Tài liệu Xác định vùng tìm kiếm trên hình ảnh địa hình và ứng dụng

i .. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Thị Chuyên XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA HÌNH VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, 2017 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Thị Chuyên XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM TRÊN HÌNH ẢNH ĐỊA HÌNH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60. 48. 01. 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HUÂN Thái Nguyên, 2017 i LỜI CẢM ƠN T ệ TS. N yễ V H â –T Đ yề C ệ .M â y ế nên k E k ns k y ề n còn ếu sót. ế â y TS. Nguyễn Văn Huân ề y . E Đ ế C G ệ ệ yề T y T y y kế y â T ộ y y . X è ũ ộ ổ ũ k ó . ii LỜI CAM ĐOAN T ộ ộ ế ó y ộ k y ề . Nộ ệ ệ ệ Nộ không sao y é ộ . ũ . Học viên thực hiện Nguyễn Thị Chuyên iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................ v DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ......................................... vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 C 1 ................................................................................................................ 3 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ ÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM ................................................................................................................................ 3 1.1. K ề 1.1.1. X ý ý ...................................................................................... 3 .................................................................................................... 4 1.1.2. C ý 1.1.3. Mộ ề 1.2. C C ........................................................ 6 .............................................................................. 8 ề kế ............................................. 10 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM ...................... 12 2.1. P C 2.1.1. N y 2.2. Kỹ y ........................................................................................ 12 ý 2.1.2. M .......................................................................... 12 ........................................................................................ 12 S 2.3. T C ý ý 1.3. Tổ ........................................................... 4 ................................................................................................ 13 â 2.4. Kỹ H 2.5. Kỹ T T ................................................................ 14 ............................................................................................... 17 k ........................................................................................... 18 3 MÁY AY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ QUY TRÌNH XỬ LÝ TÌM KIẾM VÙNG AN TOÀN ..................................................................................... 22 iv 3.1. K ề ể 3.1.1. L ể 3.1.2. V 3.2. P â UAV ..................................................................... 22 k UAV .................................................. 23 UAV ................................................................................................ 24 3.3. T 3.3.1 P ể UAV ở ể y y 3.3.2. N 3.4. Mộ 3.5. Q y 3.5.3. Tìm ởVệ N ể y ý y ....................................... 29 ................................................... 29 yk ................................. 31 kế ý ............................................... 33 ....................................................................... 35 3.5.1. T 3.5.2. T ề UAV ................................... 22 .............................................................................. 35 ý ................................................................................................. 36 C y.................................................................................. 42 3.5.4. X ........................................................................ 43 3.5.5. L ................................................................... 47 CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM ............................................... 49 4.1. C ặ 4.2. Kế ệ .................................................... 49 ệ ............................................... 52 4.2.1. Kế k 1 ............................................................................. 52 4.2.2. Kế k 2 ............................................................................. 56 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 62 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT UAV Unmanned Aerial Vehicles SLZ Safe Landing Zone MALE Medium Altitude Long Endurance MAV Micro Aerial Vihicles VTOL Vertical Take-Off and Landing ULE Ultra Long Endurance DF Dragon Fly UCAV Unmanned Combat Aerial Vehicles vi DANH MỤC HÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1. 1: Quá trình x lý nh .................................................................................... 4 H 1. 2: C Hình 2. 1: Biế Hình 2. 2: C H 2. 3: H n chính trong x lý nh. ......................................................... 4 ổ H ng thẳng............................................................. 17 õ i ng. ...................................................... 20 c c a bộ l c Kalman .................................................................... 21 Hình 3. 1: Global Hawk RQ4 (Northrop Grumman) ................................................ 25 Hình 3. 2: Predator MQ-1 trang b tên l a ch H f ................................ 26 Hình 3. 3: UAV Aerosonde ....................................................................................... 26 Hình 3. 4: UAV Cam-Copter S-100 .......................................................................... 27 Hình 3. 5: UAV Cypher ............................................................................................ 27 Hình 3. 6: UAV Pointer ............................................................................................ 28 Hình 3. 7: UAV Micro Bat ........................................................................................ 29 Hình 3. 8: M c tiêu bay M94 .................................................................................... 30 Hình 3. 9: M c tiêu bay M96-A ................................................................................ 30 Hình 3. 10: M c tiêu bay M100 ................................................................................ 31 Hình 3. 11: M c tiêu bay M100-CT ......................................................................... 32 Hình 3. 12: M c tiêu bay M400-CT ......................................................................... 32 Hình 3. 13: Quy trình tìm kiếm vùng h cánh an toàn cho UAV ............................. 34 Hình 3. 14: Quy trình x lý nh tìm kiếm vùng an toàn ........................................... 35 Hình 3. 15: Ả u vào ........................................................................................... 36 Hình 3. 16: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t ( ) v i Sobel k ch b n 2 .................................................................................................. 38 Hình 3. 17: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t ( ) v i Sobel k ch b n 1. ................................................................................................. 38 Hình 3. 18: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t ( ) v i Laplace k ch b n 2 .............................................................................................. 39 Hình 3. 19: V trí kh thi cho tìm kiếm vùng an toàn (a) và kết qu v trí t ( ) v i Blur k ch b n 2 .................................................................................................... 41 vii Hình 3. 20: Kết qu khi s d ng Canny v ng (50,50) (a) và (50,100) (b) l c GaussianBlur ................................................................................................. 42 Hình 3. 21: Kết qu khi s d ng Canny v ng (50,50) (a) và (50,100) (b) l c Blur ................................................................................................................ 43 Hình 3. 22: Các vùng an toàn th c tế ........................................................................ 44 H 3. 23: S ồ tìm v trí an toàn kh thi............................................................... 44 ∆=0.1 ............................................................... 45 Hình 3. 24: Kết qu th nghiệm v Hình 3. 25: Kết qu th c hiện thu t toán tìm các v trí an toàn kh k ch b 1 ( ) ng h p k ch b n 2 v ( ) ng h p ∆=0.3. ................................................. 45 Hình 3. 26: Kết qu th nghiệm v ∆=0.5 ............................................................... 46 Hình 3. 27: Kết qu th nghiệm v ∆=0.7 ............................................................... 46 Hình 3. 28: Kết qu th nghiệm v ∆ ...................................................................... 47 Hình 3. 29: Ảnh Ribs ................................................................................................ 48 Hình 3. 30: Kết qu th c hiện thu t toán l a ch n vùng an toàn t h p k ch b 1 Hình 4. 1: Ả ( ) ng ng h p k ch b n 2. ........................................................... 48 u vào k ch b n 1............................................................................ 50 Hình 4. 2: Các v trí an toàn t Hình 4. 3: Hình ng h p k ch b n 1 ....................................... 50 u vào cho k ch b n 2 ............................................................. 51 Hình 4. 4: V trí an toàn t Hình 4. 5: Ả ( ) ng h p k ch b n 2 ............................................. 51 u vào k ch b n 1............................................................................ 52 Hình 4. 6: Ảnh sau khi tìm biên và ng d ng Hough ............................................... 52 Hình 4. 7: Ả k ổ màu ................................................................................. 53 Hình 4. 8: Ảnh cho biết v trí có kh ................................................... 53 Hình 4. 9: Kết qu tìm kiếm vùng an toàn t ...................................................... 54 Hình 4. 10: Biể ồ kết qu s Hình 4. 11: Biể ồ % so sánh khi th c hiện v i thu Hình 4. 12: Ả u vào k ch b n 2 ......................................................................... 56 ng cho k ch b n 1 ............................................... 55 ề xu t k ch b n 1 ...... 55 Hình 4. 13: Kết qu dò biên v i ng d ng Hough v i k ch b n 2 ............................ 56 Hình 4. 14: Ảnh k ch b 2 k ổ màu .............................................................. 57 viii Hình 4. 15: Ảnh hiển th các v trí có thể là an toàn ................................................. 57 Hình 4. 16: Ả c b t và tìm v trí an toàn t Hình 4. 17: Biể ồ kết qu s Hình 4. 18: Biể ồ % so sánh khi th c hiện v i thu ............................................... 58 ng cho k ch b n 2 ............................................... 59 ề xu t k ch b n 2 ...... 59 1 MỞ ĐẦU C ể kỷ ây ề y ý ẽ y k ộ k ệ X kỹ ặ ĩ ệ k y. ó ề ũ ộ yể ộ ề ĩ ý ế ềk y: R ộ ẻ y ó â â kỹ k ể ẩy k kể ệ ặ ệ … N A ây V ) k ệ ổ y k ộ ệ ẳ ế ệ ó ề ề ể ở ể yk ók ế . ó ây ệ UAV ở ể ỗ UAV .L ặ à ề ó ặ ề ề ệ ệ kế y ể .D ó ây ế ” k y ộ ế ệ yề ổ.Ở .T y y ế UAV â kế D (UAV-Unmanned ệ ế UAV y UAV â ằ ề . Mộ ệ ề ể ề ề ó y ộ “X ể kế ý và UAV ó. 2 Đ ề y UAV. V ề y y ộ ộ y â sau: C 1: T y ổ ề ý kế . C 2: Mộ kỹ C 3: T ể kế kế . ề y yk y ý . C kế 4: Xây . ặ ệ .S ó 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG TÌM KIẾM 1.1. Khái quát về xử lý ảnh Cũ ý .X ý ệ é ý ệ ằ ằ ồ ồ ề ộ : T ế ổ : ế â y ở kỹ ể ý ồ : .M T ộ ĩ ệ ồ ó ý ẹ ế ổ .X ể yề ặ . ộ y ộ . N ế ặ ó. Q ặ yế . Có -M kể ( ). -M ( N trúc). ế ộ ó ó ó Có : ĩ ể â â ệ y ể mô â y ( ý ế ế ề k ó .D ộ ộ T k . ể ệ k ề ộ ... Kỹ ễ ể). kỹ : ). N y k â ặ y y ( 4 ệ ộ ệ y ộ ế ế kể y( ộ ộ k ề ...). 1.1.1. Xử lý ảnh C ó .N ý ở ồ ộ .X ây ể ý ể ộ ồ ó ó máy ẽ ó ề ộ máy. X ý ằ . Kế ” ặ ộ kế ộ ý ó ể kế ộ . Ả XỬ LÝ ẢNH Ả Kế Hình 1. 1: Quá trình xử lý ảnh 1.1.2. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh G ý ằ ồ : Hình 1. 2: Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh. “ 5 -T : Đây ý .Ả ẽ sensor, máy quét, … ở y - Tề k ộ ệ k y ẽ ệ ở ở ộ . ý ó y .T ể ẩ ộ ổ ng liên thông có …M ề ể k ổ ặ ể .V ễ ổ ó y ó ồ y. Q y ồ â ộ â ể ộ ệ cho ó ộ ề ộ yể ệ ổ y ộ ề ó. â ể yế ó ý y â ộ ể ặ ó. T y ế . Để ễ ặ : Kế mô ể ể ó yế . ệ yể â k k ộ ó ễ xám hay cùng ộ - k … â ể ó ề ộ :P â ằ ộ . ệ y ó .C ộ ộ ệ -P â y ẽ â ý: Ở ó ế ó ế ễ yế ộ ồ ễ ộ ế ặ ể . ể ễ k y â ó. S ộ ệ ý ề .C ể yể ổ ễ ộ ệ ộ ộ mô 6 ệ yể ổ ổ ó â ệ ệ -N ế ý chúng. : Đây N ó ẽ ý ể ộ . ệ .G ĩ ộ ế. C ó ũ ể ộ y ằ k kỳ â ệ ở ý ộ ý ở ề ý. Mộ ồ ý ổ ó t â ộ ặ ộ ặ ệ ể k thô ế y,… 1.1.3. Một số vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1.3.1. Điểm ảnh – Pixel Ả Để ó ế ể ý ằ ế y ( y ổ ệ ộ ộ . .T ệ ) â k ề ế ệ k y ềk ềk ằ N ộ mà ề ệ ể P kề .T ộ y P mà y . - Pixel. 1.1.3.2. Mức xám – Gray level M kế ể k ở ó ộ kế ể 16 32 y ỗ P ộ ẽ y 64 ó ở 8 .P ổ . ộ ỗ ó .C ó ó ở 256 7 1.1.3.3. Biên ộ ặ â ệ ể y ế ở ó ó y ổ k . Mộ ộ y ộ ề ể ó .T ể ể . 1.1.3.4. Láng giềng T ề ý ó . Có ề 4 ộ ề ộ k ệ ề :4 ề ể ( y) ộ ó 8 ề k ệ . ồ ề ó: (( 8 )) ề *( )( ( y) )( ộ )( 4 )+ (1.1) ề ồ ề é : (( )) (( )( )) *( )( )( )+ (1.2) 1.1.3.5. Vùng liên thông Mộ R ộ ế R ( ) ( R )( kỳ ( ) ) ) ế ( ) ( ể ể ) và ( ở )( ( ể ( ế ó kỳ ) ( ó. Mộ ộ ề ể ( ) ộ ) ) ể kề ( ế ( ( ể ể ộ ) ề kề ) ể ) 1.1.3.6. Biểu diễn ảnh Có T ể ể ộ ễ ế y yể ặ ể ó ổ ệ . . ễ ệ ó .Vệ ệ ộ ý ó y ộ 8 Mộ ý k . 1.1.3.7. Tăng cƣờng và khôi phục ảnh T ề kỹ : ộ k K ằ 1.1.3.8. Biến đổi ảnh T ế ổ F ế C ộ . ể ó ế ồ … ổ ể S ổ ý y kỹ : ễ ề ổ . Mộ H K k ế ộ ế ổ ế ổ K … 1.1.3.9. Phân tích ảnh L ế ệ ộ mô y ề ộ .C ộ kỹ ở ây ể ằ . 1.1.3.10. Nhận dạng ảnh L ế ệ ặ ó. Q ặ yế . Có kể ó : ( ( ) ). 1.1.3.11. Nén ảnh D ệ ũ ệ k ể y é ệ ể ễ y ộ ộ .D yề ó ế. 1.2. Các ứng dụng của xử lý ảnh X ý ý ó ề ệ kỷ 60. Hệ ế. Mộ R 7 ệ J P ũ ó ộ ế 9 ềk ó é ễ H ề .C ó ý ặ y yể .N y .V ề ó ề ĩ kỹ ók ộ ế ở é .N . ộ y y ệ ý ẽ y ế. S ) ệ ế ế ý ĩ y ề y ề ( . y ý ằ kỹ y yk ệ ý â k ý ồ X ằ X (angiograms). k ộ y .X ề ý ó ệ ộ ó ó bi rung ri yế ộ ế 100 ó . C ệ yề ó ộ ẳ ây. Nế y ộ ệ yề bit/giây. ệ ệ ệ ộ ộ máy không ệ ặ y k y ẽ cô ệ ể y ở ộ ộk y ó ệ các ế ệ ó 100 ẽ .N ệ .Vệ ó y â yề õ N ộ ể ó ồ ế ề y yế .H ở ệ . Mộ ệ k ề ộ yề â ế “ ể ” ể .K ẽ ó y phát ệ và “ y” 10 ộ .X N ó ý ó ộ ế ĩ y ế ộ k ó ế ế . ý . N k .N ệ ế . N ý ở .N ồ ĩ ý ĩ ộ k ệ .K ý â y ó ề ệ ế ý ệ yk ề k ó k k ộ k ể k kỹ . 1.3. Tổng quan về bài toán xác định vùng tìm kiếm L ẽ UAV ó ề ể ặ ók ó ể an toàn cho ệ yế . : - Đầu vào: Ả ỗ UAV - Đầu ra: X y . ộ UAV ó ể cánh an toàn. C ệ k ồ ó ề k ẩ ể kệ . Tuy nhiên, UAV ó kệ ó ổ ể ây .V y UAV ộ ộ y ỗ ở ồ ệ ế ể ở ệ yề UAV ệ này k ẩ . cho