Đồ Án Tốt Nghiệp - Hệ Thống Giám Sát Camera Và Kỹ Thuật Giải Mã Hình Ảnh

hệ thống giám sát camera và kỹ thuật giải mã hình ảnh Đây là Đồ án,báo cáo,thực tập,… chi tiết được lưu trữ trong quá trình học ĐH,được đánh giá chất lượng rất cao,được biên soạn nghiên cứu từ các tài liệu chuyên ngành,thực tế thực tập,… .được chắt lọc từ các tài liệu chuyên ngành.Đây là tài liệu thực sự bổ ích cho các bạn trẻ giúp các bạn sinh viên đạt kết quả cao khi bảo vệ đồ án,báo cáo thực tập,luận văn của mình,trinh phục tương lai của mình .Chúc các bạn thành công

Cấu Tạo Cơ Bản Của Camera Giám Sát

1, Ống Kính:

- Ống kính điều khiển hội tụ ánh sáng thu được từ môi trường vào cảm biến hình ảnh CCD, tùy theo khoảng cách, môi trường quan sát mà người ta có những cách chọn ống kính khác nhau

hình ảnh ống kính của camera

H: Chiều cao của môi trường (vật thể) quan sát(m)

W: Chiều rộng của môi trường quan sát(m)

L: Khoảng cách từ camera quan sát đến vật thể(m)

f: Tiêu cự của ống kính (mm)

Biết được H, W, L chúng ta có thể tính được tiêu cự f của ống kính

2, Cảm biến hình ảnh CCD(Charge Coupled Device):

- Biến đổi quang năng của ánh sáng tới từ ống kính thành các tín hiệu số (biến đổi A/D)

Cảm biến hình ảnh CCD

3, DSP (Digital Signal Processing):

- Khối xử lý tín hiệu số, có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu do cảm biến hình ảnh đưa vào (lọc, khuếch đại, mã hoá, điều chế )

4, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory):

- Bộ nhớ lập trình được, lưu giữ các thông tin cài đặt của người sử dụng (focus, zoom, bright, contrast tùy theo camera quan sát)

- Các ống kính zoom thường được mô tả bằng tỉ số giữa tiêu cự dài nhất và tiêu cự ngắn nhất Ví dụ, một ống kính zoom có tiêu cự thay đổi từ 100mm tới 400mm thì được gọi là zoom 4:1 hay zoom 4x Người ta gọi các ống kính zoom có tỉ số rất lớn (tới 10x hay 14x) là superzoom hay hyperzoom Tỉ số này có thể lên tới 100x trong các ống kính truyền hình chuyên nghiệp Hiện nay, ống kính zoom lớn hơn 3x thì có chất lượng ảnh kém hơn ống kính gốc Vì vậy, những ống kính zoom chụp ảnh

chuyên nghiệp thường có tỉ số nhỏ hơn 3 (ví dụ, ống kính 28-70mm, 70-200mm).

- Đừng lẫn lộn giữa ống kính zoom và ống kính tele, ống kính có góc nhìn rất hẹp Một số ống kính zoom thuộc loại tele, một số thuộc loại wide, một số kiêm luôn vừa wide vừa tele Các máy ảnh được bán ra thời nay đã thay thế ống kính gốc bằng ống kính zoom từ wide tới tele.

- Một số máy ảnh số có khả năng cắt và phóng lớn hình, để giả hiệu ứng zoom xa của ống kính zoom Đó gọi là zoom số, nó làm giảm chất lượng ảnh.

Ngoài việc ứng dụng trong chụp ảnh, ống kính zoom còn được dùng như một viễn vọng kính có độ phóng đại thay đổi được, dùng để phát một tia laser có công suất trên một đơn vị diện tích thay đổi được.

Hoạt động của một ống kính zoom đơn giản

7, Nguồn:

- Cấp nguồn cho thiết bị (tuổi thọ của camera quan sát phần lớn do khối nguồn quyết định)

* Trên đây là những cấu tạo cơ bản của camera quan sát, một số loại có thể tích

hợp hồng ngoại hoặc khối giao tiếp mạng, động cơ, thẻ nhớ

• hệ thống truyền nhận thông tin hình ảnh của camera:

I PHÂN LOẠI CAMERA

Có 3 cách phân loại Camera:

- Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh

- Phân loại theo đường truyền

- Phân loại theo tính năng sử dụng

1 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh:

Camera Analog:

Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, đây là loại

Camera được sử dụng nhiều nhất

Chíp: CCD (Charge Couple Device) (100% số):

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 Nguyên tắc hoạt động của CCD có thể mô tả dưới đây:

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

Chíp: 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 với Camera CCD

Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh

Hệ thống Camera Analog

2 Phân loại theo kĩ thuật đường truyền:

Có 3 loại:Camera có dây, Camera không dây, IP Camera

- Camera có dây:

- Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt được sử dụng, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75ohm -1Vpp, dây C5 Đây là giải pháp được đánh giá là an toàn Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh việc tín hiệu đường truyền suy hao, dẫn đến chất lượng hình ảnh không tốt

- 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 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 đầu cuối đặc biệt hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt Thiết bị đầu cuối này sẽ bao gồm Tranceiver và Antenna hoạt động theo hình thức cầu nối point to point

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

- IP Camera:

1a Camera IP không dây

- Một IP Camera hay còn gọi là Network Camera có thể được mô tả như một thiết bị hai trong một (gồm 1 camera thông thường và 1 máy vi tính) Nó kết nối trực tiếp vào hệ thống Internet như những thiết bị Network khác Một Network camera có riêng cho nó 1 địa chỉ IP và gắn liền với những tính năng của một máy vi tính để điều khiển việc truyền thông tin trên Internet Một số Network Camera còn được trang bị thêm những tính năng có giá trị như : phát hiện những sự chuyển động, hổ trợ kết hợp các hệ thống tích hợp, hổ trợ đầy đủ các cổng output cho các thiết bị hiển thị hình ảnh thông thường khác

Thấu kính sẽ bắt lấy những hình ảnh, hình ảnh được miêu tả như những chiều dài dải sóng khác nhau của ánh sáng và biến đổi chúng vào tín hiệu điện tử khác

Những tín hiệu này sau đó được chuyển đổi tỷ biến (tương tự) thành số và chuyển đến những tính năng “vi tính” nơi mà hình ảnh được đóng gói, nén lại và gửi đi

thông qua Internet

CPU, Flash memory và DRAM có thể được hình dung như “bộ não” hay những tín năng tin học của Camera và được thiết kế đặc biệt cho những ứng dụng mạng Cùng

1 lúc, chúng điều khiển sự truyền thông tin với hệ thống mạng và với web server Qua cổng Ethernet, một Network Camera có thể đồng thời gởi những hình ảnh trực tiếp đến 10 máy tính khác hoặc nhiều hơn

Camera IP là loại có giá thành cao nhất trong tất cả bởi nó được tích hợp những tính năng tiên tiến nhất

1b Camera IP không dây

II Hệ thống lưu trữ hình ảnh

- Một hệ thống camera hiện đại đòi hỏi phải đi chung với hệ thống lưu trữ hiện đại Digital Video Recorder: Hỗ trợ đầy đũ các cổng in/out dễ dàng cho việc quản lý, giám sát Với hệ thống internet sẵn có hiện nay thì nhà sản xuất đã tích hợp đầu ghi hình thêm cổng kết nối mạng ( Ethernet port ) Kết nối vào hệ thống mạng LAN (Modem, Swich) là bạn có thể giám sát từ bất kì đâu: trong mạng nội bộ (LAN) hay mạng internet bên ngoài ( WAN ) bằng máy tính có cài phần mềm kèm theo của đầu ghi hình

Bên cạnh đó các DVR còn được tích hợp thêm các port liên kết nhằm phát triển ứng dụng tích hợp cho việc giám sát như thu âm, báo động … Hệ thống sẽ thu âm các khu vực cần quản lý và sẽ báo động, phát ra âm thanh khi có sự cố tháo gỡ camera hay khu vực báo trộm

Sử dụng cho các hệ thống nhỏ

Lưu trữ:

Đầu ghi hình kỹ thuật số sử dụng ổ cứng HDD giống như ổ cứng máy tính PC

thông thường để lưu trữ hình ảnh

DVR có thể hỗ trợ một, hai ổ cứng hay nhiều hơn

Hình ảnh lưu trữ có thể được backup qua đĩa CD-Rom hay qua cổng USB Rất tiện dụng cho bạn lưu trữ những hình ảnh quan trọng trong quá trình làm việc

Tùy theo mô hình, số lượng camera và nhu cầu lưu trữ của khách hàng ta có thể

chọn loại DVR hỗ trợ số lượng kênh và ổ cứng thích hợp Công nghê mới nhất hiện nay của các DVR dạng tích hợp là có khả năng ghi theo từng kênh được chỉ định ( 1 kênh tương ứng 1 kết nối camera )

Đối với những hệ thống nhỏ, chỉ khoảng vài camera thì giải pháp đưa ra là dùng card ghi hình 4, 6 kênh gắn trực tiếp vào máy tính thông qua khe PCI của

mainboard và tận dụng ổ cứng của máy tính này lưu trữ hình ảnh ghi lại Loại card này cũng tương đối khá rẽ và là giải pháp tốt nhất cho mô hình nhỏ

Đối với những hệ thống camera lớn, số lượng camera lên đến hàng trăm thiết bị thì giải pháp đưa ra không còn là những hệ thống DVR gắn được vài ổ cứng Sử dụng các dòng server chuyên dụng cho mục đích lưu trữ để làm DVR là lựa chọn số một cho ứng dụng dạng này, Server có số lượng khe PCI lớn, tính ổn định hệ thống cao, lưu trữ và sao lưu dễ dàng qua hệ thống Raid 5 và back up tape Server được bảo quản trong môi trường IT chuẩn sẽ giúp hệ thống ổn định và an toàn

* kỹ thuật mã hóa giải mã hình ảnh:

CÁC NGUYÊN TẮC CỦA NÉN ẢNH

- Một tính chất chung nhất của tất cả các ảnh số đó là tương quan giữa các pixel ở cạnh nhau lớn, điều này dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin sẽ làm cho việc mã hoá không tối ưu

Do đó công việc cần làm để nén ảnh là phải tìm được các biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ nhất để giảm thiểu độ dư thừa thông tin của ảnh

Thực tế, có hai kiểu dư thừa thông tin được phân loại như sau:

- Dư thừa trong miền không gian: tương quan giữa các giá trị pixel của ảnh, điều này có nghĩa rằng các pixel lân cận của ảnh có giá trị gần giống nhau (trừ những pixel ở giáp đường biên ảnh).

- Dư thừa trong miền tần số: Tương quan giữa các mặt phẳng màu hoặc dải phổ khác nhau

– Trọng tâm của các nghiên cứu về nén ảnh là tìm cách giảm số bit cần để biểu diễn ảnh bằng việc loại bỏ dư thừa trong miền không gian và miền tần số càng nhiều càng tốt.

– Các phương pháp mã hóa không mất mát thông tin

– 1 Mã loạt dài (Run length Encoding -RLE): Dùng số đếm để thay thế các điểm giống nhau lặp

– 2 Mã Shannon-Fano:Dùng các cụm bit có độ dài thay đổi để mã hóa

• * Ý tưởng của mã Shannon-Fano: Sắp xếp các ký hiệu theo tần suất xuất hiện Lặp lại việc chia các ký hiệu thành 2 phần, mỗi một phần bằng số lần xuất hiện (xác sumột phần chỉ còn lại một ký hiệu

– 3 Mã Huffman:Dùng các cụm bit có độ dài thay đổi để mã hóa* Ý tưởng của

mã Huffman: tạo một danh sách (list) gồm các ký tự đã được sắp xếp theo thứ

tự giảm dần của tần suấ Lặp lại cho đến khi danh sách chỉ còn lại một ký tự

• 4.

• mã Lemple-Ziv:Mã hóa dựa trên từ điển (xây dựng và tra từ điển)5 Mã dự đoán :Dựa trên quá trình tạo điểm tuần tự và luật dự đoán.III.các phép biến đổi sử dụng trong nén ảnh.1 Phép biến đổi Cosine rời rạc –Discrete Cosine Transform (DCT):Nhằm biểu diễn các gia tsố DTC được sử dụng trong

chuẩn JPEG và MPEG.2 Phép biến đổi Wavelet rời rạc (DWT): sử dụng

các bộ lọc phân tích đa phân giải3 Phép biến đổi dựa tren hình học fractal (Phép biến đổi fractal): Sử dụng các phép biến đổi

• Nén ảnh tĩnh theo chuẩn JPEG

• JPEG (viết tắt cho Joint Photographic Experts Group) là một trong những

phương pháp nén ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần Tuy nhiên ảnh sau khi giải nén sẽ khác với ảnh ban đầu Chất lượng ảnh bị suy giảm sau khi giải nén Sự suy giảm này tăng dần theo hệ số nén Tuy nhiên sự mất mát thông tin này là có thể chấp nhận được và việc loại bỏ những thông tin không cần thiết được dựa trên những nghiên cứu về hệ nhãn thị của mắt người

• Công đoạn chính là chia nhỏ bức ảnh thành nhiều vùng nhỏ (thông thường

là những vùng 8x8 pixel) rồi sử dụng biến đổi cosin rời rạc để biến đổi

những vùng thể hiện này thành dạng ma trận có 64 hệ số thể hiện "thực

trạng" các pixel Điều quan trọng là ở đây hệ số đầu tiên có khả năng thể hiện "thực trạng" cao nhất, khả năng đó giảm rất nhanh với các hệ số khác Nói cách khác thì lượng thông tin của 64 pixels tập trung chủ yếu ở một số

hệ số ma trận theo biến đổi trên Trong giai đoạn này có sự mất mát thông tin, bởi không có biến đổi ngược chính xác Nhưng lượng thông tin bị mất này chưa đáng kể so với giai đoạn tiếp theo Ma trận nhận được sau biến đổi cosin rời rạc được lược bớt sự khác nhau giữa các hệ số Đây chính là lúc mất nhiều thông tin vì người ta sẽ vứt bỏ những thay đổi nhỏ của các hệ

số Như thế khi bung ảnh đã nén ta sẽ có được những tham số khác của các pixel Các biến đổi trên áp dụng cho thành phần U và V của ảnh với

mức độ cao hơn so với Y (mất nhiều thông tin của U và V hơn)

• Sau đó thì áp dụng phương pháp mã hóa của gernot- hoffman : phân tích

dãy số, các phần tử lặp lại nhiều được mã hóa bằng ký hiệu ngắn (marker)

Khi bung ảnh người ta chỉ việc làm lại các bước trên theo quá trình ngược lại cùng với các biến đổi ngược.

• Các bước trong nén ảnh JPEG:

• 1 Biến đổi từ bộ màu RGB thành bộ màu YUV

• 2 Thực hiện biến đổi DCT trên các khối ảnh

• 3 Lượng tử hóa

• 4 Sắp xếp zigzag và thực hiện mã hóa RLE

• 5 Mã hóa entropy

• 1 Biến đổi từ bộ màu RGB thành bộ màu YUV

• Mô hình màu RGB sử dụng mô hình bổ sung trong đó ánh sáng đỏ, xanh lá

cây và xanh lam được tổ hợp với nhau theo nhiều phương thức khác nhau

để tạo thành các màu khác

• Biểu diễn dạng số 24 bit

• Khi biểu diễn dưới dạng số, các giá trị RGB trong mô hình 24 bpp thông

thường được ghi bằng cặp ba số nguyên giữa 0 và 255, mỗi số đại diện cho cường độ của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam trong trật tự như thế

• Số lượng màu tối đa sẽ là:

• hay hay Ví dụ:

• (0, 0, 0) là màu đen

• (255, 255, 255) là màu trắng

• (255, 0, 0) là màu đỏ

• (0, 255, 0) là màu xanh lá cây

• (0, 0, 255) là màu xanh lam

đo độ sáng hoặc độ sáng tổng thể U và V được tính như sự khác biệt quy

mô giữa Y và các giá trị B và R

• Xác định các hằng số sau đây:

• Y'UV được tính từ RGB như sau:

• Các phạm vi kết quả của "Y, U, V tương ứng là [0, 1], [- U Max , U Max ],

và [- V Max , V Max

• Chuyển đổi đảo ngược trên chuyển đổi Y'UV RGB:

Tương đương, thay thế giá trị cho các hằng số và biểu lộ chúng như ma trận cho:

Chuyển mức điểm ảnh (trừ 128)

Ví Dụ:

-128

Biến đổi DCT

Ví Dụ:

Biến đổi DCT và làm tròn các hệ số

DCT

Lượng tử hóa

Ví dụ:

Sử dụng Ma trận lượng tử hóa (Q)

Chia các phần tử của ma trận DCT với các phần tử tương ứng của ma trận lượng tử hóa ở trên theo công thức:

3 Lượng tử hóa

Lượng tử hóa là quá trình chuyển đổi 1 vùng liên tục của các giá trị tương

tự thành 1 bộ giới hạn các giá trị rời rạc

Cách thức lấy mẫu : quá trình lấy mẫu có thể có được coi như lượng tử hóa theo trục thời gian bởi vì các mẫu cần biểu thị các giá trị tín hiệu chỉ ở các thời diểm thời gian rời rạc nơi diễn ra quá trình lấy mẫu Tất cả các giá trị tín hiệu đầu vào giữa các điểm lấy mẫu đều bị loại bỏ trong quá trình lấy mẫu , quá trình lượng tử hóa theo thời gian này sẽ gây ra hiện tượng nhiễu biểu thị bằng các đường răng cưa