Nghiên cứu phát triển các giải pháp giám sát lưu lượng và quản lý phương tiện giao thông qua camera giám sát tt

Cấu trúc nội dung của luận ánLuận án được trình bày trong 3 chương chính: Chương 1 nói về TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CỦA XỬ LÝẢNH TRONG GIAO THÔNG HỖN HỢP, trong chương này sẽ tậptrung giới th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI PHÁPGIÁM SÁT LƯU LƯỢNG VÀ QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN

GIAO THÔNG QUA CAMERA GIÁM SÁT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 9520203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2020

Công trình này được hoàn thành tạiTrường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng

Phản biện 1: PGS.TS Bạch Nhật Hồng

Phản biện 2: PGS.TS Phạm Ngọc Thắng

Phản biện 3: PGS.TS Phạm Thanh Giang

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấpTrường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Giao thông thông minh

Mục tiêu phát triển quốc gia là sự đồng nhất về phát triển nănglực kinh tế, cơ sở hạ tầng và mức sống của người dân Trong đó, cơ

sở hạ tầng giao thông được xác định là điều kiện quan trọng trongviệc phát triển kinh tế xã hội Giao thông thuận lợi giúp người dântiết kiệm được thời gian di chuyển, nâng cao khả năng giao thương.Tuy nhiên, hạ tầng giao thông chưa thể đáp ứng được số lượng lớncác phương tiện giao thông ngày càng tăng bởi nhu cầu đi lại củangười dân đặc biệt ở những nước đang phát triển như Việt Nam.Tùy vào từng đặc trưng của hạ tầng đường bộ mà việc tùy biếncông tác quản lý giao thông ở mỗi quốc gia khác nhau Do đó, việcnghiên cứu một hệ thống có chức năng quản lý phương tiện giaothông và giám sát đánh giá lưu lượng phương tiện trong một vùngquan tâm là rất cần thiết Nhằm đạt được mục đích đó việc ứngdụng các công nghệ hiện đại để quản lý, điều khiển giúp giao thông

an toàn, thông suốt và thông minh hơn là vấn đề cấp bách của cácquốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển

Hình 0.1 là một mô hình đại diện cho thời đại 4.0 về công nghệcảm biến trong giao thông thông minh [1] và đương nhiên nó có đầy

đủ các chức năng của một mô hình hệ thống giao thông thông minh

Mô hình này gồm nhiều chức năng và công nghệ tập trung chủ yếu

là công nghệ xử lý ảnh và truyền về trung tâm qua kênh LTE, wifihoặc bluetooth; từ đó có thể sử dụng các chức năng như: dịch vụcấp cứu, bảo hiểm, định vị và các chức năng cần thiết khác

2 Các vấn đề còn tồn tại

Từ các nghiên cứu đã có tại Việt Nam và nước ngoài, các vấn

đề còn tồn tại đối với hệ thống giao thông thông minh ở Việt Namđược thống kê như sau:

Hình 0.1: Mô hình hệ thống giao thông thông

minh trong nghiên cứu của Juan [32]

• Chưa có giải pháp hoàn chỉnh cho hệ thống phát hiện cácphương tiện trong đô thị đặc biệt khi đường đông vào giờ caođiểm

• Chưa có giải pháp quản lý dòng phương tiện giao thông hỗnhợp (giám sát lưu lượng, mật độ phương tiện)

• Ngoài ứng dụng công nghệ RFID trong thu phí đường bộ, côngnghệ sử dụng cảm biến để đo khoảng cách chỗ đỗ xe trong hầmthông báo bằng đèn LED để thông báo tình trạng chỗ đỗ xe

và công nghệ camera giám sát hiện trạng nút giao thông thìtại Việt Nam chưa ứng dụng các công nghệ khác để quản lýgiao thông

• Chưa có hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông theo lưulượng thực tế phương tiện trên đường

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Mục tiêu nghiên cứu là các dòng giao thông hỗn hợp có đặctrưng: các phương tiện đi sát vào nhau, không phân loại phươngtiện theo làn, các phương tiện di chuyển lẫn lộn với nhau.

• Đối tượng nghiên cứu chính là các phương tiện giao thông trênđường bao gồm: ô-tô, xe máy, xe đạp, các phương tiện ba bánh

và phương tiện thô sơ khác

• Phạm vi nghiên cứu là các đường đô thị trong trung tâm Thủ

đô Hà Nội, nơi mà các tuyến đường được xây dựng từ lâu và

có các đặc trưng của dòng giao thông hỗn hợp

4 Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án

Luận án khai thác các chức năng thực tiễn trong công cuộc giámsát và quản lý giao thông ở nước ta Trong công cuộc hiện đại hóakhoa học công nghệ hiện nay, ứng dụng các kĩ thuật mới nhằm giảm

áp lực quản lý và điều tiết giao thông của lực lượng chức năng làđiều vô cùng cần thiết Mục tiêu Luận án là đưa ra các phương phápxác định lưu lượng và các phương pháp giám sát phương tiện giaothông dựa trên công nghệ xử lý ảnh Đây cũng là tiền đề cho cácnghiên cứu khoa học ứng dụng vào giao thông ở Việt Nam

Hệ thống Giao thông thông minh đươc nghiên cứu sinh đề xuất

sử dụng công nghệ xử lý ảnh là chính Trên cơ sở giải thuật Bicubic,nghiên cứu sinh tập trung khai thác giải thuật tạo lại độ tươngphản cho đường biên để phân biệt các đối tượng trong hình ảnhđược truyền về trung tâm từ camera Bên cạnh đó, nghiên cứu sinhtập trung vào việc mô hình hóa phương pháp đo tốc độ phương tiệndựa hoàn toàn vào độ phân giải ảnh và các thông số của cameragiám sát Nghiên cứu sinh tập trung khai thác nhằm cải thiện nănglực điều khiển dòng giao thông của đèn tín hiệu nên đề xuất các giảipháp tính toán mật độ phương tiện các luồng giao thông đổ vào nútbằng việc xem xét các vùng đích bị chiếm dụng để đưa ra thời gianhoạt động phù hợp cho đèn tín hiệu

5 Cấu trúc nội dung của luận án

Luận án được trình bày trong 3 chương chính:

Chương 1 nói về TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CỦA XỬ LÝẢNH TRONG GIAO THÔNG HỖN HỢP, trong chương này sẽ tậptrung giới thiệu về các chức năng cơ bản của một hệ thống giaothông thông minh Bên cạnh đó sẽ phân tích các công nghệ hiện tạiđược sử dụng trong nhận diện phương tiện ở trên thế giới Nghiêncứu đã chỉ ra các công nghệ nhận dạng và phân loại phương tiệntốt ở nước ngoài không thể đưa về ứng dụng ở trong nước Do đó,

đề xuất đưa vào khai thác và vận hành công nghệ giao thông thôngminh ứng dụng xử lý ảnh là cần thiết

Trong Chương 2 là QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG,trình bày về các chức năng cơ bản trong quản lý phương tiện Đầutiên là giới thiệu bước tiền xử lý ảnh để cải thiện năng lực nhậndạng đối tượng, luận án đề xuất việc tiền xử lý dữ liệu trước khiđưa vào để nhận dạng và phân loại đối tượng trên đường Ngoài ra,tác giả còn đề xuất phương pháp phân loại phương tiện giao thôngdựa hoàn toàn theo góc tới của phương tiện và vị trí đặt cameragiám sát Cuối cùng, trong chương này sẽ đề xuất mô hình phươngpháp đo tốc độ phương tiện giao thông

Tiếp theo Chương 3 nói về LƯU LƯỢNG PHƯƠNG TIỆN GIAOTHÔNG, trong chương này sẽ trình bày về vai trò của hệ thống giámsát lưu lượng phương tiện giao thông Các phương pháp phân tíchlưu lượng và mật độ dựa theo số lượng phương tiện thống kê vàkhông thống kê được sẽ được trình bày ở đây sau cùng là đề xuấtgiám sát và điều khiển dòng phương tiện giao thông tại một nútgiao thông có đèn tín hiệu hoạt động

Trong phần cuối của Luận án, tác giả đã đánh giá và phân tíchkết quả đồng thời đưa ra các định hướng nghiên cứu và phát triểncác phương pháp đã đề xuất trong Luận án nhắm đưa vào ứng dụngtrong thực tế

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CỦA XỬ LÝ ẢNH TRONG GIAO THÔNG HỖN HỢP

1.1 Giới thiệu

Hệ thống Giao thông thông minh - ITS (Intelligent TransportationSystem) là một bước tiến lớn về khoa học và công nghệ trong ứngdụng, giám sát và điều khiển giao thông một cách tự động Hệ thốngITS giúp người sử dụng có thể theo dõi và lựa chọn chính xác cácphương tiện giao thông công cộng, các phương tiện giao thông traođổi dữ liệu với nhau nhằm tạo ra một hệ thống vận chuyển an toàn.ITS còn là cơ sở để quản lý và điều khiển các phương tiện đangtham gia giao thông Trong nội dung chương này sẽ tập trung đisâu vào phân tích các công nghệ nhận diện phương tiện giao thôngtrên đường Từ các lập luận nghiên cứu sinh sẽ đề xuất công nghệphù hợp với dòng phương tiện giao thông hỗn hợp đặc trưng của cácnước đang phát triển nói chung và Việt Nam nói riêng Công nghệ

có tiềm năng ứng dụng cao sẽ được đưa vào từng kịch bản để pháttriển xử lý các mục tiêu như: phân loại phương tiện và điều khiểndòng phương tiện

1.2 Hệ thống giao thông thông minh

Hệ thống giao thông thông minh (Intelligent Transportation System

- ITS) là hệ thống được xây dựng dựa trên nhiều nền tảng công nghệgiúp tự động hóa các hoạt động giám sát và điều khiển giao thôngtrên đường với mục đích giúp cho các phương tiện di chuyển an toàn

và thông suốt

Hình 1.1 đại diện mô tả kiến trúc của hệ thống ITS của Huawei,

trong minh hoạ này hệ thống ITS được mô tả khá chi tiết về cáccông nghệ nhận diện phương tiện, kênh truyền, hệ thống cơ sở dữliệu và cuối cùng là hệ thống điều khiển.

Hình 1.1: Kiến trúc của một hệ thống ITS của

Huawei

Chức năng của hệ thống giao thông thông minh:

• Hệ thống thông tin trao đổi giữa nhà quản lý và người điềukhiển phương tiện giao thông

• Hệ thống thu nhận dữ liệu phương tiện giao thông

• Hệ thống điều khiển phương tiện giao thông

• Hệ thống phụ trợ hoạt động xe thương mại

• Hệ thống thanh toán điện tử

• Hệ thống an toàn và bảo mật dữ liệu

Các công nghệ hiện tại đang được áp dụng trong nhận diệnphương tiện giao thông được phân tích và đánh giá khả năng ứngdụng vào giao thông hỗn hợp Trong đó, nổi bật hơn cả là công nghệ

xử lý ảnh được thể hiện qua Bảng 1.1:

Bảng 1.1: So sánh khả năng ứng dụng của phương pháp xử

lý ảnh với các phương pháp khác trong giao thông hỗn hợp

Dựa vào bảng trên thì có thể xác định các phương pháp có khảnăng áp dụng cho dòng phương tiện giao thông hỗn hợp chính là xử

lý ảnh và phương pháp Wireless Technology Tuy nhiên, việc thực

tế áp dụng còn nhiều khó khăn và còn cần phải cải thiện các phươngpháp cho phù hợp với đặc trưng giao thông ở từng vùng và từng loạikịch bản giao thông

Từ các nghiên cứu và đánh giá về các công nghệ ở trên mô hình

đề xuất của hệ thống được diễn giải ở hình 1.2 đây là sơ đồ khốiđược đề xuất trong phạm vi thực hiện của luận án

Nhận diện phương tiện

Tiền xử lý (Cải thiện chất

lượng ảnh)

Nhận dạng phương tiện

Quản lý phương tiện

Đo tốc độ phương tiện

Giám sát quỹ đạo phương tiện

Hệ thống thu phí

Giám sát lưu lượng

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống đề xuất

Để cải thiện việc phân loại phương tiện trong giao thông hỗnhợp Đã có nghiên cứu phân loại phương tiện chỉ dùng 1 camerađược đặt có hướng quan sát cùng với hướng đi của dòng phươngtiện như [C1] Phương pháp này có thể phân loại được nhiều loạiphương tiện giao thông

Ngoài ra, còn có các phương pháp giám sát lưu lượng phươngtiện trong giao thông hỗn hợp để điều khiển đèn tín hiệu giao thôngđược nói tới trong [C2] Phương pháp này dựa vào tốc độ chiếmdụng mặt đường kể từ khi đèn đỏ để dự đoán lưu lượng phương tiệngiao thông trên luồng đường đi chuyển từ đó quyết định thời gianhoạt động của đèn tín hiệu

Từ thực tiễn, tác giả đề xuất hệ thống giám sát và quản lýphương tiện giao thông ở các nước đang phát triển nên tập trungnghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý ảnh để thực hiện do các

ưu điểm được thể hiện trong Bảng 1.1

1.3 Kết luận chương

Một hệ thống Giao thông thông minh có sử dụng rất nhiều côngnghệ để điều khiển các phương tiện tham gia giao thông nhằm mụcđích giúp cho các phương tiện di chuyển an toàn và thông suốt Cáccông nghệ này chủ yếu đã được ứng dụng từ lâu, trong đó nổi bậtlên là công nghệ xử lý ảnh

Xử lý ảnh trong giao thông đã được nghiên cứu và áp dụng vàothực tiễn từ các năm trước đây Tuy nhiên, tuỳ theo đặc trưng giaothông của mỗi quốc gia mà có nghiên cứu về xử lý ảnh của bài toángiao thông khác nhau Ở các nước phát triển, giao thông hiện đạibài toán giới hạn bởi các dòng phương tiện theo làn cố định và chotừng loại phương tiện cố định Mức ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

ở các quốc gia khác hẳn với các nước đang phát triển có đặc trưngdòng phương tiện giao thông hỗn hợp như Việt Nam Do đó, nghiêncứu và phát triển công nghệ xử lý ảnh để áp dụng vào các nướcđang phát triển là một vấn đề cấp thiết

Trong nội dung trình bày ở chương này, các công nghệ nhận diệnphương tiện đã được trình bày và phân tích ưu nhược điểm khả năngứng dụng trong giao thông đô thị có đặc trưng là dòng phương tiệngiao thông hỗn hợp Các phương pháp này đã được ứng dụng từ lâu

và thống kê khả năng nhận diện phương tiện Phương pháp nhậndiện phương tiện bằng xử lý ảnh vượt trội so với các công nghệ khác

về tính khả thi ở các nước đang phát triển Tuy còn một số các vấn

đề cần được cải thiện như: phát hiện phương tiện khi điều kiện ánhsáng kém, đường quá đông các phương tiện đi sát gần với nhau,nhiều chủng loại phương tiện cùng tham gia giao thông Luận án sẽ

đi vào giải quyết các vấn đề này mục tiêu cụ thể là ứng dụng côngnghệ xử lý ảnh tại Việt Nam trong quản lý và giám sát giao thông.Chương tiếp theo sẽ trình bày về phương pháp nhận diện và đềxuất phương pháp phân loại phương tiện giao thông hỗn hợp Cácphương pháp sử dụng công nghệ xử lý ảnh sẽ được phân tích và sosánh, cuối cùng là đề xuất phương pháp phân loại phương tiện cũngnhư kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 2 QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

lý các chức năng như điều khiển đèn tín hiệu giao thông, phát hiệnphương tiện đi vào đường cấm hoặc đường có làn riêng cho từng loạiphương tiện Trong nội dung chương này, tác giả tập trung vào giảipháp tiền xử lý dữ liệu là đề xuất cải thiện chất lượng ảnh thu được

và phân loại phương tiện

2.1.1 Cải thiện chất lượng ảnh

Phương pháp cải thiện chất lượng ảnh, trong nội dung luận án làtăng cường nâng cao độ phân giải của ảnh từ ảnh được truyền vềtrung tâm xử lý dữ liệu:

Phân tích biên Trong thực tế, ảnh nội suy sử dụng giải thuậtBicubic điển hình bị nhòe các vùng phân biệt đối tượng bởi giảithuật nội suy bị ảnh hưởng do BA Để loại bỏ hiệu ứng này, bản

đồ biên được đề xuất để nâng cao chất lượng ảnh nội suy và cácđiểm ảnh biên xung quanh sẽ được tính toán loại nhằm khôi phục

độ sâu tạo ra độ tương phản giúp mắt người có thể phân biệt được

Điểm ảnh nội suy Bicubic

3

4

Hình 2.1: Giải thuật nội suy Bicubic

các đối tượng trong khung hình Hình minh họa cho một ảnh gốc

và một ảnh sau khi nội suy có cùng kích thước độ phân giải Trong

đó, dễ nhận thấy nếu các điểm ảnh có đồng mức màu thì các điểmảnh nội suy và điểm ảnh gốc không khác nhau nhiều Tuy nhiên,đối với các điểm ảnh đang trong độ dốc diễn tả sự khác nhau giữacác đối tượng trong khung hình Thì các điểm ảnh nội suy và điểmảnh gốc khác nhau rõ rệt, các điểm ảnh gốc luôn có giá trị sâu hơn

và cao hơn đối với các điểm ảnh nội suy, lý do là bởi điểm ảnh nộisuy mang giá trị được tập hợp từ các điểm ảnh xung quanh nó Tuynhiên cũng vị trí mà điểm ảnh nội suy lại có giá trị lớn hơn hoặcthấp hơn so với ảnh gốc Đấy là vấn đề đối với cục bộ một đường,

do điểm nội suy ảnh hưởng từ xung quanh

Cách tính các điểm ảnh lân cận biên đối với một đường congkín được mô tả như trong Hình 2.9 Hình 2.9(a) là phương pháp nộisuy tuyến tính ứng dụng cho dữ liệu một chiều, điểm ảnh nội suy(x, y) được phát triển từ nội suy tuyến tính từ hai điểm ảnh gốc

là (x1, y1) và (x2, y2) Giá trị điểm ảnh x được tính trong phươngtrình (2.18) Phương pháp nội suy song tuyến tính ứng dụng cho dữ

Điểm ảnh gốc Tính lại 3

Nội suy Bicubic 2

1

Điểm ảnh biên

Hình 2.2: Xác định các điểm ảnh cần tính toán lại dựa vào ma trận 7 × 7

liệu hai chiều, điểm ảnh nội suy (x, y) được tính như trong phươngtrình (2.20):

Bảng 2.1: So sánh PSNR giữa nội suy BI và phương pháp đề xuất

Khung hình Giải thuật nội suy

Bicubic (PSNR, dB)

Phương pháp đề xuất (PSNR, dB)

2.1.2 Phân loại phương tiện

Hệ thống sử dụng một camera CCD có kích thước khung hình là

640 × 480 điểm ảnh và có tốc độ 30f ps (khung hình trên giây) đượclắp đặt ở độ cao 6.25m từ mặt đường tới vị trí lắp đặt camera, gócquét của camera so với phương ngang là 300 độ được thể hiện trongHình 2.2

Việc phân loại phương tiện giao thông chủ yếu dựa vào các tínhchất vật lý của đối tượng Trong bộ dữ liệu phương tiện thu nhậnđược, chủ yếu được thống kê theo tiêu chí về kích cỡ đường baoquanh đối tượng Tuy nhiên, đối tượng có thể bị giảm tỉ lệ khi được