Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng mạng nơ-ron trong nhận dạng biển số ô tô

Chia sẻ: Sdfas Vfdtg | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 34
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ứng dụng mạng nơ-ron trong nhận dạng biển số ô tô nhằm nghiên cứu nhận dạng biển số ô tô bằng mạng nơ ron

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng mạng nơ-ron trong nhận dạng biển số ô tô

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N VĂN LÂM NG D NG M NG NƠ-RON TRONG NH N D NG BI N S Ô TÔ Chuyên ngành: K THU T ĐI N T Mã s : 60.52.70 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2011
2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Ph m Văn Tu n Ph n bi n 1: ............................................................................. Ph n bi n 2: ............................................................................. Lu n văn s ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ K Thu t ñi n t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày …...… tháng …...… năm …...…. Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin-H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng
3 M Đ U V i s phát tri n nhanh công nghi p s n xu t phương ti n ñã làm cho s lư ng các phương ti n giao thông phát tri n nhanh chóng v s lư ng. T i Vi t Nam theo th ng kê t TRUNG TÂM ĐĂNG KI M 50-07V. S lư ng ô tô ñang lưu hành t i Vi t nam tính ñ n h t 31/01/2010 là 1.147.765 chi c. M t con s ñáng k n u so v i tình hình giao thông ph c t p như hi n nay c a nư c ta. Đi u này ñòi h i nhi u hơn ngu n nhân l c t các cơ quan qu n lý ñ ñ m b o quá trình giao thông di n ra an toàn và thu n l i. Xu t phát t nhu c u trên có r t nhi u gi i pháp ñã ñư c ñưa ra ñ ki m soát các phương ti n giao thông như s d ng Chip chuyên d ng ñ g n lên phương ti n, s d ng ñ nh v toàn c u GPS... Nhưng các gi i pháp này l i khá t n kém, khó tri n khai và nâng c p, ñòi h i các thi t b và k thu t ph c t p. Khi k thu t X Lý nh ra ñ i và phát tri n m nh m thì vi c s d ng k thu t này vào h th ng ki m soát phương ti n d a trên cơ s nh n d ng bi n s phương ti n t ra nhi u ưu ñi m vư t tr i như chi phí tri n khai th p. Các thi t b ñơn gi n d l p ñ t, d m r ng cho nhi u ng d ng khác nhau như xây d ng tr m thu thu , nhà gi xe t ñ ng, ki m soát vi ph m t i các nút giao thông ph c t p. Cùng v i s phát tri n c a trí tu nhân t o, vi c ng d ng m ng nơ-ron vào vi c nh n d ng m u ký t trong k thu t x lý nh tr nên hi u qu và nhanh chóng. Như v y vi c k t h p k thu t x lý nh và ng d ng m ng Nơ-ron ñ xây d ng h quy t ñ nh trong nh n d ng bi n s phương ti n mà c th ñây là bi n s Ô tô là gi i pháp t i ưu nh t hi n nay. V i s phát tri n nhanh v t c ñ ch p, ñ
4 phân gi i c a các thi t b thu nh n nh, t c ñ tính toán các b vi x lý cũng như giá thành làm cho vi c tri n khai các ng d ng x lý nh tr nên d dàng, tin c y chi phí th p và t c ñ nhanh. 1. M c ñích nghiên c u : • Nghiên c u gi i pháp nh n d ng bi n s ô tô b ng m ng nơ-ron 2. N i dung nghiên c u • Nghiên c u các k thu t nh n d ng bi n s ô tô dùng k thu t x lý nh và m ng nơ-ron. Đ t ti n ñ nghiên c u sâu hơn ñ ñưa ra các ng d ng c th . • Xây d ng phương pháp và thu t toán ñ th c hi n nh n d ng, qua ñó nghiên c u các h n ch và như c ñi m c a h th ng ñ ti n hành t i ưu. • Vi t ph n m m mô ph ng quá trình nh n d ng bi n s trên các nh ñư c thu th p trên th c t ñ t o ti n ñ cho vi c xây d ng ph n m m nh n d ng tr c ti p qua Camera. 3. Đ i tư ng nghiên c u T p trung chính vào ñ i tư ng nghiên c u là k thu t x lý nh và m ng nơ-ron trên cơ s nghiên c u: • Thu t Toán nh n d ng bi n s 4. Ph m vi nghiên c u Do các h n ch v th i gian cũng như thi t b , ñ tài s t p trung nghiên c u trên m t t p các nh s ñư c thu th p theo nguyên t c sau : Các nh ñư c thu th p theo 3 th lo i :
5 - T p 1 g m các nh xe Ô tô có bi n s rõ nét, nh ch t lư ng cao và vùng bi n s không b nhi u hay che khu t. - T p 2 g m các xe ñư c ch p v i góc l nh ±200 so v i máy nh. - T p 3 g m các nh xe có bi n s b nhòe do ñư c ch p kho ng cách xa hay b m do quá trình di chuy n. - Đ tài s ti n hành nghiên c u xây d ng thu t toán d a trên các tiêu chí nh ñ u vào ñư c thu th p qua ba t p nh như trên. 5. Phương pháp nghiên c u • Thu th p m t s lư ng h u h n các nh xe ô tô t máy nh. • Ti n hành phân tích, xây d ng gi i pháp nh n d ng g m có : - Ti n x lý - Trích ñ c trưng - Hu n luy n mô hình - Ki m th trên cơ s d li u thu th p ñư c g m cơ s d li u chu n và nh t ch p trong th c t . 6. Ý nghĩa khoa h c c a ñ tài Ki m ch ng tính kh thi và kh năng ng d ng k thu t x lý nh và m ng nơ-ron vào bài toán nh n d ng bi n s . Đ t n n t ng nghiên c u sâu hơn nh m phát tri n các ng d ng th c ti n. 7. Ý nghĩa th c ti n c a ñ tài
6 K thu t x lý nh ñã và ñang ñư c ng d ng r ng rãi trong các thi t b t dân d ng ñ n chuyên d ng. Vi c s d ng x lý nh ñ nh n d ng bi n s Ô tô s góp ph n gi i quy t ñư c m t ph n c a bài toán t t ngh n giao thông như hi n nay và t ñ ng hóa m t s công vi c liên quan ñ n qu n lý Ô tô. T o ti n ñ cho vi c phát tri n và tri n khai các gi i pháp nh n d ng khác như bi n s xe máy, nh n d ng tài li u.. CHƯƠNG 1. T NG QUAN V CÁC HƯ NG NH N D NG D A TRÊN K THU T X LÝ NH. Như chúng ta ñã bi t v các h th ng nh n d ng bi n s xe ô tô trong th c t . Chương này s ti n hành phân tích sâu hơn v các h th ng này, quá trình phát tri n nghiên c u, các ưu như c ñi m c a h th ng nh n d ng bi n s xe ô tô. 1.1 Sơ lư t v h th ng nh n d ng bi n s 1.2 Ki n trúc t ng quan c a m t h th ng nh n d ng bi n s ô tô H th ng nh n d ng bi n s thư ng có các bư c sau : - Thu nh n nh ( Có th ch p t Camera thư ng hay camera h ng ngo i). - Tách bi n s có trong nh, ch nh s a góc l nh. - Phân ño n các ký t [10]. - Nh n d ng - Ki m tra cú pháp.
7 1.3 Các ng d ng liên quan ñ n h th ng nh n d ng bi n s Ô tô. Bài toán nh n d ng bi n s ô tô có th ñư c áp d ng r ng rãi trong nhi u ng d ng th c t khác nhau như : - H th ng t ñ ng thu thu xe - H th ng bãi gi xe thông minh - Ki m soát và qu n lý xe trên các ñi m giao thông - Nhi u ng d ng khác... 1.4 Nh ng khó khăn trong nh n d ng bi n s ô tô - Đ phân gi i nh quá th p - nh quá t i hay b che khu t b i các v t khác, do s chói sáng hay ph n chi u ñ i v i ánh sáng c a bi n s . Bi n s b dính b n hay bi n d ng - Các ki u Font khác nhau c a các ký t khác nhau.
8 1.5 Các gi i pháp công ngh CHƯƠNG 2. NGHIÊN C U PHƯƠNG PHÁP TI N X LÝ, TÁCH VÙNG VÀ KÝ T C A BI N S . 2.1 Sơ ñ kh i h th ng 2.2 Tách vùng bi n s bư c này ta ñ nh nghĩa m t khu v c bi n s d a trên ñ c tính c a s xu t hi n nhi u các c nh ngang và c nh d c do biên c a các ký t trên bi n s gây ra trên m t di n tích nh quanh bi n s . 2.2.1 Các phép bi n ñ i cơ b n dùng ñ tách vùng bi n s a. Ma tr n tích ch p phát hi n biên theo chi u ngang và chi u d c  − 1 0 1  − 1 − 1 − 1     mhe =  0 0 0  mve =  − 1 0 1  1   0 1 b. Ma tr n tích ch p tìm biên1Sobel  − 1  1 ;   − 1 − 2 − 1 ;  − 1 0 1     Gx =  0 0 0 G ve =  − 2 0 2  1 1  − 1 0 1  2    c. B Phép l c làm trơn theo chi u ngang và chi u d c B l c này dùng ñ làm trơn các c m ñi m nh có ñ sáng cao gi ng bi n s ñ chúng ta có th nhóm chúng l i ñư c v i nhau ñ th c hi n bư c ti p theo trong phát hi n vùng bi n s .
9 (a) nh G c (b) nh làm trơn (c) nh làm trơn phương x phương y (d) nh phát hi n biên Sobel (e) nh phát hi n (f) nh phát hi n biên biên theo phương y theo phương x 2.2.2 Tìm bi n s d a vào ñ th hình chi u theo chi u ngang và chi u d c Khi chi u theo chi u ngang, chúng ta s có m t ñ th bi u di n cư ng ñ t ng th c a b c nh như ta th y hình bên dư i. Hình 2.1 Hình chi u theo phương y c a nh
10 Phương pháp tìm khu v c bi n s d a trên phương pháp thông kê này g m có 2 giai ño n: - Giai ño n ñ u ta ph i tìm ñư c “d i ngang ch a bi n s ” có kích thư c l n hơn kích thư c c a bi n s th t. Sau ñó vùng này s ñư c tìm góc l ch do v trí c a Camera gây ra. Ch nh s a góc l ch. K t qu c a bư c này cho ta ñư c m t vùng ch a bi n s nhưng có kích thư c l n hơn kích thư c bi n s th t trên vùng ñó. - Giai ño n hai c a quá trình này là ta ph i tinh ch nh v trí c a bi n s , ñ vùng nh ta nh n ñư c là ch có vùng gi i h n trong ñư ng biên c a bi n s v i các ký t mà thôi. a. Tìm d i ngang ch a bi n s . Hình 2.3 Phân tích hình chi u tìm d i ngang ch a bi n s Giá tr l n nh t c a py(y) có th cho ta v trí c a “d i ch a bi n s ” và nó ñư c tính như sau: ybm = arg max {p y ( y )} y0 ≤ y≤ y1 Ta g i yb0 và yb1 là t a ñ trên và t a ñ dư i c a “d i ngang ch a bi n s ”. thì yb0 và yb1 s ñư c tính như sau:
11 yb 0 = max {y | p y ( y ) ≤ c y . p y ( ybm )} y 0 ≤ y ≤ y bm yb1 = max {y | p y ( y ) ≤ c y . p y ( ybm )} y bm ≤ y ≤ y1 V i cy là h s ñ tìm chân c a ñ nh py(y). cy là h s quan tr ng trong vi c tìm chi u cao c a bi n s . ñây v i t a trên c a d i ta ch n c1=0.55, c2=0.44 (vi c ch n này ñư c d a vào th c t và ñư c ñi u ch nh ñ thích nghi v i nhi u kích thư c bi n s khác nhau). b. Tìm bi n s d a vào d i ngang ch a bi n s Ta d a vào s thay ñ i t ñen thành tr ng và t tr ng thành ñen trên các biên c a bi n s . Hình v bi u th ñ th hình chi u d c c a nh ñư c mô t như hình bên dư i. Và ñ phát hi n t a ñ biên, ñây ta ph i tìm cách sao cho các ñ c tính này ñư c hi n th rõ. Gi i pháp ñưa ra ñây là ta tìm vi phân c a p(x, y) ta ñư c p’(x,y). Vì ñ th hình chi u là không liên t c và s lư ng m u không ti n ñ n vô cùng, vì v y ta ñưa ra m t hàm r i r c v i h là bư c l y vi phân (ví d ta ch n h = 4). Thì hàm r i r c ñ tìm p’ ñư c tính: p x ( x ) − p x ( x − h) px ( x ) = ' h V i h = 4 thì ta có ví d hình c th như bên dư i. Biên trái và biên ph i c a bi n s có th ñư c phát hi n b ng cách phân tích vi phân c a p’ như sau:
12 Hình 2.4 Phân tích hình chi u tìm bi n s c. Phân tích ñ c tính ñ trích ch n bi n s . Đ l a ch n ñư c ñ i tư ng nh bi n s ta ph i xác ñ nh các tr ng s mô t ñ c tính c a nó. Và ñ làm ñi u này ta ph i xác ñ nh ñư c bi u th c ñ tính toán tr ng s mô t ñ c tính c a t ng ñ i tư ng. Có r t nhi u ñ c tính ràng bu c ñ ñánh giá. Nhưng ta ch d a và m t s ñ c tính ñư c tính như sau: α = 0.15.α1 + 0.25.α2 + 0.4.α + 0.4.α4 3
13 B ng 2.3. B ng thông tin trích ch n ñ c tính Đ c tính nh minh h a Mô t α1 = yb0 − yb1 Chi u cao c a d i. Các d i có chi u cao nh hơn s ñư c xem xét ti p 1 py(ybm): Giá tr ñ nh α2 = c a ñ th hình p y ( ybm ) chi u theo tr c y. Các d i có giá tr l n nh t l n hơn giá tr này s ñư c xem xét. 1 Đ c tính này tương α3 = yb1 t ñ c tính trên. ∑p y = yb 0 y ( y) Tuy nhiên ñây không ch xét giá tr ñ nh mà còn xét c vùng ñư c gi i h n b i yb0 và yb1. ` x p 0 − x p1 Trên h u h t các α4 = − qu c gia thì bi n s yb 0 − yb1 m t hàng này có t s chi u r ng và chi u cao là 5. Nên ta s l y t s này làm ñ c tính ñ ñánh giá.
14 2.3 Gi i thu t tìm góc l nh 2.3.1 Phát hi n góc l ch Th c hi n tách biên nh, sau ñó dùng bi n ñ i Hough ñ tìm ñư ng th ng có m t ñ cao nh t : Hình 2.11. Tìm góc l nh cho bi n s 2.3.2 Ch nh góc l ch Dùng ma tr n tích ch p Shear ñ ch nh góc l ch 1 Sy 0 1 − tan(θ ) 0 A = S x  1 0 = 0   1 0  0  0 1  0   0 1  Hình 2.13. nh bi n s ñư c xoay
15 2.4 Phân ño n các ñ i tư ng trên bi n s 2.4.1 Phân ño n dùng hình chi u d c 2.4.2 Tách các ñ i tư ng ký t b ng phân ño n theo chi u d c D a vào ñ th hình chi u c a bi n s và kho ng cách tr ng gi a các ký t giúp ta có th phân ño n các ký t m t cách d dàng. Hình 2.14. Phân ño n bi n s Sau khi bi n s ñư c phân ño n d a vào ñ th hình chi u thì các phân ño n ta thu ñư c luôn ch a thêm các ph n t không mong mu n như nhi u hay biên bi n s , các phân ño n không ch a ký t …Vì v y ta ph i ti n hành lo i b các ñ i tư ng này. Bư c 1. Tách kh i dùng thu t toán k t n i nhãn
16 M u0 M u1 M u2 M u3 Hình 2.15 Phân ño n ký t 2.4.3 Phân tích ñ c tính c a các ñ i tư ng ñư c tách ñ tìm ký t chính. N u chúng ta gi thi t r ng các m u ký t không có s khác bi t v ñ chói và ñ tương ph n quá nhi u thì ta có th lo i b các ñ i tư ng có ñ chói và ñ tương ph n quá giá tr trong d i cho phép. V i f(x,y) là ñ i tư ng th i trong các m u ñư c phân ño n thì chúng ta s ñ nh nghĩa các ñ c tính tĩnh như sau: Đ sáng toàn c c: wi hi pbi ) = ∑∑ f ( x, y ) ( x =0 y =0 Đ tương ph n toàn c c có th ñư c tính như ñ l ch chu n c a ñ sáng toàn c c: wi hi ∑∑ ( p (i) b − f ( x, y )) 2 x =0 y =o pci ) = ( wi .h i
17 Thư ng nh ñư c ch p và lưu tr không gian màu RGB vì v y ta s chuy n RGB sang không gian HSV[13] và xem Hue như m t ñ c tính ñ l a ch n. Chúng ta tính Hue, Saturation toàn c c b ng công th c: wi hi wi hi phi ) = ∑∑ h( x, y ) ( ps(i ) = ∑∑ s( x, y ) x =0 y =0 x =0 y = 0 Đ xác ñ nh các giá tr ngư ng h p l c a các ñ i tư ng ta ph i ti n hành tính trung bình các giá tr tìm ñư c trên t p các m u _ n −1 th c t . Ví d pb = ∑ pbi ) , v i n là s m u. M t ñ i tư ng không ( i =0 ñư c có sai s quá 16% so v i giá tr pb trung bình. Theo ñó ta có các giá tr ngư ng ñ lo i b ñ i tư ng là: _ - Đ sáng: pb(i ) − pb < 0.16 _ pb - Tương ph n (CON): pc(i ) − pc _ _ < 0.1 pc _ - HUE: phi ) − ph < 0.1 45 ( _ ph _ - Saturation(SAT): ps( i ) − ps _ < 0.24 ps _ - Chi u Cao (HEI): hi( i ) − h _ < 0.2 h
18 wi - T s Chi u R ng vào Cao(WHR): 0.1 < < 0.92 hi N u ñ i tư ng ñư c tách không th a m t trong các ñi u ki n trên thì s ñư c xem là không h p l . 2.5 Phân ngư ng thích nghi và chu n hóa ký t \ 2.5.1 Chu n hóa ñ sáng và ñ tương ph n 2.5.2 Chu n hóa kích thư c và phương pháp thay ñ i kích thư c nh 2.5.3 Phân Tích ñ c tính ñ ti n hành l a ch n ký t CHƯƠNG 3. NG D NG M NG NƠ-RON Đ NH N D NG KÝ T 3.1 Trích ch n ñ c tính nh ký t ñ ñưa vào m ng Nơ-ron. 3.1.1 Trích ch n tr c ti p Cách ñơn gi n nh t ñ trích ch n các ñ c tính t nh bitmap là d a vào ñ sáng c a nh. Ta s bi n ma tr n các ñi m nh thành vectơ mô t nh ñ ñưa vào m ng nơ-ron. Hình 3.1. Trích ch n tr c ti p
19 3.1.2 Hình thành vectơ ñ u vào b ng phát hi n ki u biên c a ký t C u trúc c a vectơ ñ c tính ñư c mô t b i bi u th c sau: x = ( h0 @ r0 , h1 @ r0 ,...hη −1 @ r0 , h0 @ r1 , h1 @ r1 ,...hη −1 @ r1 ,....h0 @ rρ −1 , h1 @ rρ −1 ,...hη −1 @ rρ −1 ) 14444 4444 1444 24444 2 3 4 3 144444 44444 2 3 vùng r0 vùng r1 vùng rρ −1 h j @ ri có nghĩa là s l n x y ra c a ki u biên hj trên vùng ri 3.2 Tìm xương nh ký t và phân lo i nh ký t d a vào c u trúc xưng. 3.2.1 Khái ni m xương nh 3.2.2 Thu t toán tìm xương 3.2.3 Hình thành vectơ ñ c tính d a vào phân tích c u trúc xương c a các ký t B ng 3.1. B ng th ng kê c u trúc ký t d a trên ñ c tính xương SL Đi m cu i Vòng kép kín Đi m giao CEFGHIJKLMNSTUVWX CDGIJLMNOSUVWZ 0 BDO08 YZ123457 012357 1 PQ69 ADOPQR09 EFKPQTXY469 ACGIJLMNRSUV 2 B8 ABHR8 WZ123457
20 3 EFTY 4 HKX 3.3 M ng Nơ-ron 3.4 Thu t toán Lan truy n ngư c (Back-propagation) 3.5 Cách t ch c m ng và thông tin hu n luy n. 3.5.1 S l p c a m ng M ng nơ-ron ñư c ch n ñây g m có 3 l p: L p 1: V i nh 8*13 thì s nơ-ron ñ u vào ( L p 1) là 8*13=104 nơ-ron. L p 3: Ta th y bài toán nh n d ng c a ta g m có các ký t : 0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz. Ta thi t k sao cho 1 nơ-ron ñ u ra s mang giá tr c a m t ký t . Vì v y ta có 36 nơ-ron ñ u ra. Khi hu n luy n m ng, ñ u ra mong mu n cho m t ký t s có giá tr là 1. 3.5.2 Ch n các thông s m ng T i s Nơ-ron n là 20 thì cho l i ph n h i th p nh t so v i các vùng lân c n. Vì v y ta ch n s l p n là 20 l p. Ta l a ch n m c ngư ng c a l p ñ u ra là 1. V i ñ u vào ta th y nh là nh nh phân nên ñ u vào c a nó là 0 ho c 1. M ng ñư c hu n luy n v i các thông s :