera ............................................................. 12
3.3 Kỹ thuật phân tích hình ảnh trong giám sát và cảnh báo ............................. 15
3.2.1
Phát hiện và bám đối tượng chuyển động:............................................... 16
3.2.2
Nhận dạng đối tượng, vật thể .................................................................. 18
3.3.2.1
Nhận dạng khói bằng camera .............................................................. 19
3.3.2.2
Nhận dạng lửa bằng camera ................................................................ 20
3.3.2.3
Nhận dạng con người bằng camera...................................................... 21
3.4 Sử dụng cảm biến trong hệ thống giám sát và cảnh báo .............................. 22
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHO GIA ĐÌNH
DÙNG CAMERA VÀ CẢM BIẾN .......................................................................... 24
4.1 Bài toán và mô hình chung của hệ thống .................................................... 24

4.2.1
Hệ thống giám sát và cảnh báo cho gia đình............................................ 24
4.2.2
Mô hình hệ thống đề xuất ....................................................................... 26
4.1.2.1
Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo cơ bản ................................... 26
4.1.2.2
Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo chuyên nghiệp ....................... 30
4.2 Lựa chọn camera cho dịch vụ giám sát và cảnh báo.................................... 33
4.3 Thiết kế kiến trúc phần mềm ...................................................................... 36 4.4
Mô hình thương mại hóa hệ thống .............................................................. 37
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 39
5.1 Kết luận...................................................................................................... 39
5.2 Hướng phát triển của đề tài......................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 40

1


DANH MỤC ẢNH
Hình 2-1: FPT Cloud Camera .....................................................................................5
Hình 2-2: Cài đặt camera cho dịch vu MegaCamera ...................................................6
Hình 3-1: Dome Camera........................................................................................... 11
Hình 3-2: Box camera............................................................................................... 12
Hình 3-1: Bảng góc quan sát của camera .................................................................. 14
Hình 3-3: Các thông số liên quan đến tiêu cự của camera ......................................... 15
Hình 3-4: Mô hình áp dụng xử lý ảnh trong giám sát và cảnh báo............................. 16
Hình 3-5: Mô hình phát hiện chuyển động ................................................................ 18
Hình 3-6: Mô hình nhận dạng trong xử lý ảnh .......................................................... 18
Hình 3-7: Sơ đồ tổng quát một hệ nhận dạng ............................................................ 19
Hình 3-8: Phát hiện khói bằng camera ...................................................................... 20
Hình 3-9: Phát hiện lửa bằng camera ........................................................................ 20
Hình 3-10: Mô hình áp dụng phát hiện người bằng camera....................................... 21
Hình 3-11: Mô hình áp dụng nhận biết người bằng camera....................................... 22
Hình 3-12: Cảm biến chuyển động............................................................................ 22
Hình 3-13: Cảm biến từ ............................................................................................ 23
Hình 3-14: Cảm biến vùng........................................................................................ 23
Hình 3-15: Cảm biến khói......................................................................................... 23
Hình 3-16: Cảm biến khói......................................................................................... 23
Hình 4-1: Mô hình hệ thống giám sát thông thường .................................................. 24
Hình 4-2: Mô hình hệ thống cảm biến....................................................................... 25
Hình 4-3: Mô hình hệ thống giám sát và cảnh báo cơ bản ......................................... 27
Hình 4-4: Quy trình xử lí cảnh báo ........................................................................... 29
Hình 4-5: Mô hình sử dụng đầu ghi hình .................................................................. 31
Hình 4-6: Ghi hình sử dụng máy tính........................................................................ 32
Hình 4-7: Hệ thống ghi hình trên máy chủ dịch vụ.................................................... 33
Hình 4-8: Camera của Panasonic .............................................................................. 34
Hình 4-9: Nền tảng ứng dụng mở của camera Axis................................................... 36
Hình 4-10: Thiết kế tổng thể phần mềm quản lý thông tin giám sát và cảnh báo ....... 37 Hình
4-11: Mô hình cung cấp dịch vụ....................................................................... 38 Hình 412: Mô hình cung câp dịch vụ....................................................................... 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Các đặc điểm của dịch vụ Cloud Camera....................................................6
Bảng 2-2: Các đặc điểm của dịch vụ MegaCamera .....................................................7
Bảng 2-3: Bảng gói dịch vụ IP Camera của Viettel .....................................................7
Bảng 3-1: Bảng góc quan sát của camera…………………………………………… 15

2


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay cùng với sự nâng cao chất lượng cuộc sống thì một nhu cầu đảm bảo sự
an toàn của mỗi tổ chức cũng như gia đình càng trở nên cấp thiết. Trong cuộc sống
hàng ngày mỗi gia đình phải đối mặt với rất nhiều rủi ro như: cháy nổ, đột nhập, song
song đó là sự gia tăng của các loại hình tội phạm đang diễn biến ngày càng phức tạp,
các vụ hỏa hoạn ngày càng gia tăng, chủ yếu do bất cẩn trong sinh hoạt, làm việc và các
sự cố về điện. Con người ngày càng áp dụng nhiều phương pháp để giảm thiểu các thiệt hại
từ các nguy cơ này từ giai đoạn xây dựng, giám sát và cảnh báo.
Nếu như trước đây chỉ là các vụ trộm cắp tài sản nhỏ thì hiện nay chúng đã tổ chức và
thực hiện với quy mô rất lớn. Một đặc điểm chung là các hành vi này đang được thực
hiện ngày càng tinh vi, táo bạo, liều lĩnh, gây thiệt hại nặng nề về người và tài sản, gây
hoang mang cho toàn xã hội. Mục tiêu mà các đối tượng trộm cắp này nhắm đến chủ yếu
vẫn là các ngân hàng, tiệm vàng, trung tâm thương mại, cơ quan, nhà máy, khu công
nghiệp, biệt thự, nhà riêng…Ngoài ra thì nguy cơ cháy vẫn còn tiềm ẩn
đối với bất kỳ công trình nào.
Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người đã áp dụng một cách hiệu quả
trong việc giám sát và cảnh báo các nguy cơ. Ví dụ như các loại cảm biến phát hiện
khói, phát hiện cháy, phát hiện rò rỉ ga hay phát hiện chuyển động. Đặc biệt với sự
phát triển của công nghệ hình ảnh, con người đã tạo ra camera, giúp việc giám sát
bằng hình ảnh được áp dụng mọi nơi, từ cơ quan, doanh nghiệp, trường học, gia đình
đến trên phương tiện di chuyển và những nơi công cộng. Công nghệ của camera đã phát
triển hơn 50 năm, từ những camera tương tự đễn camera IP và hình ảnh được cải thiện với
chất lượng cao.
Ngoài ra với sự phát triển của Internet thì việc giám sát bằng camera qua mạng
Internet đã giúp việc giám sát cảnh báo hiệu quả hơn, mọi lúc mọi nơi. Một trong
những dịch vụ phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây là dịch vụ giám sát và cảnh
báo thông qua Internet. Đặc biệt với sự phổ thông của điện thoại thông mình thì việc
cảnh báo cho người dùng thông qua điện thoại thông mình càng hiệu quả hơn bao giờ hết.
Tại các nước phát triển, việc giám sát hình ảnh bằng camera đã được triển khai rộng
khắp từ nhiều năm. Tại Việt Nam, camera cũng bắt đầu được triển khai nhưng vẫn còn
hạn chế, theo đánh giá thì Việt Nam mới triển khai được 5%, do vậy thị trường camera
giám sát vẫn rất lớn. Từ năm 2010, một số nhà cung cấp đã triển khai các dịch vụ giám sát
hình ảnh bằng camera bằng Internet đến các doanh nghiệp, tổ chức lẫn hộ gia đình như
dịch vụ Megavnn của VNPT, dịch vụ IP Camera của Viettel
hay dịch vu Camera Cloud của FPT. Tuy nhiên, vì còn nhiều hạn chế nên các dịch vụ
trên chưa phổ biến. Việc tìm hiểu các ưu nhược điểm của các dịch vụ hiện tại và nhu
cầu của khách hàng có vai trò quan trọng trong việc mở rộng dịch vụ giám sát và cảnh
báo sử dụng camera và cảm biến.
1.2 Phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận
Đề tài nghiên cứu và đưa ra một mô hình của hệ thống giám sát và cảnh báo sử
dụng camera và cảm biến cho đối tượng sử dụng là hộ gia đình cho thị trường Việt
Nam. Vì những hạn chế về thời gian cũng như khả năng thu thập thông tin thị trương,
các yếu tố đánh giá sẽ được xem xét lại ở bước tiếp theo. Đề tài cũng không đi theo
hướng xây dựng một hệ thống hoàn thiện về chức năng mà sẽ nghiên cứu để đề xuất
3


một hệ thống phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình. Như vậy hệ thống sẽ phải cân nhắc
cả yếu tố chức năng của hệ thống cũng như chi phí triển khai và duy trì hệ thống.
Ngoài ra thì một yếu tố cũng có tầm quan trọng ảnh hưởng đến kiến trúc của hệ thống đó
là ai sẽ là người cung cấp dịch vụ cho người sử dụng và chi phí họ cần để triển khai và duy trì
hệ thống.
Một câu hỏi đặt ra là tại sao lại là đối tượng hộ gia đình mà không phải đối tượng
khác, vì các đối tượng khác có nhu cầu với việc giám sát và cảnh báo không hề nhỏ,
thậm chí còn lớn hơn đối tượng gia đình. Câu trả lời rất đơn giản là không có sự hạn chế
đặc biệt nào. Tuy nhiên vì với mỗi đối tượng nhu cầu cũng như chức năng của hệ thống
giám sát và cảnh báo hoàn toàn khách nhau. Ví dụ với đối tượng là các doanh nghiệp
hoặc chính phủ, ngoài việc yêu cầu cao về hình ảnh giám sát, cảm biến thì khả
năng hoạt động liên tục và khả năng lưu trữ trong thời gian dài là những yếu tố bắt
buộc đối với những đối tượng này.
Mô hình hệ thống đề xuất được xây dựng dựa trên những phân tích về nhu cầu của thị
trường và các dịch vụ hiện tại. Bằng việc phân tích các nhược điểm gây ra sự hạn chế của
sự mở rộng của dịch vụ sẽ giúp hệ thống được đề xuất tránh được những điều tương tự.
Ngoài ra đề tài cũng không đi theo hướng nghiên cứu mà theo hướng ứng dụng. Các kĩ
thuật cảnh báo sẽ không phải là trọng tâm của luận văn mà yếu tố nhu
cầu người dùng và mô hình kinh doanh là yếu tố được phân tích.
1.3 Nội dung và cấu trúc luận văn
Với nội dung là trình bày hệ thống giám sát và cảnh báo dùng camera và cảm
biến cho đối tượng hộ gia đình cho thị trường Việt Nam, luận văn được trình bày theo
cấu trúc sau:
 Chương 1: Giới thiệu
Nội dung của chương này là trình bày về lí do chọn đề tài. Thông qua đó
luận văn trình bày rõ nhu cầu thực tiến của hệ thống giám sát và cảnh báo sử
dụng camera và cảm biến cho đối tượng hộ gia đình.
 Chương 2: Ưu và nhược điểm của các hệ thống hiện tại
Nội dung của chương này là nghiên cứu các hệ thống giám sát và cảnh báo
của một số nhà cung cấp như Viettel, FPT và VNPT.
 Chương 3: Các cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày một số vấn đề kỹ thuật và các cơ sở lý thuyết như
phương pháp phát hiện chuyển động, phát hiện con người, các giao thức
truyền cảnh báo.
 Chương 4: Mô hình đề xuất hệ thống giám sát và cảnh báo sử dụng camera
và cảm biến.
Chương này mô tả chi tiết hệ thống đề xuất và mô hình để thương mại hóa
thành dịch vụ trong tương lai.
 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương này sẽ tóm tắt kết quả và những điểm cần cải thiện của quá trình
thực hiện luận văn. Ngoài hướng phát triển của đề tài cũng được xem xét
sau khi đã thực hiện xong đề tài.
 Phụ lục A: Tài liệu tham khảo

4


CHƯƠNG 2: ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CÁC HỆ THỐNG HIỆN TẠI
2.1

Đánh giá các hệ thống hiện tại

Đánh giá được nhu cầu đối với dịch vụ giám sát và cảnh báo, rất nhiều công ty đã
đầu tư vào lĩnh vực cung cấp thiết bị và dịch vụ giám sát an ninh. Ta có thể dễ dàng tìm
được các nhà cung cấp, phân phối các thiết bị an ninh từ lớn tới nhỏ. Đặc biệt một số nhà
cung cấp ADSL cũng nhìn thấy tiềm năng của dịch vụ giám sát và cảnh báo này cộng với lợi
thế về việc cung cấp dịch vụ ADSL nên họ đã triển khai dịch vụ giám sát và cảnh báo trên
nền tảng Internet từ rất sớm. Tuy nhiên mỗi hệ thống đang có những nhược điểm khiến
các dịch vụ này hạn chế trong việc triển khai dịch vụ tới nhiều
khách hàng. Việc phân tích ưu nhược điểm của mỗi dịch vụ sẽ góp phần hiểu rõ những
vấn đề này để giúp đề xuất hệ thống hợp lý hơn đối với khách hàng.
2.1.1

Hệ thống giám sát của FPT

Hệ thống giám sát và cảnh báo được FPT giới thiệu năm 2012 với tên dịch vụ là
"Cloud Camera".

Hình 2-1: FPT Cloud Camera
Dịch vụ Cloud Camera là dịch vụ quan sát bằng Internet camera (IP Camera)
thông qua giải pháp điện toán đám mây. Đối tượng mà dịch vụ hướng tới bao gồm cả khách
hàng cá nhân và khách hàng doanh nghiệp. Một số ưu điểm của dịch vụ Cloud
Camera là dùng IP camera và cung cấp một số chức năng nổi bật như:
 Xem trực tuyến: Người dùng có thể xem trực tuyến camera thông qua internet
bằng máy tính, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng
 Lưu trữ: hệ thống cho phép ghi dữ liệu của camera trên máy chủ của FPT và có
thể xem lại dữ liệu đã được ghi.
 Điều khiển PTZ của camera: hệ thống cũng hỗ trợ người dùng điều khiển PTZ
của camera, tức là điều khiển thay đổi góc quay của camera.
 Số lượng camera: dịch vụ đã thiết kế sẵn số lượng cho một số đối tượng khách
hàng (3 camera, 6 camera, 9 camera).
 Phần mềm cho người dùng: với lợi thế là một công ty phần mềm, FPT cũng
cung cấp người dùng phần mềm truy cập trên cả điện thoại thông mình và máy tính
bảng trên cả nền tảng Android và nền tảng iOS. Các phần mềm này rất hữu ích cho
người dùng vì tính dễ sử dụng của nó. Để phát triển một dịch vụ thu hút nhiều người
dùng thì đây là một yêu cầu bắt buộc cho các hệ thống tương lai.

5


 Cảnh báo: ngoài ra dịch vụ cũng cung cấp gửi cảnh báo qua tin nhắn điện thoại
hoặc email. Tuy nhiên dịch vụ không miêu tả rõ các loại cảnh báo mà hệ thống hỗ
trợ dồng thời cách thức hoạt động của việc phát hiện cảnh báo.
Mặc dù có rất nhiều lợi thế nhưng dịch vụ chưa thu hut được nhiều người dùng đối
với đối tượng khách hàng cá nhân hộ gia đình vì hai lí do:
 Thứ nhất là chi phí dịch vụ hàng tháng cao cho đối tượng khách hàng cá nhân
hộ gia đình.
Bảng 2-1: Các đặc điểm của dịch vụ Cloud Camera
Gói
Gói 1
Số lượng camera 3
Băng thông
25 Mbps
Phí lắp đặt
1,800,000 đồng
Phí hàng tháng
1,300,000 đồng
 Thứ hai là dịch vụ mới tập trung
năng cảnh báo hiệu quả.
2.1.2

Gói 2
6
25 Mbps
2,500,000 đồng
1,800,000 đồng
vào chức năng giám

Gói 3
9
25 Mbps
3,000,000 đồng
2,200,000 đồng
sát mà chưa có chức

Hệ thống giám sát của VNPT

Một trong những dịch vụ tương đối thành công và phù hợp hơn đối với đối tượng
khách hàng cá nhân hộ gia đình là dịch vụ MegaCamera của VNPT. Dịch vụ này được
VNPT triển khai từ năm 2010, là một trong những dịch vụ camera giám sát trực tuyến đầu
tiên ở Việt Nam.
Dịch vụ của VNPT cũng hướng đến cả khách hàng doanh nghiệp như các tổ
chức, trường học, các cửa hàng, các công ty bảo vệ lẫn khách hàng cá nhân hộ gia
đình. Cũng như dịch vụ Cloud Camera của FPT, dịch vu MegaCamera của VNPT
cũng có một số đặc điểm như:
 Xem trực tuyến: hệ thống hỗ trợ xem trực tuyến các camera thông qua
Internet hoặc 3G
 Khả năng ghi hình và lưu trữ: hệ thống cũng hỗ trợ lưu trữ video trên máy chủ
của VNPT/VDC trong 2 ngày hoặc lâu hơn tùy theo gói dịch vụ
 Phần mềm cho người dùng: hệ thống cũng cung cấp phần mềm cho người
dùng trên điện thoại thông minh
Ngoài ra thì một trong những chức năng ấn tượng của dịch vụ MegaCamera là khả
năng dễ cài đặt và sử dụng. Người dùng không phải tự cấu hình đặc biệt mà chỉ cần
cắm camera vào đăng nhập vào tài khoản để sử dụng.

Hình 2-2: Cài đặt camera cho dịch vu MegaCamera
Tuy nhiên thì cũng như dịch vụ của FPT, dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC
cũng mới chỉ tập trung vào chức năng giám sát mà chưa trú trọng đến chức năng cảnh
bảo. Với gói dịch vụ này thì người dùng chỉ được cung cấp khả năng giám sát. Tuy
nhiên thì dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC có một ưu điểm lớn đó là chi phí hàng
tháng mà khách hàng phải bỏ ra tương đối hợp lí:
6


Bảng 2-2: Các đặc điểm của dịch vụ MegaCamera

Thuê bao tháng
Số người truy nhập đồng thời tối
đa
Max FPS (số hình/giây)
Ghi hình và lưu trữ theo ngày

Home Home School School Office Office Office
1
2
1
2
1
2
3
50,000 80,000 100,000 180,000 250,000 350,000 500,000
3

3

20

25

25

35

50

20
25
25
25
30
30
30
2 ngày 3 ngày 3 ngày 4 ngày 5 ngày 6 ngày 8 ngày

Truy nhập qua Internet
Truy nhập qua Mobile
Điều chỉnh Camera (PTZ)
Chụp hình
Tải video về máy tính
Phần mềm Client
2.1.3

Hệ thống giám sát của Viettel

Với ưu thế là nhà cung cấp dịch vụ ADSL, các nhà cung cấp thường phát triển
dịch vụ giám sát và cảnh báo của riêng mình và Viettel cũng không phải là ngoại lê.
Dịch vụ của Viettel mang tên là IP Camera, được cung cấp từ năm 2010. Dịch vụ IP
Camera của Viettel cũng cung cấp một số chức năng cơ bản của dịch vụ giám sát như:
cho phép người dùng quan sát và điều khiển camera qua Internet hoặc 3G. Dịch vụ
cũng cung cấp phần mềm cho người dùng trên máy tính và điện thoại thông minh. Đối
tượng khách hàng mà dịch vụ của Viettel hướng tới bao gồm cả khách hàng doanh
nghiệp, khách hàng trường học, nhà trẻ, khách hàng cá nhân cửa hàng và hộ gia đình.
Với ưu thế là nhà cung cấp dịch vụ ADSL, Viettel đã cung cấp cho khách hàng một
số gói trong đó bao gồm cả dịch vụ kết nối ADSL.
Bảng 2-3: Bảng gói dịch vụ IP Camera của Viettel
Nội dung
Phí lắp đặt đường
truyền
Phí lắp đặt Camera
(Tại HN/HCM)
Phí mua camera
Tốc độ đường truyền,
tương tự các gói
đường truyền của
Viettel.
Phí trọn gói bao gồm
đường truyền ADSL
và dịch vụ CAMERA

Ca m N
Cam E
Cam F
Phí lắp đặt đường truyền tương ứng với các gói Home N+ trọn
gói, HomeE+ trọn gói và FTTH Office.
500.000/1 Camera
Theo lựa chọn thiết bị của KH
Home N+

Home E+

(trọn gói)

(trọn gói)

250.000

320.000

FTTH OFFICE

1.420.000

7


Nhưng cũng giống như dịch vụ Cloud Camera của FPT và dịch vụ MegaCamera,
dịch vụ IP Camera của Viettel mới chỉ tập trung vào chức năng giám sát mà chưa có
chức năng cảnh báo. Điều này sẽ khó có thể khiến khách hàng bị thu hút bởi dịch vụ vì với
sự phát triển của IP camera thì nếu người dùng tự lắp đặt camera và chỉ một vài cấu hình
họ có thể thực hiện chức năng giám sát mà không cần phải trả phí dịch vụ. Ngoài ra một
nhược điểm của dịch vụ của Viettel đó là gói cước không có lợi cho khách hàng không
sử dụng dịch vụ ADSL của Viettel.
2.2 Các nhược điểm chung của các hệ thống hiện tại
Việc các doanh nghiệp phát triển các dịch vụ giám sát và cảnh báo là đáp ứng với
nhu cầu của thị trường cả hiện tại lẫn trong thời gian tiếp theo. Thị trường giám sát và
an ninh cảnh báo hiện giờ mới ở giai đoạn đầu, việc phát triển hệ thống phù hợp với
nhu cầu của thị trường trong nước có ý nghĩa quan trọng và là cơ hội lớn của các nhà
cung cấp dịch. Với 3 dịch của các doanh nghiệp đi đầu trong việc cung cấp dịch vụ
giám sát và cảnh báo bằng IP camera có rất nhiều ưu điểm chung:
 Cung cấp cho người dùng xem hình thông qua Internet và 3G dễ dàng
 Cung cấp khả năng ghi hình trên máy chủ
 Cung cấp gói dịch vụ bao gồm cả dịch vụ kết nối Internet ADSL
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên thì các hệ thống vẫn tồn tại các nhược
điểm và chính những nhược điểm này đã hạn chế sự phổ biến của dịch vụ đối với khách
hàng đặc biết là với khách hàng hộ cá nhân gia đình. Một số nhược điểm có thể
nhận thấy là:
 Thứ nhất là vấn đề chi phí, ngoài dịch vụ MegaCamera của VNPT/VDC thì các
dịch vụ còn lại có chi phí quá cáo so với khách hàng cá nhân hộ gia đình. Theo
như khảo sát sơ bộ thì khách hàng cá nhân hộ gia đình sẽ không có ý định đầu tư
nếu phí hàng tháng quá cao. Chi phí hợp lí tương đương hoặc thấp hơn chi phí
truyền hình cáp của các hộ gia đình.
 Thứ hai là các hệ thống hiện tại chỉ đáp ứng được nhu cầu giám sát mà chưa
đáp ứng được nhu cầu cảnh báo. Đặc biệt với đối tượng khách hàng cá nhân hộ
gia đình thì chức năng cảnh báo là nhu cầu rất lớn đối với khách hàng. Các
nguy cơ cần cảnh báo đối với khách hàng như: nguy cơ đột nhập trái phép, nguy
cơ cháy nổ, rò rỉ khí ga.
Việc phân tích các nhược điểm này sẽ góp phần cải tiến hoặc tạo ra những hệ thống
nhằm cung cấp dịch vụ phù hợp hơn với nhu cầu của khách hàng cá nhân hộ gia đình.
Trong luận văn này, hệ thống được đề xuất nhằm giải quyết hai nhược điểm chính này
của các hệ thống hiện tại.

8


CHƯƠNG 3: CÁC CƠ SỞ LÍ THUYẾT
3.1

Tổng quan về hệ thống giám sát cho gia đình

Một trong những mô hình của hệ thống giám sát mà hiện nay được sử dụng rộng
rãi là sự kết hợp của công nghệ hình ảnh với sự phát triển của IP camera và các loại cảm
biến. Với sự kết hợp này thì an ninh được đảm bảo chính xác của các cảm biến và đảm bảo
được tính trực quan với khả năng của các camera. Nó vừa giúp người dùng
điều khiển, giám sát và dùng chính những hình ảnh đó làm bằng chứng hoặc cho việc
điều tra tìm ra nguyên nhân của sự vi phạm an ninh. Đặc biệt mỗi loại cảm biến sẽ có
từng chức năng cảnh báo riêng biệt và độ chính xác rất cao, trong khi đó với camera
thì ngoài việc cung cấp hình ảnh thì hiện nay công nghệ phân tích hình ảnh cũng được áp
dụng rất nhiều vào việc phân tích ra những thông tin hữu ích cho việc an ninh giám
sát như:
 Phát hiện chuyển động bằng hình ảnh
 Phát hiện sự có mặt của con người
 Nhận diện khuôn mặt, tuổi và giới tính của người
Trong phần này, luận văn sẽ trình bày về một số loại cảm biến và công nghệ phân
tích hình ảnh thường được sử dụng trong các hệ thống giám sát và cảnh báo.
3.2

Giới thiệu về camera trong hệ thống giám sát và cảnh báo

3.2.1 Định nghĩa
Theo một định nghĩa đơn giản nhất thì Camera là một thiết bị ghi hình. Với một
chiếc Camera, bạn có thể ghi lại được những hình ảnh trong một khoảng thời gian nào
đó, lưu trữ và sau đó bạn xem lại bất cứ khi nào bạn muốn. Với chức năng cơ bản là ghi
hình, Camera được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giám sát. Một hệ thống các Camera
đặt tại những vị trí thích hợp sẽ cho phép bạn quan sát, theo dõi toàn bộ ngôi nhà, nhà
máy, xí nghiệp hay những nơi bạn muốn quan sát, ngay cả khi bạn không có mặt trực
tiếp tại đó.
3.2.2 Phân loại
Có 3 cách phân loại camera chính:
 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
 Phân loại theo đặc điểm đường truyền
 Phân loại theo tính năng sử dụng
3.3.2.1 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
Theo kĩ thuật hình ảnh thì camera được phân loại ra thành 3 loại là camera
analog, camera CCD (Charge Couple Device) và camera CMOS (complementary
metal oxide semiconductor):
1. Camera analog:
Camera analoge đã xuất hiện trên thị trường từ khá sớm và trở lên quen thuộc
với đa số khách hàng Việt Nam. Loại camera này ghi hình băng từ xử lý tín
hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại Camera này hiện nay ít dùng.
2. Camera CCD (Charge Couple Device):
9


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. Về nguyên tắc hoạt động, 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 qúa
trình chuyển đổi tương tự số. Các thông số kĩ thuật của Camera CCD là 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). Hiện nay chỉ có 2 hãng sản xuất màn hình cảm biến là
Sony và Sharp. Chất lượng của Sharp kém hơn chất lượng của
Sony.
3. Camera CMOS (complementary metal oxide semiconductor):
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 và giá cả so với Camera CCD. Các Camera
thương mại dùng công nghệ CMOS có giá thành khoảng 500 USD đến 50.000
USD, hiện nay chủ yếu sử dụng cho máy chụp ảnh chuyên nghiệp. Các Camera
số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt so với Camera analog về
độ rõ nét và chất lượng hình ảnh.
3.3.2.2 Phân loại theo kĩ thuật đường truyền
Theo kĩ thuật đường truyền thì camera được chia thành 3 loại: camera có dây,
camera không dây và camera IP:
1. Camera có dây:
Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt,
truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục C5. Đây là giải pháp được đánh giá là an
toàn, chúng tôi cũng khuyến khích các bạn nên dùng loại Camera có dây, ngoại
trừ những trường hợp đặc biệt khác. Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa
trên 200m thì cần có bộ khuếch đại tín hiệu để đảm bảo chất lượng hình ảnh.
2. Camera không dây:
Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây. Nhưng rất tiếc là cũng
không hoàn toàn như vậy. Các Camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn. 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. Có 1 số vấn đề cần quan tâm đối
với thiết bị không dây. Đó là tần số bạn sử dụng. Camera không dây sử dụng
sóng vô tuyến RF để truyền tín hiệu, thông thường tần số dao động từ 1,2 đến
2,4MHZ. Camera không dây được sử dụng khi lắp đặt tại các khu vực địa hình
phức tạp khó đi dây từ Camera đến các thiết bị quan sát, ví dụ như các ngôi nhà có
nhiều tường chắn.Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng
những thiết bị đặc biệt, hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt.Việc sử dụng
Camera không dây được đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh
hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như điện thoại di động,….
3. Camera IP (Camera mạng):
Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình
ảnh và điều khiển được truyền qua mạng.Với Camera IP người dùng có thể điều
10


khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng internet. Xét về mặt nguyên lý,
camera IP có cấu tạo tương tự như camera analoge. Điểm khác ở chỗ chúng
truyền tín hiệu dưới dạng số hoá. Sự ưu việt này đã mạng lại cho khách hàng
nhiều lợi ích:
 Giảm chi phí:
Tổng chi phí TCO - Total cost of ownership. Bao gồm chi phí thiết bị, chi phí lắp đặt,
chi phí lắp đặt và chuyển giao vận hành hệ thống, chi phí bảo hành và sửa
chữa, chi phí hỗ trợ kỹ thuật và các chi phí khác
 Dễ dàng mở rộng, cải tạo và nâng cấp hệ thống
Tốc độ mạng LAN hiện tại có thể lên tới 100Mb/s (mạng qua nguồn AC có thể lên
tới 195Mb/s), mạng ADSL cũng không ngừng phát triển đã giúp bạn mở rộng
không hạn chế số lượng camera IP trên cùng hệ thống của mình. Bên cạnh đó các
máy tính tốc độ cao, các phần mềm ngày một thông minh hơn đã hỗ trợ đắc lực cho
các bạn trong việc quản lý và giám sát các hệ thống camera của mình.
 Lợi ích khác:
- Dễ dàng vận hành và sử dụng hệ thống
- Sử dụng kết hợp với các hệ thống khác một cách đơn giản: alarm, audio,
access control…
- Nhận dạng mục tiêu và xử lý hình ảnh tốt hơn
- Một số loại không cần nguồn (PoE)
- Tăng khoảng cách từ camera tới trung tâm xử lý (không hạn chế)
- Tận dụng được hệ thống mạng sẵn có
- Không hạn chế số lượng camera trên cùng hệ thống
- Giảm thời gian lắp đặt
- Giảm thời gian bảo hành và sửa chữa
- Dễ lắp đặt và di chuyển camera khi cần thiêt…
3.3.2.3 Phân loại theo tính năng sử dụng
1. Dome camera (camera áp trần):
Camera có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Đây là loại Camera
thường được đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã. Camera này có tính năng bảo
mật cao do được bọc trong hộp kín.

Hình 3-1: Dome Camera
2. Camera ẩn:
Giống như tên gọi, Camera này không thể nhận biết được. Nó có nhiều hình dạng và
kích thước khác nhau, có thể ngụy trang và tránh bị phát hiện, ví dụ: Ngụy
trang trong đầu báo khói, thú nhồi bông, dồng hồ treo tường… Tuy nhiên khi sử
dụng loại Camera này bạn cần phải đảm bảo tính hợp pháp khi sử dụng. Ở một số
nơi như New York việc sử dụng Camera ẩn được coi là bất hợp pháp. Các
11


Camera này có thể hoạt động giống như một thiết bị phát hiện khói. Một số các
công ty hiện nay cũng đã bắt đầu xây dựng những hệ thống Camera trở thành các
thiết bị phát hiện khói.
3. Box camera (camera thân dài hình hộp):
Đây là loại Camera truyền thống thường được dùng trong các văn phòng siêu thị.
Đây là loại Camera giá thành rẻ tuy nhiên thời điểm này ít dùng. Camera được
bảo vệ trong hộp để bảo vệ trước tác động phá hoại hay điều kiện môi trường.

Hình 3-2: Box camera
4. Camera PTZ (camera quay quét):
Pan: Quét ngang
Tilt: Quét dọc
Z: Zoom - Phóng to, thu nhỏ
Pan/Tilt/Zoom hay những họ tương tự được biết đến với cái tên thương mại là
PTZ
Camera.Camera hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu nhỏ. Camera
này còn cho phép bạn kết nối với hệ thống cảm biến(sensor) và cảnh báo để phát hiện
đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó. Hơn nữa Camera có thể
được lập trình để hoạt động, nên nó có thể làm tất cả các công việc cho bạn.
5. IR Camera và Exview (Camera có khả năng quan sát đêm)
Khoảng cách quan sát ban đêm của Camera phụ thuộc vào tổng công suất của đèn
hồng ngoại. Khoảng cách quan sát của Camera dao động khoảng 10m đến 300m.
Camera IR có thể quan sát được trong điều kiện tối 100%
Camera Exview: Màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi ánh
sáng kém, tuy nhiên tối 100% sẽ không quay được.
3.2.3 Các thông số cơ bản của camera
 Camera indoor hoặc outdor (trong hoặc ngoài trời):
o Indoor: Camera đặt trong nhà.
o Outdoor: Camera đặt ngoài trời.
Chú ý rằng, nếu Camera của bạn dự định đặt ngoài trời thì nên chọn Camera
Outdoor để đảm bảo chịu đựng được các tác động bên ngoài như độ ẩm, thời tiết,
nước, bụi, hay các tác nhân phá hoại khác.
 Camera hỗ trợ IR (Infrared rays) (hồng ngoại):
Với Camera hồng ngoại, bạn có thể ghi hình vào ban đêm, điều mà các Camera
thông thường không thực hiện được. Với những ứng dụng quan sát 24/24, bạn
cần chọn Camera có chức năng hồng ngoại. Trong điều kiện đủ ánh sáng
Camera này hoạt động bình thường, chỉ khi đêm tối, đèn hồng ngoại được tự
động bật lên và Camera bắt đầu hoạt động với tính năng hồng ngoại. Có một số
khách hàng thắc mắc tại sao Camera khi quay đêm hình ảnh lại chuyển sang
12


đen trắng. Thực ra tất cả các Camera hồng ngoại dù có hiện đại đến đâu thì khi
quay đêm hình ảnh cũng chỉ là đen trắng. Trong bảng thông số, bạn cần quan
tâm đến những thông số sau:
o IR LED: Số lượng đèn LED hồng ngoại.
o VISIBLE DISTANCE AT : Khoảng cách quan sát.
Khi hoạt động ở chế độ hồng ngoại, các đèn LED sẽ tự động bật lên, và đòi hỏi
công suất khá lớn, đó là lí do tại sao nguồn cấp cho các Camera hồng ngoại
thường là lớn hơn nhiều với các Camera thông thường.
 Chất lượng hình ảnh:
Chất lượng hình ảnh của một Camera phụ thuộc vào nhiều thông số, trong đó
quan trong nhất đó là cảm biến hình (Image Sensor). Trên thị trường, bạn có thể thấy
2 chiếc Camera giống hệt nhau về kiểu dáng, nhưng giá cả khá chênh lệch nhau. Xin
đừng ngạc nhiên, vì thực chất 2 chiếc Camera đó chỉ khác nhau 1
điểm duy nhất là
cảm biến hình của hãng nào. Nếu bạn muốn chất lượng hình ảnh tốt, có 1 lời
khuyên là nên dùng cảm biến hình của hãng Sony. Kích thước màn hình cảm
biến càng lớn thì chất lượng càng tốt. (màn hình cảm biến 1/3 inch Sony CCD
sẽ có chất lượng hình ảnh tốt hơn 1/4 inch CCD).
 Độ phân giải của ảnh (resolution)
Độ phân giải càng lớn thì chất lượng hình ảnh càng nét. Thường thì trong các
ứng dụng không cần thiết phải quan sát thật rõ nét thì độ phân giải 400 TV
Lines đối với camera analog là hoàn toàn có thể chấp nhận được. Tuy nhiên thì
với sự phát triển của công nghệ cùng với nhu cầu của người dùng thì độ phân giải
của ảnh không ngừng được nâng lên. Hiện giờ trên thị trường, hầu hết các nhà sản
xuất máy ảnh nổi tiếng như: Axis, Panasonic… đều có camera với độ phân giải cao
(full HD).
 Tổng số điểm ảnh (CCD total pixels):
Thông số này nói lên chất lượng hình ảnh, số điểm ảnh càng lớn thì chất lượng
hình ảnh càng tốt, tuy nhiên, chất lượng hình ảnh càng tốt thì cũng đồng nghĩa với
dung lượng ảnh càng lớn và sẽ tốn bộ nhớ lưu trữ cũng như ảnh hưỏng đến tốc độ
đường truyền thông thường là với NTSC: 811 (H) x 508 (V), với PAL: 795
(H)x596 (V).
 Điều kiện hoạt động:
Minimum Illumination: Cường độ ánh sáng nhỏ nhất thường được tính bằng
Lux. Thông số này nói lên rằng, Camera chỉ có thể hoạt động ở cường độ ánh sáng
lớn hơn cường độ ánh sáng nhỏ nhất. Trong điều kiện quá tối, nếu không phải là
Camera có chức năng hồng ngoại thì sẽ không hoạt động được. Một số
giá trị lux thông dụng để giúp dễ hình dụng:
o Ánh nắng mặt trời:4000 lux
o Mây:1000lux
o Ánh sáng đèn tuýp 500 lux,
o Bầu trời có mây: 300lux
o Ánh sáng đèn tuýp đỏ 500 lux, trắng (300 lux) trắng sáng 1lux
o Đêm không trăng 0.0001 Lux

13


Xin chú ý đến loại Camera có chức năng Auto Iris (Tự động hiệu chỉnh ánh
sáng). Đặc điểm của Camera loại này là chỉ với 1 nguồn sáng nhỏ, nó có thể tự
động khuyếch đại nguồn sáng đó lên để có thể quan sát được.
 Nguồn cung cấp (Power Supply):
Hiện nay đa số các Camera đều dùng loại nguồn 12VDC, chỉ một số ít các
Camera dùng nguồn khác. Tuy nhiên, bạn không phải lo lắng đến vấn đề nguồn
12VDC, vì phần lớn các Camera đều đi kèm với bộ chuyển đổi nguồn, do đó bạn
có thể sử dụng trực tiếp nguồn 220VAC.
 Dải nhiệt độ hoạt động:
Phần lớn các Camera đều cho phép hoạt động trong dải nhiệt độ -100C- 500C,
nếu Camera của bạn được sử dụng trong những điều kiện khắc nghiệt như
trong công nghiệp, khu vực có nhiệt độ cao thì bạn nên sử dụng các loại Camera
chuyên dụng trong công nghiệp.
 Độ ẩm cho phép (operation humidity):
Thông thường, độ ẩm cho phép là 85% RH (độ ảm tương đối).
 Góc quan sát:
Trong tài liệu kĩ thuật thường không ghi góc mở, mà ghi thông số Tiêu cự ống
kính thay cho góc mở. Có thể sử dụng Bảng 3-1 quy đổi sau:
Bảng 3-1: Bảng góc quan sát của camera

(mm)

2.9

3.6

6.0

8.0

12

16

Chiều ngang
Horizontal

90°

90°

42°

32°

22°

15°

24°

17°

11°

Chiều dọc
67° 55° 32°
(Vertical)
Độ mở ống kính F2.0 F2.0 F2.0
(Relative F-stop)

F2.0 F2.0 F2.0 F1.4

Varifocal
2.6 6.0

99°
48°
75°
36°

VariVarifocal
focal
0 4 - 9 - 22
9

- 68 - 29°32°
13°
- 50°21°24°

F1.5

F2.0

Ý nghĩa của các tham số đối với camera được thể hiện trong hình dưới:

14


Hình 3-3: Các thông số liên quan đến tiêu cự của camera
Tuỳ vào ứng dụng của bạn mà nên chọn loại Camera có góc quan sát là bao
nhiêu độ. Nếu bạn cần quan sát rộng, có thể chọn loại Camera có góc mở lớn
(thường là 900). Còn nếu chỉ muốn quan sát trong một phạm vi rất hẹp thì cũng sẽ
có những loại Camera phù hợp dành cho bạn. Còn nếu muốn góc quan sát rất
lớn, nên chọn loại Camera đặc biệt có chức năng Pan/ Tilt (quay ngang, quay
dọc). Nếu bạn đã có một chiếc Camera nhưng không có chức năng Pan/Tilt, bạn
hoàn toàn có thể cải tiến nó bằng cách lắp thêm một đế quay ngang, quay dọc,
khi đó, bạn có thể điều khiển Camera của bạn quay theo bất cứ hướng nào bạn
muốn.
 Các thông số khác:
Những thông số trên cũng chỉ phản ánh được phần nào chất lượng của một
chiếc Camera. Nhưng cũng xin nhắc với các bạn rằng một chiếc Camera tốt
không có nghĩa là cả hệ thống của bạn cũng sẽ tốt. Vì hệ thống không đơn
thuần chỉ là Camera
3.3 Kỹ thuật phân tích hình ảnh trong giám sát và cảnh báo
Chức năng giám sát tức là chức năng cho phép ghi hình và xem hình khi lắp đặt ở
một điểm nào đó là chức năng cơ bản của camera và nó là chức năng nguyên thủy đã
được phát triển cách đây hơn nửa thế kỷ. Cùng với sự phát triển của công nghệ xử lý
ảnh và đường truyền chất lượng ảnh thì camera không chỉ còn hỗ trợ chức năng giám
sát mà nó còn hỗ trợ chức năng cảnh báo như: camera cảnh báo chuyển động, camera
cảnh báo người, camera cảnh báo cháy, ….Việc tìm hiểu những kỹ thuật này không
những chỉ giúp hiểu rõ sự hoạt động của các chức năng cảnh báo của camera mà còn
chuẩn bị cho việc phát triển các chức năng cảnh báo. Mô hình sử dụng camera và xử
lý ảnh trong giám sát và cảnh báo được thể hiện trong Hình 3-4:

15


Thu nhận ảnh
(Canera)

Tiền xử lý

Phát tín hiệu
cảnh báo

Trích chọn
xử lý

Hậu xử


Đối sánh rút
ra kết luận

L
ư
u
t
r


H
ì
n
h
3
4
:
M
ô
h
ì
n
h
á
p
d

n
g
x

l
ý



nh trong
giám sát
và cảnh
báo

được
sử
dụng

3
.
2
.
1

rất phổ

P
h
á
t

ảnh, từ

biến
trong
xử lý

h
i

n
v
à
b
á
m
đ

i
t
ư

n
g
c
h
u
y

n
đ

n
g
:
Đây là một
những kỹ thuật

việc
phát
triển
đối
tượng
đến
các kỹ
thuật
nhận
dạng
đối
tượng.
Việc
nhận
diện
các đối
tượng
trong
ảnh số
một
cách tự
động
giúp
máy
tính
lấy
được
nhiều
thông
tin ngữ
nghĩa
hơn từ
những
bức
ảnh.
Điều
này có

ý
ng
hĩa
đặt
biệ
t
qua
n
trọ
ng
tro
ng
nh
ữn
g
bài
toá
n
phâ
n
lớp
mộ
t
kh
ối
lượ
ng
ảnh
lớn
the
o
các
thu
ộc
tín
h
đư
ợc
qua
n

m
nh
ư
chủ
đề,
sự
phâ
n

bố màu
sắc...
Ứn
g dụng
đầu tiên
và rộng
rãi nhất
của bài
toán
phát
hiện
chuyển
động là
xây
dựng
các hệ
thống tự
động
giám sát
mục tiêu
và theo
dõi đối
tượng.
Ứng
dụng
này đặc
biệt
quan
trong
trong
nhiệm
vụ quốc
phòng,
an ninh
bảo vệ
các mục
tiêu
trọng
yếu của
Đảng và
Nhà
nước.
Ngoài
ra, hệ
thống
giám sát
còn
được sử
dụng

bảo vệ
cơ quan,

nghiệp,
nhà máy,
công ty
và nhà
riêng...

n cạnh
những
ứng
dụng về
giám sát
an ninh,
bài toán
phát
hiện
chuyển
động
còn
được
ứng
dụng
trong
điều
khiển,
phân
luồng
giao
thông.
Bài toán
phát
hiện
chuyển
động có
thể ứng
dụng để
xây
dựng hệ
thống
thu thập
thông tin
về các
phương
tiện
tham gia
giao
thông


trên các nút giao
thông quan trọng.
Trên cơ sở thuật
toán phát
hiện chuyển động
sẽ xác định số
lượng phương tiện
tham gia giao
thông tại từng nút
giao thông, từ đó
người điều hành
giao thông có thể
tính toán để phân
định luồng giao
thông hợp lý nhất.
Trên lĩnh vực
nghiên cứu khoa
học, bài toán phát
hiện chuyển động
còn được sử dụng
trong các ứng
dụng về thị giác
máy tính
(Computer Vision
Applications) bao
gồm: phân tích cử
động của con
người, tương tác
người máy… Một
ứng dụng chúng ta
thường thấy là
nghiên cứu, chế
tạo robot.
Tổng quát, có
ba phương pháp
phát hiện chuyển
động chính hiện
nay là: Phương
pháp trừ nền Background
Subtraction,
Phương pháp dựa
vào sự biến đổi
giá trị theo thời
gian - Temporal
Differencing và
Phương pháp
luồng tối ưu Optical

F
l
o
w
,
c

t
h

n
h
ư
s
a
u
:

6

1


1. Phương pháp trừ nền: Đây là phương pháp thông dụng nhất, phương pháp này
xác định sự sai khác do đối tượng chuyển động tạo ra bằng các trừ từng bit tương
ứng của hai frame liên tiếp nhau trong chuỗi video thu được từ camera. Phương pháp
này thích ứng với môi trường động có nhiều đối tượng chuyển động phức tạp, phát hiện
chuyển động biên độ nhỏ và ít phụ thuộc vào vận tốc cũng như kích thước của đối
tượng chuyển động.
2. Phương pháp dựa vào sự biến đổi giá trị theo thời gian: dựa vào sự biến đối của
một giá trị ảnh theo thời gian để xác định đối tượng chuyển động (Ví dụ: Temporal
Gradient - dựa trên biến đối của Gradient theo thời gian. Khả năng chuyển động của
đối tượng theo phương pháp này được đo bằng sự thay đổi tức thời của cường độ
hình ảnh). Phương pháp này thích ứng với sự thay đổi của môi
trường, nhưng nó bị phụ thuộc vào tốc độ và kích thước và số lượng đối tượng
chuyển động. Phương pháp này hiệu quả nhất khi dùng phát hiện và theo dõi một đối
tượng chuyển động.
3. Phương pháp luồng tối ưu: chỉ ra sự chuyển động dự kiến của đối tượng
trong ảnh. Phương pháp này cho kết quả khá tốt với những ảnh đầu vào phức tạp.
Tuy nhiên, nó đòi hỏi độ phức tạp tính toán cao, nên khó khăn trong việc áp dụng,
triển khai thực tế. Kết hợp với hoạt động của camera, việc phát hiện đối tượng
chuyển động được thực hiện tuần tự theo các bước sau:
1. Xác định các vùng có khả năng chứa đối tượng chuyển động - Mặt nạ
vùng chuyển động:
2. Trên cơ sở mặt nạ vùng chuyển động, ta sẽ xác định các đối tượng chuyển
động (vị trí, kích thước)
3. Khi phát hiện được đối tượng chuyển động, ta thực hiện chức năng theo dõi
đối tượng chuyển động. Đối tượng chuyển động sẽ được theo dõi khi chuyển
động trong vùng camera theo dõi. Riêng bước theo dõi đối tượng chuyển động
cũng là một quá trình phức tạp. Đối tượng được xác định sẽ được đánh dấu lại
bằng một trong các kỹ thuật: đánh dấu bằng điểm, sử dụng hình baohay khung
xương…Quá trình bám sát đối tượng là quá trình theo vết
đối tượng tới khi rời khỏi khung hình:
 Bám sát điểm: Đối tượng được đánh dấu bằng điểmtrọng tâm hoặc một tập
hợp điểm. Quá trình bám sát đối tượng chính là bám sát theo các điểm đại
diện cho đối tượng tới khi rời khỏi khung hình
 Bám sát lõi (Kernel Tracking): Đối tượng được đánh dấu bằng khối hình
học cơ bản. Sử dụng một số thuật toán để thực hiện quá trình bám sát.
Kanade Lucas là
một thuật toán được lựa chọn để thể hiện quá trình bám sát đối tượng
 Bám sát Silhouette: Là quá trình đối sánh bóng của đối tượng. Có hai
phương pháp chính là đối sánh hình dạng và bám sát biên
Trong lĩnh vức giám sát và cảnh báo của hộ cá nhân gia đình thì chức năng này
giúp camera có thể phát hiện chuyển động, hướng chuyển động và chuyển động bất
thường của một đối tượng đột nhập. Sau khi phát hiện sự kiện chuyển động này,
camera có thể kích hoạt chức năng cảnh báo tới người dùng. Về nguyên tắc hoạt động
của kỹ thuật phát hiện chuyển động có thể được mô tả khái quát trong Hình 3-5 dưới
đây:

17


Camera

Tiền xử lý

Nhận dạng
hành vi

Bám đối tượng

Phát hiện đối tượng
chuyển động

Tách đối tượng

Kết luận

Hình 3-5: Mô hình phát hiện chuyển động
3.2.2 Nhận dạng đối tượng, vật thể
Nhận dạng là quá trình phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô
hình nào đó và gán cho chúng vào một lớp (gán cho đối tượng một tên gọi) dựa theo
những quy luật và các mẫu chuẩn. Quá trình nhận dạng dựa vào những mẫu học biết
trước gọi là nhận dạng có thày hay học có thày (supervised learning); trong trường hợp
ngược lại gọi là học không có thày (non supervised learning). nhận dạng ảnh là giai
đoạn cuối cùng của các hệ thống xử lý ảnh. Nhận dạng ảnh dựa trên nền tảng lý thuyết
nhận dạng (pattern recognition). Hệ thống nhận dạng tự động bao gồm ba khâu tương
ứng với ba giai đoạn chủ yếu sau đây:
1. Thu nhận dữ liệu và tiền xử lý. 2. Biểu
diễn dữ liệu.
3. Nhận dạng, ra quyết định.

Thu thập dữ liệu và
tiền xử lý

Biểu diễn
dữ liệu

Nhận dạng và ra
quyết định

Hình 3-6: Mô hình nhận dạng trong xử lý ảnh
Khi mô hình biểu diễn đối tượng đã được xác định, có thể là định lượng (mô hình
tham số) hay là đính tính (mô hình cấu trúc), quá trình nhận dạng sẽ chuyển sang
giai đoạn học. Học là giai đoạn rất quan trọng. Thao tác học là nhằm cài thiện, điều
chỉnh việc phân hoạch các đối tượng thành các lớp. Việc nhận dạng chính là tìm ra quy
luật để gán các đối tượng vào các lớp hay nói cách khác là gán cho đối tượng một cái
tên.
Bốn cách tiếp cận khác nhau trong lý thuyết nhận dạng là:
1. Đối sánh mẫu dựa trên các đặc trưng được trích chọn.
18


2. Phân loại thống kê.
3. Đối sánh cấu trúc.
4. Phân loại dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo
Trong các ứng dụng rõ ràng là không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ
để phân loại "tối ưu" do vậy cần sử dụng cùng một lúc nhiều phương pháp và cách tiếp
cận khác nhau. Do vậy, các phương thức phân loại tổ hợp hay được sử dụng khi nhận
dạng và nay đã có những kết quả có triển vọng dựa trên thiết kế các hệ thống lai (hybrid
system) bao gồm nhiều mô hình kết hợp.
Việc giải quyết bài toán nhận dạng trong những ứng dụng mới, nảy sinh trong
cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về thuật giải, mà còn đặt ra những yêu cầu
về tốc độ tính toán. Đặc điểm chung của tất cả những ứng dụng đó là những đặc
điểm đặc trưng cần thiết thường là nhiều, không thể do chuyên gia đề xuất, mà phải
được trích chọn dựa trên các thủ tục phân tích dữ liệu.
Về kĩ thuật nhận dạng thì kỹ thuật phân loại nhờ biết trước gọi là học có thày.
Đặc điểm cơ bản của kỹ thuật này là người ta có một thư viện các mẫu chuẩn. Mẫu cần nhận
dạng sẽ được đem so sánh với mẫu chuẩn để xem nó thuộc loại nào. Thí dụ như trong một
ảnh viễ thám, người ta muốn phân biệt một cánh đồng lúa, một cánh rừng hay một vùng
đất hoang mà đã có mô tả về các đối tượng đó. Vấn đề chủ yếu là thiết
kế một hệ thống để có thể so sánh đối tượng trong ảnh với các mẫu chuẩn và quyết
đinh gán cho chúng vào một lớp. Việc đối sánh nhờ vào các thủ tục ra quyết định trên
một công cụ gọi là hàm phân lớp hay hàm ra quyết đinh.
So sánh giữa hai kỹ thuật nhận dạng có thày và không có thày thì kỹ thuật
không có thầy sẽ khó triển khai hơn vì hệ thống sẽ phải tự xác định các tham số đặc
trưng cho từng lớp. Việc này tương đối khó khăn vì do số lớp không được biết trước và
đặc trưng của từng lớp cũng là ẩn số. Kỹ thuật này nhằm tiến hành mọi cách gộp nhóm
có thể và chọn lựa tốt nhất. Bắt đầu từ tập dữ liệu, nhiều thủ tục xử lý khác nhau nhằm phân
lớp và nâng cấp dần để đạt được một phương án phân loại.
Nhìn chung dù là mô hình nào và kỹ thuật nhận dạng ra sao, một hệ thống nhận
dạng có thể tóm tắt theo sơ đồ trong Hình 3-7:

Trích chọn đặc tính
biểu diễn đối tượng
Quá trình tiền xử lý

Phân lớp ra
quyết định

Trả lời

Đánh giá

Khối nhận dạng

Hình 3-7: Sơ đồ tổng quát một hệ nhận dạng
3.3.2.1 Nhận dạng khói bằng camera
Việc áp dụng kỹ thuật nhận dạng trong xử lý ảnh vào trong hệ thống giám sát
và cảnh báo sẽ rất hữu ích. Một ví dụ rất dễ thấy đó là hệ thống cảnh báo cháy trong
gia đình. Với công hệ này ta hoàn toàn có thể nghĩ tới việc tích hợp chức năng báo

19


khói vào chiếc camera được lắp đặt trong gia đình. Mô hình nhận dạng khói bằng
camera cũng tương tự như các mô hình nhận dạng các đối tượng khác.
 Đầu tiên trích chọn ra đặc trưng của khói, ví dụ màu trắng, khối màu trắng
lan tỏa rộng dần
 Bước thứ hai so sanh đặc trưng của ảnh đầu vào để trả lời xem có khói hay
không có khói

Trích chọn đặc trưng
của ảnh đầu vào

So sánh với
mẫu chuẩn

Kết luận có khói hay
không có khói
Hình 3-8: Phát hiện khói bằng camera
Với mô hình này thì không những chỉ dùng trong gia đình mà còn có thể dùng
trong các môi trường khác để phòng tránh cháy nổ.
3.3.2.2 Nhận dạng lửa bằng camera
Tương tự như việc sử dụng kỹ thuật nhận dạng trong xử lý ảnh thì việc áp
dụng vào nhận dạng lửa cũng có thể giúp tăng khả năng cảnh báo của hệ thống giám sát
và cảnh báo sử dụng camera. Sự khác nhau giữa tính năng phát hiện khói và phát
hiện lửa là sự khác nhau ở đặc tính của đối tượng cần nhận dạng: màu sắc, phạm vi.

Trích chọn đặc trưng
của ảnh đầu vào

So sánh với
mẫu chuẩn

Kết luận có lửa hay
không có lửa
\
Hình 3-9: Phát hiện lửa bằng camera
20


3.3.2.3 Nhận dạng con người bằng camera
Với sự phát triển của kỹ thuật nhận dạng thì ngoài việc có thể dùng để nhận
dạng khói và lửa nhằm thay thế ở một phạm vi nào đó cho việc dùng các cảm biến thì
một trong những khả năng mà con người mong đợi đó là hệ thống sẽ thông minh hơn,
phân biệt được người lạ mặt và người quen, hoặc thành viên trong gia đình. Công nghệ
này đã được áp dụng trong rất nhiều sản phẩm như máy ảnh, tivi. Việc ứng dụng kỹ
thuật này sẽ giúp việc giám sát và cảnh báo thông minh hơn. Việc áp dụng kỹ thuật này
vào trong hệ thống giám sát và cảnh báo có thể chia làm hai mức tùy theo nhu cầu. Mức
thứ nhất là chỉ phát hiện người, không cần quan tâm đó là ai. Thứ hai là phát hiện ra người
động thời nhận dạng xem đó là người lạ hoặc là người mà hệ thống đã biết.
Với hệ thống nhận dạng chỉ cần phát hiện có người trong phạm vi quan sát thì
tương đối đơn giản, có thể phát triển chức năng phát hiện con người thông qua phát
hiện mặt hoặc cơ thể. Mô hình của hệ thống được mô tả trong Hình 3-10:

Camera

Phân tích đặc trưng
ảnh đầu vào

Đưa ra cảnh báo
nếu có

So sánh đặc trưng với
đặc trưng của con người
(mặt, cơ thể, vv)

Kết luận

Hình 3-10: Mô hình áp dụng phát hiện người bằng camera
Với mô hình trên thì chỉ dừng ở bước phát hiện ra người, nhưng với mô hình
thứ hai thì sau khi phát hiện ra người trong khu vực giám sát thì hệ thống sẽ phải phân biệt
người đó đã được ghi nhớ trong hệ thống hay là người lạ. Với chức năng này hệ thống sẽ
phức tạp hơn vì đòi hỏi phải có cơ sở dữ liệu của những người đã được đăng ký và huấn
luyện trước. Khi triển khai mô hình này nếu số người đăng ký lớn sẽ gây ra vấn đề về tốc độ
xử lý của hệ thống nên cần phải cân nhắc kỹ. Ngoài ra thì độ chính xác của kỹ thuật này
cũng cần được xem xét trong tùy trường hợp. Hình 3-11 mô tả mô hình của việc áp dụng
kỹ thuật nhận dạng người trong hệ thống giám sát và cảnh
báo:

21


Ảnh đăng ký

Trích xuất đặc trưng của
ảnh đăng ký

Lưu vào
CSDL

C
a
m
e
r
a
P
h
á
t
h
i

n
m

t
T
r
i
c
h
x
u

t
đ

c
t
r
ư
n


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×