Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác vị trí đế dép trong hệ thống cấp phôi cho máy in lụa

Nghiên cứu sẽ tập trung vào các vấn đề: xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera; tính toán sai số vị trí của đế dép, hiệu chỉnh sai số; tính toá

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Trọng Hiếu

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Lưu Thanh Tùng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Lê Văn Sỹ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 06 tháng 07 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 GS TS Nguyễn Thanh Nam

2 PGS TS Lưu Thanh Tùng

3 TS Trương Quốc Thanh

4 TS Ngô Hà Quang Thịnh

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Học viên thực hiện: VŨ DUY KHÁNH MSHV : 1570813

Ngày, tháng, năm sinh: 10/01/1992 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí Mã số : 60.52.01.03

I TÊN ĐỀ TÀI

Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác vị trí đế dép trong hệ

thống cấp phôi cho máy in lụa NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Tìm hiểu, đề xuất các phương án cấp phôi (đế dép) chính xác cho máy in lụa để

in logo và họa tiết lên đế dép

2 Xây dựng thuật toán và viết chương trình xử lý ảnh của phôi (đế dép) nhận được

từ camera Tính toán sai số vị trí của phôi, hiệu chỉnh sai số, đảm bảo sai lệch vị trí của phôi đạt ±0,5 mm

3 Tính toán thiết kế thân máy, bàn máy điều chỉnh chính xác vị trí của phôi, cơ cấu cấp phôi cho băng tải của máy in lụa

4 Tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/01/2017

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2017

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Bùi Trọng Hiếu

Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 01 năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống cấp phôi chính xác cho máy in hoa văn và họa tiết dùng kỹ thuật xử lý ảnh là một đề tài mới, đòi hỏi kiến thức liên quan đến nhiều lĩnh vực Khi thực hiện luận văn này, bản thân học viên còn ít kinh nghiệm nghiên cứu cũng như kinh nghiệm thực tế để có thể giải quyết triệt để vấn

đề khoa học đặt ra Chính vì thế, khi thực hiện luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân học viên còn có sự giúp đỡ rất nhiệt tình của rất nhiều cá nhân và đơn vị Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy hướng dẫn: PGS.TS Bùi Trọng Hiếu, Khoa Cơ khí-Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Chính nhờ những sự trợ giúp quý báu đó mà bản thân học viên có thêm kiến thức chuyên ngành, sự tự tin để hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất và ngày càng vững vàng trong công việc chuyên môn

Ngày 14 tháng 6 năm 2017 Học viên thực hiện

Vũ Duy Khánh

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nội dung chính của luận văn đi vào xây dựng giải thuật và viết chương trình

xử lý ảnh của phôi (đế dép) nhận được từ camera Trên cơ sở đó tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống cấp phôi chính xác cho máy in hoa văn và họa tiết dùng kỹ thuật

xử lý ảnh Đề tài đã giải quyết được các vấn đề chính sau:

 Xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera

 Tính toán sai số vị trí của đế dép Hiệu chỉnh sai số

 Tính toán, thiết kế bàn máy điều chỉnh chính xác vị trí của đế dép với giải thuật xác định và bù sai lệch

 Tính toán thiết kế cơ cấu cấp đế dép cho băng tải của máy in hoa văn và họa tiết

ABSTRACT

This thesis represents an algorithm and program of camera image processing

of flip-flop, on the basis of what we can calculate and design an accurate shape feeding system for drawing and shape printer using image processing technique In this investigation, the main problems were solved:

 Development of an algorithm and write program to get image from camera

 Calculation of flip-flop position errors and its correction

 Calculation, design of an adjustable stitching table including a localization and error compensation algorithm

 Calculation and design of feeding mechanism for the conveyor of logo and sign printer

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày những kết quả nghiên cứu của tôi về giải thuật, chương trình xử lý ảnh đế dép nhận được từ camera Tính toán sai số vị trí của đế dép so với

vị trí chuẩn đã được lưu trong cơ sở dữ liệu từ đó hiệu chỉnh sai số, đảm bảo sai lệch vị trí của đế dép đạt 0,5 mm hoặc nhỏ hơn Tính toán thiết kế cơ cấu cấp đế dép sang bàn máy điều chỉnh Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn

là hoàn toàn trung thực, là của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Tác giả

Vũ Duy Khánh

Trang 7

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ V LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN VI MỤC LỤC VII DANH MỤC HÌNH ẢNH X DANH MỤC BẢNG BIỂU XIII TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XIV CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về đối tượng được nghiên cứu 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Công đoạn in lụa tại một số doanh nghiệp sản xuất dép 1

1.1.3 Xu hướng tự động hóa trong ngành sản xuất dép 4

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.3 Mục đích nghiên cứu 5

1.4 Các nghiên cứu liên quan 5

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

1.5 Nội dung nghiên cứu 6

1.6 Cấu trúc luận văn 6

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC VỊ TRÍ CỦA ĐẾ DÉP 8

2.1 Khái niệm xử lý ảnh 8

Trang 8

2.1.1 Khái niệm cơ bản 8

2.1.2 Lý thuyết và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 10

2.2 Phương pháp xác định sai lệch vị trí của đế dép 15

2.2.1 Xác định tâm của đế dép 16

2.2.2 Tính toán sai lê ̣ch vi ̣ trí của đế dép 20

2.2.3 Điều khiển bàn máy điều chỉnh vị trí X – Y – θ 20

2.3 Thuật toán xác định sai số 21

2.3.1 Thuật toán xác định sai số 21

2.3.2 Giải thuật xử lý ảnh 22

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP ĐẾ DÉP TỰ ĐỘNG CHO MÁY IN HOA VĂN VÀ HỌA TIẾT 26

3.1 Phân tích, thừa hưởng và phát triển thiết kế 26

3.1.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 26

3.1.2 Thiết kế thân máy 27

3.1.3 Cơ cấu cấp phôi sang băng tải 28

3.1.4 Bàn máy điều chỉnh chính xác vị trí của phôi 34

3.2 Thiết kế cơ cấu cấp đế dép lên bàn máy X – Y – θ 36

3.2.1 Lựa chọn phương án công nghệ XY 36

3.2.2 Tính toán cơ cấu cấp đế dép lên bàn máy điều chỉnh 39

3.3 Cải thiện kết cấu một số chi tiết của hệ thống cấp đế dép 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 51

4.1 Kết quả mô phỏng 51

Trang 9

4.1.2 Kết quả mô phỏng 52

4.2 Kết quả đạt được và ý nghĩa luận văn 56

4.2.1 Kết quả đạt được 56

4.2.2 Ý nghĩa khoa học của luận văn 57

4.2.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 57

4.3 Hướng phát triển đề tài 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

Trang 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Họa tiết in trên đế dép 1

Hình 1.2 Máy in dạng xoay tròn 2

Hình 1.3 Máy in đặt dọc nhiều trạm 2

Hình 1.4 Gá đặt đế dép thủ công 3

Hình 1.5 Định vị đế dép thủ công bởi các thanh gỗ 3

Hình 1.6 In lụa thủ công 3

Hình 2.1 Độ phân giải ảnh 9

Hình 2.2 Biểu diễn ảnh số bằng các điểm ảnh 9

Hình 2.3 Biểu diễn ảnh dưới dạng vector 10

Hình 2.4 Sơ đồ mục đích xử lý ảnh 11

Hình 2.5 Sơ đồ xử lý ảnh 11

Hình 2.6 Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn đạt được 12

Hình 2.7 Xác định đă ̣c trưng hình học của tiết diện phẳng đế dép 16

Hình 2.8 Ảnh nhị phân của đế dép 17

Hình 2.9 Hệ trục quán tính chính trung tâm 18

Hình 2.10 So sánh các phần tử 21

Hình 2.11 Xác định sai số bằng cách so sánh các phần tử 22

Hình 2.12 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh 23

Hình 2.13 Hình ảnh thu từ camera 24

Hình 2.14 Hình ảnh sau khi tách nên và chuyển về dạng nhị phân 24

Hình 2.15 Hình ảnh trước và sau khi lọc nhiễu 25

Trang 11

Hình 3.2 Mô hình thân máy cơ sở 28

Hình 3.3 Vít me dùng trong cơ cấu cấp phôi 29

Hình 3.4 Lực phân bố lên đế dép 30

Hình 3.5 Diện tích phần đế dép chiếm chỗ trước khi đục lỗ 32

Hình 3.6 Diện tích phần đế dép chiếm chỗ sau khi đục lỗ 32

Hình 3.7 Kết quả phân tích dòng khí trong cụm hút đế dép 33

Hình 3.8 Cụm hút sản phẩm 34

Hình 3.9 Mô hình bàn máy điều chỉnh 35

Hình 3.10 Sơ đồ phương án 1 cấp phôi cho máy in 36

Hình 3.11 Sơ đồ hương án 2 cấp phôi cho máy in 36

Hình 3.14 Các trạng thái cơ cấu tách đế dép 39

Hình 3.15 Kích thước tay tách đế dép 40

Hình 3.16 Tay tách đế dép 41

Hình 3.17 Sơ đồ cơ cấu tách đế dép 41

Hình 3.18 Mô hình cơ cấu tách đế dép 42

Hình 3.19 Cụm cấp phôi thô cho bàn máy điều chỉnh 43

Hình 3.20 Mô hình máy cấp phôi chính xác cho máy in hoa văn và họa tiết 44 Hình 3.21 Tiến hành chia lưới và gán điều kiện biên 45

Hình 3.22 Kết quả phân tích ở mức độ giảm 40% về khối lượng 46

Hình 3.23 Gán điều kiện cho tấm đỡ 47

Hình 3.24 Phầm mềm cải thiện theo điều kiện đã ràng buộc 47

Trang 12

Hình 3.25 Ứng suất trước khi cải thiện 48

Hình 3.26 Ứng suất sau khi cải thiện 49

Hình 4.1 Xuất kết quả sau khi xử lý ảnh đế dép 51

Hình 4.2 Xuất kết quả sau khi xử lý ảnh đế dép 52

Hình 4.3 Kết quả sai số vị trí sau cùng của 20 đế dép màu đen 54

Hình 4.4 Kết quả sai số vị trí sau cùng của 20 đế dép màu vàng 54

Hình 4.5 Kết quả sai số vị trí sau cùng của 20 đế dép màu xanh 55

Trang 13

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng khối lượng đế dép 31Bảng 3.2 Bảng thông số quạt hút 31Bảng 4.1 Bảng kết quả sai số vị trí sau cùng của 6 đế dép có màu và kích cỡ khác nhau 53Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm cho đế dép cỡ 44 màu đen và màu vàng 55

Trang 14

TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Nội dung chính của nghiên cứu: xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera Trên cơ sở đó tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống điều chỉnh vị trí và cấp đế dép với độ chính xác cao cho máy in hoa văn và họa tiết Nghiên cứu sẽ tập trung vào các vấn đề: xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera; tính toán sai số vị trí của đế dép, hiệu chỉnh sai số; tính toán, thiết kế cơ cấu cấp đế dép cho bàn máy điều chỉnh

Trang 15

Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về đối tượng được nghiên cứu

1.1.1 Giới thiệu

Ngành sản xuất giày dép ở Việt Nam là một trong những ngành kinh tế kỹ thuật thu hút được rất nhiều lao động, tham gia vào quá trình chuyển dịch cơ cấu kinh tế và mang lại nguồn thu nhập rất lớn cho đất nước thông qua việc đẩy mạnh xuất khẩu Vì vậy, nó có vai trò rất quan trọng trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam, hiện nay đang được Chính phủ đang rất quan tâm và coi là đây là ngành mũi nhọn trong chiến lược phát triển hàng công nghiệp tiêu dùng

Trong ngành hàng giày dép hiện nay, dép là vật dụng hằng ngày mà ai trong số mỗi chúng ta đều sử dụng Để phục vụ nhu cầu và sở thích người dùng, dép được trang trí bằng cách in logo, thương hiệu sản phẩm, họa tiết lên đế dép

Hình 1.1 Họa tiết in trên đế dép

1.1.2 Công đoạn in lụa tại một số doanh nghiệp sản xuất dép

Hiện nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật tại các công ty sản xuất giày dép chưa được chú trọng, đa phần sử dụng lao động thủ công, đây là nguồn nhân công dồi dào, giá thành rẻ hơn nhiều so với việc đầu tư dây chuyền tự động hoặc bán tự

Trang 16

động vào quá trình sản xuất Theo khảo sát của chúng tôi, một số công ty đã bắt đầu

tự động hoặc bán tự động khâu in lụa để in các họa tiết trang trí lên thân, đế dép Hầu hết các công ty đều dùng máy in lụa dạng xoay tròn hoặc dạng đặt dọc (do Đài Loan sản xuất) dùng để in các họa tiết, hình ảnh Tuy nhiên khâu cấp phôi, định vị phôi đều do công nhân thực hiện bằng tay

Hình 1.2 Máy in dạng xoay tròn

Trang 17

Hình 1.4 Gá đặt đế dép thủ công

Hình 1.5 Định vị đế dép thủ công bởi các thanh gỗ

Hình 1.6 In lụa thủ công

Trang 18

1.1.3 Xu hướng tự động hóa trong ngành sản xuất dép

Theo kết quả đánh giá thực trạng công nghệ của ngành sản xuất giày dép Việt Nam, việc tự động hoá trong sản xuất tại các doanh nghiệp hiện nay vẫn chiếm tỷ lệ rất nhỏ và những thiết bị này chưa thực sự phát huy tác dụng trong các dây chuyền sản xuất do tính đồng bộ của dây chuyền sản xuất không cao Do đó, khả năng gia công chính xác và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định của các dây chuyền sản xuất còn thấp

Ứng dụng các hệ thống cấp phôi tự động vào trong công nghiệp sản xuất giày dép không những mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian gia công, đảm bảo chất lượng sản phẩm Trong những năm qua đã có những chuyển biến lớn trong việc ứng dụng các hệ thống cấp phôi tự động trong tất

cả các ngành nói chung và ngành sản xuất dép nói riêng Việc nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống cấp đế dép tự động trong công nghiệp sản xuất dép sẽ giúp các doanh nghiệp có điều kiện hiện đại hóa trang thiết bị máy móc hiện có, tiến đến giảm dần tỉ lệ sử dụng các phương pháp thủ công và tăng tỉ lệ tự động hóa nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế hàng hóa

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Thực trạng của công đoạn cấp phôi (đế dép) cho máy in hoa văn và họa tiết tự động lên đế dép đang tồn tại các vấn đề sau:

 Tốn nhiều nhân công và thời gian trong việc định vị đế dép lên băng tải của máy in do thực hiện bằng tay và dựa vào tay nghề và sự tập trung của công nhân Điều này làm giảm năng suất và tăng giá thành của sản phẩm

 Sai lệch lớn về vị trí của họa tiết trên đế dép sau khi in (sai lệch hiện tại ± 2 mm) nên làm giảm tính thẩm mỹ của sản phẩm

 Rất khó để có thể thực hiện in các họa tiết có độ chi tiết cao, các họa tiết có tính đối xứng trên mỗi đôi dép

Trang 19

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống cấp phôi (đế dép) chính xác cho máy in hoa văn và họa tiết tự động là điều cần thiết để giải quyết các vấn đề trên

1.3 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống sử dụng robot cấp phôi (đế dép) chính xác cho máy in lụa tự động dạng 6 trạm đặt dọc dùng để in logo, họa tiết, nhãn hiệu nhằm tăng độ chính xác vị trí, tính thẩm mỹ và giá trị của sản phẩm; đồng thời giảm bớt nhân công và thời gian ở công đoạn cấp phôi, tăng cao hiệu quả kinh

tế do giảm phế phẩm Độ chính xác vị trí của đế dép cần đạt: ± 0,5 mm (hiện tại, sai lệch do công nhân cấp phôi bằng tay là ±2 mm)

1.4 Các nghiên cứu liên quan

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

[1] Trong Hieu Bui, Kwang Young Kim, and Sang Bong Kim, “Image processing based control system for precise position control of PCB screeen printer”

[2] Havelock, David Ian, “High precision position estimation in digital image metrology”, Carleton University Research Virtual Environment

[3] Yasuyuki Nagata, Sony Corporation “Robot with virtual arm positioning based on sensed camera image” Patent US 5305427 A

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Bài báo “Thiết kế và chế tạo hệ thống cấp mũ giày chính xác cho máy in lụa trong công nghiệp giày” (Bùi Trọng Hiếu và Phùng Thanh Huy) đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 18, số K2, 2015 Bài báo trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống cấp mũ giày chính xác cho máy in lụa tự động dạng 6 trạm đặt dọc dùng để in các vạch nhấn song song lên mũ giày nhằm tăng độ chính xác vị trí của các vạch nhấn

Trang 20

1.5 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra cần thực hiện các nội dung sau:

- Xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera

- Tính toán sai số vị trí của đế dép, hiệu chỉnh sai số

- Tính toán thiết kế cơ cấu cấp thô đế dép cho bàn máy điều chỉnh vị trí

- Tính toán thiết kế cơ cấu cấp đế dép (sau khi điều chỉnh chính xác vị trí) cho băng tải của máy in lụa

- Thiết kế tối ưu một số chi tiết của hệ thống cấp đế dép

1.6 Cấu trúc luận văn

Chương 1:Đặt vấn đề

Trình bày tổng quan về tình hình sản xuất giày dép xu hướng tự động hoá trong ngành giày dép tại Việt Nam Đánh giá các ưu điểm của việc ứng dụng hệ thống cấp phôi tự động cho máy in lụa và giới thiệu công đoạn in logo, họa tiết lên

đế dép tại một số doanh nghiệp trong và ngoài nước Từ đó xác định mục đích nghiên cứu, nội dung nghiên cứu

Chương 2: Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác vị trí của đế dép

Nội dung chương này giới thiệu về xử lý ảnh, từ đó xây dựng giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh của đế dép nhận được từ camera Tính toán sai số vị trí của

đế dép so với vị trí chuẩn đã được lưu trong cơ sở dữ liệu và hiệu chỉnh sai số, đảm bảo sai lệch vị trí của đế dép nhỏ hơn 0,5 mm

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống cấp đế dép tự động cho máy in hoa văn

và họa tiết

Trang 21

Trình bày phần tính toán, thiết kế thân máy, bàn máy điều chỉnh chính xác vị trí của đế dép, cơ cấu cấp phôi sang băng tải của máy in hoa văn và họa tiết

Chương 4: Đánh giá kết quả và hướng phát triển đề tài

Trình bày đánh giá kết quả đạt được Định hướng phát triển trong tương lai của đề tài

Trang 22

Chương 2: Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác vị trí của đế dép

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ

CHÍNH XÁC VỊ TRÍ CỦA ĐẾ DÉP 2.1 Khái niệm xử lý ảnh

2.1.1 Khái niệm cơ bản

2.1.1.1 Khái niệm ảnh

Thông tin về vật thể hay quang cảnh được chiếu sáng mà con người quan sát

và cảm nhận được bằng mắt và hệ thống thần kinh thị giác

Biểu diễn ảnh về mặt toán học:

f(x, y): trong đó x, y là tọa độ không gian 2 chiều và f là độ lớn của độ chói (ảnh đơn sắc), màu (đối với ảnh màu)

Với: x, y biến thiên liên tục và f cũng liên tục

2.1.1.2 Điểm ảnh (pixel)

Điểm ảnh là đơn vị nhỏ nhất cấu tạo nên ảnh số Mỗi pixel có tọa độ (x,y) và giá trị cường độ sáng hoặc màu sắc tại điểm đó

2.1.1.3 Độ phân giải của ảnh

Độ phân giải của ảnh là số pixel có trong ảnh để tạo nên bức ảnh đó Độ phân giải thường ghi dưới dạng: m x n Trong đó m: số pixel trên chiều rộng ảnh, n: số pixel trên chiều cao ảnh

Độ phân giải càng cao, ảnh càng sắc nét

Trang 23

(a) 1024 × 1024; (b) 512 × 512, (c) 256 × 256, (d) 128 × 128, (e) 64 × 64, (f) 32 × 32 Hình 2.1 Độ phân giải ảnh 2.1.1.4 Mức xám (gray)

Mức xám là kết quả của việc mã hoá ứng với một cường độ sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số Thông thường ảnh được mã hoá dưới dạng 16, 32, 64 hay 256 mức

Ví dụ: tại điểm ảnh tọa độ (20, 40) có mức xám là 60, tại điểm ảnh tọa độ (30, 40) có mức xám là 23,

2.1.1.5 Khái niệm ảnh số

Ảnh số là ảnh thu được từ ảnh liên tục bằng phép lấy mẫu và lượng tử hóa

Hình 2.2 Biểu diễn ảnh số bằng các điểm ảnh

Trang 24

Một ảnh số thường được biểu diễn như một ma trận các điểm ảnh Trong đó mỗi điểm ảnh có thể được biểu diễn bằng: 1 bit (ảnh nhị phân), 8 bit (ảnh đa mức xám), 16, 24 bit (ảnh màu)

Ảnh được biểu diễn ảnh dưới dạng ma trận các điểm ảnh gọi là ảnh bitmap Đặc điểm của ảnh Bitmap: biểu diễn các hình phức tạp, tính toán chậm, hạn chế khi zoom và khi thực hiện các phép biến hình

Một cách biểu diễn khác của ảnh số là dưới dạng vector (ảnh vector) Cách biểu diễn này không biểu diễn ảnh dưới dạng ma trận các điểm ảnh mà hướng đến đối tượng trong ảnh, thường bao gồm các thành phần cơ bản như hình tròn, đường thẳng…

Hình 2.3 Biểu diễn ảnh dưới dạng vector

Đặc điểm của ảnh vector: Biểu diễn các hình đơn giản, tính toán nhanh

2.1.2 Lý thuyết và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh

2.1.2.1 Lý thuyết xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu xử lý là ảnh Đây là một phân ngành khoa học mới rất phát triển trong những năm gần đây Xử lý ảnh gồm 4 lĩnh vực chính: xử lý nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh

và truy vấn ảnh Sự phát triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người

Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình tác động lên ảnh đầu vào nhằm Nâng cao chất lượng hình ảnh theo một tiêu chí nào đó (cảm nhận của con người)

Trang 25

Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem như là đặc trưng cường độs áng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến P(c1, c2, , cn) Do đó, ảnh trong xử lý ảnh có thể xem như ảnh n chiều và có sơ đồ tổng quát của một hệ thống xử lý ảnh như sau:

2.1.2.2 Thu nhận ảnh, số hóa ảnh (image aquisition)

Việc thu nhận ảnh vào được thực hiện bởi: Hệ thống chụp ảnh (camera, máy thu hình, cảm biến ảnh), tín hiệu ảnh

Hệ thống số hóa ảnh: Các phương pháp lấy mẫu, lượng tử hóa

2.1.2.3 Cải thiện ảnh, khôi phục ảnh, lọc nhiễu (tiền xử lý – image pre-processing)

Có hai loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh

- Nhiễu hệ thống: là nhiễu có quy luật có thể khử bằng các phép biến đổi

Thu nhận ảnh

Số hóa

Lưu trữ

Phân tích ảnh

Hệ quyết định

Hình 2.4 Sơ đồ mục đích xử lý ảnh

Hình 2.5 Sơ đồ xử lý ảnh

Trang 26

- Nhiễu ngẫu nhiên: vết, dấu không rõ nguyên nhân và cần phải khắc phục bằng các phép lọc

Để cải thiện ảnh thường có các phương pháp như sau:

Hình 2.6 Ảnh thu nhận và ảnh mong muốn đạt được

Để khắc phục người ta sử dụng các phép chiếu, các phép chiếu thường được xây dựng trên tập các điểm điều khiển

Giả sử (Pi, Pi’) I = 1, n có n các tập điều khiển

Tìm hàm f: Pi (Pi) sao cho min 2

Trang 27

Trích chọn đặc trưng (feature extraction)

Biểu diễn, mô tả ảnh (image representation, image description)

Phân lớp ảnh (image classification)

Trang 28

Chương 2: Ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để nâng cao độ chính xác vị trí của đế dép Đặc điểm biến đổi: Các đặc điểm loại này được trích chọn bằng việc thực hiện

lọc vùng (zonal filtering) Các bộ vùng được gọi là “mặt nạ đặc điểm” (feature mask) và thường là các khe hẹp với hình dạng khác nhau (dạng hình chữ nhật,dạng hình tam giác, dạng cung tròn v.v )

Đặc điểm biên và đường biên: Đặc trưng cho đường biên của đối tượng và do

vậy rất hữu ích trong việc trích trọn các thuộc tính bất biến được dung khi nhận dạng đối tượng Các đặc điểm này có thể được trích chọn nhờ toán tử gradient, toán

tử la bàn, toán tử Laplace, toán tử “chéo không” (zero crossing) v.v…

Việc trích chọn hiệu quả các đặc điểm giúp cho việc nhận dạng các đối tượng ảnh chính xác, với tốc độ tính toán cao và dung lượng nhớ lưu trữ giảm xuống

2.1.2.7 Nhận dạng

Nhận dạng tự động (automatic recognition), mô tả đối tượng, phân loại và phân nhóm các mẫu là những vấn đề quan trọng trong thị giác máy tính, được ứng dụng trong nhiều ngành kho học khác nhau Tuy nhiên, một câu hỏi đặt ra là: mẫu (sample) là gì? Watanabe, một trong những người đi đầu trong lĩnh vực này đã định nghĩa: “Ngược lại với hỗn loạn (chaos), mẫu là một thực thể (entity), được xác định một cách ang áng (vaguely defined) và có thể gán cho nó một tên

2.1.2.8 Nén ảnh

Nhằm giảm thiểu không gian lưu trữ Thường được tiến hành theo cả hai cách khuynh hướng là nén có bảo toàn và không bảo toàn thông tin Nén không bảo toàn thì thường có khả năng nén cao hơn nhưng khả năng phục hồi thì kém hơn Trên cơ

sở hai khuynh hướng, có bốn cách tiếp cận cơ bản trong nén ảnh:

- Nén ảnh thống kê: Kỹ thuật nén này dựa vào việc thống kê tần suất xuất hiện của giá trị các điểm ảnh, trên cơ sở đó mà có chiến lược mã hóa thích hợp

Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật mã hóa này là *.TIF

Trang 29

- Nén ảnh không gian: Kỹ thuật này dựa vào vị trí không gian của các điểm ảnh để tiến hành mã hóa Kỹ thuật lợi dụng sự giống nhau của các điểm ảnh trong các vùng gần nhau.Ví dụ cho kỹ thuật này là mã nén *.PCX

- Nén ảnh sử dụng phép biến đổi: Đây là kỹ thuật tiếp cận theo hướng nén không bảo toàn và do vậy, kỹ thuật thường nén hiệu quả hơn *.JPG chính là tiếp cận theo kỹ thuật nén này

- Nén ảnh Fractal: Sử dụng tính chất Fractal của các đối tượng ảnh, thể hiện sự lặp lại của các chi tiết Kỹ thuật nén sẽ tính toán để chỉ cần lưu trữ phần gốc ảnh và quy luật sinh ra ảnh theo nguyên lý Fractal

2.2 Phương pháp xác định sai lệch vị trí của đế dép

Trong thuật toán xác định sai lệch vi ̣ trí của đế dép, mục tiêu đặt ra là xác định được các sai lệch vị trí của đế dép hiê ̣n ta ̣i so với đế dép chuẩn đã lưu trong máy tính, bao gồm:

- Sai lệch tịnh tiến Δx theo phương ngang (phương di ̣ch chuyển trái - phải)

- Sai lệch ti ̣nh tiến Δy theo phương tới - lui

- Sai lệch góc xoay θ

Trang 30

Để thực hiện điều đó, hai đặc trưng hình học của tiết diện ngang được áp dụng lên ảnh chụp là Tâm và Góc định hướng, trong đó C(xC,yC) là tâm và α là góc định hướng của hình ảnh đế dép được chụp

2.2.1 Xác định tâm của đế dép

Hình 2.7 Xác định đặc trưng hình học của tiết diện phẳng đế dép

Tâm của tiết diện phẳng đế dép được xác định bởi công thức (1) hoặc công thức (2) đối với trường hợp phần tử rời rạc

(1)

(2)

trong đó, là diện tích nguyên tố tại và vị trí và

Đối với ảnh nhị phân của đế dép đang xét, ảnh được chia nhỏ thành các điểm ảnh (pixel) Như vậy, có thể coi sự phân bố các pixel qua hàm ảnh như sau (3):

11

C F

Trang 31

(3)

Nghĩa là tại mỗi vị trí điểm ảnh (x,y), F(x,y)= 1 nếu tại đó là nền đen (foreground – điểm thuộc ảnh của đế dép) và F(x,y) = 0 nếu đó là nền trắng

(background – điểm không thuộc ảnh của đế dép) Có thể coi diện tích nguyên tố

chính là giá trị của pixel Nếu kích thước ảnh chụp là m×n thì diện tích của toàn bộ

phần đế dép chụp trên ảnh là Khi đó với mo ̣i được chụp, có thể xác định:

n x C

y y x F F y

x y x F F x

1

)

,(1

)

,(1

(4)

Hình 2.8 Ảnh nhị phân của đế dép

Hệ trục chính trung tâm và góc định hướng:

Xét hệ trục tọa độ G(Oxy), moment quán tính ly tâm của tiết diện phẳng đối

với hệ trục tọa độ được xác định bởi công thức (5)

x F

1

0),(

Trang 32

(5) Rời rạc hóa và ứng dụng cho ảnh nhị phân để xác định moment quán tính của

đế dép chụp trên ảnh đối với hệ trục tọa độ ảnh:

(6)

trong đó: m×n là kích thước ảnh nhị phân

Giả sử hệ trục toạ độ là hệ trục quán tính ly tâm của ảnh chụp đế dép,

với C là tâm của ảnh chụp và khi đó momen quán tính ly tâm của tiết diện phẳng đối với hệ trục Juv = 0 R đạt được khi quay O một góc α chiều lượng giác quanh O, sau đó tịnh tiến từ O về C Lúc đó α gọi là góc định hướng của tiết diện phẳng

Hình 2.9 Hệ trục quán tính chính trung tâm

Ở đây, mục tiêu chính là xác định góc định hướng

Xét một điểm có tọa độ (x,y) T trong G và (u,v)T trong R, khi đó mối quan hệ

thiết lập được:

xy F

C

α y’

α

cos sinsin cos

C C C

x

x x u

Trang 33

Khi đó:

Biểu diễn dưới dạng moment thống kê

Trong một không gian hai chiều theo hai biến x, y có phân phối rời rạc F(x,y),

moment thống kê (12):

(12)

Với (p,q) là bậc của moment, là toàn bộ không gian chứa hai biến

Moment trung tâm:

(13) Khi đó, chuyển các công thức tính về dạng moment như sau:

+ Vi ̣ trí tro ̣ng tâm:

Trang 34

(14)

+ Góc hợp bởi trục chính dài nhất và trục Ox:

(15)

2.2.2 Ti ́nh toán sai lê ̣ch vi ̣ trí của đế dép

Sau khi có vị trí tâm và góc định hướng của đế dép, so sánh với vị trí tâm và góc định hướng của đế dép chuẩn Xét ảnh đế dép chuẩn và ảnh

2.2.3 Điều khiển bàn máy điều chỉnh vị trí X – Y – θ

Sau khi có các sai lệch vị trí của đế dép, tiến hành điều khiển bàn máy

bằng số xung tương ứng:

- Tịnh tiến theo phương x:

xung (18)

1,0 0,0 0,1 0,0

C

m x m m y m

2 1

atan 2

| |

x

x n

l

  

  

 

Trang 35

- Tịnh tiến theo phương y:

xung (19)

l y là bước nguyên tố của động cơ

- Quay quanh tâm:

xung (20)

φ 0 là góc quay nguyên tố của động cơ

2.3 Thuật toán xác định sai số

2.3.1 Thuật toán xác định sai số

Xét 2 tập hợp A và B Nếu A và B hoàn toàn giống nhau thì không có các phần tử vừa không thuộc A mà thuộc B hoặc không thuộc B mà thuộc A (XOR)

A B AB  AB 

Tương tự, khi so sánh hình ảnh của phôi với hình ảnh phôi chuẩn, nếu phôi đặt đúng hoàn toàn với phôi chuẩn thì 2 hình hoàn toàn giống nhau, nghĩa là phần diện tích dư ra khi đặt chồng 2 hình lên nhau bằng 0

Hình 2.10 So sánh các phần tử

| |

y y

y n

Trang 36

Hình 2.11 Xác định sai số bằng cách so sánh các phần tử

S(Im XOR ImC) = 0

Trong đó Im là hình ảnh của phôi, ImC là hình ảnh của phôi chuẩn S sẽ khác

Theo yêu cầu đặt ra, lưu đồ xử lý ảnh như sau:

Giải thuật xử lý ảnh sẽ thu nhận ảnh từ camera, tiến hành tiền xử lý (loại bỏ nền, loại bỏ chi tiết không cần thiết) chuyển về ảnh nhị phân Tiếp đến xác định tâm

và hướng của chi tiết và so sánh với hình chuẩn Kiểm tra sai số của đế dép hiện tại, nếu sai số nhỏ hơn hoặc bằng kích thước cho trước thì chuyển đế dép sang băng tải của máy in lụa, kết thúc quá trình; nếu sai số lớn hơn kích thước cho trước thì tiến hành tìm trọng tâm và góc định hướng của đế dép để tính các sai lệch vị trí của đế dép Từ đó tiến hành điều khiển bàn máy để đưa các sai lệch này về không Bước tiếp theo là kiểm tra sai số vị trí của đế dép xem có thỏa yêu cầu không? Quá trình

sẽ lặp lại các bước nêu trên Sai số được tính toán bằng phương pháp chồng hình

Trang 37

Chụp ảnh, Tiền xử lý ảnh

Kiểm tra sai số vị trí của đế dép

Sai số thỏa yêu cầu (< 0,5mm)

Chuyển đế dép sang băng tải của máy in lụa

Xác định trọng tâm của đế dép

Hình 2.12 Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh

Chương trình xử lý ảnh sẽ thu nhận ảnh từ camera, tùy vào độ phân giải của camera ảnh sẽ có độ chi tiết khác nhau Ảnh có độ phân giải cao sẽ được xử lý chính xác hơn, nhưng đồng thời cũng yêu cầu phần cứng xử lý cao hơn, nhiều không gian lưu trữ, đồng thời thời gian xử lý dài hơn Ở đây ta chọn độ phân giải của camera 640x480 điểm ảnh Thực hiện lấy ảnh từ camera, thu được hình ảnh màu với nhiều chi tiết:

Trang 38

Hình 2.13 Hình ảnh thu từ camera

Thực hiện tách nền, xử lý các yếu tố nhiễu và chuyển về dạng nhị phân (ảnh đen trắng) Việc xử lý các yếu tố nhiễu phụ thuộc nhiều vào các loại nhiễu, ánh sáng xung quanh, phản xạ ánh sáng Về lâu dài với từng trường hợp sẽ được cập nhật them trong trương trình Như ở trường hợp bên dưới những chấm đen nhỏ li ti đã được loại bỏ sau khi xử lý

Hình 2.14 Hình ảnh sau khi tách nền

Trang 39

a Trước khi lọc nhiễu, b Sau khi lọc nhiễu

Hình 2.15 Hình ảnh trước và sau khi lọc nhiễu

Tiếp đến xác định tâm và hướng của chi tiết và so sánh với hình chuẩn Từ kết quả này kết hợp với thông số dự kiến của bàn máy ta di chuyển ảnh cần khảo sát về

vị trí chuẩn

Kết luận chương 2:

Chương này đã trình bày những lý thuyết cơ bản về xử lý ảnh, xây dựng được giải thuật và viết chương trình xử lý ảnh nhận được từ camera Trong giải thuật này, các đặc trưng của tiết diện phẳng (tâm, góc hướng) được sử dụng làm chuẩn cho

quá trình xử lý ảnh nhằm tính toán các sai số X – Y – θ của đế dép so với vị trí

chuẩn của đế dép đã được lưu trong cơ sở dữ liệu Sau đó tính toán các số thông số

điều khiển bàn máy điều chỉnh vị trí X – Y – θ để khử các sai số vị trí của đế dép

Sai số được tính toán bằng phương pháp chồng hình ảnh của đế dép cần khảo sát với đế dép chuẩn để so sánh độ trùng khít

Như vậy, trong chương 2 đã trình bày phương pháp xác định sai số của đế dép Trên cơ sở đó xây dựng giải thuật, viết chương trình xử lý ảnh và chương trình điều

khiển bàn máy điều chỉnh vị trí X – Y – θ và làm cơ sở để tính toán, thiết kế hệ

thống cấp phôi cho máy in hoa văn và họa tiết dùng kỹ thuật xử lý ảnh

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	3,28 MB