Nghiên cứu phát hiện vết nứt trên vỏ trứng cút dùng xử lý ảnh và mạng nơron

Tạp chí Tin học Điều khiển học, T.29, S.2 (2013), 186–196 NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT DÙNG XỬ LÝ ẢNH VÀ MẠNG NƠRON ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN Khoa Cơ khí, Trường ĐH Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo đề xuất phương pháp việc phát vết nứt vỏ trứng cút, phương pháp dùng kết hợp xử lý ảnh với mạng nơ ron Giá trị histogram ảnh rọi trứng cút sử dụng làm liệu huấn luyện mạng kiểm tra độ xác phương pháp đề xuất Đầu tiên, ánh sáng trắng, vàng, đỏ từ led luxeon sử dụng để thử nghiệm lựa chọn ánh sáng thích hợp cho việc rọi trứng cút Trong đó, ánh sáng vàng cho kết tốt ánh sáng trắng đỏ, vết nứt hiển thị rõ hơn, sai lệch histogram ảnh rọi trứng có vết nứt trứng nguyên lớn Kết bước đầu đạt với độ xác 85,1% cho trường hợp trứng không vết nứt, 87,98% cho trường hợp trứng có vết nứt mức xác trung bình đạt 86,54% Từ khóa Phân loại trứng cút, xử lý ảnh, mạng nơron Abstract This paper proposed a new method to detect cracks on the quail egg shell, which was used image processing combined with neural network Histogram of many images of candling quail egg was used as training data for neural network and to check the accuracy of the proposed method First, the white light, yellow and red of LED Luxeonwas used to test and select the appropriate light for the illumination of quail eggs In particular, the result was better for the yellow light Cracks was showed clearly, bias histogram of images of candling quail egg between egg cracks and intact eggs was largerthan the red and the white light Initial results achieved with an accuracy of 85,1% for the eggs without cracking, 87,98% for the case of cracks‘ and the average accuracy was86,54% Key words Quail eggs grading, image processing, neural networks ĐẶT VẤN ĐỀ Trứng loại thực phẩm quen thuộc với người, thuận tiện, dễ chế biến, nhiều giá trị dinh dưỡng phù hợp với lứa tuổi Năm 1964 thủ đô Italia, Hội đồng quốc tế trứng gia cầm (IEC- International Egg Commission) đề nghị chọn ngày thứ sáu tuần thứ hai tháng 10 hàng năm làm “Ngày giới trứng gia cầm” (World Egg Day) Đây ghi nhận tôn vinh người toàn giới giá trị tuyệt vời trứng với sức khoẻ Theo tạp chí Sức khỏe Mỹ khuyến cáo, sáu loại trứng sau thực phẩm có lợi cho sức khỏe người: trứng vịt, trứng cút, trứng ngỗng, trứng đà điểu, trứng gà tây trứng gà (Rodale Institute, 4.2012) Tại Việt nam, trứng cút nguồn thực phẩm thông dụng có nhu cầu cao Tuy nhiên, việc sản xuất giống vấn đề nan giải Hiện nay, việc phát phân loại trứng nứt làm thủ NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 187 công với suất độ xác thấp khiến tỉ kệ hao hụt việc ấp trứng cao không phát trứng nứt để loại bỏ trước ấp Việc phát vết nứt trứng cút thành công sở cho toán phân loại trứng cút tự động sau Vết nứt vỏ trứng cút thường xuất trình vận chuyển chưa đóng gói, vết nứt có mức độ, hình dạng, vị trí khác Ngoài ra, vệt màu bề mặt vỏ trứng cút phân bố cách ngẫu nhiên Vì vậy, cần phương pháp có khả đáp ứng tốt điều kiện Theo tìm hiểu nhóm nghiên cứu, nghiên cứu vấn đề tương tự với trứng gà tiến hành nhiều giới có phương pháp áp dụng rộng rãi sản xuất, mang lại hiệu kinh tế cao Năm 1991, báo [1] tác giả R.T Elster cộng áp dụng công nghệ xử lý ảnh vào việc phát vết nứt vỏ trứng Tác giả tiến hành thử nghiệm với trứng gà, cách đặt trứng cần phân tích đèn soi bên đặt camera quan sát có tác dụng ghi nhận ảnh phục vụ cho việc phân tích Tác giả tiến hành thử nghiệm 113 trứng gà loại A với độ xác đạt 96% Năm 1992, tác giả J.W Goodrum cộng [2] tiến hành phân tích phát vết nứt vỏ trứng gà công nghệ xử lý ảnh Tác giả có cải tiến so với [12] cách đặt trứng cần phân tích lên hệ thống lăn, điều cho phép quan sát nhiều góc độ khác Mỗi trứng, tác giả phân tích ảnh góc độ lệch 120 độ, điều giúp việc phân tích trứng xác Năm 1996, tác giả V.C.Patel cộng [3] sử dụng công nghệ xử lý ảnh kết hợp với mạng nơ ron việc phát vệt máu bên trứng vết nứt, vết bẩn vỏ trứng Tác giả tiến hành phân tích huấn luyện mạng nơ ron giá trị phân bố màu (histogram) ảnh xám Trong việc phát vết máu, V.C.Patel cộng sử dụng mạng nơ ron lớp với 256 ngõ vào (tương ứng với 256 giá trị histogram), 32 nút lớp ẩn ngõ Độ xác phương pháp đạt 90% tiến hành huấn luyện với 180 mẫu kiểm tra 10.000 trứng, có 90 trứng có vệt máu, 297 trứng bị nứt 96 trứng có vết bẩn Năm 1998, [4] V.C.Patel cộng phát triển thêm so với phương pháp [3] việc sử dụng ảnh màu thay cho ảnh xám, giá trị ngõ vào mạng nơ ron 384 giá trị histogram ảnh màu, cụ thể 128 giá trị histogram ảnh đơn sắc đỏ (kết hợp giá trị liên tiếp 256 giá trị histogram), 128 giá trị histogram ảnh đơn sắc xanh 128 giá trị histogram ảnh đơn sắc xanh dương Cấu trúc mạng sử dụng cho việc phát vết máu 384 ngõ vào, 24 nút lớp ẩn, ngõ thay đổi số nút lớp ẩn thành 40 cho việc phát vết bẩn Độ xác trung bình phương pháp 92,8% cho phát vệt máu, 85% cho phát bẩn 87,8% cho phát vết nứt Để lấy vùng không gian trứng cần phân tích, loại bỏ vùng không gian xung quanh, H.R Pourreza cộng [6] sử dụng mặt nạ hình elip Hình elip sử dụng có kích thước nhỏ kích thước trứng có góc lệch tương ứng với góc lệch trứngcần phân tích Ngoài phương pháp thu nhận ảnh rọi ánh sáng xuyên qua trứng, Loredana Lunadei công [8] sử dụng ánh sáng phản xạ từ trứng để ghi nhận phân tích Độ xác đạt phương pháp 97% áp dụng trứng gà.Đối với trường hợp vết nứt nhỏ, tác giả K.C Lawrence cộng [7] đề xuất phương pháp dùng thay đổi áp suất thu nhận ảnh rọi trứng gà Phương pháp phát huy hiệu với độ xác đạt 99,6% Hiện nay, nhóm nghiên cứu chưa tìm tài liệu nghiên cứu 188 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN tác giả nước việc phát vết nứt vỏ trứng cút Có thể lý trứng cút có kích thước nhỏ (dài×rộng = 34,87×26,2mm), vỏ trứng mỏng (0,27mm) [5], vệt màu xuất ngẫu nhiên vỏ trứng cút gây khó khăn cho việc phân tích xử lý Vì vậy, nhóm nghiên cứu muốn tìm hiểu phát triển phương pháp học theo cách quan sát người việc phát vết nứttrên vỏ trứng cút PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc nhận dạng tồn vết nứt vỏ trứng cút công nghệ xử lý ảnh sử dụng kết hợp mạng nơ ron hồi tiếp Trong trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy đèn rọi trứng ảnh hướng nhiều đến khả hiển thị vết nứt vỏ trứng cút Vì vậy, nhóm nghiên cứu tiến hành số so sánh để lựa chọn ánh sáng phù hợp cho việc rọi trứng cút Màu sắc ánh sáng sử dụng trình thực nghiệm so sánh ánh sáng từ led luxeon với ba màu: trắng, vàng, đỏ Để tạo tập mẫu phục vụ cho việc huấn luyện mạng nơ ron kiểm tra độ xác phương pháp, trứng cút chụp góc độ khác (xoay quanh trục đối xứng trứng) nhằm phát tồn vết nứt xác Các thông số tập mẫu giá trị histogram ảnh rọi trứng cút Ảnh rọi sử dụng ảnh màu loại bit, thuộc không gian màu RGB Các giá trị ngõ vào mạng nơ ron tập hợp 768 giá trị histogram, gồm 256 giá trị histogram ảnh màu đỏ, 256 giá trị histogram ảnh màu xanh 256 giá trị histogram ảnh màu xanh dương Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu kết hợp thuật toán di truyền để tìm số nút lớp ẩn cho cấu hình mạng nơ ron, mạng nơ ron sử dụng mạng lớp.Chương trình viết phần mềm Microsoft visual studio 2010 với hỗ trợ thư viện Opencv (Open Source Computer Vision) phiên 2.2 Opencv thư viện mã nguồn mở, xây dựng với nhiều công cụ xử lý ảnh mạnh mẽ (hơn 500 hàm chức năng, 2500 thuật toán) thông dụng Thư viện opencv thích hợp chạy C/C++ phần mềm Microsoft visual studio Trong thư viện có tích hợp sẵn mạng nơ ron hồi tiếp MLP Vì vậy, Opencv thật công cụ đắt lực cho việc xây dựng chương trình thực nghiệm đánh giá hiệu phương pháp 2.1 Cách thu nhận ảnh Hệ thống thu nhận ảnh bao gồm phần sau:Đế: Nâng đỡ bố trí phận khác Đèn chiếu: Tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan sát trứng Hệ thống lăn: Giúp quan sát trứng nhiều góc độ khác Camera quan sát: Thu nhận ảnh rọi trứng để đưa vào máy tính xử lý Máy tính: Xử lý hình ảnh đưa kết Toàn trình thu nhận ảnh rọi trứng cút thực buồng tối để giảm bớt ảnh hưởng ánh sáng bên ngoài, phận hệ thống bố trí hình Phần mềm sử dụng: Phần mềm Microsoft visual studio 2010 thư viện Opencv 2.2 Thiết bị thu nhận ảnh dùng máy ảnh Panasonic Lumix DMC F3, 12.1 Megapixels, loại cảm biến CCD 1/2.33 inch Đèn rọi trứng dùng đèn led siêu sáng Luxeon loại 3W, điện áp 3V (hình 2) NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT Hình Hệ thống thu nhận ảnh rọi trứng cút 2.2 189 Hình Led luxeon Lựa chọn màu ánh sáng rọi trứng Để lựa chọn màu ánh sáng rọi trứng, phần tiến hành thử nghiệm với loại màu sắc ánh sáng trắng, vàng đỏ Đầu tiên quan sát ảnh rọi trứng có vết nứt bảng 1: 190 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 191 192 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN Dựa vào bảng so sánh trên, quan sát mắt thường ta thấy với ánh sáng trắng ánh sáng vàng cho kết tốt so với ánh sáng đỏ, vết nứt ảnh rọi thị rõ ràng đa số trường hợp NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 193 B.2 Bảng so sánh histogram ánh sáng trắng Tiếp theo, để lựa chọn ánh sáng cho kết tốt hơn, tiến hành so sánh khác biệt histogram ảnh rọi trứng cút bị nứt không bị nứt ánh sáng trắng ánh sáng vàng - Ánh sáng trắng: Ánh sáng vàng: Sau so sánh khác biệt trứng có vết nứt vết nứt rọi ánh sáng trắng, tiếp đến xem khác biệt với ánh sáng vàng Qua đó, ta chọn ánh sáng cho khác biệt lớn Qua so sánh trên, ta thấy ánh sáng vàng cho kết tốt ánh sáng trắng ánh sáng đỏ Vì vậy, phần thực nghiệm đề tài nhóm nghiên cứu lựa chọn ánh sáng vàng cho việc rọi trứng cút 2.3 Thu thập mẫu phân tích - Thu thập mẫu: Nhờ hệ thống lăn, trứng cút quan sát nhiều góc độ khác góc độ Điều giúp cho việc nhận biết vết nứt vỏ trứng cút xác Do đặc trưng vỏ bề trứng cút có nhiều vệt màu với kích thước, hình dạng phân bố khác nhau, màu sắc, cường độ sáng ảnh rọi khác nhau, ta cần tạo tập mẫu với số lượng ảnh mẫu tương đối lớn, nhằm đưa độ xác phương pháp đạt mức yêu cầu.Ảnh rọi trứng sau ghi nhận tiến hành áp dụng số công cụ xử lý ảnh số nhằm lọc nhiễu, cải thiện chất lượng ảnh phân đoạn, khoanh vùng vị trí, biên dạng trứng Sau dùng mặt nạ hình elip để loại bỏ vùng không gian xung quanh, giữ lại vùng không gian ảnh trứng cần phân tích, điều giúp giảm bớt ảnh hưởng môi trường bên Để tạo mặt nạ hình elip, thư viện opencv2.2 có hỗ trợ hàm fitEllipse, hàm có ưu điểm dựng hình elip với kích thước góc quay phù hợp với biên dạng vật Sau có thông số, hình elip vẽ lệnh ellipse() Kích thước hình elip 194 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN B.3 Bảng so sánh histogram ánh sáng vàng nhân thêm hệ số lớn (1.05) để đảm bảo lấy nhiều vùng trứng cần phân tích Tập mẫu huấn luyện ghi nhận ảnh rọi trứng cút nhiều góc độ (5-7 vị trí) nhằm NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 195 tăng xác xuất xuất trình phân tích kiểm tra Tập mẫu bao gồm 1381 ảnh rọi trứng vết nứt 3219 ảnh rọi có vết nứt Ảnh mẫu có vết nứt cần nhiều so với trường hợp vết nứt có nhiều mức độ, trường hợp nứt khác ta ưu tiên phát hiện, loại bỏ trứng có vết nứt.Vì vậy, trứng không chụp nhiều góc độ mà chụp với mức độ nứt khác nhau, điều làm tăng tính đa dạng cho tập mẫu - Cấu hình mạng: Mạng sử dụng trường hợp mạng hồi tiếp MLP lớp: Số nút ngõ vào 768 (tương ứng với 256 giá trị phân bố màu màu đỏ, 256 màu xanh lá, 256 màu xanh dương).Số nút lớp ẩn 148 (ứng với tập mẫu 5164), số nút ngõ (tương ứng với trường hợp nứt không nứt).Hàm kích hoạt sử dụng hàm sigmoid Hệ số learning rate 0,01 momentum 0,1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT Bước đầu, độ xác phương pháp tiến hành tập mẫu huấn luyện 99% cho trường hợp nứt không nứt Tuy nhiên, tiến hành kiểm tra tập mẫu độ xác phương pháp thấp, đạt 84,856% cho trường hợp vết nứt 92% cho trường hợp có vết nứt Trong trình tạo tập mẫu huấn luyện kiểm tra, nhóm nghiên cứu ghi nhận số kết sau: * Trường hợp trứng có vết nứt (1): Tổng số lượng (2) Cho trường hợp: nứt – không nứt Khi tập mẫu huấn luyện tăng lên độ xác phương pháp, ảnh trứng có vết nứt vết nứt, dần tiến mức trung bình Trong độ xác với ảnh có vết nứt tăng lên tập mẫu tăng lên KẾT LUẬN Bài toán thực nghiệm tập mẫu 5164 ảnh, 38% ảnh trứng nguyên 62% ảnh trứng có vết nứt Ánh sáng sử dụng để rọi trứng cút ánh sáng vàng từ led luxeon, ánh sáng cho kết tốt việc phát vết nứt so với ánh sáng trắng ánh sáng đỏ 196 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN Bảng kết đạt phương pháp Phương pháp đề xuất bước đầu cho kết khả quan với độ xác đạt 85,1% cho trường hợp trứng không vết nứt, 87,98% cho trường hợp trứng có vết nứt mức xác trung bình 86,54% Kết thấp chất lượng đa dạng tập mẫu chưa cao, thực nghiệm áp dụng cho trứng cút có vết nứt rõ ràng, nhận biết mắt thường qua ảnh rọi Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển theo hướng cải thiện chất lượng tập mẫu để hoàn thiện giải pháp đề xuất Nhóm nghiên cứu hy vọng đạt độ xác 90% cho trường hợp nứt không nứt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R.T Elster and J.W Goodrum, Dectection of cracks in eggs using machine vision, American Society of Agricultural Engineers 34 (1991) 307–312 [2] J.W Goodrum, R.T Elster, Machine vision for crack detection in rotating eggs, American Society Agricultural Engineers 35 (Aug 1992) 1323–1328 [3] V.C Patel, R.W McClendon, and J.W Goodrum, Detection of blood spot and dirt stain in egg using computer vision and neural networks, American Society Agricultural Engineers 12 (2) (1996) 253–258 [4] V.C Patel, R.W McClendon, and J.W Goodrum, Color computer vision and artificial neural networks for the detection of defects in poultry eggs, Artificial Intelligence 12 (1998) 163-176 [5] R Polat and S.Tarhan, Mechanical behaviour under compression loading and some physical parameters of japanese quail(Coturnix coturnix japonica) eggs, Czech J.Anim Sci 52 (2007) 50–56 [6] H.R Pourreza, R.S Pourreza, and et al., Automatic detection of eggshell defects based on machine vision, Journal of Animal and Veterinary Advances (2008) 1200-1203 [7] K.C Lawrence, S.C Yoon, and et al., Modified pressure system for imaging egg cracks, American Society of Agricultural and Biological Engineers 52 (3) (2009) 983–990 [8] Loredana Lunadei, Luis Ruiz-Garcia, and et al., Automatic identification of defects on eggshell through a multispectral vision system, Food Bioprocess Technol, 2011 (Doi 10.1007/s11947011-0672-x) Ngày nhận 01 - - 2013 Nhận lại sau sửa ngày 04 - - 2013 ...NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 187 công với suất độ xác thấp khiến tỉ kệ hao hụt việc ấp trứng cao không phát trứng nứt để loại bỏ trước ấp Việc phát vết nứt trứng cút thành... Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc nhận dạng tồn vết nứt vỏ trứng cút công nghệ xử lý ảnh sử dụng kết hợp mạng nơ ron hồi tiếp Trong trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy đèn rọi trứng ảnh. .. trắng, vàng đỏ Đầu tiên quan sát ảnh rọi trứng có vết nứt bảng 1: 190 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN VẾT NỨT TRÊN VỎ TRỨNG CÚT 191 192 ĐỖ HOÀNG SƠN, NGUYỄN TẤN TIẾN Dựa vào bảng