Ứng dụng xử lý ảnh trong điều khiển robot tự động

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .5 LỜI CAM ĐOAN .6 LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan xử lý ảnh .9 1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 10 1.2.1 Một số khái niệm 10 1.2.2 Thu nhận ảnh 10 2.3 Biểu diễn ảnh .11 1.2.4 Các lĩnh vực xử lý ảnh 12 1.2.4.1 Nâng cao chất lượng ảnh .12 1.2.4.2 Khôi phục ảnh .12 1.2.4.3 Phân tích ảnh 13 1.2.4.4 Nén ảnh 13 1.2.4.5 Tổng hợp ảnh 13 1.2.5 Một số hệ thống xử lý ảnh 13 1.3 Một số phương pháp xử lý ảnh 14 3.1 Kỹ thuật tăng giảm độ sáng 14 1.3.2 Tăng giảm độ tương phản .16 1.3.3 Tách ngưỡng 18 1.3.4 Phép giãn ảnh đa cấp xám 18 1.3.4.1 Định nghĩa .18 1.3.4.2 Thuật toán 18 1.3.5 Các tác động ảnh xám cục 20 1.3.5.1 Tác động nhân chập ảnh 20 1.3.5.2 Các phương pháp lọc-làm nhẵn .21 1.3.5.3 Bộ lọc phi tuyến 22 1.3.5.4 Lọc phi tuyến 23 1.3.6 Phép co ảnh đa cấp xám .24 1.3.6.1 Định nghĩa .24 1.3.6.2 Thuật toán 24 1.3.7 Các phép biến đổi hình học 24 1.3.7.1 Phép dịch ảnh 24 1.3.7.2 Phép phóng to thu nhỏ ảnh 25 1.3.7.3 Phép quay ảnh .25 1.3.7.4 Kết hợp phép biến đổi hợp 26 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ C SHARP 28 2.1 Tổng quan ngôn ngữ C sharp (C #) 28 2.1.1 Giới thiệu chung ngôn ngữ C sharp (C#) 28 2.1.2 Nền tảng ngôn ngữ C# 29 2.1.2.1 Kiểu liệu 29 2.1.2.2 Biến, toán tử .31 2.1.2.3 Câu lệnh 32 2.1.3 Xây dựng lớp, đối tượng .36 2.1.3.1 Lớp 36 2.1.3.2 Thuộc tính truy cập 37 2.1.3.3 Tham số phương thức .38 1.3.4 Đối tượng .38 2.1.3.5 Khởi tạo biến thành viên 38 2.1.4 Kế thừa đa hình 39 2.1.4.1 Kế thừa 39 2.1.4.2 Đa hình 39 2.1.4.3 Lớp trừu tượng 39 2.1.5 Nạp chồng toán tử 40 2.1.6 Các lớp sở NET .41 2.1.6.1 Lớp đối tượng NET Framework 41 2.1.6.2 Lớp Timer .42 2.1.6.3 Lớp thư mục & hệ thống 42 2.1.6.4 Lớp Math 43 2.1.6.5 Lớp thao tác tập tin .44 2.1.6.6 Làm việc với tập tin liệu 44 2.1.7 Ứng dụng Window với Window Form 45 2.1.8Truy cập liệu với ADO.NET 45 CHƯƠNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG ĐIỀU KHIỂN 47 ROBOT TỰ ĐỘNG 47 3.1 Hoạt động robot 48 3.1.1 Nhiệm vụ 48 3.1.2 Hướng giá đỡ hàng so với xe nâng tự động 49 3.1.3 Khoảng cách từ xe tự động đến giá đỡ hàng 50 3.1.4 Xác định khoảng cách 50 3.1.5 Kích thước ảnh thực đối tượng .52 3.2 Ứng dụng xử lý ảnh để tính khoảng cách 54 3.2.1 Mơ tả tốn .54 3.2.2 Quá trình thu ảnh yêu cầu hệ thống 55 3.2.2.1 Đọc ảnh 55 3.2.2.2 Lọc nhiễu .55 3.2.2.3 Phân ngưỡng 56 3.3 Tính tốn khoảng cách dựa ảnh thu .59 3.4 Xây dựng chương trình 60 3.4.1Môi trường ứng dụng 60 3.4.2 Chương trình 61 3.4.2.1 Kết thực nghiệm 61 KẾT LUẬN .64 Đánh giá kết 64 Hướng phát triển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 LỜI CẢM ƠN Lời cho em gửi lời cảm ơn chân thành tới tất thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thơng - Đại học Thái Ngun nói chung thầy cô giáo Bộ môn Các Hệ thống Thông tin nói riêng Các thày, đ-ã tận tình giảng dạy, trang bị cho em vốn kiến thức kinh nghiệm quý báu để em đạt kết tốt học tập công việc em sau Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến sỹ Phạm Đức Long trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em thời gian làm đồ án vừa qua Trong thời gian hướng dẫn thầy bận thầy dành thời gian bảo truyền đạt cho em kinh nghiêm định hướng cho đồ án em đảm bảo kết quả, hoàn thành thời gian theo quy định Cuối em xin cảm ơn giúp đỡ, động viên gia đình, bạn bè dành cho em suốt thời gian qua Thái nguyên, tháng 06 năm 2012 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hoàn LỜI CAM ĐOAN Đồ án tốt nghiệp sản phẩm tổng hợp toàn kiến thức mà sinh viên học suốt thời gian học tập trường đại học Ý thức điều đó, với tinh thần nghiêm túc, tự giác lao động miệt mài thân hướng dẫn tận tình thầy giáo Tiến sỹ Phạm Đức Long em hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin cam đoan: nội dung đồ án em không chép nội dung từ đồ án khác sản phẩm đồ án thân em nghiên cứu xây dựng lên Mọi thông tin sai lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hồn LỜI NĨI ĐẦU Ngày cơng nghệ thơng tin ngày thiếu với đời sống người với tốc độ phát triển vũ bão công nghệ thông tin làm cho việc luân chuyển thông tin trở nên nhanh chóng vai trị thông tin ngày trở nên quan trọng Cùng với phát triển chung giới khu vực năm gần ngành tin học Việt Nam có bước phát triển vượt bậc Trong thời đại việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin vào thực tiễn mục tiêu Nhà nước quan tâm phát triển Việc nắm bắt, khai thác, xử lý thông tin nhanh, linh hoạt, xác kết thành cơng cao Với mong muốn tìm hiểu,tiếp cận với cơng nghệ thơng tin thời đại để có thêm kiến thức cho đường lập nghiệp tương lai, em chọn đề tài: Ứng dụng xử lý ảnh điều khiển robot tự động Mục tiêu đề tài cần giải vấn đề sau: Xây dựng chương trình cho camera đặt robot tự động xác định hướng khoảng cách tới đối tượng để cung cấp thơng tin cho máy tính điều khiển robot Trên sở đó, nội dung đề tài gồm chương sau: Chương : Tổng quan xử lý ảnh Chương : Tổng quan C sharp Chương 3: Ứng dụng xử lý ảnh để điều khiển robot tự động Mặc dù cố gắng chắn đồ án em không tránh khỏi thiếu sót hạn chế Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy(cơ) giáo để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Các bước hệ thống xử lý ảnh .9 Hình 2: Biểu diễn mức xám ảnh số .11 Hình 3: Hệ tọa độ màu RGB .12 Hình 4: Ảnh gốc (a); ảnh giảm độ sáng (b); ảnh tăng cường độ sáng (c) 16 Hình 5: (a) Ảnh gốc; (b) Ảnh giảm độ tương phản; (c) Ảnh tăng độ tương phản 17 Hình 6: (a):ảnh xám (b):ảnh đen trắng 18 Hình 7: Kiến trúc ADO.NET .46 Hình 8: Xe nâng hàng có người lái 48 Hình 9:Giá đỡ hàng tiêu chuẩn kích thước (dài x rộng x cao) mm Từ xuống dưới, từ trái qua phải: 2a): châu Âu (1200 x 800 x 144) 2b): Mỹ 2c): Hàn Quốc (1100 x 1100 x 150) 2d): Trung Quốc (1100 x 1100 x 150) .49 Hình 10: Các hệ tọa độ .50 Hình 11: Mơ hình xác định khoảng cách sử dụng camera với hai mặt phẳng ảnh mặt phẳng đối tượng song song với .51 Hình 12: Mơ hình camera pinhole mặt phẳng ảnh khơng song song mặt phẳng đối tượng 52 Hình 13:Ảnh gốc ảnh sau thực phân ngưỡng 58 Hình 14: Mơ hình chương trình xử lý 58 Hình 15: Giao diện chương trình 61 Hình 16: Giao diện thực 62 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 1.1 Tổng quan xử lý ảnh Xử lý ảnh lĩnh vực quan tâm, xử lý ảnh có quan hệ mật thiết với nhận thức ảnh người Tổng quát với hệ thống xử lý ảnh sau: Hình 1: Các bước hệ thống xử lý ảnh Theo sơ đồ trên, ảnh cần xử lý thu qua hệ thống thu nhận ảnh Hệ thống thu ảnh bao gồm thiết bị chụp ảnh camera, máy quét, máy scanner, máy chụp hình, TiVi camera… Ảnh sau thu nhận qua hệ thống thu nhận ảnh tiền xử lý, trích chọn đặc trưng, hậu xử lý,sau ảnh đượclưu thành file để đưa vào máy tính xử lý, lưu trữ, hoạc đem đối sánh để đưa kết luận Một số hệ thống bao gồm chức lấy mẫu số hóa ảnh Có nhiều loại file ảnh khác nhau: file bitmap, file jpeg, file gif, Ảnh gốc sau số hóa đưa vào máy tính để xử lý Và tùy theo ứng dụng cụ thể mà chọn cách xử lý thích hợp 1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 1.2.1 Một số khái niệm  Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh Ảnh thực tế ảnh liên tục không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hóa ảnh Trong q trình số hóa người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu (rời rạc hóa khơng gian) lượng tử hóa thành phần giá trị (rời rạc hóa biên độ giá trị), nguyên tắc mắt thường không phâ biệt hai mức kề Do người ta sử dụng khái niệm Pixel- phần tử ảnh Mỗi pixel gồm cặp tọa độ x,y màu Cặp tọa độ x,y tạo nên độ phân giải (resolution)  Ảnh: Là tập hợp điểm ảnh Khi số hóa, thường biểu diễn mảng hai chiều l (n,p): n số dịng, p số cột ta nói ảnh gồm n*p pixel Ta ký hiệu l (x,y) để điểm ảnh  Mức xám (Gray level): Là kết mã hóa tương ứng cường độ sáng điểm ảnh với giá trị số - kết q trình lượng tử hóa  Lược đồ mức xám (Histogram): Là mộ hàm cung cấp tần suất xuất mức xám Lược đồ mức xám biểu diễn hệ tọa độ vuông góc x,y Trong hệ tọa độ này, trục hồnh biểu diễn số mức xám từ đến N, N số mức xám (Số điểm ảnh có mức xám) 1.2.2 Thu nhận ảnh Muốn xử lý ảnh máy tính ta cần phải số hóa ảnh, tức đưa ảnh từ thực tế vào máy tính Ta dùng thiết bị thu nhận như: Camera cộng với chuyển đổi tương tự số AD (Analog to Digital) máy quét chuyên dụng 10