Mục đích của nghiên cứu là tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc bắn loại hạt điều trong một hệ thống gồm các thiết bị như: thiết bị nhận diện ảnh, bộ xử lý, bộ van khí nén tốc độ cao…B
TỔNG QUAN
Tổng quan về ngành công nghiệp hạt điều ở Việt Nam
1.1.1 Tầm quan trọng của việc xuất khẩu nhân hạt điều của nước ta
Trong những năm gần đây, ngành chế biến hạt điều Việt Nam có những bước chuyển biến mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng Theo Sở Công thương Thành phố Hồ Chí Minh, trong 10 tháng đầu năm 2016, xuất khẩu hạt điều đạt mức tăng trưởng 7,3% về lượng và tăng 19,12% kim ngạch so với cùng kỳ năm 2015 (đạt 274.930 tấn, thu về gần 2 tỷ USD) Đến hết năm 2016, Việt Nam tiếp tục duy trì thị phần trên 50% tổng giá trị thương mại nhân điều ở phạm vi toàn cầu Đây cũng là năm thứ 10 liên tiếp ngành điều Việt Nam giữ vị trí hàng đầu thế giới về xuất khẩu nhân điều Năm 2015, kim ngạch xuất khẩu điều của Việt Nam đạt 2,2 tỷ USD, gồm điều nhân là 2 tỷ USD, tương đương 306.000 tấn, còn 200 triệu USD là từ dầu vỏ hạt điều
Giá bán trung bình trong 11 tháng đầu năm 2015 là 6.553 USD/tấn Đều đó cho thấy rằng, giá điều nhân tăng lên trong hai năm 2015, 2016 Không giống như 2 mặt hàng xuất khẩu chủ lực trong nhóm hàng nông nghiệp là gạo và cà phê đang giảm mạnh về sản lượng lẫn giá trị, ngành xuất khẩu điều nhân lại đang có mức tăng trưởng khá tốt
Hạt điều Việt Nam hiện nay đã có mặt trên 50 thị trường khắp thế giới và không phụ thuộc vào bất cứ thị trường xuất khẩu nào Ở Hình 1.1 cho thấy những quốc gia nhập khẩu nhân điều Việt Nam lớn nhất gồm có Mỹ (30% thị phần), EU (25%), Trung Quốc (20%)
Hiện nay, Việt Nam có 465 cơ sở chế biến điều vừa và lớn cùng với trên 1.000 cơ sở gia đình, trong đó có 46 nhà máy quy mô lớn với tổng công suất chế biến trên 1 triệu tấn điều thô/năm Mục tiêu cụ thể đến năm 2020 là giữ ổn định diện tích điều khoảng 300.000 ha, năng suất 1,5 tấn hạt/ha, sản lượng 400.000 tấn hạt điều, nâng tỷ lệ chế biến sản phẩm điều lên 20% và dầu vỏ hạt điều lên 50% Tổng kim ngạch xuất khẩu hạt điều và sản phẩm từ điều đạt 2,5 tỷ USD/năm Tiêu dùng nội địa đạt tỷ trọng 20% sản lượng chế biến [1]
Hình 1.1 Các quốc gia nhập nhân hạt điều của Việt Nam
Trong những năm gần đây, ở nước ta diện tích trồng điều ngày càng tăng, nhu cầu tiêu thụ của các nước trên thế giới cũng tăng cao Vì vậy, tự động hoá dây chuyền chế biến hạt điều nhân nhằm nâng cao năng suất và chất lượng là những ưu tiên hàng đầu ở nước ta
1.1.2 Quy trình sản xuất hạt điều xuất khẩu
Hạt điều từ khâu thu hoạch đến khâu xuất khẩu phải trải qua rất nhiều giai đoạn, các giai đoạn này trình bày như Hình 1.2
Hình 1.2 Quy trình chế biến hạt điều xuất khẩu
Việc phân loại chính xác theo tiêu chuẩn xuất khẩu là khâu quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành phẩm của điều Tuy nhiên, hơn hai mươi năm qua, từ khi hình thành ngành công nghiệp chế biến hạt điều nhân, mặc dù Việt Nam đã có nhiều nhà máy chế biến, nhưng chỉ một số ít các công ty lớn mới đầu tư dây chuyền, máy móc tự động nhập từ nước ngoài, chi phí đầu tư đắt đỏ, giảm sức cạnh tranh Hiện nay, công đoạn phân loại hạt điều nhân chủ yếu được thực hiện theo phương pháp thủ công như Hình 1.3 Có thể thấy việc thực hiện bằng phương pháp thủ công tồn tại một số nhược điểm
3 sau: cần rất nhiều nhân công, làm tăng chi phí; năng suất thấp; chất lượng nhân hạt điều phụ thuộc vào trình độ tay nghề của công nhân, dẫn đến chất lượng sản phẩm không ổn định, làm giảm giá trị sản phẩm; …
Hình 1.3 Phân loại hạt điều dùng phương pháp thủ công
Tại một số nước có trình độ khoa học kỹ thuật phát triển như Nhật, Hàn Quốc, Úc… việc áp dụng máy móc tự động hóa công đoạn chế biến phân loại hạt điều được đầu tư và phát triển khá mạnh Họ đã phát triển hệ thống thiết bị chế biến phân loại hạt điều khá hoàn chỉnh, tuy nhiên giá thành thiết bị và chi phí chuyển giao công nghệ còn rất cao (3 đến 10 tỷ đồng/máy, tùy thương hiệu và năng suất), không phù hợp cho việc đầu tư, trang bị cho các đơn vị sản xuất tại Việt Nam
Gần đây Trung Quốc đã cho ra đời một số loại hệ thống xử lý, chế biến phân loại hạt điều tự động với giá cả phải chăng hơn, máy phân loại Trung Quốc giá tầm 1,5 đến
2,5 tỷ đồng/máy với năng suất 1-2 tấn/giờ Nắm bắt tình hình, một số doanh nghiệp Việt Nam đã mạnh dạn đầu tư, nhập khẩu dây chuyền thiết bị này của Trung Quốc Tuy nhiên, qua quá trình khai thác, sử dụng các thiết bị xuất xứ Trung Quốc đã bộc lộ những khiếm khuyết như chất lượng thiết bị kém, dễ hỏng hóc, tiêu tốn chi phí bảo trì, bảo dưỡng, năng suất và hiệu suất thấp Thêm vào đó, chất lượng sản phẩm đầu ra kém, không đồng đều gây tổn thất giá trị sản phẩm
4 Còn ở trong nước, theo như tìm hiểu của chúng tôi, hiện tại chưa có đơn vị nào làm chủ công nghệ và chế tạo một hệ thống phân loại nhân hạt điều hoạt động tốt, giá cả phải chăng để có thể đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp chế biến hạt điều nhân
Việc tiếp tục nhập thiết bị nước ngoài sẽ gây đắt đỏ hoặc hoạt động không ổn định, năng suất không đạt, chưa giải quyết được bài toán về chất lượng và giá thành sản phẩm, làm giảm tính cạnh tranh của mặt hàng hạt điều nhân Việt Nam trên thị trường thế giới
Chính vì vậy, việc làm chủ được hoàn toàn dây chuyền công nghệ chế biến hạt điều nói chung, và công nghệ tách màu phân loại hạt điều nhân nói riêng có ý nghĩa rất lớn Tự động hóa quá trình chế biến hạt điều sẽ giúp nước ta có thể tăng năng suất chế biến, nâng cao chất lượng sản phẩm để có thể đưa các sản phẩm hạt điều nhân vào các thị trường khó tính như Mỹ, Úc, Châu Âu…
Vì những lý do trên, nhiệm vụ của chúng ta là phát triển hệ thống phân loại nhân hạt điều, sau đó phát triển các hệ thống phân loại sử dụng nguyên lý tương tự, góp phần tăng năng suất, đẩy mạnh phát triển ngành nông nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta từ trước đến nay
1.1.3 Tiêu chuẩn của hạt điều xuất khẩu Để nghiên cứu về máy phân loại hạt điều, trước hết ta cần tìm hiểu về tiêu chuẩn của hạt điều xuất khẩu Theo quy định của hiệp hội hạt điều thế giới, phân loại hạt dựa vào màu sắc và kích thước như sau:
Sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm bằng phương pháp xử lý ảnh
Các hệ thống, máy, thiết bị phân loại sản phẩm hiện nay rất đa dạng về hình dáng, nguyên lý, khả năng phân loại, nhưng nhìn chung đều có đặc tính như sau:
- Về khả năng phân loại: có thể phân loại màu sắc, kích thước, đặc điểm hình dáng của sản phẩm, các loại sản phẩm này có thể là nông sản, khoáng sản, sản phẩm công nghiệp
- Các thành phần chính máy phân loại sản phẩm gồm các cụm như: cụm camera, cụm dẫn hướng sản phẩm, cụm phân loại sản phẩm (quyết định sản phẩm xấu-tốt), bộ điều khiển trung tâm…
Tùy vào từng loại sản phẩm phân loại mà các máy có kết cấu cơ khí, xử lý tín hiệu, và các cách phân loại khác nhau Đặc điểm cơ bản của các máy phân loại dùng xử lý ảnh là sự phối hợp tuần tự của cụm dẫn hướng sản phẩm, cụm camera, cụm phân loại sản phẩm Sản phẩm ban đầu sẽ qua bộ phận dẫn hướng đến cụm camera, cụm camera
11 lưu tín hiệu, sau đó xuất đến bộ xử lý trung tâm Qua các bước xử lý, sẽ trả tín hiệu điều khiển về cụm phân loại, cơ cấu chấp hành dựa vào tín hiệu xuất ra từ bộ điều khiển trung tâm sẽ trực tiếp phân loại sản phẩm tốt và sản phẩm xấu Đối với hầu hết các máy phân loại hiện nay, điều quan trọng là ngoài việc phân loại chính xác sản phẩm xấu tốt, còn phải đảm bảo năng suất cao, hạn chế nhân công thủ công, giảm giá thành sản xuất Đối với các loại máy phân loại nông sản, cụ thể ở đây là phân loại hạt có kích thước nhỏ như điều thì cần sự phối hợp chính xác giữa các cụm chức năng của máy, sao cho đảm bảo phân loại chính xác hạt đạt và không đạt, còn phải đảm bảo năng suất.
Tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Máy phân loại là hệ thống máy dùng để tách các sản phẩm theo các chuẩn được quy định trước, các chuẩn đó có thể là màu sắc, hình dáng, kích thước Máy phân loại các loại hạt chủ yếu dựa trên công nghệ thị giác máy, các máy phân loại này còn gọi là máy tách màu Bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ 20, khi mà kỹ thuật nhận diện hình ảnh đã phát triển và đạt được một số thành tựu thì sự phát triển của các dạng máy phân tách dựa trên kỹ thuật này cũng phát triển rất nhanh Máy tách màu hạt cũng không phải là một trường hợp ngoại lệ với sự phát triển liên tục trong 50 năm cho đến nay, có thể kể đến các mốc thời điểm:
- 1932: Máy tách màu hạt thương mại đầu tiên ra đời tại Lowell, Michigan, Mỹ bởi công ty Electric Sorting Machine
- 1937: Phát triển máy tách màu hạt dựa trên nguyên lý lựa chọn 2 màu (two-color selection)
- 1941-1970: Phát triển máy tách màu cho nhiều loại hạt khác nhau
- Thập niên 1980: Đưa ra khái niệm và phát triển máy phân loại hạt dùng kỹ thuật hồng ngoại trong nhận diện hình ảnh
- 1993: Phát triển hệ thống camera nhận diện tốc độ cao CCD và công nghệ nhận dạng hạt đang di chuyển dạng rơi tự do
- 1995: Phát triển hệ thống camera CCD với việc tích hợp hồng ngoại và dãy kích thước
12 - 1996: Phát triển hệ thống nhận dạng thông qua hình dạng và chiều dài
- 1997: Phát triển hệ thống nhận dạng sử dụng kết hợp cả nhận dạng hình ảnh thông thường và phiên bản hồng ngoại
- 1999: Phát triển phân loại hạt dựa trên nguyên lý sử dụng quét laser - 2000: Phát triển phân loại hạt dựa trên nguyên lý sử dụng tia UV
Một số công trình nghiên cứu đã được công bố như:
Năm 2008, Bundit Jarimopas và Nitipong Jaisin [2] đã công bố công trình nghiên cứu phân loại me tây bằng phương pháp xử lý ảnh, hệ thống sử dụng CCD camera để nhận diện các thuộc tính của quả me như: hình dáng, màu sắc, kích thước…cơ cấu phân loại sử dụng cơ cấu bằng xi lanh khí nén, bộ điều khiển sử dụng máy tính trung tâm, kết quả độ chính xác phân loại đạt 93% Năm 2014, C.S Nandi, B Tudu and C Koley [3] đã tiến hành nghiên cứu mô hình phân loại quả xoài, phương pháp tiến hành là dùng CCD camera chụp ảnh quả xoài đang chuyển động trên băng tải, kích thước quả xoài phân loại được tình toán dựa trên ảnh nhị phân, sau đó dùng thuật toán fuzzy để phân loại quả Trong lĩnh vực khai thác khoán sản, năm 2014, Hamzeloo [4] cùng các cộng sự đã tiến hành phân loại quặng đen và kim loại màu dựa trên màu sắc của chúng bằng phương pháp xử lý, quặng thô sau khi thoát ra khỏi băng tải, sẽ được nhận dạng bởi camera tốc độ cao và phân loại dựa vào áp lực khí từ vòi phun
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Máy phân loại hạt nông sản dùng công nghệ tách màu đang được ứng dụng rộng rãi ở nước ta trong các lĩnh vực như: phân loại nhân hạt điều, phân loại màu hạt gạo, phân loại màu hạt cà phê….Trên thị trường trong nước có nhiều loại máy được nhập từ nước ngoài như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc,… Hiện tại theo tìm hiểu, chưa có thiết bị nào được chế tạo hoàn toàn trong nước một cách hoàn chỉnh Ở Việt Nam, phân loại màu các hạt nông sản nói chung và hạt điều nói riêng đang bắt đầu được nghiên cứu ở một số viện, trường đại học, các cơ sở nghiên cứu trên cả nước Một số máy phân loại nông sản như phân loại hạt cà phê, phân loại hạt gạo đã được nghiên cứu tuy nhiên về phân loại hạt điều nhân, theo tìm hiểu trong nước hiện chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố
Các công trình trong nước liên quan đến phân loại nông sản dùng xử lý ảnh gồm
Năm 2005, viện IMI nghiên cứu chế tạo máy phân loại gạo dựa theo màu sắc
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng máy tính công nghiệp để xử lý, dữ liệu hình ảnh được lấy về bằng camera chuyên dụng dạng đường (Line CCD camera)
Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào thiết kế phần mềm xử lý Cũng trong năm này, PSG.TS Lê Hoài Quốc và TS Nguyễn Đức Thành cũng nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tách màu gạo
Năm 2007, trong luận văn tốt nghiệp của tác giả Hà Thiên Sơn, trường đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu máy phân loại cà phê bằng màu sắc” Trong đề tài này chủ yếu mang tính khảo sát công nghệ tách màu, và tác giả chưa phân tích kỹ vào giải thuật tách màu và công suất đạt được [5]
Năm 2004, Nguyễn Danh Tiến đã chế tạo và thử nghiệm máy phân loại cà phê bằng màu sắc OPSOTEC 5.01-A phục vụ xuất khẩu [6] Đề tài đã thành công trong việc chế tạo và thử nghiệm máy phân loại cà phê dựa trên màu sắc của các hạt Thiết kế của máy theo nguyên tắc dạng máng nghiêng, và hiệu suất đạt được của máy vẫn chưa thực hiện thành công.
Mục tiêu của nghiên cứu
- Khi sản phẩm qua vùng nhận dạng hạt điều cần được cấp một vận tốc phù hợp để tránh: hình ảnh thu từ camera bị biến dạng do sản phẩm đi với vận tốc quá nhanh hoặc quá chậm, van khí tốc độ cao có thể đáp ứng không kịp đáp ứng, tác động của dòng khí không đủ làm thay đổi quỹ đạo khi vận tốc quá lớn Do đó mục tiêu của đề tài là xác định quỹ đạo của hạt, xác định các khoản thời gian trong quá trình nhận diện hạt, xử lý ảnh, tín hiệu từ van điều khiển… điều này rất quan trọng, xác định các thông số trên giúp hệ thống đồng bộ, giúp bố trí vị trí camera, van khí bắn phân loại, vị trí của khay hứng thành phẩm, khay hứng phế phẩm
- Xác định các thông số ảnh hưởng đến quá trình bắn phân loại hạt thành phẩm, phế phẩm như: áp suất bắn, thời gian xử lý của một chu kỳ để xác định thông số của các thiết bị trong hệ thống
14 - Tìm hiểu các thuật toán, nguyên lý nhận dạng, các quá trình xử lý ảnh để nhận dạng màu sắc và kích thước của hạt điều trong môi trường có nhiễu, xác định vị trí để xác định đúng đối tượng cần phân loại.
Điểm mới, ý nghĩa khoa học, giá trị thực tiễn của luận văn,
- Xây dựng phương trình quỹ đạo của hạt điều, xác định ảnh hưởng của các thông số đến quá trình bắn phân loại, đảm bảo hệ thống đồng bộ, xác định đặc tính kỹ thuật của các thiết bị
- Xây dựng giải thuật xử lý ảnh, điều khiển van khí nén tốc độ cao - Đề tài mang tính ứng dụng và hiệu quả kinh tế cao
Nội dung thực hiện của luận văn
Giới thiệu tổng quan về đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trên cơ sở đó, xác định mục tiêu và hướng nghiên cứu của luận văn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các hệ thống phân loại hạt điều dùng công nghệ xử lý ảnh
Trên thế giới, phương pháp phân loại ứng dụng công nghệ xử lý ảnh đã được sử dụng rộng rải từ rất lâu và ứng dụng rộng rãi cho nhiều sản phẩm, lĩnh vực khác nhau
Máy phân loại dùng để tách các sản phẩm theo các chuẩn được quy định trước, các chuẩn đó có thể là màu sắc, hình dáng, kích thước… ứng dụng trong phân loại nông sản (các loại củ, hoa quả, các loại hạt), trong phân loại đất đá của ngành địa chất, hoặc ứng dụng trong ngành công nghiệp (phân loại màu sản phẩm, phân loại rác tái chế)
Một hệ thống máy phân loại nhân hạt điều tác giả đề xuất nghiên cứu gồm các thành phần chính như sau:
1 Bộ phận cấp liệu: Bộ phận này bao gồm các máng, hệ thống cấp liệu rung cho hệ thống, có tác dụng phân làm rời hạt
2 Cụm dẫn: Bộ phận này có tác dụng phân hạt điều thành các lớp có độ dày đồng đều nhau phục vụ cho quá trình nhận dạng, nhiệm vụ quan trọng nhất là cấp vận tốc ban đầu cho hạt điều đến cụm camera và cụm bắn phân loại
3 Cụm đầu phun khí nén: Bộ phận này sử dụng để định hướng dòng khí nén tác dụng lực lên hạt điều khi có tín hiệu điều khiển
4 Cụm hút và lau bụi cho camera và đầu phun: Bộ phận này được thiết kế để đảm bảo được độ chính xác của quá trình nhận dạng, hạt điều đưa vào máy thường có nhiều vụn vỡ bám trên hạt nên cần có thiết bị hút liên tục không khí bên trong máy giúp máy luôn sạch Việc vận hành máy cần được lau bụi định kỳ trong thời gian hoạt động nên cần có hệ thống lau kính của camera và nền tương thích
17 5 Cụm cấp khí nén: Bộ phận này là thiết bị ngoại vi không nằm trong máy nhưng có vai trò quan trọng trong hoạt động của máy, cụm này cần được tính toán thiết kế và chọn các thông số thích hợp
Bộ phận này bao gồm: đèn chiếu sáng, nền nhận dạng, hệ thống camera nhận dạng, thiết bị chấp hành dùng để phân loại, bộ phận điều khiển trung tâm, màn hình cảm ứng, nút nhấn và phần mềm giao diện người dùng Trong đó bao gồm việc thiết kế đồ gá cho camera giúp cho hệ thống được ổn định và giúp cho việc calip ban đầu khi sử dụng máy, trong cụm này được tích hợp phần xử lý ảnh để thực hiện nhận dạng và cho ra tín hiệu điều khiển hệ thống
7 Cụm chứa nguyên liệu thành phẩm, phế phẩm Bộ phận để chứa các nguyên liệu thành phẩm và phế phẩm sau khi đã phân loại
Các bộ phận ở trên là các thành phần chính của một máy phân loại màu sắc và kích thước của nông sản có kích thước nhỏ, thường ở dạng hạt như hạt điều, gạo, cà phê…
Các máy phân loại dựa trên màu sắc và hình dáng thường được thiết kế dưới 2 dạng chính: dạng máng trượt hoặc dạng băng tải Cả 2 loại máy này đều có các bộ phân chính như đã nêu ở trên
2.1.1 Nguyên lý dạng băng tải
Hình 2.1 thể hiện nguyên lý dạng băng tải bao gồm 7 phần chính: thùng chứa nguyên liệu (10), bộ phận cấp rung (3), máng trượt (2), băng tải (10), đèn chiếu (5) và cụm camera (6, 11, 12), van (5), thùng chứa và sản phẩm tốt (8a, 10a), thùng chứa và sản phẩm xấu (8b, 10b) Quy trình dạng băng tải: nguyên liệu từ phễu được bộ phận cấp rung đưa lần lượt trượt qua máng Băng tải di chuyển sản phẩm với tốc độ phù hợp để sản phẩm rơi ra khỏi băng tải Đèn chiếu giúp camera nhận dạng rõ mặt của sản phẩm
Sau khi có kết quả nhận dạng sản phẩm thì sẽ xuất tín hiệu ra van để bắn loại sản phẩm xấu hoặc không bắn sản phẩm tốt
Hình 2.1 Nguyên lý phân loại dạng băng tải
Sản phẩm tốt sẽ rơi vào thùng chứa sản phẩm tốt và sản phẩm xấu sẽ rơi vào thùng phế phẩm Số lượng sản phẩm trượt ra khỏi máng phụ thuộc vào tốc độ rung của bộ phận cấp rung Tốc độ di chuyển của sản phẩm phụ thuộc vào tốc độ của băng tải, tốc độ bắt ảnh của camera và tốc độ bắn của van phân loại Đối với mô hình này, quỹ đạo của hạt điều sẽ trở thành bài toán một vật chịu tác động của trong lực với vận tốc đầu là hằng số
Máy phân loại sử dụng bao gồm 6 phần chính: phần phễu chứa nguyên liệu (21), phần cấp rung (22), phần máng trượt (3), phần camera (411a, 411b) và đèn chiếu (412a, 412b), phần van khí nén (431) và phần thùng chứa sản phẩm (441) đã qua xử lý Máng trượt thường có bề mặt phẳng, một số loại máng trượt khác dùng để xử lý phân loại chính xác còn được xẻ rãnh, phân luồng để đảm bảo sản phẩm di chuyển thẳng qua khâu nhận dạng Qui trình hoạt động: nguyên liệu từ phễu (21) được bộ phận cấp rung (22) đưa lần lượt trượt qua máng (3) Đèn chiếu (412a, 412b) từ cả hai mặt, giúp camera (411a, 411b) nhận dạng rõ từ 2 mặt của sản phẩm Sau khi có kết quả nhận dạng sản phẩm thì sẽ xuất tín hiệu ra van (431) để bắn loại sản phẩm xấu hoặc không bắn sản phẩm tốt Sản phẩm tốt sẽ rơi vào thùng chứa (441) Số lượng sản phẩm trượt ra khỏi
19 máng phụ thuộc vào tốc độ rung của bộ phận cấp rung Tốc độ di chuyển của sản phẩm phụ thuộc vào độ nghiêng của máng trượt, tốc độ bắt ảnh của camera và tốc độ bắn của van phân loại Do đó, camera xử lý ảnh trong máy phân loại độ khỏi tốc độ cao (>10.000 ảnh/giây), và tốc độ đóng ngắt van cũng phải nhanh (>1000Hz) Tốc độ di chuyển của sản phẩm phụ thuộc và độ nghiêng của máng, ma sát giữa máng và sản phẩm Tùy vào năng suất theo yêu cầu mà lựa chọn góc nghiêng, lưu lượng sản phẩm và đặc tính của camera cho phù hợp
Hình 2.2 Nguyên lý máy phân loại dạng máng trượt
20 Đối với mô hình toán này, quỹ đạo của hạt sẽ là bài toán hạt chuyển động theo máng nghiêng với vận tốc v0 ban đầu, vận tốc này phụ thuộc vào độ nghiêng của máng và yếu tố ma sát giữa máng và hạt
Hình 2.3 Lực tác dụng lên hạt trong mô hình máng nghiêng
Hình 2.3 thể hiện các lực tác dụng lên máng trong mô hình, bao gồm các yếu tố như độ nghiêng, chiều dài máng, vận tốc, khối lượng của hạt…
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG NHÂN HẠT ĐIỀU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Thuật toán nhận dạng
Trong quá trình phân loại hạt điều, camera thu thập dữ liệu từng dòng một cách liên tục Đây là bước quan trọng hàng đầu để đảm bảo nhận đủ tín hiệu của từng hạt
Trong trường hợp lý tưởng, với một dòng hạt (các hạt không che nhau), cách một khoảng nhất định, với một vận tốc nằm trong khoảng cho phép, được quét bởi một camera có tần số quét thích hợp, ta sẽ thu nhận toàn bộ tín hiệu của mọi hạt Sau bước này, chúng ta sẽ thu được dữ liệu ảnh chứa trong bộ đệm Bộ xử lý phân tích dữ liệu, xác định màu hạt, kích thước, khuyết tật…xem có vào nhóm loại bỏ hay không Sau khi đã xác định được hạt xấu, bước tiếp theo là dùng phương pháp tách biên để lọi hạt xấu ra khỏi nền
Tách biên với mục đích để tìm trọng tâm hạt xấu Sau khi xác định được trọng tâm của hạt xấu, van khí nén sẽ kích hoạt để thổi hạt vào ô phế phẩm
Trước tiên là sử dụng bộ lọc trung bình để lọc bớt nhiễu, sau đó dùng thuật toán để tìm ra trọng tâm hạt xấu
Hình 4.1 Thuật toán nhận diện màu hạt điều Ở bước đầu tiên là tổng hợp ảnh, khi dùng CCD camera để thu nhận ảnh, dữ liệu ảnh thu được ở dạng đường sẽ đưa vào vùng nhớ, ta chưa có thể xử lý kết quả ngay được mà phải qua một bước xử lý Quy trình xử lý chập được thể hiện ở sơ đồ
Xác định vị trí biên
Chuyển đổi không gian màu
Ra quyết định phân loại
Hình 4.2 Thuật toán chập hình thu được từ camera 4.1.1 Quá trình lọc:
Trong quá trình camera thu nhận ảnh, ảnh có thể bị suy thoái do các nguồn nhiễu gây ra, nguyên nhân gây nhiễu có thể do bị ảnh hưởng bởi các điều kiện xung quanh hay do quá trình truyền ảnh để xử lý Ảnh thu được thường có hai nguồn nhiễu chính đó là: nhiễu muối tiêu và nhiễu cuộn Nhiễu muối tiêu xuất hiện khi một hình ảnh được mã hóa và truyền qua một kênh có nhiễu hoặc ồn điện từ Nhiễu cuộn là do thấu kính không hội tụ, sự chuyển động, hoặc sự nhiễu loạn khí quyển trong những điều kiện thời tiết bất lợi Cả 2 nguồn nhiễu này phân bố ở các thành phần tần số cao Để loại đi các thành phần nhiễu, người ta thường sử dụng bộ lọc trung bình Hình 4.3 thể hiện sơ đồ của bộ lọc trung bình
Hình 4.3 Sơ đồ hoạt động của bộ lọc trung bình Đọc một Line ảnh L[index]
Dịch chuyển mảng 64 phần tử Image[63]=Image[62]
Image[0]=L[Index] Ảnh Image là khung ảnh 64 *độ dài khung ảnh L ( xử lý trên Image và L[Index]
58 Ngoài ra có thể sử dụng một số bộ lọc trung bình khác như:
- Geometric Mean - Harmonic Mean - Contraharmonic Mean
Sau khi cho ảnh qua bộ lọc trung bình thì ảnh đã được lọc đi một phần nhiễu
Bước tiếp theo của quá trình xử lý ảnh trong thuật toán nhận diện màu sắc là qua bộ chuyển đổi không gian màu
Việc chuyển đổi này mục đích là làm không gian màu phù hợp với thị giác của con người Bộ chuyển đổi trong giải thuật này chuyển không gian màu từ RGB sang HSV
4.1.2 Chuyển đổi không gian màu
Việc chuyển đổi không gian màu từ RGB sang HSV là hoàn toàn cần thiết cho nhận diện màu sắc Bởi vì không gian màu HSV là hoàn toàn không gian màu phù hợp với thị giác của con người Hình 4.4 thể hiện sơ đồ chuyển không gian màu Ngoài ra trong nhiều trường hợp, ta chỉ cần dùng đến ảnh xám mà không cần màu RGB, HSV…
Hình 4.4 Sơ đồ chuyển đổi RGB sang HSV
Hình 4.5 Ảnh gốc của nhân hạt điều
Hình 4.6 Ảnh sau khi tách ngưỡng
Hình 4.7 Ảnh gốc trước khi chuyển không gian màu
Hình 4.8 Ảnh sau khi chuyển ảnh xám
Nếu ảnh của hạt điều thu được đơn thuần không chịu tác động của cường độ ánh sáng thì lúc này ta có thể dùng ngưỡng để quan tâm đến màu sắc của hạt xấu và hạt tốt
Vì mẫu vật xấu đã được định sẵn nên ta biết biết được dãi màu nào thì hạt điều đạt tiêu chuẩn hay không Để có thể phân nhiều loại màu tiêu chuẩn hạt điều khác nhau thì ta phải xây dựng từng thư viện riêng cho nó
Nhưng trong thực tế, ảnh chúng ta thu nhận được khi trong chụp không chỉ đơn giản như vậy, ảnh thu nhận còn chịu ảnh hưởng bởi độ chiếu sáng Thuật toán sử dụng không gian màu HSV để thuận tiện cho nhận dạng màu sắc Đặc tính của không gian màu HSV: H là bước sóng ánh sáng, V là cường độ ánh sáng, S độ tinh khiết của ánh sáng gốc Để chọn ngưỡng cho ảnh ta sử dụng bước sóng H Cũng trong không gian màu này, giá trị của V mà càng lớn thì giá trị của S cũng càng lớn và ngược lại Vì thế khi xử lý chọn ngưỡng ta chú ý đến thông số H đầu tiên, tiếp theo là 2 thông số còn lại.
Hình 4.9 Sơ đồ bộ phân ngưỡng
Hình 4.10 Mô tả ngưỡng của nhân hạt điều tốt
Hình 4.11 Mô tả ngưỡng của nhân hạt điều xấu
Hình 4.12 Biên độ ngưỡng màu RGB của nhân hạt điều xấu
Hình 4.13 Ngưỡng màu RGB của nhân hạt điều xấu
Hình 4.14 Ngưỡng màu của hạt điều bị lỗi
Rõ ràng sau khi lấy ngưỡng đúng ta sẽ xác định chính xác vị trí, diện tích bao của nhân hạt điều, từ đây ta sẽ tiến hành xử lý sâu vào lỗi để tính toán phân tính chất lượng
Hình 4.15 Ảnh trước và sau lấy ngưỡng
Ta thấy rằng ở các hạt điều xấu, lấy ngưỡng sẽ tạo ra một diện tích màu lỗi nhiều hơn hạt điều tốt (hạt điều tốt gần như không có màu xám nhiều)
Vậy dựa vào tỉ lệ Diện tích vùng xám/ Diện tích vùng sang (trên cùng nhân hạt điều) ta có thể dễ dàng phân loại ra được loại hạt điều, đồng thời nếu diện tích vùng sáng không đủ lớn, đồng nghĩa là hạt điều đã vỡ
Thuật toán lọc nhiễu được dùng trong quá trính xử lý này còn được gọi là Mophologyclose Thuật toán này dựa trên hai phép “dãn” và “co”
64 - Phép toán co (Erosion) là một trong hai hoạt động cơ bản (khác phép giãn nở) trong hình thái học có ứng dụng trong việc giảm kích thước của đối tượng, tách rời các đối tượng gần nhau, làm mảnh và tìm xương của đối tượng
Phép toán giãn nở (Dilation) được được định nghĩa ⊕ = ⋃ ớ ⊂ trong đó, A là đối tượngtrong ảnh, B là một cấu trúc phần tử ảnh Phép toán này có tác dụng làm cho đối tượng ban đầu trong ảnh tăng lên về kích thước (giản nở ra)
Hình 4.16 Sơ đồ của bộ lọc nhiễu
Hình 4.17 Anh gốc trước khi qua lọc
Hình 4.18 Ảnh qua eros bậc 6
Hình 4.19 Ảnh qua bộ lọc eros bậc 12
Hình 4.20 Ảnh qua bộ thuật toán tính toán diện tích
Hình 4.21 Ảnh qua bộ tính tính toán định hướng
Kết luận
- Luận văn đã tìm được các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình bắn phân loại hạt điều ứng dụng xử lý ảnh Việc tìm các thông số công nghệ này có thể giúp ta điều chỉnh để đạt được kết quả tối ưu của yêu cầu đặt ra Từ đó thiết kế các bộ phận theo thông số đã tính toán
- Dựa vào phương trình quỹ đạo của hạt điều trong lúc phân loại, ta có thể biết được các thông số thời gian điều khiển cho toàn hệ thống, qua thời gian đó, thiết kế, lựa chọn các thiết bị phù hợp với thời gian của hệ thống
- Xây dựng được thuật toán nhận dạng hạt điều ứng dụng xử lý ảnh và thử nghiệm trên mô hình thực tế.
Hướng phát triển
- Thiết kế, hoàn thiện kết cấu cơ khí của máy dạng công nghiệp từ các thông số thiết kế đã được trình bày trong luận văn
- Tiếp tục hoàn thiện thuật toán nhận dạng, thử nghiệm trên máy công nghiệp, thực nghiệm các thông số để đạt được hiệu suất cao nhất của máy
