Kỹ thuật nhận dạng biển số xe và ứng dụng vào bài toán quản lý bãi giữ xe tại trường Đại học Hà Tĩnh

Nội dung text: Kỹ thuật nhận dạng biển số xe và ứng dụng vào bài toán quản lý bãi giữ xe tại trường Đại học Hà Tĩnh

1. Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 115-120 KỸ THUẬT NHẬN DẠNG BIỂN SỐ XE VÀ ỨNG DỤNG VÀO BÀI TOÁN QUẢN LÝ BÃI GIỮ XE TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀ TĨNH Trần Thị Hương* và Ngô Thị Kiều Hằng 1Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Hà Tĩnh *Tác giả liên hệ: huong.tranthi@htu.edu.vn Lịch sử bài báo Ngày nhận: 07/01/2020; Ngày nhận chỉnh sửa: 21/5/2020; Ngày duyệt đăng: 29/8/2020 Tóm tắt Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu kỹ thuật nhận dạng biển số xe, từ đó thiết kế, cài đặt hệ thống quản lý bãi giữ xe tự động, bước đầu thử nghiệm tại nhà giữ xe của Trường Đại học Hà Tĩnh, nhằm góp phần trong việc nâng cao chất lượng quản lý bãi giữ xe của Nhà trường. Chương trình được xây dựng dựa trên một số thuật toán trong xử lý ảnh, kỹ thuật nhận dạng ảnh, sử dụng công cụ lập trình Visual Studio 2012 trong cài đặt kết hợp mã nguồn mở OpenCV. Từ khóa: Bãi giữ xe tự động, kỹ thuật nhận dạng, lập trình, mã nguồn mở, xử lý ảnh. THE TECHNIQUE IDENTIFYING LICENSE PLATES AND ITS APPLICATION IN THE MANAGEMENT OF PARKING LOT AT HA TINH UNIVERSITY Tran Thi Huong* and Ngo Thi Kieu Hang Faculty of Engineering - Technology, Ha Tinh University *Corresponding author: huong.tranthi@htu.edu.vn Article history Received: 07/01/2020; Received in revised form: 21/5/2020; Accepted: 29/8/2020 Abstract In this paper, the authors studied the license plate identifi cation technique, thereby designing and installing the automatic parking management system for the initial experiment at the parking lot of Ha Tinh University and contributing to improving this activity of the University. The program was built based on multiple algorithms of image processing, image recognition techniques, and using Visual Studio 2012 programming tools combined with open source code OpenCV in installation. Keywords: Automatic parking, identifi cation technique, programming, open source code, image processing. DOI: Trích dẫn: Trần Thị Hương và Ngô Thị Kiều Hằng. (2021). Kỹ thuật nhận dạng biển số xe và ứng dụng vào bài toán quản lý bãi giữ xe tại Trường Đại học Hà Tĩnh. Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, 10(3), 115-120. 115
2. Chuyên san Khoa học Tự nhiên 1. Đặt vấn đề toàn cao, kiểm soát phương tiện, nhóm tác giả Trong thời đại công nghệ ngày càng phát nghiên cứu kỹ thuật “nhận dạng biển số xe” và triển thì các mô hình tự động hóa càng được sử ứng dụng vào bài toán quản lý vé xe tự động tại dụng rộng rãi. Các mô hình đó có thể thay thế Trường Đại học Hà Tĩnh. con người làm các nhiệm vụ một cách chính xác, 2. Nội dung nghiên cứu nhanh chóng. 2.1. Quy định về biển số xe của Việt Nam Kỹ thuật “nhận dạng biển số xe” là một Ở Việt Nam, biển số xe là tấm biển gắn trên trong những mô hình được sử dụng rộng rãi mỗi xe cơ giới, được cơ quan công an cấp khi mua trong những năm gần đây, với mục đích giảm xe mới hoặc chuyển nhượng xe. Biển số xe được nhân lực và xử lý trong công việc quản lý, kiểm làm bằng hợp kim nhôm sắt, có dạng hình chữ soát phương tiện giao thông. Tuy nhiên ở Việt nhật hoặc hơi vuông, trên đó có in những con số Nam, mô hình này mới được áp dụng tại một số và chữ cho biết: Vùng và địa phương quản lý, các siêu thị lớn, còn một số bãi giữ xe truyền thống con số cụ thể khi tra cứu trên máy tính còn cho còn hạn chế. biết danh tính người chủ hay đơn vị đã mua nó, Trường Đại học Hà Tĩnh hiện tại sinh viên thời gian mua nó phục vụ cho công tác an ninh tham gia học tương đối đông, với hơn 3000 sinh Sử dụng màu sắc để phân loại biển số xe: viên tại cơ sở mới, nhà trường có bãi gửi xe cho nền biển màu trắng chữ màu đen là thuộc sở hữu sinh viên khi đến trường, mô hình quản lý gửi cá nhân và doanh nghiệp, nền biển màu xanh xe tại đây còn mang tính thủ công, chưa có sự dương chữ màu trắng là các cơ quan hành chính quản lý chặt chẽ từ ban quản lý đến nhân viên và sự nghiệp (dân sự), nền biển màu đỏ chữ màu tự giác của sinh viên. Một số nhược điểm hiện trắng là xe quân đội tại của bãi giữ xe của Nhà trường như dễ gây ùn 2.2. Quy trình nhận diện biển số xe tắc, vé xe dễ thất lạc hoặc nhàu nát, thiếu sự an Bài toán nhận dạng biển số xe có nhiệm vụ toàn, không có tính thẩm mỹ tốn thời gian giải xử lý ảnh có chứa biển số xe sang dạng ký tự số quyết các sự cố xảy ra; để quản lý. Để làm được công việc đó, hệ thống Với mục đích tăng tính chính xác, độ an phải thực hiện các giai đoạn chính như sau: Trích xuất Tiền xử lý Nhận dạng Xe vào Camera vùng biển ảnh biển số xe số xe Hình 1. Các giai đoạn của quy trình nhận dạng biển số xe Quá trình xử lý, nhận dạng biển số xe bao thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi không gian màu, gồm 2 quy trình chính: gửi xe và trả xe. Quy trình khử nhiễu, chỉnh mức xám, cân bằng ánh sáng gửi và trả xe gồm 4 giai đoạn chính: nhằm mục đích thu được dữ liệu theo yêu cầu Giai đoạn 1: Chụp hình từ camera, hình ảnh của bài toán tốt nhất. xe vào được chụp từ camera để gửi đến máy tính Giai đoạn 3: Xử lý trích xuất vùng biển số: xử lý. Ở giai đoạn này, nhân viên kiểm soát vé Chương trình thực hiện nhiệm vụ xác định vùng xe chịu trách nhiệm chính trong việc chụp biển chứa biển số. số xe. Để đạt kết quả chính xác khi chọn vùng Giai đoạn 4: Nhận dạng biển số: Từ vùng biển số thì nhân viên kiểm soát vé đóng vai trò chứa biển số dạng hình ảnh sẽ được chuyển sang quan trọng. dạng text lưu vào cơ sở dữ liệu để quản lý. Giai đoạn 2: Tiền xử lý ảnh: giai đoạn này 116
3. Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 115-120 2.3. Kỹ thuật nhận dạng biển số Bước 2. Tính toán gradient của đường biên Kỹ thuật nhận dạng biển số xe là một hệ của ảnh đã được làm mịn. thống có khả năng thu nhận hình ảnh cũng như là xy22  ‘đọc’ và “hiểu” các biển số xe một cách tự động. j 2 Cxyªº,.  e2V Trong quá trình nhận dạng và tách ảnh số x ¬¼ V 2 ra thành dạng text, có thể sử dụng nhiều phương pháp để đem lại kết quả với tỷ lệ chính xác cao. xy22  j 2 Trong đó có hai kỹ thuật quan trọng: kỹ thuật Cxyªº,.  e2V phát hiện biên Canny (Canny, 1986) và kỹ thuật y ¬¼ V 2 nhận dạng ký tự bằng quang học (OCR) Bước 3. Loại bỏ những điểm không phải 2.3.1. Kỹ thuật phát hiện cạnh Canny là cực đại. Kỹ thuật này sử dụng hai mức ngưỡng cao Bước 4. Loại bỏ những giá trị nhỏ hơn và thấp. Ban đầu ta dùng mức ngưỡng cao để mức ngưỡng. tìm điểm bắt đầu của biên, sau đó chúng ta xác Kỹ thuật phát hiện cạnh Canny hơn hẳn các định hướng phát triển của biên dựa vào các điểm phương pháp khác do ít bị tác động của nhiễu và ảnh liên tiếp có giá trị lớn hơn mức ngưỡng thấp. cho khả năng phát hiện các biên yếu. Kỹ thuật Ta chỉ loại bỏ các điểm có giá trị nhỏ hơn mức này có các ưu điểm sau: ngưỡng thấp. Các đường biên mờ sẽ được chọn - Cực đại hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu làm nếu chúng được liên kết với các đường biên đậm. cho việc phát hiện các biên thực càng chính xác. Giải thuật phát hiện cạnh Canny gồm 4 bước - Đạt được độ chính xác cao của đường chính sau: biên thực. Bước 1. Dùng bộ lọc Gaussian để làm - Làm giảm đến mức tối thiểu số các điểm mịn ảnh. nằm trên đường biên nhằm tạo ra các đường biên mỏng, rõ. x2 Trong OpenCV của Bradski và cs. (2008)  x 2 Ge(x)  2V . thực hiện tất cả các bước trên bằng một hàm duy 2 V nhất ocv2.Canny(), code được viết như sau: im = ocv2.imread("./moto/IMG_0230.jpg") im_gray = ocv2.cvtColor(im, ocv2.COLOR_BGR2GRAY) noise_removal = ocv2.bilateralFilter(im_gray,9,75,75) equal_histogram = cv2.equalizeHist(noise_removal) kernel = ocv2.getStructuringElement(ocv2.MORPH_RECT, (5,5)) morph_image = ocv2.morphologyEx(equal_histogram, ocv2.MORPH_OPEN, kernel, iterations=20) sub_morp_image = ocv2.subtract(equal_histogram, morph_image) ret,thresh_image = ocv2.threshold(sub_morp_image,0,255,ocv2.THRESH_OTSU) canny_image = ocv2.Canny(thresh_image, 250, 255) kernel = np.ones ((3,3), np.uint8) dilated_image = ocv2.dilate(canny_image, kernel, iterations=1) 2.3.2. Kỹ thuật nhận dạng ký tự bằng quang dựng theo hệ thống mạng Neuron nhân tạo và học OCR (Optical Character Recognition) là kỹ thuật được sử dụng để chuyển đổi hình Đây là công nghệ nhận diện kí tự được xây ảnh văn bản sang dạng văn bản có thể chỉnh sửa 117
4. Chuyên san Khoa học Tự nhiên trong máy tính. OCR là thuật ngữ được viết tắt Ảnh chụp từ camera, làm bởi cụm từ Optical Character Recognition (dịch sáng, khử nhiễm, trích xuất vùng chứa biển số là: nhận dạng ký tự quang học). Đó là ứng dụng công nghệ chuyên dùng để đọc text ở fi le ảnh. Trong bài báo nghiên cứu đọc fi le ảnh chứa biển Cô lập vùng biển số xe số xe sang fi le text chứa số. Nhận diện ký tự quang học OCR chuyển ảnh sang text để lưu trữ và Chụp hình từ camera xử lý Tiền xử lý ảnh Hình 3. Các giai đoạn nhận dạng biển số xe 2.4. Xây dựng hệ thống gửi xe thông minh Trích xuất vùng biển số xe tại Trường Đại học Hà Tĩnh Trường Đại học Hà Tĩnh hiện tại có 4 cơ sở, Cô lập các ký tự trong biển số xe trong đó cơ sở 1 và cơ sở mới có sinh viên và học sinh tham gia học tập. Tại 2 cơ sở này, có trang bị Nhận diện các ký tự bằng OCR nhà xe cho sinh viên và học sinh tương đối rộng rãi và an toàn. Tuy nhiên việc quản lý gửi trả xe So khớp biển số xe có trong CSDL còn mang tính thủ công, chưa thật sự an toàn. Vì vậy nhóm tác giả đã xây dựng hệ thống gửi xe Hình 2. Mô hình tổng quan các bước thực hiện thông minh gồm các chức năng sau: của một hệ thống ứng dụng công nghệ nhận Hệ thống quản lý vé xe gồm 3 chức năng dạng ký tự quang học OCR chính: Quản lý dữ liệu, nhận dạng xe vào ra bãi, Các giai đoạn nhận dạng biển số xe được thống kê tìm kiếm thông tin. mô tả bằng mô hình sau: Thanh toán vé xe Hình 4. Mô hình chức năng của hệ thống quản lý bãi giữ xe 118
5. Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 10, Số 3, 2021, 115-120 Hình 5. Các giao diện chính của chương trình quản lý vé xe tự động Từ các chức năng được phân tích của hệ máy in vé xe theo mã QR. thống, nhóm tác giả đã thiết kế và cài đặt chương - Thiết bị camera sử dụng hãng HIKVISION trình ứng dụng với khá đầy đủ các chức năng DS-2CE16DOT-IT3. như: quản lý thông tin vé xe và giá vé; cập nhật - Khi lấy hình dữ liệu xe có mua vé tháng, cập nhật thông tin ảnh xe sẽ được sinh viên mua vé tháng và các dữ liệu có liên đưa vào vị trí chụp quan đến hệ thống. Chương trình hoàn thiện hình. Một số yếu chức năng nhận dạng xe vào ra bãi, nhận dạng vé tố ảnh hưởng đến xe, cập nhật số xe vào ra bãi. Tính năng thống kê chất lượng ảnh Hình 6. Thiết bị camera báo cáo mật độ gửi xe theo ngày, tháng, doanh như: ảnh chưa rõ nét, thu từ tiền vé xe được thực hiện nhanh, chức góc chụp bị lệch, ảnh ban đêm, nhiễu ảnh do mưa, năng tìm kiếm nhanh. ngược sáng Trước khi chuyển sang ảnh số nhận 2.5. Đánh giá kết quả chương trình dạng text thì nhân viên sẽ làm nhiệm vụ kiểm tra Hiện nay trên thị trường có nhiều bãi đậu xem chương trình nhận dạng biển số đúng hay xe tích hợp hệ thống phần mềm tích hợp camera sai sẽ thao tác yêu cầu chụp lại ảnh. nhận dạng biển số. Để hoàn thiện đầy đủ cả hệ - Biển số nhận dạng: Quy định biển số của thống gồm: máy tính cài phần mềm quản lý vé Việt Nam gồm 3 loại: Biển màu xanh dương chữ xe, camera chụp hình biển số, barie và các thiết trắng của cơ quan hành chính sự nghiệp, biển màu bị cảm biến quy định vùng xe dừng, máy in vé trắng chữ đen của cá nhân và doanh nghiệp, biển xe hoặc thiết bị đầu đọc thẻ. màu đỏ chữ trắng của quân đội. Hiện tại chương Trong chương trình thực nghiệm của nhóm trình đang dừng lại ở nhận dạng biển số màu tác giả sử dụng các thiết bị: Camera, máy tính, trắng, chữ và số màu đen. 119
6. Chuyên san Khoa học Tự nhiên - Kết quả chương trình: Hiện tại chương trình được thử nghiệm ở quy Chương trình đã đưa vào thử nghiệm trên mô nhỏ để kiểm soát lỗi. Sau khoảng thời gian cả xe máy và ô tô, kết quả nhận diện chính xác ngắn thử nghiệm tại bãi giữ xe của Nhà trường, biển số. đã cải thiện được một số tính năng như: giảm In vé xe tự động, trích mã QR của vé, tránh thời gian nhận và trả vé xe cho sinh viên, nhân trường hợp làm vé giả. viên kiểm soát và quản lý trong giữ xe hiệu quả Thực hiện lưu thời gian xe vào, và thời gian hơn; xử lý các loại thống kê vé - tiền vé chính trả xe, tìm kiếm xe gửi theo vé xe. xác hơn. Trong thời gian tới nhóm tác giả sẽ Thống kê số lượng xe gửi theo ngày, đưa vào sử dụng thử nghiệm tại bãi giữ xe cơ tuần, tháng. sở mới của trường, nơi có nhiều sinh viên tham - Chương trình đáp ứng yêu cầu đưa ra: nhận học đi bằng xe máy. dạng biển số xe và thực hiện quá trình quản lý vé Nhóm tác giả nhận thấy, chương trình này xe. Thử nghiêm 100 mẫu biển số xe khác nhau, có thể áp dụng trên tất cả bãi giữ xe và nhất là khi chụp đúng góc, đủ ánh sáng thì hệ thống nhận chợ, siêu thị trên địa bàn tỉnh Hà Tĩnh, tuy nhiên dạng đúng 99%, 1 mẫu xe không nhận diện được yêu cầu nhân viên phải biết sử dụng phần mềm do biển số xe bị mờ số, phải tự đánh thủ công và máy tính. Đó cũng là yêu cầu trong thời đại biển số vào hệ thống quản lý. công nghệ hiện nay, nên tương lai gần các hệ Ưu điểm của ứng dụng: thống tự động này chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi./. - Tốc độ xử lý nhanh: chương trình được viết trên giao diện ứng dụng Visual Studio 2012 Tài liệu tham khảo bằng ngôn ngữ lập trình C#, kết hợp mã nguồn mở OpenCV nên tốc độ xử lý nhận dạng tương Canny, J. (1986). A Computational Approach đối nhanh so với việc sử dụng các ngôn ngữ lập to Edge Detection. IEEE Trans on Pattern trình khác và công cụ hỗ trợ khác. Analysis and Machine Intelligence, - Giao diện đơn giản, dễ sử dụng: giao diện Pami-8(6). được thiết kế dựa trên công cụ MFC có sẵn trong Gary Bradski & Adrian Kaehler. (2008). Learning phần mềm Visual Studio với các nút lệnh trực OpenCV: Computer vision with the OpenCV quan, dễ dàng thao tác. library. O’Reilly Media, Inc. - Tính kinh tế cao: Các giai đoạn quản lý, Hoàng Hữu Việt. (2015). Lập trình C# cho ứng quá trình lưu trữ thống kê được thực hiện tự động, dụng cơ sở dữ liệu. Vinh: NXB Đại học Vinh. giảm thời gian tính toán thủ công. Lương Mạnh Bá và Nguyễn Thanh Thuỷ. (2003). Nhược điểm: Nhập môn xử lý ảnh số. Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật. Độ chính xác của chương trình nhận dạng biển số xe phụ thuộc vào ánh sáng môi trường. Nguyễn Duy Linh. (2018). Xây dựng ứng dụng nhận dạng biển số xe ô tô sử dụng mã nguồn 3. Kết luận mở OpenCV. Tạp chí Thông tin Khoa học Nhóm tác giả đã tìm hiểu, nghiên cứu lý & Công nghệ Quảng Bình, (1), tr. 35-40. thuyết về xử lý, nhận dạng ảnh và cài đặt chương Ondrej Martinsky. (2007). Algorithmic and trình quản lý bãi giữ xe tự động tại Trường Đại mathematical principles of automatic học Hà Tĩnh. Kết quả của chương trình là cài number plate recognition systems. Brno đặt thành công các chức năng của hệ thống như University of Technology. phần phân tích. Giao diện hệ thống quản lý dễ sử dụng, dễ hiểu cho nhân viên trông gửi xe. 120