Thiết kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Nguyễn Bảo Thiện Lớp: 48CKCD Nghành: Công nghệ cơ-Điện tử MSSV: 48132294 Tên đề tài “Thiết kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh”.(phần xử lý ảnh) Số trang: 78 Hiện vật: Mô hình mobile robot, 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD. NHẬN XÉT KẾT LUẬN:……………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………… …… ……………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………… Nha Trang, ngày….tháng…năm……. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Kí, ghi rõ họ tên) PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Bảo Thiện Lớp: 48 CKCD Nghành : Công nghệ cơ-Điện tử MSSV: 48132294 Tên đề tài “Thiết kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh”(phần xử lý ảnh) Số trang: 78 Hiện vật: Mô hình mobile robot, 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Kết luận: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ĐIỂM PHẢN BIỆN Bằng số Bằng chữ Nha Trang, Ngày… , tháng… , năm… GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN (kí, ghi rõ họ tên) ĐIỂM CHUNG Bằng số Bằng chữ Nha Trang, ngày… , tháng……, năm…… CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (kí, ghi rõ họ tên) i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i LỜI MỞ ĐẦU 1 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN 2 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 1.1 Ảnh và hệ thống xử lý ảnh 4 1.1.1 Ảnh 4 1.1.2 Hệ thống xử lý ảnh 5 1.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 6 1.2.1 Biểu diễn và mô hình hoá ảnh 6 1.2.2 Tăng cường chất lượng ảnh 7 1. 2.3 Khôi phục ảnh 7 1.3 Giới thiệu Image Processing Toolbox và ứng dụng xử lý ảnh 8 1.3.1 Giới thiệu Image Processing Toolbox 8 1. 3.2 Các khái niệm và qui ước trong Image Processing Toolbox 9 1.3.2.1 Hệ toạ độ quản lý ảnh 9 1.3.2.2 Các loại ảnh trong MatLab 10 1.3.3 Một số không gian màu trong Image Processing toolbox 12 1.3.3.1 Không gian màu RGB 12 1.3.3.2 Không gian màu HSV 12 1.3.3.3 Không gian màu YCbCr 13 1.3.4 Giới thiệu các phép xử lý ảnh cơ bản trong MatLab 14 1.3.4.1 Đọc, ghi, hiển thị ảnh 14 1.3.4.2 Xử lý ảnh 14 1.4 Các bước giao tiếp nối tiếp bằng Matlab 15 1.5 Hệ ảnh vật 17 1.5.1 Phép biến đổi chiếu hình 17 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 20 ii 2.1 Phương pháp nghiên cứu 21 2.2 Nội dung nghiên cứu 21 2.2.1 Thu nhận ảnh 21 2.2.2 Tiền xử lý ảnh 28 2.2.2.1 Lọc tuyến tính 28 2.2.2.2 Biến đổi ảnh 29 2.2.3 Phân ngưỡng 35 2.2.4 Khử nhiễu và tách đối tượng 37 2.2.5 Xuất tín hiệu điều khiển robot 43 2.2.5.1 Trên Matlab 43 2.2.5.2 Dưới Vi điều khiển 45 2.3 Phần cứng 46 2.3.1 Kết cấu cơ khí 46 2.3.2 Mạch điều khiển 47 2.3.3 Mạch công suất 48 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM – PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 49 3.1 Xử lý ảnh 50 3.2 Điều khiển robot 51 3.3 Các phương hướng phát triển của đề tài 51 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 53 4.1KẾT LUẬN 54 4.2 ĐỀ XUẤT 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sơ đồ khối của đồ án 2 Hình 1.1: Ảnh tương tự và Ảnh số hoá 5 Hình 1.2: Các giai đoạn chính trong hệ thống xử lý ảnh 5 Hình 1.3: Mô tả ảnh bằng ma trận điểm 6 Hình 1.4 : Hệ toạ độ điểm ảnh 9 Hình 1.6: Không gian màu RGB 12 Hình 1.7: Không gian màu HSV 13 Hình 1.8: Không gian màu YCbCr 13 Hình 1.9: Mô hình giao tiếp bằng cổng COM trong MatLab 16 Hình 1.10: Cấu tạo chính của camera 17 Hình 1.11: Ảnh của vật thể qua thấu kính 17 Hình 1.12 19 Hình 2.1: Các thành phần bên trong Image Acquisition Toolbox 21 Hình 2.2: Cửa sổ preview 24 Hình 2.4 28 Hình 2.5 30 Hình 2.6 30 Hình 2.7 31 Hình 2.8 32 Hinh 2.9 33 Hình 2.10 34 Hình 2.11 34 Hình 2.12 35 Hinh 2.13 36 Hinh 2.14 41 Hình 2.15 43 Hinh 2.16: lưu đồ điều khiển robot 44 Hình 2.17: Lưu đồ giải thuật trên vi điều khiển 45 iv Hình 2.18 46 Hinh 2.19 46 Hình 2.20 47 Hình 2.21 48 Hình 2.22 50 Hình 2.23 50 Hình 2.24 51 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong thế giới cảm biến đa dạng và ngày càng phát triển, Camera có thể xem là một loại cảm biến phức tạp và tiên tiến nhất, hình ảnh thu được từ camera chứa đựng trong nó rất nhiều thông tin. Cũng chính vì thế mà các ứng dụng liên quan đến camera ngày càng được chú trọng và ứng dụng vào thực tế sản xuất. Những ứng dụng liên quan đến camera đã triển khai có thể kể đến là: kiểm tra lỗi trong dây chuyền sản xuất ổ cứng máy tính, giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông bằng camera thời gian thực, các hệ thống nhận dạng người, các robot có gắn camera hoặc gần đây là robot Asimo của công ty Honda Nhật… Ẩn đằng sau những chiếc camera bé nhỏ và những thành tựu lớn đó là ngành khoa học xử lý ảnh. Ngành khoa học này ngày càng phát triển và góp phần chính trong việc thúc đẩy các ứng dụng liên quan đến camera nói riêng và khoa học kỹ thuật nói chung. Xử lý ảnh là một ngành khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác. Hiện nay nó đang là một trong những lĩnh lực được quan tâm và đã trở thành môn học chuyên ngành trong các trường đại học. Nhờ có công nghệ số hoá hiện đại, ngày nay con người đã có thể xử lý tín hiệu nhiều chiều thông qua nhiều hệ thống khác nhau, từ những mạch số đơn giản cho đến những máy tính song song cao cấp. Nhận thức được xu hướng và tầm quan trọng của công nghệ xử lý ảnh như trên, nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh”. Đối tượng nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng Image Acquisition Toolbox để thu thập ảnh và Image Processing Toolbox để xử lý ảnh. Ngoài ra còn tìm hiểu giao tiếp giữa Matlab và Vi điều khiển AVR(Atmega 32L), thiết kế giao diện GUI trên MatLab, dùng PWM điều khiển động cơ DC… Trong quá trình thực hiện Đồ Án cùng với sự nổ lực của bản thân và áp dụng kiến thức được trang bị ở trường, em đã có nhiều cố gắng để thực hiện tốt Đồ Án. Tuy nhiên, do kiến thức và khả năng có hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy. Nha Trang, tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Bảo Thiện 2 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Sau thời gian học tập và làm việc , đề tài đã hoàn thành và đã giải quyết được những vấn đề sau: - Nghiên cứu sử dụng Image Acquisition Toolbox trong MatLab để thu thập ảnh từ camera. - Nghiên cứu Image Processing Toolbox trong MatLab để xử lý ảnh và ứng dụng vào điều khiển robot. - Nghiên cứu dòng vi điều khiển AVR - Thi công hoàn chỉnh một Mobile Robot gồm kết cấu cơ khí, mạch điều khiển và chương trình điều khiển Atmega32L bằng ngôn ngữ C với phần mềm CodeVision. Sơ đồ khối được trình bày bên dưới: Hình 1: Sơ đồ khối của đồ án  Qui trình làm việc của robot là dựa vào thông tin về vị trí đối tượng (1) phản hồi từ camera (2), máy tính thu thập các khung ảnh bằng Image Acquisition Toolbox (3). Sau quá trình xử lý các khung ảnh (4) ta được thông tin về toạ độ tâm và khoảng cách của đối tượng. Dựa vào các thông tin này để tính toán lệnh điều khiển, gửi thông qua cổng COM (6). Robot sẽ điều khiển các động cơ (7) để điều chỉnh vị trí tương đối của nó so với đối tượng theo các lệnh điều khiển. Cụ thể, yêu cầu đặt ra là điều khiển cho robot bám theo đối tượng với một khoảng cách xác định. 3 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 1.1 Ảnh và hệ thống xử lý ảnh 1.1.1 Ảnh - Tín hiệu ảnh thuộc loại tín hiệu đa chiều: toạ độ(x,y), độ sáng(  ), thời gian(t). - Ảnh(tĩnh) không gian 2 chiều được định nghĩa là một hàm 2 biến S(x,y), với S là giá trị biên độ(độ sáng) tại vị trí toạ độ (x,y). + Ảnh tương tự S(x,y): Miền xác định (x,y) liên tục. Miền giá trị S liên tục. + Ảnh số S(m,n) (ảnh tương tự được số hoá): Miền xác định (m,n) rời rạc. Miền giá trị S rời rạc. - Một ảnh (bao gồm một tập các điểm ảnh) có thể xem như bao gồm tập các ảnh con (các vùng ảnh). Thuật ngữ gọi là ROIs – vùng quan tâm (Regions of Interest). - Ảnh số trong không gian rời rạc thu được từ ảnh tương tự trong không gian liên tục thông qua quá trình số hoá. + Ảnh tương tự được chia thành M hàng, N cột. + Giao của hàng và cột được gọi là: pixel (điểm ảnh) + Giá trị biên độ của pixel tại toạ độ nguyên (m,n) là S(m,n): là trung bình độ sáng trong pixel đó. S(m,n) ≤ L (L số mức xám dùng biểu diễn ảnh). - M, N thường được chọn là M=N=2 K (K=8,9,10). L =2 B , B là số bít mã hoá cho độ sáng (biên độ) mỗi pixel. - Ảnh số được biểu diễn bởi ma trận 2 chiều. Các phần tử của nó là biểu diễn cho các pixel số hoá. - Ta ký hiệu 1 ảnh số là S(M,N). Ta nói ảnh có độ phân giải MxN. Ký hiệu S(m,n) để chỉ ra một phần tử ảnh. [...]... 1.1: Ảnh tương tự và Ảnh số hoá 1.1.2 Hệ thống xử lý ảnh - Xử lý ảnh: Ảnh vào  Ảnh kết quả - Đối tượng xử lý của hệ thống ở đây là các hàm 2 biến liên tục hoặc rời rạc - Có thể tóm tắt hệ thống xử lý ảnh gồm các giai đoạn chính như sau: Hình 1.2: Các giai đoạn chính trong hệ thống xử lý ảnh + Thu nhận ảnh: - Qua các camera (tương tự, số) - Từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (Sensors) - Qua các máy quét ảnh. .. image: Hiện ảnh với tuỳ chọn thêm các công cụ quản lý ảnh + imagesc: Hiện ảnh với tuỳ chọn scale toàn khung hình 1.3.4.2 Xử lý ảnh Phép xử lý hình thái ảnh (morphology) là các phép xử lý nhằm biến đổi hình dạng của ảnh Hai phép biến đổi thông dụng là phép giãn ảnh (dilation) và phép ăn mòn (erosion) Đối với phép biến đổi morphology, giá trị mỗi điểm ảnh của ảnh sau biến đổi là kết quả của phép xử lý so sánh... đang được áp dụng vào nhận dạng và cho kết quả khả quan 1.3 Giới thi u Image Processing Toolbox và ứng dụng xử lý ảnh 1.3.1 Giới thi u Image Processing Toolbox Image Processing Toolbox là một tập hợp các hàm của phần mềm MatLab liên quan đến xử lý ảnh số Toolbox này hỗ trợ rất nhiều hàm xử lý ảnh khác nhau trên nhiều loại ảnh khác nhau Các phép xử lý ảnh bao gồm:  Các phép biến đổi ảnh theo không gian... Matrox Các thi t bị dùng chuẩn Windows Driver Model (WDM) hoặc Video for ‘winvideo’ Windows (VFW) Bao gồm các loại USB WEBCAM và camera IEEE 1394 * Chỉ định thi t bị: Tuỳ vào loại thi t bị (adaptor name), mỗi thi t bị cùng loại gắn vào PC được đánh số ID, thi t bị thứ nhất có deviceID=1, thi t bị thứ 2 có deviceID=2, v.v… Để liệt kê xem loại winvideo có bao nhiêu thi t bị gắn vào máy, ta cũng dùng lệnh... thái ảnh (morphological operations)  Các phép xử lý lân cận và xử lý khối (neighborhood and block operations)  Lọc tuyến tính và thi t kế bộ lọc ảnh (linear filtering and filter design)  Các phép biến đổi ảnh thông qua hàm truyền (transforms)  Phân tích và tăng cường chất lượng ảnh (image analysis and enhancement) 9  Nhận dạng ảnh (image registration)  Chống mờ (deblurring)  Tạo vùng ảnh xử lý. .. về phối cảnh, bố cục Mô hình cục bộ: Là mô hình biểu diễn thể hiện mối tương quan cục bộ của các phần tử ảnh (ứng dụng cho các bài toán xử lý và nâng cao chất lượng ảnh) Mô hình tổng thể: Là mô hình biểu diễn ảnh xem ảnh như là một tập hợp các đối tượng, và các đối tượng này có mối quan hệ không gian với nhau (ứng dụng cho các bài toán phân nhóm và nhận dạng ảnh) 1.2.2 Tăng cường chất lượng ảnh Mục... NGHIÊN CỨU 21 2.1 Phương pháp nghiên cứu Bước 1: Thu nhận ảnh Bước 2: Tiền xử lý ảnh Bước 3: Phân ngưỡng Bước 4: Khử nhiễu và tách đối tượng Bước 5: Xuất tín hiệu điều khiển robot 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.2.1 Thu nhận ảnh Dùng Image Acquisition Toolbox của MatLab để thu thập ảnh số từ các thi t bị thu hình Hình 2.1: Các thành phần bên trong Image Acquisition Toolbox 22 Cụ thể được thực hiện theo các bước... camera kết nối tới PC) Gõ lệnh imaqhwinfo để biết tên các loại thi t bị có thể dùng >> imaqhwinfo ans = InstalledAdaptors: {'coreco' 'winvideo'} MATLABVersion: '7.6 (R2008a)' ToolboxName: 'Image Acquisition Toolbox' ToolboxVersion: '3.1 (R2008a)' Tên Loại thi t bị 'coreco' Thi t bị của công ty coreco ‘DCAM’ Các thi t bị dùng chuẩn IEEE 1394 ‘dt’ Các thi t bị của Data Translation ‘Matrox’ Các thi t bị... 14 1.3.4 Giới thi u các phép xử lý ảnh cơ bản trong MatLab 1.3.4.1 Đọc, ghi, hiển thị ảnh Để đọc một ảnh số vào MatLab, ta dùng lệnh imread Lệnh này có thể đọc tất cả các dạng ảnh được MatLab hỗ trợ Khi ảnh đầu vào có độ sâu màu 8bit, MatLab sẽ dùng kiểu dữ liệu 8 bit tương ứng, khi ảnh vào kiểu 16 bit, như kiểu PNG hay TIFF, MatLab dùng kiểu dữ liệu 16 bit để lưu giữ Ví dụ sau đọc một ảnh có tên là... ngược, lọc thích nghi(Wiener), khôi phục ảnh từ các hình chiếu 1.2.4 Nhận dạng Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó Thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính của đối tượng Có 2 kiểu mô tả đối tượng: + Mô tả theo tham số (nhận dạng theo tham số) + Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc) Ứng dụng: nhận dạng đối tượng, mặt, vân tay, văn bản…Mạng nơron . hướng và tầm quan trọng của công nghệ xử lý ảnh như trên, nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài Thi t kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh . Đối. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Bảo Thi n Lớp: 48 CKCD Nghành : Công nghệ cơ-Điện tử MSSV: 48132294 Tên đề tài Thi t kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh (phần. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Bảo Thi n Lớp: 48CKCD Nghành: Công nghệ cơ-Điện tử MSSV: 48132294 Tên đề tài Thi t kế và thi công mobile robot bám theo đối tượng dùng phương pháp xử lý ảnh .(phần