Xây dựng hệ giám sát, điều khiển vi kẹp

Mục lục Trang Mục lục Danh mục thuật ngữ .4 Danh sách hình vẽ dùng luận văn Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VI KẸP .8 1.1 Sự hình thành toán 1.2 Cách giải .8 1.3 Sơ lược vi kẹp 1.3.1 Giới thiệu 1.3.2 Chế tạo 1.3.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon 10 1.3.4 Thông số kỹ thuật vi kẹp có gắn cảm biến .11 Chương 15 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 15 2.1 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh 15 2.1.1 Các trình xử lý ảnh .15 2.1.1.1 Thu nhận ảnh 16 2.1.1.2 Phân tích ảnh 17 2.1.1.3 Nhận dạng ảnh 17 2.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 18 2.1.2.1 Một số khái niệm 18 2.1.2.2 Biểu diễn ảnh Error! Bookmark not defined 2.1.2.3 Biến đổi ảnh Error! Bookmark not defined 2.1.2.4 Biểu diễn màu Error! Bookmark not defined 2.1.2.5 Tổng hợp màu sánh màu Error! Bookmark not defined 2.1.2.6 Hệ toạ độ màu Error! Bookmark not defined 2.2 Một số phương pháp biểu diễn ảnh Error! Bookmark not defined 2.2.1 Mã loạt dài Error! Bookmark not defined 2.2.2 Mã xích Error! Bookmark not defined 2.2.3 Mã tứ phân Error! Bookmark not defined 2.3 Một số lý thuyết xử lý nhận dạng Error! Bookmark not defined 2 2.3.1 Lý thuyết xử lý ảnh 2D Error! Bookmark not defined 2.3.1.1 Khảo sát trực tiếp miền không gian điểm ảnh:Error! Bookmark not defined 2.3.1.2 Thực phép biến đổi không gian: Error! Bookmark not defined 2.3.2 Nâng cao chất lượng ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.2.1 Khôi phục ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Tăng cường ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phân đoạn ảnh tìm biên ảnh Error! Bookmark not defined 2.3.3.1 Khái niệm biên ảnh phương pháp xác định biênError! Bookmark not defined 2.3.3.2 Kỹ thuật phân đoạn ảnh Error! Bookmark not defined Chương Error! Bookmark not defined CÁC CÔNG CỤ XỬ LÝ ẢNH CỦA MATLAB Error! Bookmark not defined 3.1 Công cụ thu nhận ảnh Error! Bookmark not defined 3.1.1 Công cụ thu nhận ảnh gì? Error! Bookmark not defined 3.1.2 Các bước để thu nhận ảnh (Image Acquisition Toolbox) Error! Bookmark not defined 3.2 Công cụ xử lý ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.1 Công cụ xử lý ảnh gì? Error! Bookmark not defined 3.2.2 Ảnh Matlab công cụ xử lý ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.3 Các loại ảnh công cụ xử lý ảnh MatlabError! Bookmark not defined 3.2.3.1 Ảnh nhị phân Error! Bookmark not defined 3.2.3.2 Ảnh số (Indexed) Error! Bookmark not defined 3.2.3.3 Ảnh cường độ (Intensity) Error! Bookmark not defined 3.2.3.4 Ảnh màu thực(Truecolor) Error! Bookmark not defined 3.2.4 Biến đổi không gian màu Error! Bookmark not defined 3.2.4.1 Biến đổi ảnh sang lớp single Error! Bookmark not defined 3.2.4.2 Biến đổi ảnh sang lớp số nguyên không dấu bitError! Bookmark not defined 3.2.4.2 Biến đổi ảnh sang lớp số nguyên không dấu 16 bit Error! Bookmark not defined 3.2.5 Đọc ghi liệu ảnh Error! Bookmark not defined Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 3.2.5.1 Đọc liệu ảnh từ tệp Error! Bookmark not defined 3.2.5.2 Ghi liệu ảnh vào tệp Error! Bookmark not defined 3.2.6 Hiển thị khám phá ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.6.1 Hiển thị ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.6.2 Khám phá ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.7.Tính toán ảnh Error! Bookmark not defined 3.2.7.1 Các quy tắc làm tròn tính toán Error! Bookmark not defined 3.2.7.2 Kết hợp lời gọi hàm tính toán ảnhError! Bookmark not defined Chương Error! Bookmark not defined THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 4.1 Các phương pháp đo đạc, xử lý số liệu thực nghiệmError! Bookmark not defined 4.1.1 Khảo sát chuyển động vi kẹp Error! Bookmark not defined 4.1.1.1 Các thuật toán để tìm L Error! Bookmark not defined 4.1.1.2 Kết mô thuật toán Error! Bookmark not defined 4.2 Kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.2.1 Hoạt động hệ thống thực nghiệm Error! Bookmark not defined 4.2.2.1 Giao diện chương trình Error! Bookmark not defined 4.2.2.2 Cấu hình cho cổng Com Error! Bookmark not defined 4.2.2.3 Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh Error! Bookmark not defined 4.2.3 Giao tiếp chương trình mạch điều khiển vi kẹpError! Bookmark not defined 4.2.4 Kết chương trình điều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined 4.2.4.1 Điều khiển tay kẹp tự động Error! Bookmark not defined 4.2.4.2 Điều khiển tay kẹp tay Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 18 Phụ lục Error! Bookmark not defined Mã chương trình cho giao diện cấu hình cho cổng COMError! Bookmark not defined Mã chương trình cho giao diện thiết lập cấu hình cho thiết bị thu ảnh Error! Bookmark not defined Mã chương trình cho giao diện đìều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp Danh mục thuật ngữ Từ viết tắt Tên tiếng anh Nghĩa AD Analog to Digital Biến đổi tương tự số B/W Black & White Ảnh đen trắng CCD Charge Coupled Device CIE Commision Internationale d'Eclairage Tổ chức quốc tế chuẩn hoá màu DFT Discrete Fourier Tranform Biến đổi Fourier rời rạc dpi dot per inch Số điểm ảnh inch FFT Fast Fourier Tranform Biến đối fourier nhanh IC Itegrated Circuit Mạch tích hợp KL Karhumen Loeve Biến đổi KL MEMS Micro Electro Mechanical System Vi điện tử Pixel Picture element Điểm ảnh RGB Red – Green - Blue Ba màu đỏ - xanh - lơ RLC Run - Length Code Mã đoạn dài Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp Danh sách hình vẽ dùng luận văn Hinh 1.1 Sơ đồ khối hệ giám sát điều khiển vi kẹp Hinh 1.2: Vi kẹp có gắn cảm biến [3] 10 Hinh 1.3: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu hình học thông số[3] 11 Hinh 1.4: Hoạt động thiết bị:(a) vị trí ban đầu miệng vi kẹp có gắn cảm biến; (b) có áp đặt điện V tới cánh tay; 11 (c) trước kẹp vật; (d) kẹp vật (dây kim loại ) 11 Hinh 1.5: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp cung cấp Đo độ dịch chuyển tối đa 32 µm 4.5 V 12 Hinh 1.6: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp tương ứng với công suất tiêu thụ 12 Hinh 1.7:Biểu diễn mối liên hệ điện áp cầu Wheatstone điện áp ứng dụng 13 Hinh 1.8: Đầu cảm biến lực tương ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến 13 Hinh 1.9: Biểu diễn lực tiếp xúc hai miệng vi kẹp vật giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng 14 Hình 2.1 Các giai đoạn xử lý ảnh 15 Hình 2.2: Các đường cong cảm nhận S1, S2 S3Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Hệ tọa độ ba màu RGB Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Ảnh nhị phân biểu diễn mã loạt dài tương ứng Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Hướng điểm biên mã tương ứng.Error! Bookmark not defined A 111 110 000 001 000 110 101 100 011 100 010 001Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Các thành phần công cụ xử lý ảnh.Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Cửa sổ preview – xem dòng liệu đầu vàoError! Bookmark not defined Hình 3.4 Dữ liệu nhận khởi động đối tượngError! Bookmark not defined Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp Hình 3.6 Đưa liệu vào không gian làm việc Matlab Er Hình 3.7 Các giá trị điểm ảnh nhị phân Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Ảnh số Error! Bookmark not defined Hình 9: Ảnh cường độ Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Ảnh màu Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined Hình 4.2 Hệ thống điều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined Hình (a) Ảnh gốc (b) Ảnh sau lấy biênError! Bookmark not defined Hình 4.4 Khoảng cách hai đầu vi kẹp L Error! Bookmark not defined Hình 4.5 Tọa độ kích thước ảnh Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán quét lùi Error! Bookmark not defined Hình 4.7 Các tọa độ cần xác định ảnh Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Ảnh phóng to bên kẹp đường biên không trơn Error! Bookmark not defined Hình 4.9 Kết khảo sát thuật toán quét trái phải.Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Kết khảo sát thuật toán quét lùi Error! Bookmark not defined Hình 4.11 Ảnh dùng để khảo sát thuật toán Error! Bookmark not defined Hình 12: Lưu đồ thuật toán điều khiển vi kẹpError! Bookmark not defined Hình 4.13 Giao diện chương trình điều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined Hình 4.14 Cấu hình phương thức truyền cho cổng COMError! Bookmark not defined Hình 4.15 Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh Error! Bookmark not defined Hình 4.16 Thu ảnh liên tiếp – thực lần triggerError! Bookmark not defined Hình 4.17 Thu ảnh liên tiếp – thực lần triggerError! Bookmark not defined Hình 4.18 : Ảnh phần vi kẹp chụp qua kính hiển viError! Bookmark not defined Hình 4.19 Quá trình tay kẹp tiến lại kẹp vật Error! Bookmark not defined Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp Hình 4.20 Điều khiển vi kẹp chế độ điều khiển tay Er Hình 4.22 Điều khiển tay phải vi kẹp Error! Bookmark not defined Hình 4.23 Điều khiển hai tay kẹp Error! Bookmark not defined Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp MỞ ĐẦU Hiện kỹ thuật xử lý ảnh ứng nhiều vào lĩnh vực khoa học công nghệ sống, có lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt công nghệ robot sử dụng camera để cảm ứng nhận biết vật, hay đường đi,…Trong luận văn thạc sĩ lựa chọn kỹ thuật xử lý ảnh để xây dựng hệ điều khiển vi kẹp Vi kẹp chế tạo công nghệ MEMs, có kích thước nhỏ cỡ micro met Do kích thước nhỏ vậy, nên ta giám sát điều khiển trực tiếp mà thay vào ta giám sát điều khiển thông qua ảnh vi kẹp thu thông qua kính hiển vi quang học Với ảnh vi kẹp phóng to ảnh với tỉ lệ định ta giám sát chuyển động vi kẹp đơn giản hiệu Ý tưởng chung để xây dựng lên hệ điều khiển vi kẹp là: Sử dụng kính hiển vi có độ phóng đại cỡ hàng trăm lần sau dùng camera để thu nhận ảnh thị kính kính hiển vi Ảnh thu sau biến đổi dạng số chương trình máy tính xử lý tính toán đưa định quay trở lại điều khiển chuyển động vi kẹp Từ ý tưởng ban đầu cần yêu cầu trang thiết bị kính hiển vi có độ khuếch đại cỡ hàng trăm lần, thiết bị thu nhận ảnh ghép nối trực tiếp với máy tính, máy tính có tốc độ xử lý cao đáp ứng thời gian thực, mạch điện điều khiển vi kẹp ghép nối với máy tính Mạch điện có nhiệm vụ nhận lệnh từ máy tính, giá trị số sau biến đổi giá trị điện áp theo tỉ lệ tuyến tính để điều khiển việc đóng mở chuyển động vi kẹp Với nội dung vậy, Bài luận văn chia làm chương Chương 1: Giới thiệu hệ giám sát điều khiển vi kẹp Chương 2: Tổng quan xử lý ảnh Chương 3: Các công cụ xử lý ảnh Matlab Chương 4: Thực nghiệm Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 10 Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VI KẸP 1.1 Sự hình thành toán Trong vài năm gần đây, vi kẹp nghiên cứu rộng rãi Nó cần thiết nhiều lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng phận lắp ráp, cánh tay điều khiển robot cỡ nhỏ ứng dụng ca phẫu thuật tinh vi Các công nghệ phát triển sản xuất mạch tích hợp điện tử (IC) công nghệ tương thích IC tĩnh điện, áp điện, nhiệt điện thường áp dụng để chế tạo vi kẹp Các vi kẹp có kích thước nhỏ cỡ µm việc điều khiển giám sát mắt thường trực tiếp tay Trong luận văn thực toán xây dựng hệ giám sát, điều khiển vi kẹp dựa vào công nghệ thị giác máy tính(computer vision) 1.2 Cách giải Vi kẹp dùng để gắp, kẹp vật có kích thước nhỏ Do vi kẹp có kích thước nhỏ, mắt người nhìn thấy được, nên để xây dựng hệ điều khiển vi kẹp dựa thị giác máy tính, cần phải có thiết bị sau: Một kính hiển vi có độ phóng đại cỡ hàng chục đến hàng trăm lần Một thiết bị thu nhận ảnh tốc độ nhanh Một máy tính dùng để đọc liệu ảnh từ thiết bị thu nhận ảnh xử lý tính toán khoảng cách hai tay kẹp vi kẹp so sánh với kích thước vật từ đưa định tiếp tục đóng kẹp lại hay mở kẹp để gắp vật Dưới sơ đồ khối hệ điều khiển vi kẹp PC CAMERA Kính hiển vi Mạch điều khiển Vi kẹp Hinh 1.1 Sơ đồ khối hệ giám sát điều khiển vi kẹp Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 11 PC: máy tính chứa chương trình điều khiển giám sát chuyển động vi kẹp CAMERA: Là thiết bị thu ảnh Thiết bị thu ảnh từ kính hiển vi đưa vào máy tính thông qua cổng USB Kình hiển vi: Là kính hiển vi quang học có độ phóng đại cỡ hàng trăm lần Vi kẹp: đối tượng cần điều khiển Mạch điều khiển: Là mạch điển tử có gắn chíp vi sử lý có nhiệm vụ nhận giá trị số từ máy tính biến đổi thành giá trị điện áp tương ứng để điều khiển vi kẹp 1.3 Sơ lược vi kẹp 1.3.1 Giới thiệu Các vi cảm biến vi chấp hành chế tạo công nghệ vi điện tử MEMS sử dụng rộng rãi nhiệm vụ thực môi trường có dải kích thước nhỏ cỡ micro mét Đó ứng dụng vi lắp ráp,vi robot, đo kích thước dịch chuyển vị trí tế bào sinh học, tách, tiêm, mổ tế bào, vv Vi kẹp có gắn cảm biến đề xuất với chiều dài 490 µm, chiều rộng 350 µm chiều dày 30 µm với công suất tiêu thụ thấp nhiệt độ hoạt động thấp Hơn nữa, thiết bị chế tạo với công nghệ tương thích CMOS có khả tích hợp với mạch điều khiển chip Vấn đề đặt làm để thực thao tác thiết bị giới vi mô thao tác giới vĩ mô Hiện nay, hoạt động thường gán cho nghĩa hoạt động từ xa Trong trường hợp này, hoạt động từ xa không mang ý nghĩa xa mặt không gian địa lý mà có nghĩa thay đổi thang độ, kích thước môi trường thao tác đối tượng giám sát điều khiển 1.3.2 Chế tạo Vi kẹp có gắn cảm biến dựa kết hợp vi chấp hành điện-nhiệt polymersilicon cảm biến lực áp trở gắn lên cần vi kẹp Sơ đồ nguyên lý biểu diễn hình 1.2 Khi cấu chấp hành điện nhiệt kích hoạt, cánh tay vi kẹp cảm biến lực bị uốn cong dẫn đến đầu mỏ kẹp dịch chuyển Độ dịch chyển đầu vi kẹp phụ thuộc vào điện áp đầu vào dịch chuyển từ đến 40μm dải điện áp nung cho phép nhiệt độ nhỏ 1000C Đồng thời cảm biến áp điện trở phát điện cảm nhận Điện tỷ lệ với độ dịch chuyển đầu kẹp lực tiếp xúc đầu kẹp với vật Nó tạo ứng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 12 xuất dọc theo chiều dài hai cạnh đối diện cần kẹp làm thay đổi giá trị điện trở cảm biến áp trở cần kẹp Như vi kẹp có gắn cảm biến áp điện trở có hai thông số để điều khiển giám sát là: Điện lối cảm biến áp điện trở điện áp đặt vào vi chấp hành nhiệt điện Tuy nhiên hệ thống thực nghiệm luận văn không sử dụng thông số điện áp lối cảm biến áp điện trở mà thay vào sử dụng thị giác máy tính để giám sát trình chuyển động đầu kẹp từ đưa định điều khiển cách thay đổi điện áp đặt vào vi chấp hành 1.3.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon Cảm biến có gắn vi kẹp thiết kế trạng thái thường mở Cấu trúc vi kẹp dựa silicon kết hợp với polymer, chấp hành bao gồm 41 lược silicon với lớp polymer SU8 Mỗi silicon có chiều rộng µm, chiều dài 75 µm, bề dày 30 µm Lớp polymer SU8 có chiều rộng µm[] Hinh 1.2: Vi kẹp có gắn cảm biến [3] Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 13 Hinh 1.3: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu hình học thông số[3] 1.3.4 Thông số kỹ thuật vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1.4 biểu diễn vài trạng thái khác miệng vi kẹp Hình 1.4(a) trạng thái không hoạt động vi kẹp với độ mở 40 µm Khoảng cách hai miệng đóng tới µm cấp điện khoảng 4.5 V tới cánh tay (hình 1.4 b) Trong hình 1.4 (c) (d) minh họa cho thao tác kẹp dây kim loại 23 µm Hinh 1.4: Hoạt động thiết bị:(a) vị trí ban đầu miệng vi kẹp có gắn cảm biến; (b) có áp đặt điện V tới cánh tay; (c) trước kẹp vật; (d) kẹp vật (dây kim loại ) Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng miệng vi kẹp không khí DC đặt tới chấp hành điện nhiệt Độ dịch chuyển tổng số dịch chuyển Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 14 hai miệng vi kẹp hai cánh tay hoạt động Sai số phép đo ước lượng 1.5 µm Sự di chuyển cực đại 32 µm đo điện áp ứng dụng 4.5V Do vậy, vi kẹp có khả thao tác với vật có đường kính 40 µm Hinh 1.5: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp cung cấp Đo độ dịch chuyển tối đa 32 µm 4.5 V Công suất tiêu thụ nguồn tính dựa điện áp dòng tương ứng vi chấp hành điện nhiệt Hình 1.6 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp tương ứng với công suất tiêu thụ Trung bình thiết bị cần mW cho µm dịch chuyển miệng vi kẹp Hinh 1.6: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp tương ứng với công suất tiêu thụ Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt vi chấp hành điện nhiệt Giá trị điện trở ban đầu áp điện trở nhiệt độ phòng 39 kOhm Điện áp nuôi cho cầu 1V dc Điện áp lớn 49 mV Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 15 điện áp đặt lên vi kẹp 4.5 V Mối quan hệ điện áp độ dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến biểu diễn hình 1.8 Độ nhạy vi kẹp có gắn cảm biến 1.5 kV/m Đường cong tuyến tính phạm vi % Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn đầu cảm biến lực áp trở cantilever vi kẹp kẹp dây kim loại có đường kính 23 µm Hai miệng vi kẹp có gắn cảm biến đóng từ từ kẹp vật Lực tiếp xúc miệng vi kẹp vật kẹp ước lượng thông qua dịch chuyển vi kẹp hình 1.7 Hinh 1.7:Biểu diễn mối liên hệ điện áp cầu Wheatstone điện áp ứng dụng Hinh 1.8: Đầu cảm biến lực tương ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1.9 biểu diễn lực tiếp xúc hai miệng vi kẹp vật kẹp tương ứng với giá trị điện áp đặt lên vi kẹp Lực tiếp xúc không hai miệng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 16 kẹp vào vật điện áp khoảng 3.75 V Sau lực tiếp xúc tăng tới 135 mN điện áp ứng dụng 4.5 V Hinh 1.9: Biểu diễn lực tiếp xúc hai miệng vi kẹp vật giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 17 Chương TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH 2.1 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh 2.1.1 Các trình xử lý ảnh Xử lý ảnh khoa học tương đối mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, qui mô công nghiệp, song xử lý ảnh bắt đầu xuất máy tính chuyên dụng Để hình dung cấu hình hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay hệ thống xử lý ảnh dùng nghiên cứu, đào tạo, trước hết xem xét bước cần thiết xử lý ảnh Các giai đoạn trình xử lý ảnh mô tả hình 2.1 Trước hết trình thu nhận ảnh Ảnh thu nhận qua camera Thường ảnh thu nhận qua camera tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR), tín hiệu số hoá (loại CCD - Charge Coupled Device) Lưu trữ Camera Thu nhận ảnh Số hóa Phân tích ảnh Nhận dạng Sensor Lưu trữ Hệ Q.định Hình 2.1 Các giai đoạn xử lý ảnh Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 18 Ảnh thu nhận từ vệ tinh qua cảm ứng (sensor), hay ảnh thu nhận qua máy quét(scanner) Tiếp theo trình số hoá (Digitalizer) để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, trước chuyển sang giai đoạn xử lý, phân tích hay lưu trữ ảnh Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ Trước hết công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh, nguyên nhân khác nhau: Có thể chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, nguồn sáng hay nhiễu, ảnh bị suy biến Do cần phải tăng cường khôi phục lại ảnh để làm bật số đặc tính ảnh, hay làm cho ảnh gần giống với trạng thái gốc- trạng thái trước ảnh bị biến dạng Giai đoạn phát đặc tính biên ảnh, phân vùng ảnh, trích chọn đặc tính, v.v Cuối cùng, tuỳ theo mục đích ứng dụng, giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay định khác 2.1.1.1 Thu nhận ảnh Các thiết bị thu ảnh thông thường gồm máy quay (camera) cộng với chuyển đổi tương tự số AD(Analog to Digital) máy quét (scanner) chuyên dụng Các thiết bị thu nhận ảnh cho ảnh trắng đen B/W (Black & White) với mật độ từ 400 đến 1600 dpi (dot per inch) ảnh màu 600 dpi Với ảnh B/W mức màu z Với ảnh đa cấp xám, mức xám biến thiên từ đến 255 Ảnh màu, điểm ảnh lưu trữ bytes ta có 28x3 = 224 màu (cỡ 16, triệu màu) Khi dùng scanner, dòng photodiot quét ngang ảnh (quét theo hàng) cho ảnh với độ phân giải ngang tốt Đầu scanner ảnh ma trận số mà ta quen gọi đồ ảnh (ảnh Bitmap) Bộ số hoá (digitalizer) tạo ảnh vector có hướng Trong xử lý ảnh máy tính, ta không nói đến thiết bị monitor (màn hình) để ảnh Monitor có nhiều loại khác nhau: - CGA : 640 x 320 x 16 màu, - EGA : 640 x 350 x 16 màu, - VGA : 640 x 480 x 16 màu, - SVGA: 1024 x 768 x 256 màu Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 19 Với ảnh màu, có nhiều cách tổ hợp màu khác Theo lý thuyết màu Thomas đưa từ năm 1802, màu tổ hợp từ màu bản: Red (đỏ), Green (lục) Blue (lơ) Nhìn chung, hệ thống thu nhận ảnh thực trình: - Cảm biến: biến đổi lượng quang học (ánh sáng) thành lượng điện - Tổng hợp lượng điện thành ảnh 2.1.1.2 Phân tích ảnh Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định độ đo định lượng ảnh để đưa mô tả đầy đủ ảnh Các kỹ thuật sử dụng nhằm mục đích xác định biên ảnh Có nhiều kỹ thuật khác lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động Người ta dùng kỹ thuật để phân vùng ảnh Từ ảnh thu được, người ta tiến hành kỹ thuật tách (split) hay hợp (fusion) dựa theo tiêu chuẩn đánh giá như: màu sắc, cường độ, v v Các phương pháp biết đến Quad-Tree, mảnh hoá biên, nhị phân hoá đường biên Cuối cùng, phải kể đến cac kỹ thuật phân lớp dựa theo cấu trúc[] 2.1.1.3 Nhận dạng ảnh Nhận dạng ảnh trình liên quan đến mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả Quá trình nhận dạng thường sau trình trích chọn đặc tính chủ yếu đối tượng Có hai kiểu mô tả đối tượng: - Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số) - Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc) Trên thực tế, người ta áp dụng kỹ thuật nhận dạng thành công với nhiều đối tượng khác như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu) Nhận dạng chữ in đánh máy phục vụ cho việc tự động hoá trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác cách viết, kiểu chữ, v ,v ) phục vụ cho nhiều lĩnh vực Ngoài kỹ thuật nhận dạng trên, kỹ thuật nhận dạng dựa vào kỹ thuật mạng nơron áp dụng cho kết khả quan Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp 20 2.1.2 Các vấn đề xử lý ảnh 2.1.2.1 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 hoá ảnh Trong trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua trình lấy mẫu (rời rạc hóa không gian) lượng tử hoá, thành phần giá trị nguyên tắc cho mắt thường không phân biệt hai điểm kề Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Th.s Nguyễn Hoàng Hải – Th.s Nguyễn Việt Anh (2005), Lập trình matlab ứng dụng (dùng cho sinh viên khối khoa học kỹ thuật) NXB KHKT Lương Mạnh Bá – Nguyễn Thanh Thủy Nhập môn xử lý ảnh số NXB KHKT Tiếng Anh Chu Duc Trinh (2007) sensing microgripper for microparticles handing phD thesis delft university of Technology, The Neitherland RGB color space http://www.rgbworld.com/color.html Trợ giúp trực tuyến matlab http://www.mathworks.com/ Color principles- hue, saturation, and value http://ncsu.edu.scivis/lesson/colormodels/color_models2.html#(HSV) Stephen J Chapman, (2001) “Matlab programming for engineer (second edition)” Matlab toàn tập htttp://www.scribd.com/doc/2540653/matlab_toantap A john Wiley & Son,inc Publication Tinku Acharya and Ajoy kray Image proceesing: principles and application 10 Elisabet perez and bahram javidi “image processing techniques for automatic road sign indentification and tracking” Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu vi kẹp [...]...11 PC: là máy tính chứa chương trình điều khiển và giám sát chuyển động của vi kẹp CAMERA: Là thiết bị thu ảnh Thiết bị thu ảnh từ kính hiển vi và đưa vào máy tính thông qua cổng USB Kình hiển vi: Là kính hiển vi quang học có độ phóng đại cỡ hàng trăm lần Vi kẹp: là đối tượng cần điều khiển Mạch điều khiển: Là một mạch điển tử có gắn chíp vi sử lý có nhiệm vụ nhận các giá trị số từ máy tính... ứng để điều khiển vi kẹp 1.3 Sơ lược về vi kẹp 1.3.1 Giới thiệu Các vi cảm biến và vi chấp hành được chế tạo trên công nghệ vi cơ điện tử MEMS đã và đang được sử dụng rộng rãi ở những nhiệm vụ được thực hiện trong các môi trường có dải kích thước nhỏ cỡ micro mét Đó là các ứng dụng như vi lắp ráp ,vi robot, đo kích thước và dịch chuyển vị trí của các tế bào sinh học, tách, tiêm, mổ tế bào, vv Vi kẹp có... được giám sát điều khiển 1.3.2 Chế tạo Vi kẹp có gắn cảm biến dựa trên sự kết hợp của vi chấp hành điện-nhiệt polymersilicon và thanh cảm biến lực áp trở gắn lên các cần của vi kẹp Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn trong hình 1.2 Khi cơ cấu chấp hành điện nhiệt được kích hoạt, cánh tay của vi kẹp và thanh cảm biến lực bị uốn cong dẫn đến các đầu mỏ kẹp có thể dịch chuyển Độ dịch chyển của đầu vi kẹp phụ... kẹp 15 điện áp đặt lên vi kẹp là 4.5 V Mối quan hệ giữa điện áp ra và độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến được biểu diễn trong hình 1.8 Độ nhạy của vi kẹp có gắn cảm biến là 1.5 kV/m Đường cong tuyến tính này trong phạm vi 2 % Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn thế đầu ra của cảm biến lực áp trở cantilever khi vi kẹp kẹp một dây kim loại có đường kính 23 µm Hai miệng của vi kẹp có gắn cảm biến đóng... đầu kẹp và lực tiếp xúc giữa đầu kẹp với vật Nó tạo ra một ứng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp 12 xuất dọc theo chiều dài trên hai cạnh đối diện của cần kẹp làm thay đổi giá trị điện trở của cảm biến áp trở trên cần kẹp Như vậy là vi kẹp có gắn cảm biến áp điện trở có hai thông số để điều khiển và giám sát là: Điện thế lối ra trên cảm biến áp điện trở và điện áp đặt vào vi chấp... khi nó kẹp được vật Lực tiếp xúc giữa miệng của vi kẹp và vật được kẹp có thể được ước lượng thông qua sự dịch chuyển của vi kẹp trong hình 1.7 Hinh 1.7:Biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp ứng dụng Hinh 1.8: Đầu ra của cảm biến lực tương ứng với độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1.9 biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và vật được kẹp tương... trong hệ thống thực nghiệm của luận văn này tôi không sử dụng thông số điện áp lối ra trên cảm biến áp điện trở mà thay vào đó là sử dụng thị giác máy tính để giám sát quá trình chuyển động của đầu kẹp từ đó đưa ra quyết định điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đặt vào vi chấp hành 1.3.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon Cảm biến có gắn vi kẹp được thiết kế ở trạng thái thường mở Cấu trúc của vi. .. đầu miệng của vi kẹp có gắn cảm biến; (b) khi có áp đặt một điện thế 5 V tới cả những cánh tay; (c) trước khi kẹp vật; (d) khi kẹp vật (dây kim loại ) Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng của miệng vi kẹp trong không khí khi có thế DC đặt tới chấp hành điện nhiệt Độ dịch chuyển này là tổng số dịch chuyển Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp 14 của hai miệng vi kẹp khi cả hai... lên vi kẹp Lực tiếp xúc bằng không cho tới khi hai miệng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp 16 kẹp vào vật tại điện áp khoảng 3.75 V Sau đó lực tiếp xúc được tăng tới 135 mN tại điện áp ứng dụng là 4.5 V Hinh 1.9: Biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và những vật được giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp. .. chuyển của miệng vi kẹp Hinh 1.6: Sự dịch chuyển của miệng vi kẹp tương ứng với công suất tiêu thụ Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu ra của cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt trên vi chấp hành điện nhiệt Giá trị điện trở ban đầu của áp điện trở tại nhiệt độ phòng là 39 kOhm Điện áp nuôi cho cầu là 1V dc Điện áp ra lớn nhất là 49 mV tại Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp 15 điện