Hệ thống phân loại hạt cà phê dựa trên xử lý hình ảnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.62 MB, 100 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------
NGUYỄN MINH TOÀN
HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ PHÊ
DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TP. HCM, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------
NGUYỄN MINH TOÀN
HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ PHÊ
DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH
CHUN NGÀNH: KỸ TḤT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỢNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN
TP. HCM, NĂM 2016
LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. ĐẶNG XUÂN KIÊN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HOÀNG MINH TRÍ
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM
Ngày 22 tháng 10 năm 2016.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
PGS.TS. NGUYỄN HỮ U KHƯƠNG
TS. HOÀNG MINH TRÍ
Chủ tịch Hội đồng;
Ủy viên, phản biện;
3.
4.
5.
TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG
TS. TRẦN THANH VŨ
PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, thư ký;
Ủy viên.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
PGS.TS. NGUYỄN HỮ U KHƯƠNG
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐTVT
TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG
i
LỜI CẢM ƠN
Trong quá triǹ h thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn về thiết bị
cũng như những hạn chế về kiến thức nghiên cứu, nhưng được sự quan tâm giúp đỡ
của gia đình, quý thầy cô bộ môn Kỹ Thuâ ̣t Điều Khiển và Tự Động Hóa - Trường
Đại học Giao Thông Vâ ̣n Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và bạn bè đồng nghiệp đã
giúp tơi hồn thành cơ bản u cầu của luận văn.
Đạt được kết quả như ngày hôm nay, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy
TS. Đă ̣ng Xuân Kiên đã định hướng và hướng dẫn tôi thực hiện đề tài luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bộ môn Kỹ Thuâ ̣t Điều Khiển và Tự Động HóaKhoa Điện- Điện Tử Trường Đại học Giao Thơng Vâ ̣n Tải Thành Phố Hồ Chí Minh,
các thành viên trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ trong suố t quá
trin
̀ h làm luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2016
Người thực hiện
Nguyễn Minh Toàn
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ PHÊ
DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH” đảm bảo tính chân thật của bài viết cũng như các
chương trình, kết quả mơ phỏng và thực nghiệm, các giá trị của thông số được nêu
ra trong bài một cách rõ ràng và cơ sở lý thuyết đều được trích dẫn đầy đủ chiếu
theo tài liệu tham khảo.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2016
Tác giả luâ ̣n văn
Nguyễn Minh Toàn
iii
TĨM TẮT
Trong những thập kỷ gần đây, có rất nhiều cơng trình nghiên cứu và ứng dụng xử
lý ảnh vào các lĩnh vực: quân sự, y tế, công nghiệp, nông nghiệp, an ninh, hàng
không vũ trụ, nơi công cộng, trong giao thông.
Trong nông nghiệp, hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng rất nhiều: dùng
camera để nhận dạng, phân loại, hoặc bám theo mục tiêu phía trước khi nhận dạng
đúng vật thể cần nhận dạng trong phạm vi nhìn thấy của camera…hệ thống phân
loại hạt cà phê được trang bị một camera CCD chuyên nhận dạng hình ảnh, được
trang bị một súng bắn khí tốc độ cao khoản 20000 lần / phút. Hạt di chuyển qua
camera để thu nhận ảnh và phân tích hạt cà phê theo màu sắc và hình dạng rồi so
sánh với hạt mẫu xem có đạt yêu cầu của hệ thống và đưa ra quyết đinh đạt hay
không đạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi thiết kế hệ thống phân loại hạt cà phê
là điều khiển sao cho hệ thống nhận dạng hoạt động ổn định, tốc độ xử lý đáp ứng
được yêu cầu của hệ thống tấn/giờ.
Hiện nay trên thế giới có nhiều tác giả đã áp dụng các phương pháp kỹ thuật
thông minh khác nhau để điề u khiể n hệ thống phân loại sản phẩm và các loại hạt,
trong đó có hạt cà phê. Có nhiều phương pháp khác nhau trong việc nhận dạng và
phân loại hạt cà phê: Phương pháp phân loại sản phẩm theo biên dạng (edge, cany,)
[13], Sobel, [14], hệ thống phân loại hạt cà phê là một mơ hình ghép nhiều phương
pháp và các thuật tốn nhận dạng, biên dạng, màu sắc [15]… Mỗi phương pháp cho
thấy có một ưu điểm nhất định. Trong luâ ̣n văn này, tác giả áp dụng nhiều phương
pháp nhận dạng và xử lý màu sắc để phân loại hạt cà phê.
Để chứng minh tính đúng đắn của các thuật tốn mà tác giả đã xây dựng ở mơ
hình hệ thống phân loại hạt cà phê dựa trên xử lý hình ảnh, nhầm theo giỏi và kiểm
tra chất lượng của hạt cà phê, tác giả kết hợp mơ hình với phần mềm matlab 2009b
để kiểm tra các thuật toán mà tác giả xây dựng, hệ thống hoạt động rất tốt, nhận
dạng chính xác biên dạng và màu sắc theo hạt mẫu.
iv
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT ........................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iv
MỤC LỤC HÌNH ............................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................... xii
Danh mục chữ viết tắt. ........................................................................................................ xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
Lý do chọn đề tài ................................................................................................................ 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ......................................................... 2
Ý nghĩa khoa học ................................................................................................................ 2
Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................................. 2
Chương 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ PHÊ DỰA TRÊN
XỬ LÝ HÌNH ẢNH ........................................................................................................... 3
1.1 .Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................................... 3
1.2 .Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 4
1.3 .Ứng dụng xử lý ảnh................................................................................................. 4
1.3.1 .Ứng dụng xử lý ảnh trong giao thông .............................................................. 4
1.3.2 .Ứng dụng trong công nghiệp ........................................................................... 5
1.3.3 .Ứng dụng trong quân sự .................................................................................. 5
1.3.4 .Ứng dụng trong y học ...................................................................................... 6
1.4 .Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh ............................................................... 7
1.5 .Khái niệm ảnh ......................................................................................................... 7
1.6 .Điểm ảnh (Pixel) ..................................................................................................... 8
1.6.1 .Ảnh xám........................................................................................................... 8
1.6.2 .Ảnh nhị phân.................................................................................................... 9
1.6.3 .Ảnh chỉ số ........................................................................................................ 9
1.6.4 .Ảnh màu........................................................................................................... 10
1.6.5 .Độ sáng của ảnh tại một ví trí .......................................................................... 11
1.6.6 .Số bits cần thiết để lưu trữ một ảnh ................................................................. 11
v
1.6.7 .Độ phân giải ảnh .............................................................................................. 11
1.7 .Xử lý ảnh ................................................................................................................. 11
1.8 .Nâng cao chất lượng ảnh ......................................................................................... 12
1.8.1.Tăng cường ảnh ................................................................................................ 12
1.9 .Cơ bản về camera .................................................................................................... 12
1.10 .Phân loại camera ................................................................................................... 12
1.11 .Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh ............................................................................ 13
1.11.1 .Camera Analog .............................................................................................. 13
1.11.2 . Camera CCD ................................................................................................. 13
1.11.3 .Camera CMOS............................................................................................... 14
1.12 .Phân loại theo kĩ thuật đường truyền .................................................................... 14
1.12.1 .Camera có dây ............................................................................................... 15
1.12.2 .Camera khơng dây ......................................................................................... 15
1.12.3 .Camera mạng ................................................................................................. 15
1.13 .CÁC THƠNG SỐ CAMERA CẦN QUAN TÂM ............................................... 16
1.13.1 .Camera Indoor, Outdoor Indoor .................................................................... 16
1.13.2 .Camera hồng ngoại (Camera IR) ................................................................... 16
1.13.3 .Chất lượng hình ảnh....................................................................................... 16
1.14 .Điều kiện hoạt động .............................................................................................. 16
1.14.1.Cường độ ánh sáng nhỏ nhất .......................................................................... 16
1.14.2.Nguồn cung cấp .............................................................................................. 17
1.14.3.Dãy nhiệt độ hoạt động ................................................................................... 17
1.14.4.Độ ẩm cho phép .............................................................................................. 17
1.14.5.Góc quan sát ................................................................................................... 17
Chương 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ
PHÊ DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH.............................................................................. 19
2.1.Hệ thống phân loại hạt cà phê .................................................................................. 19
2.2.Thiết kế 3D hệ thống phân loại hạt cà phê dựa trên xử lý ảnh trên máy tính .......... 21
2.2.1.Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống ................................................................... 21
2.2.2.Khối xử lý tính hiệu .......................................................................................... 22
2.2.3.Khối cơ khí thiết kế trên phần mềm Pro/ENGINEER 2001 ............................. 28
2.3.Mơ hình nhiễu .......................................................................................................... 33
vi
2.3.1.Mơ hình khơi phục ảnh ..................................................................................... 33
2.3.2.Các mơ hình nhiễu ............................................................................................ 34
Chương 3. CÁC BỘ LỌC KHÔI PHỤC ẢNH, PHƯƠNG PHÁP TÁCH BIÊN
TRONG MATLAB ............................................................................................................. 37
3.1.Các bộ lọc trung bình ............................................................................................... 37
3.1.1 .Bộ lọc trung bình số học .................................................................................. 37
3.1.2 .Bộ lọc trung bình điều hịa............................................................................... 38
3.2.Bộ lọc max và min ................................................................................................... 38
3.3.Bộ lọc điểm giữa ...................................................................................................... 39
3.4.Suy giảm nhiễu có tính tuần hồn bằng bộ lọc miền tần số ..................................... 39
3.4.1 .Các bộ lọc chắn dải (bandreject filters) ........................................................... 40
3.4.2 .Các bộ lọc thông dãy ....................................................................................... 41
3.4.3 .Bộ lọc notch tối ưu........................................................................................... 41
3.5.Một số bộ lọc cơ ....................................................................................................... 42
3.5.1.Lọc trong miền không gian ............................................................................... 42
3.5.2.Lọc trong miền tần số ....................................................................................... 43
3.5.3.Lọc thích nghi ................................................................................................... 44
3.6.Nén ảnh .................................................................................................................... 44
3.7.Phương pháp phát hiện và tách biên hình ảnh ......................................................... 46
3.7.1 .Các bộ tách biên ảnh ....................................................................................... 46
3.7.2 .Phát hiện điểm ................................................................................................. 47
3.7.3 .Phát hiện dòng ................................................................................................. 48
3.8.Phát hiện cạnh .......................................................................................................... 49
3.8.1 .Phương trình cơ bản ......................................................................................... 49
3.8.2 .Các tốn tử Đạo hàm cấp một .......................................................................... 52
3.9.Phát hiện biên Canny ............................................................................................... 56
3.10.Xử lý histogram...................................................................................................... 59
3.10.1.Cân bằng hàm histogram ................................................................................ 59
3.10.2.Phối hợp histogram ......................................................................................... 61
Chương 4 : MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................. 64
4.1.Nội dung thực hiện ................................................................................................... 64
4.1.1 .Ảnh mẫu cần so sánh ....................................................................................... 64
vii
4.1.2 .Thu nhận ảnh và tiền xử lý .............................................................................. 64
4.1.3 .Các thuật toán xử lý ảnh .................................................................................. 65
4.1.3.1.Tạo nhiễu gaussian ........................................................................................ 65
4.1.3.2.Tạo nhiễu muối tiêu ....................................................................................... 65
4.1.3.3.Bộ Lọc trung bình .......................................................................................... 65
4.1.3.4.Lọc tuyến tính trong miền khơng gian ........................................................... 66
4.1.3.5.Vẽ lại biên dạng ............................................................................................. 66
4.2.Tách biên ảnh ........................................................................................................... 67
4.2.1 .Đạo hàm cấp một để phát hiện biên ảnh .......................................................... 67
4.2.2 .Thuật toán Sobel .............................................................................................. 68
4.2.3 .Thuật toán Prewitt............................................................................................ 68
4.2.4 .Thuật toán Canny ............................................................................................. 68
4.2.5 .Chuyển ảnh màu sang ảnh đa mức xám .......................................................... 69
4.3.Phân loại theo màu ................................................................................................... 71
4.3.1 .Đọc ảnh và vẽ lược đồ mức xám (histogram) của ảnh .................................... 71
4.4.Giải thuật xử lý ảnh .................................................................................................. 72
4.4.1 .Giải thuật xử lý biên dạng................................................................................ 72
4.4.2 .Giải thuật xử lý màu ........................................................................................ 73
4.5.Kết quả đạt được ...................................................................................................... 74
4.5.1.Mơ hình thực nghiệm ........................................................................................ 74
4.6.Năng suất thực nghiệm của hệ thống ....................................................................... 75
4.6.1.Năng suất làm việc theo biên dạng ................................................................... 75
4.6.2.Năng suất làm việc theo màu sắc ...................................................................... 76
Chương 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 77
5.1.Kết quả của đề tài ..................................................................................................... 77
5.2.Kiến thức thu được ................................................................................................... 77
5.3.Những hạn chế của đề tài ......................................................................................... 77
5.4.Hướng phát triển ...................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 78
Tài liệu Tiếng Việt ......................................................................................................... 78
Tài liệuTiếng Anh .......................................................................................................... 78
viii
Websites ......................................................................................................................... 79
Phụ lục ................................................................................................................................ 80
ix
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1.Máy tách màu Hàn Quốc (nguồn internet) .......................................................... 3
Hình 1.2.Mơ hình máy tách màu phịng thi nghiệm ĐH BKTPHCM (nguồn internet) ..... 4
Hình 1.3.Camera quan sát phân luồng giao thơng ( nguồn internet ) ................................. 5
Hình 1.4.Camera quan sát phân loại sản phẩm ( nguồn internet ) ...................................... 5
Hình 1.5.Robot quân sự ( nguồn internet ) ........................................................................ 6
Hình 1.6.Mổ nội soi (nguồn internet ) ............................................................................... 6
Hình 1.7.Cấu tạo tổng quát của một ảnh số ........................................................................ 7
Hình 1.8.Ảnh mức xám....................................................................................................... 8
Hình 1.9.Ảnh nhị phân ........................................................................................................ 9
Hình 1.10.Ảnh chỉ số .......................................................................................................... 9
Hình 1.11.Ảnh màu ............................................................................................................. 10
Hình 1.12.Ảnh màu được biểu diễn ở các hệ trục .............................................................. 10
Hình 1.13.Các bước xử lý ảnh ............................................................................................ 12
Hình 1.14.Camera Analog .................................................................................................. 13
Hình 1.15.Camera CCD ...................................................................................................... 14
Hình 1.16.Camera CMOS ................................................................................................... 14
Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại hạt cà phê ............................ 20
Hình 2.2.Sơ đồ khối của hệ thống phân loại tổng quát. ...................................................... 21
Hình 2.3.Hình webcam ....................................................................................................... 22
Hình 2.4.Nguồn vi điều khiển ............................................................................................. 23
Hình 2.5.Sơ đồ mạch nguồn ............................................................................................... 23
Hình 2.6. Mạch arduino nano (nguồn internet) .................................................................. 24
Hình 2.7.Sơ đồ chân arduino (nguồn internet) ................................................................... 24
Hình 2.8. Driver motor bước .............................................................................................. 25
Hình 2.9. Điều khiển EtherCAT ......................................................................................... 26
Hình 2.10.Xử lý tin hiệu truyền .......................................................................................... 27
Hình 2.11.So sánh tốc độ truyền ......................................................................................... 27
Hình 2.12.Bánh đai răng ..................................................................................................... 28
Hình 2.13.Dây đai tiêu chuẩn ............................................................................................. 29
x
Hình 2.14.Motor bước ........................................................................................................ 29
Hình 2.15.Hệ thống khí nén ................................................................................................ 30
Hình 2.16.Các chi tiết trên băng tải .................................................................................... 31
Hình 2.17.Hệ thống băng tải phân loại cà phê .................................................................... 32
Hình 2.18. Hình vẽ 3D hệ thống phân loại cà phê dựa trên xử lý ảnh................................ 32
Hình 2.19.Mơ hình của q trình khơi phục ảnh ................................................................ 33
Hình 2.20.Ảnh bị nhiễu Gauss ............................................................................................ 34
Hình 2.21.Ảnh bị nhiễu muối tiêu ...................................................................................... 36
Hình 3.1.Các kết quả lựa chọn Q trong lọc khơng tuần hồn ............................................. 38
Hình 3.2.Đồ thị của bộ lọc chắn dãy phối hợp. .................................................................. 40
Hình 3.3.Bộ lọc chắn dãy.................................................................................................... 41
Hình 3.4.Biểu đồ nhiễu của ảnh tìm được bằng bộ lọc thơng dãy ...................................... 41
Hình 3.5.Ảnh của bản đồ địa hình Martian được lấy từ Mariner 6 .................................... 42
Hình 3.6.Lọc ảnh tuyến tính trong miền khơng gian .......................................................... 43
Hình 3.7.Lọc phi tuyến trong miền khơng gian .................................................................. 43
Hình 3.8.Lọc trong miền tần số .......................................................................................... 44
Hình 3.9.Lọc thích nghi median ......................................................................................... 44
Hình 3.10.Nén ảnh .............................................................................................................. 45
Hình 3.11.Biến đổi Wavelet hai chiều ................................................................................ 45
Hình 3.12.Ứng dụng bộ tách biên ....................................................................................... 47
Hình 3.13.Phát hiện điểm ................................................................................................... 48
Hình 3.14.Mặt nạ phát hiện dịng ....................................................................................... 49
Hình 3.15.Minh họa việc phát hiện dịng............................................................................ 49
Hình 3.16.Biểu đồ mức xám thơng qua ảnh ....................................................................... 50
Hình 3.17.Hiển thị một đồ thị mức xám ............................................................................. 51
Hình 3.18.Sử dụng đạo hàm cấp một để xác định độ lớn biên và hướng tại một điểm. ..... 52
Hình 3.19.Vùng 3x3 của ảnh và những mặt nạ khác nhau để tính những đạo hàm cấp
một tại những điểm có nhãn z5. .......................................................................................... 53
Hình 3.20.Các mặt nạ Prewitt và Sobel cho việc phát hiện những cạnh chéo.................... 55
Hình 3.21.Ứng dụng mặt nạ Prewitt và Sobel cho việc phát hiện những cạnh chéo ....... 56
Hình 3.22.Mặt nạ phát hiện cạnh và 8 hướng cạnh ............................................................ 58
xi
Hình 3.23.Phạm vi góc của cạnh chuẩn đối với 4 kiểu hướng cạnh trong một cửa sổ
3x3. ..................................................................................................................................... 59
Hình 3.24.Trước khi cân bằng histogram ........................................................................... 60
Hình 3.25.Sau khi cân bằng histogram ............................................................................... 60
Hình 3.26.Đầu ra mức xám ................................................................................................. 61
Hình 3.27.Trước khi phối hợp histogram ........................................................................... 61
Hình 3.28.Sau khi phối hợp histogram ............................................................................... 62
Hình 3.29.Mức xám ban đầu của ảnh ................................................................................. 63
Hình 3.30.Cường độ mức xám sau khi phối hợp ................................................................ 63
Hình 4.1.Ảnh mẫu hạt cà phê cần so sánh .......................................................................... 64
Hình 4.2.Ảnh bị nhiễu gaussian .......................................................................................... 65
Hình 4.3.Ảnh bị nhiễu muối tiêu ........................................................................................ 65
Hình 4.4.Lọc trung bình trong ............................................................................................ 65
Hình 4.5.Lọc ảnh tuyến tính trong miền khơng gian .......................................................... 66
Hình 4.6.Vẽ đường biên...................................................................................................... 66
Hình 4.7.Tách biên sobel .................................................................................................... 68
Hình 4.8.Tách biên prewitt ................................................................................................. 68
Hình 4.9.Phương pháp tách biên hạt cà phê ....................................................................... 69
Hình 4.10.Tính diên tích hạt cà phê .................................................................................... 70
Hình 4.11.Hạt cà phê mẫu histogram ................................................................................. 71
Hình 4.12.Hạt cà phê và lược đồ mức xám ........................................................................ 71
Hình 4.13.Sơ đồ khối xử lý biên dạng và diện tích hạt cà phê ........................................... 72
Hình 4.14.Sơ đồ khối xử lý hạt cà phê theo lược đồ mức xám histogram ......................... 73
Hình 4.15.Hệ thống băng tải ............................................................................................... 74
Hình 4.16.Hệ thống điện ..................................................................................................... 74
Hình 4.17.Phần mềm xử lý của hệ thống ............................................................................ 75
Hình 4.18.Chuyển thành ảnh nhị phân ............................................................................... 76
xii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.Ttổng hợp chân arduino nano .................................................................. 24
Bảng 2.2.Tthông số chọn đai.................................................................................... 29
Bảng 3.Các bộ tách biên cơ bảng ............................................................................ 46
Bảng 4.1: Kết quả hiệu suất nhận dạng về biên dạng ............................................. 75
Bảng 4.2. Kết quả hiệu suất nhận dạng về màu sắc ................................................ 76
xiii
Danh mục chữ viết tắt.
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
CCD
Change Couple Device
Linh kiện điện tử kép
CMY
Cyan Magenta Yellow
Màu xanh hồng vàng
CMYK
Cyan Magenta Yellow Black
Màu xanh hồng vàng đen
ICA
Inclependent Component analysis
Phân tích thành phần độc lập
PCA
Principal Components Analysis
Phân tích các thành phần chính
RGB
Red Green Blue
Màu đỏ xanh lá cây xanh lam
Probability density function
Hàm mật độ xác suất
PTZ
Pan Tilt Zoom
Phóng to, quét dọc, quét ngang
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học kỹ thuật rất phát triển và đạt được những tiến bộ vượt bậc
trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là điều khiển tự động. Việc sử dụng xử lý ảnh để thay
thế cho con người làm việc trong môi trường độc hại , công nghiệp và nông nghiệp
là một vấn đề cấp bách. Bên cạnh đó cũng gập rất nhiều khó khăn để xử lý chính
xác hình ảnh, đặc biệt là ứng dụng nhận dạng sản phẩm thông qua camera là một
ứng dụng cịn khá mới ở nước ta và có những ứng dụng rất thực tế, nhận dạng hình
ảnh ở những nơi công cộng, nhận dạng vân tay, tách màu sản phẩm. Đồng thời nhận
dạng hạt cà phê là một trong những đề tài có tính ứng dụng rất cao và thực tế. Ví dụ
như ngày xưa cơng việc lựa gạo, trà (chè) hay cà phê ta lựa bằng tay hay là dùng
sàn để lựa hạt, hiện giờ ta có thể dùng hình ảnh và kết hợp với hệ thống khí nén để
phân loại, hay robot để phân loại và có thể ứng dụng vào nhiều lỉnh vực khác như
an ninh, quốc phòng, y học v.v... nhiều lĩnh vực khác.
Cà phê xuất khẩu phải được đánh giá theo tiêu chuẩn quốc tế. Việt nam nằm
trong các nước xuất khẩu cà phê chủ lực cho thị trường thế giới, đó là một thị
trường rất khó tính, địi hỏi rất nhiều tiêu chuẩn về chất lượng, vệ sinh, an tồn cho
sức khỏe.
Có nhiều tiêu chuẩn.
Ví dụ: cà phê nhân khơ ROBUSTA loại 1 sàng 18, tiêu chuẩn kỹ thuật.
Độ ẩm : 12,5% max.
Tỷ lệ hạt đen,vỡ : 2% max.
Tỷ lệ tạp chất : 0.5 % max.
Tỷ lệ hạt lạ : 0.5% max.
Tối thiểu 90% trên sàng : 18 (7.1mm).
Quy cách đóng gói : 60kg trong bao tải đầy.
Tiêu chuẩn xuất khẩu (19.2 tấn trong 1container).
Tiêu chuẩn việt nam TCVN 4193: 2001.
2
Cà phê nhân yêu cầu kỹ thuật.
TCVN 4807 : 2001 (ISO 4150 : 1991) cà phê nhân – phương pháp xác định cỡ
hạt bằng sàng tay.
Để đánh giá chất lượng hạt cà phê dựa trên mùi vị, màu sắc, hình dạng, kích
thước, độ sẫm màu,….
Khách quan là dựa vào sở thích của người tiêu dùng.
Chủ quan là những tính chất vật lý như kích thước, hình dạng, sự đồng đều và
diện mạo chung là vô cùng quan trọng để phân loại tiêu chuẩn của hạt cà phê.
Nhưng để nhận dạng và điều khiển chính xác khơng phải là vấn đề dễ dàng, vì lí
do đó, tác giả muốn trình bày về đề tài “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ PHÊ
DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH”.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học
Kết nối một hệ thống giải thuật để nhận dạng và xử lý tín hiệu thơng qua camera
để xử lý tín hiệu. Kết hợp giữa thu thập tín hiệu và các bộ điều khiển vịng kín tạo
ra hệ thống có tính tự động hóa cao.
Có tính ứng dụng cao, là tiền đề cho các ứng dụng của những lĩnh vực công nghệ
sau nầy.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng rộng rải trong thực tiễn cuộc sống
như, trong nông nghiệp, phân loại sản phẩm, gạo, trà (chè), đậu…… Trong công
nghiệp, sử dụng hệ thống nhận dạng để điều khiển các thiết bị trong nhà, điều
khiển không lưu, điều khiển cần cẩu, huấn luyện trong thể thao, phẫu thuật
trong y tế…
3
Chương 1:TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT CÀ
PHÊ DỰA TRÊN XỬ LÝ HÌNH ẢNH
1.1 . Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới kỹ thuật điều khiển và ứng dụng xử lý ảnh rất phổ biến và có từ rất
lâu và được ứng dụng rất đa dạng trong công nghiệp, nông nghiệp và y học … đã
được ứng trong các dây chuyền đống gói, lắp ghép ơtơ ….người điều khiển thường
giám sát qua hệ thống camera trong một hệ thống nhà máy. Sử dụng bộ điều khiển
để thực hiện tất cả các cơng đoạn để hồn thành một sản phẩm, điều này đồng nghĩa
với việc con người không trực tiếp làm việc, có thể làm việc qua mạng . Ví dụ,
người ta có thể nhận dạng và so sánh hình ảnh [7,8], tìm người trong đám đơng,
bám theo đối tượng [10] ..
Hiện nay, trên thế giới đã có một số tài liệu nghiên cứu về nhận dạng hình dạng
hạt cà phê [12] [9]. Có một số nghiên cứu chế tạo máy phân loại hạt cà phê của một
số nước trên thế giới như Đức , Hàn Quốc, Nhật, [11] như tập đoàn của Đức,
buhlergroup, máy tách màu hàn quốc Isort,…
Hình 1.1. Máy tách màu Hàn Quốc (nguồn internet)
4
Năng suất 2 tấn / h, 2 máng sản phẩm chính, điện áp 220v, độ chính xác 99%
1.2 . Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay trong nước ta có một số đề tài nghiên cứu “chế tạo thử nghiệm máy
phân loại cà phê hạt bằng màu sắc OPSOTEC5.01-A Phục vụ xuất khẩu” thuộc
chương trình KHCN cấp nhà nước
Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh trong phân loại sản phẩm theo màu sắc của sinh
viên Bùi Nhân Tiến
Hình 1.2. Mơ hình máy tách màu phịng thi nghiệm ĐH BKTPHCM
(nguồn internet)
1.3 . Ứng dụng xử lý ảnh
1.3.1 . Ứng dụng xử lý ảnh trong giao thông
Ứng dụng này giúp con người có thể ngồi ở một vị trí có thể quan sát được rất
nhiều nơi thông qua camera được lắp đặt ở nhiều nơi, nhằm giảm thời gian tới nơi
quan sát,và có những điều chỉnh thích hợp, theo dõi an ninh ở nơi công cộng, ngân
hàng, hệ thống giám sát ở nhà xưởng, trường học…………
5
Hình 1.3. Camera quan sát phân luồng giao thơng ( nguồn internet )
1.3.2 . Ứng dụng trong cơng nghiệp
Có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp, lắp ráp ôtô, kiểm tra sản phẩm, và rất
nhiều ứng dụng khác……….
Hình 1.4. Camera quan sát phân loại sản phẩm ( nguồn internet )
1.3.3 . Ứng dụng trong quân sự
Sputnik News đưa tin, Viện nghiêu cứu cơ khí chính xác Tochmash của Nga vừa
cho ra mắt loại robot chiến đấu mới có tên Avatar, robot Avatar đã có thể sử dụng
6
súng ngắn và điều khiển một phương tiện vượt địa hình cỡ nhỏ di chuyển xung
quanh khu vực thử nghiệm. Nhờ một hệ thống cảm biến được tích hợp sẵn trên tay
chân của Avatar, người vận hành có thể dễ dàng điều khiển loại robot này từ xa.
Hình 1.5. Robot quân sự ( nguồn internet )
1.3.4 . Ứng dụng trong y học
Xử lý hình ảnh được ứng dụng rộng rãi trong y học để quan sát và chuẩn đoán
bệnh: MRI, chụp CT, siêu âm, hay chụp X-ray…
Mổ nội sọi là một áp dung rất tiêu biểu,và là một đột phá trong kỹ thuật điều trị
bằng cơng nghệ hiện đại.
Hình 1.6. Mổ nội soi (nguồn internet )
7
1.4 . Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh
Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh là một dạng của xử lý tín hiệu cho đầu
vào là một ảnh hoặc các frame của phim ảnh. Đầu ra có thể là một hình ảnh, hoặc
tập hợp các ký tự hoặc các tham số liên quan tới hình ảnh. Thường thì kỹ thuật xử
lý ảnh có liên quan tới xử lý tín hiệu hai chiều và được áp dụng bằng một chuẩn
riêng về kỹ thuật xử lý ảnh cho nó.
1.5 . Khái niệm ảnh
Ảnh có thể được biểu diễn bằng hàm 2 biến f(x,y). Trong đó, ‘x’ và ‘y’ là cặp toạ
độ trong miền không gian ảnh. Giá trị của hàm f tại cặp toạ độ (x,y) được gọi là
cường độ sáng hoặc mức xám của ảnh tại điểm đó. Khi x, y và biên độ hàm f(x,y)
của ảnh là các giá trị xác định của các mức rời rạc, chúng ta gọi đó là ảnh số. Do
các máy tính làm việc trên dữ liệu số cho nên khái niệm xử lý ảnh kỹ thuật số ra đời
[6]. Xử lý ảnh số xuất phát từ 2 lĩnh vực ứng dụng chủ yếu là: nâng cao chất lượng
ảnh phục vụ tốt hơn cho đời sống nhận thức của con người và xử lý ảnh phục vụ
cho việc lưu trữ, truyền thông tin ảnh và nhận dạng ảnh. Ảnh số bao gồm một số
hữu hạn các phần tử. Mỗi phần tử trong ảnh số có một vị trí và mức năng lượng
khác nhau. Một ảnh số tổng quát có cấu tạo như dưới đây.
Hình 1.7. Cấu tạo tổng quát của một ảnh số
Ảnh số là một ma trận hệ thống toạ độ ảnh thực ra là một ma trận ảnh, hay cịn
gọi là hàm f(x,y) cịn có thể biểu diễn dưới dạng ma trận như sau.
8
(1.1)
Hay
A=
(1.2)
Q trình lấy mẫu và lượng tử hố ảnh cần xác định các thông số như số hàng M,
số cột N và số mức thang xám L. Các giá trị M, N phải là các số nguyên dương. Số
mức xám L thường được biểu diễn bằng các bit nhị phân để thuận lợi cho việc tính
tốn và lưu trữ vì máy tính làm việc trên hệ thống số nhị phân. Do đó, số mức thang
xám thường là bội số ‘k’ lần của 2 ( k là số bit nhị phân biểu diễn số mức xám L =
2k). Như vậy, giá trị của các phần tử trong ma trận A phải nằm trong khoảng (0;L-1).
Số bits cần thiết để lưu trữ một ảnh đã được số hoá là: b = M*N*L.
1.6 . Điểm ảnh (Pixel)
1.6.1 . Ảnh xám
Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng được tính bằng giá trị số tại điểm đó.
[6] Ảnh xám là một ma trận dữ liệu mà các giá trị phần tử của nó có thể là lớp dữ
liệu số interger 8 bit (0;255) hay dữ liệu số interger 16 bit (0;65535).
Hình 1.8. Ảnh mức xám
9
1.6.2 . Ảnh nhị phân
Ảnh nhị phân là một ma trận mà các giá trị phần tử của nó có giá trị logic ‘0’,
‘1’.
Hình 1.9.
Ảnh nhị phân
1.6.3 . Ảnh chỉ số
Ảnh chỉ số thực ra cũng là ảnh màu RGB nhưng khác ở chỗ ảnh chỉ số có kèm
theo bảng toạ độ màu tương ứng với mỗi phần tử ảnh pixel.
Hình 1.10. Ảnh chỉ số
