Hệ thống điều khiển màn nước rơi để hiển thị hình ảnh: luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG NGUYỄN TIỂU LONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÀN NƯỚC RƠI ĐỂ HIỂN THỊ HÌNH ẢNH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đồng Nai, Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG NGUYỄN TIỂU LONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÀN NƯỚC RƠI ĐỂ HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chun ngành: Cơng Nghệ Thơng Tin Mã số: 60480201 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ ĐỨC LUNG Đồng Nai, Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại Học Quốc Gia loại B với nội dung bao gồm phần như: khí, vật liệu, điện tử, giao thức truyền liệu phần mềm máy tính phần mềm điện thoại thơng minh Android, phần nhúng Tôi thành viên nhóm nghiên cứu đề tài Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu mình! Đồng Nai, ngày 01 tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Tiểu Long ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Vũ Đức Lung, Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin cảm ơn đến tất quý thầy cô trường Đại học Lạc Hồng dạy dỗ hướng dẫn tận tình trình học tập Trường Tất kiến thức mà lĩnh hội hành trang quý giá đường học tập, làm việc nghiên cứu sau Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ giúp đỡ trình thực luận văn Tuy nhiên kiến thức thời gian có giới hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót, kính mong q thầy bạn đóng góp thêm để đề tài hồn chỉnh hơn! Tơi xin chân thành cảm ơn! Đồng Nai, Ngày 01 tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Tiểu Long iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài: Hệ thống điều khiển nước rơi để hiển thị hình ảnh Ngành: Cơng nghệ thơng tin Mã số: 60.48.02.01 Học viên: Nguyễn Tiểu Long Người hướng dẫn: PGS.TS Vũ Đức Lung NỘI DUNG TÓM TẮT Nội dung giao kết mong đợi người hướng dẫn Nội dung:  Luận văn nghiên cứu, thiết kế xây dựng phần mềm xử lý ảnh điều khiển máy tính thiết bị cầm tay chạy hệ điều hành android có nhiệm vụ thực chức là: xử lý ảnh, truyền liệu sau xử lý xuống Vi điều khiển qua giao tiếp cổng serial, wifi  Mục đích việc xử lý ảnh để chuyển đổi loại ảnh mà người sử dụng đưa vào sang dạng ảnh nhị phân (ảnh trắng đen) đồng thời thay đổi kích thước hình ảnh cho phù hợp với số lượng Solenoid (van từ) điều khiển có hệ thống Kết quả:  Xây dựng thuật toán xử lý ảnh, chuyển đổi ảnh màu sang ảnh nhị phân  Xây dựng thuật tốn hiệu chỉnh hình ảnh kích thước theo tỷ lệ  Cài đặt chương trình chuyển đổi ảnh màu sang ảnh nhị phân hiệu chỉnh hình ảnh theo tỷ lệ  Phần mềm gồm chức sau: nạp vào hình ảnh phần mềm xử lý chuyển đổi sang hình trang đen nhị phân, lưu lại hình ảnh xử lý chuyển tín hiệu xuống thiết bị điều khiển thơng qua cổng giao tiếp Serial, wifi  Phần mềm nhúng giao tiếp với phần mềm máy tính thơng qua cơng wifi có chức truyền liệu  Viết báo cáo tổng kết luận văn iv Cách thức giải vấn đề  Tìm hiểu vấn đề lý thuyết liên quan đến việc xử lý hình ảnh như: biểu diễn màu, không gian màu, biểu diễn ảnh, phân loại ảnh  Các cách thức chuyển đổi hình ảnh từ ảnh màu sáng ảnh nhị phân…  Tìm hiểu mốt số chuẩn giao tiếp truyền nhận liệu  Tìm hiểu số thiết bị quan trọng hệ thống điều khiển nước rơi  Xây dựng phần mềm chuyển đổi hình ảnh máy tính  Xây dựng ứng dụng chạy Android  Xây dựng phần mềm nhúng giao tiếp với phần mềm máy tính thơng qua cơng wifi có chức truyền liệu Đánh giá mặt khoa học kết  Tìm hiểu vấn đề liên quan đến xử lý ảnh  Thực việc xây dựng phần mềm máy tính thiết bị cần tay chạy hệ điều hành Android để chuyển đổi hình ảnh từ ảnh màu sang ảnh nhị phân  Tìm hiểu số giao thức truyền liệu wifi, serial phổ biến  Tìm hiểu việc xay dựng phần mềm nhúng Những vấn đề tồn so với nội dung giao  Thời gian thử nghiệm hạn chế việc chạy thử hệ thống để đánh giá kết khắc phục nhược điểm chưa đầy đủ xác cao Để luận văn trở thành sản phẩm hoàn chỉnh cần phải kiểm thử nhiều hơn, chi tiết Ngày tháng 07 năm 2017 NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Vũ Đức Lung Nguyễn Tiểu Long v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix BẢNG DANH MỤC HÌNH x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 TỔNG QUAN ĐỂ TÀI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2 MỤC ĐÍCH LUẬN VĂN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÀN NƯỚC RƠI 2.2 CÁC THIẾT BỊ QUAN TRỌNG TRONG HỆ THỐNG MÀN NƯỚC RƠI 10 2.2.1 Bơm chìm chuyên dụng APP 10 2.2.2 Van điện từ solenoid 11 2.2.3 Đèn Led máng chiếu sáng 13 2.3 LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH CƠ BẢN 14 2.3.1 Biểu diễn màu (Colour Representation) 14 2.3.2 Không gian màu (Color Space): 14 2.3.3 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 16 2.3.4 Phân loại ảnh: Có loại ảnh: 17 2.3.5 Các cách thức chuyển đổi ảnh 18 2.3.5.1 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám 18 2.3.5.2 Chuyển đổi ảnh xám sang ảnh nhị phân 18 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG 20 vi 3.1 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH 20 3.1.1 Giới thiệu 21 3.1.2 Phần xử lý ảnh 21 3.1.2.1 Sơ đồ giải thuật 21 3.1.2.2 Chuyển đổi kích thước ảnh theo tỷ lệ 22 3.1.2.3 Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh nhị phân 23 3.1.2.4 Chuyển đổi ảnh nhị phân sang mảng chiều 25 3.1.3 Truyền liệu qua cổng COM 27 3.1.4 Truyền liệu qua cổng WIFI 31 3.1.5 Thiết kế giao diện chương trình máy tính 33 3.2 XÂY DỰNG PHẦN MỀM NHÚNG GIAO TIẾP 37 3.2.1 Xây dựng phần mềm nhúng giao tiếp với USB 37 3.2.2 Xây dựng phần mềm nhúng giao tiếp với phần mềm máy tính thông qua wifi 38 3.3 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN ANDROID 40 3.3.1 Phân tích ứng dụng 41 3.3.2 Sơ đồ giải thuật 43 3.3.3 Chuyển đổi ảnh nhị phân sang mảng chiều 44 3.3.4 Truyền ảnh qua Socket 46 3.3.5 Cấu tạo ứng dụng phần mềm 47 CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 50 4.1 THỬ NGHIỆM 50 4.1.1 Thử nghiệm phần mềm chuyển đổi hình ảnh máy tính 50 4.1.2 Thử nghiệm phần mềm điều khiển HĐH Android 59 4.1.3 Các kịch thử nghiệm truyền liệu hệ thống 61 4.1.3.1 Truyền liệu theo dòng 61 vii 4.1.3.2 Truyền liệu xuống USB flash disk sau xử lý trung tâm xử lý: 62 4.2 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 63 4.3 BÀN LUẬN VỀ KẾT QUẢ 66 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Thuật ngữ ARM Advanced RISC Machines CMOS COM Complementary Metal Oxide Semiconductor Cổng nối tiếp (Serial port) DC GPIO Dòng điện chiều General - Purpose Input/Output I/O IDC Input/Output Insulation Displacement Connection IC Integrated Circuit LED Light-Emitting Diode LCD PC Liquid-Crystal Display Personal Computer PWM RGB Pulse Width Modulation Red, Green, Blue ST USB STMicroelectronics Universal Serial Bus Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter Vi Điều Khiển USART VĐK 56 Với hình ảnh có kích thước nhỏ, ví dụ hình ảnh mỏ neo có kích thước 50x50 điểm ảnh phân tích hiển thị hình 4.11 Hình 4.10 H nh ảnh có độ phân giải nhỏ Kết sau chuyển đổi sang hình ảnh số có kích thước tùy chọn tối đa 320 điểm ảnh cho kết tốt Tuy nhiên khung hiển thị phần mềm có kích thước giới hạn nên thấy rõ hình ảnh trường hợp ta chọn 88 để hình ảnh thị nằm khung thiết kế giao diện Hình 4.11 H nh ảnh có kích thước nhỏ sau chuyển đổi 57 Tương tự hình ảnh có kích thước trung bình hình mỏ neo kích thước 160 x 160 điểm ảnh phân tích hiển thị hình 4.13 Hình 4.12 H nh ảnh có kích thước trung b nh Kết sau phần mềm chuyển đổi hình ảnh sang dạng số hiển thị giao diện Hình 4.13 H nh ảnh có kích thước trung b nh sau chuyển đổi 58 Hình ảnh có kích thước lớn số van từ hệ thống (lớn 320), ví dụ hình có kích thức 720 x 960 điểm ảnh phân tích chuyển đổi sang ảnh số hình 4.15 Hình 4.14 H nh ảnh có kích thước lớn Kết sau chuyển đổi Hình 4.15 H nh ảnh có kích thước lớn sau chuyển đổi 59 Từ kết thử nghiệm thấy phần mềm tự động điều chỉnh kích thước hình ảnh đầu vào phù hợp với số van từ có hệ thống chuyển đổi hình ảnh theo cơng thức tính hình ảnh chương Tuy nhiên chọn box VANS với thông số lơn 88 khung hiển thị hình ảnh bị hiển thị nhảy xuống dịng làm cho hình ảnh khơng phù hợp bị nhảy xuống hàng (hình 4.16) điều không làm ảnh hưởng đến việc truyền liệu xuống bo mạch điều khiển van từ Hình 4.16 H nh ảnh hiển thị thông số 320 van từ 4.1.2 Thử nghiệm phần mềm điều khiển HĐH Android Thử nghiệm phần mềm thiết bị chạy hệ điều hành Android cho thấy kết tương tự phầm mềm chạy máy tính, phần tiện ích đa dạng thêm cho người sử dụng Vì thiết bị cầm tay thơng minh sử dụng rộng rãi tính tiện ích gọn nhẹ Từ giao diện chọn chức Inport (thên hình ảnh) để thêm hình ảnh vào xóa hình ảnh chọn hình 3.22, sau gủi xuống hệ thống xử lý điều khiển van từ 60 Chức cập nhật chuỗi ký tự từ bàn phím, chọn kiểu chữ kích thước, chức cho phép người sử dụng vẽ hình ảnh, chọn màu, xóa vẽ lại, chọn kích thước hình ảnh, lưu lại… hình 3.23 Chức hiển thị thời gian hành cho phép người sử dụng chọn thị hình 4.17 Hình 4.17 Chức cấu h nh hiển thị thời gian Chức đặt thông số cấu hình hệ thống hình 4.18 - Number of van (số van từ): cho phép chọn số lượng van từ (không số lượng thực tế) - Between row: thời gian hiển thị hai hàng - Between images: thời gian hiển thị hình ảnh thứ - Black and white threshold: ngưỡng chuyển đổi màu - IP : địa mạng wifi - Port: cổng kết nối 61 Hình 4.18 Chức cài đặt kết nối server 4.1.3 Các kịch thử nghiệm truyền liệu hệ thống 4.1.3.1 Truyền liệu theo dòng Trong trường hợp truyền liệu từ ứng dụng smartphone tới board điều khiển nước thông qua wifi theo phương pháp truyền thẳng hàng xuống: - Kịch bản: ứng dụng đọc liệu hàng gửi tới board trung tâm theo thời gian (interval time) thiết lập sẵn - Do thời gian cần thiết truyền hàng hình ảnh từ 2.5ms5ms đáp ứng tốc độ hình ảnh rơi Nên cần phải đảm bảo thời gian gửi liệu dòng booard dịch bít phải từ 2.5ms-5ms - Khi truyền liệu hàng qua wifi trình truyền liệu bị rớt gói tin gói tin truyền lại, dẫn đến khoảng thời gian nhận liệu hàng tới board dịch bít cách từ vài chục ms tới vài trăm ms, tùy thuộc vào khả kết nối mạng => điều gây tình trạng hình ảnh thị khơng 62 Hình 4.19 H nh ảnh hiển thị hệ thống bị liệu Trong hình 4.19 thấy hệ thống hiển thị hình ảnh khơng sắc nét, trung thực khung màu đen hình ảnh bị phần truyền liệu xuống bo mạch trung tâm bị rớt gói dẫn đến hình ảnh nước bị đứt đoạn 4.1.3.2 Truyền liệu xuống USB flash disk sau xử lý trung tâm xử lý: Trường hợp truyền tất dòng xuống bo trung tâm lưu vào USB Flash Disk, sau nhận liệu xong đọc liệu hàng từ USB flash disk gửi bo dịch bít để đóng ngắt van Lúc đảm bảo tốc độ truyền liệu dòng từ 2.5ms - 5ms Trong trường hợp khơng bị ảnh hưởng độ trễ truyền qua wifi 63 Hình 4.20 H nh ảnh hiển thị hệ thống chuyển xuống USB Flash Disk Hình 4.21 Phần cấu h nh thơng số kết nối qua TCP/IP 4.2 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG Các hình ảnh tổng quan hệ thống phần mềm máy tính Đây tổng thể toàn hệ thống hiển thị hình ảnh nước rơi Tuy nhiên phạm vi luận văn xử lý vấn như: xử lý hình ảnh, chuyển đồi hình ảnh từ ảnh màu sang ảnh số, phần mềm hệ điều hành Android, phần mềm nhúng vào thiết bị Một số hình ảnh thi cơng hệ thống phần khung, van từ, vịi, bo mạch điều khiển, nguồn điện….Các thiết bị gắn khung thép ống, kích thước 64 khung thép 600 x 600 mm bao gồm: 320 van từ, 10 bo mạch điều khiển, 10 nguồn điện DC 12V, Ống nước nhựa PVC đường kính 100mm, ống nhựa mềm dẫn nước xuống đầu giọt nước Khung thép thiết bị bao bọc nhôm (ALU) để nâng cao tính thẩm mỹ Hình 4.22 Hệ thống van từ mạch điều khiển Hệ thống ống dẫn nước nhựa mềm chịu áp lực nối từ ống chứa nước qua van từ đến đầu ống đồng nhỏ giọt nước Hình 4.23 Hệ thống ống dẫn 65 Hệ thống hình nước rơi có kích thước tổng thể 6m x 4m (ngang, cao), đèn Led Thử nghiện điều kiện khơng gian ngồi trời, có ảnh hưởng ánh sáng trời, kết hệ thống hiển thị hình ảnh hình 4.24 tương đối rõ nét, nhiên phần phơng phía sau bị chói sáng bị nhăn Phần khắc phục lần thử nghiệm sau Hình 4.24 H nh ảnh đám mây Hình 4.25 H nh ảnh dơi 66 4.3 BÀN LUẬN VỀ KẾT QUẢ Hệ thống điều khiển nước rơi để thị hình ảnh xây dựng vận hành thử nghiệm, qua vận hành thử nghiệm cho số kết tương đối khả quan sau: - Các phần mềm hoạt động ổn định cho hình ảnh hiển thị rõ ràng - Phần truyền liệu từ máy tính, thiết bị cần tay xuống hệ thống điều khiển ổn định, khắc phục tình trạng độ trễ cao, rớt gói… qua kịch thử nghiệm - Hệ thống van từ, vòi dẫn, hệ thống khung sườn hoạt động tương đối ổn định Màn hình giọt nước rơi so sánh hai khía cạnh: Việc điều khiển xác tốc độ rơi giọt nước để hiển thị hình ảnh tốt việc hiển thị mặt nghệ thuật có kết hợp với ánh sáng đánh giá nào? Phần thử nghiệm kết cho tương đối tốt, nhiên phần chụp lại hình ảnh luận văn chưa sắc nét phần phơng chưa hồn chỉnh (phông nhỏ, treo lên bị nhăn) Để hệ thống cho kết tốt cần điều kiện có sở vật chất tốt như: phòng đặt hệ thống thử nghiệm, hệ thống phông phù hợp, hệ thống đèn led chiếu sáng… Như đề cập trên, đề tài trình bày việc xây dựng nước rơi kế thừa từ cơng trình [2] trước nhóm Sự khác biệt cơng trình [2] cơng trình bảng 4.1 67 Bảng 4.1 So sánh thông số với công tr nh [2] Thông số so sánh Công trình [2] Cơng trình Số van (điểm ảnh theo hàng ngang) 192 320 Kích thước (dài x cao) 3x3.5 4x4m Vi xử lý Atmel (16bits) Atmega16 ARM STM32F4 (32 bits) Điều khiển từ máy tính Khơng Có Điều khiển từ smartphone Khơng Có Khả hoạt động độc lập Có Có Hiệu ứng dùng đèn led màu chiếu sáng Khơng Có Trong hình ảnh hiển thị hình chữ “B”, hình bướm logo Mitsubishi cơng trình [2] hình 4.26 Kết cơng trình hình 4.27 rõ ràng sắc nét nhiều so với cơng trình trước hình 4.26 Hình 4.26 Kết hiển thị số h nh ảnh cơng tr nh [2] Hình 4.27 Kết hiển thị số h nh ảnh công tr nh Từ kết so sánh cho thấy cơng trình cải tiến nhiều chức tiện lợi nhiều so với cơng trình trước hình ảnh hiển thị rõ hơn, mịn xác So sánh với cơng trình thương mại Space Printer 68 Osaka Station City cho thấy cơng trình có chất lượng khơng thua Ngồi cơng trình số chuyên gia nghệ thuật đánh giá cao mặt công nghệ biểu diễn nghệ thuật 69 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Các kết đạt qua thực luận văn: - Hệ thống hoá lý thuyết liên quan xử lý ảnh bản, phân tích thiết kế hệ thống nhúng - Thiết kế phần mềm điều khiển máy tính phần mềm điều khiển chạy hệ điều hành Android cho kết tốt hoạt động ổn định mong đợi - Phần truyền liệu từ phần mềm máy tính phần mềm điều khiển chạy hệ điều hành Android hoạt động ổn định giúp cho hệ thống van từ cho hình ảnh tương đối trung thực Hướng phát triển luận văn: Qua thử nghiệm hệ thống bước đầu cho số kết khả quan mong đợi Tuy nhiên số nhược điển cần khắc phục thời gian tới sau: - Khắc phục nhược điểm điều khiển hệ thống van từ, hệ thống ống dẫn, dây dẫn, vòi phun nước hệ thống cịn bị bọt khí (luồng nước chưa liên tục) dẫn đến tình trạng hiển thị hình ảnh chưa trung thực - Khắc phục, gia cố hệ thống khung sườn cho hệ thống vững hơn, không bị rung lắc vận hành van từ lúc đóng mở liên tục - Hệ thống điều khiển hiệu ứng sáng đa dạng - Áp dụng điều khiển thông minh cho mức độ giải trí, biểu diễn tốt - Chỉnh trang lại chi tiết để tăng tính thẩm mỹ hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU TIẾNG ANH [1] Min-Joon, Yoo and In-Kwon Lee, Creating Musical-Fountain Shows, IEEE Computer Graphics and Applications, vol 29, issue 5, p.p 6-13, 2009 [2] Le Van La, Phan Dinh Duy, Vo Thanh Xuyen, A Compact Autonomous Display in Space Using Water Drops, Hội thảo toàn quốc công nghệ thông tin, 2013  TÀI LIỆU INTERTNET: [3] Bellagio fountain show, Las Vegas - Michael Jackson - Billy Jean http://www.youtube.com/watch?v=401wv1eKc2c [4] Dubai Fountain 2010 Thriller Michael Jackson http://www.youtube.com/watch?v=MoxxK-8MeWw [5] Beautiful Fountain Water Show in Singapore Marina Bay http://www.youtube.com/results?search_query=fountain+show+singapore [6] The world greatest dancing fountains - Burj Khalifa http://www.youtube.com/watch?v=MELNJRJMK-Q [7] Mơ hình màu RGB – hệ màu thiết kế” http://rgb.vn/ideas/explore/mo-hinh-mau-rgb-he-mau-co-ban-trong-thiet-ke [8] Computer Vision and Application http://www.comvisap.com/2012/01/ktcb6.html [19] Bơm chìm dân dụng TPS-200 1/4HP http://bomchuyendung.com/san-pham/bom-chim-dan-dung-tps200-14hp-4871.html [10] Van điện 2W (ZD) SERIES http://hoahung.net/san-pham/van-dien-2wzd-series-774.html [11] Đuôi chuột đồng http://sieuthicongnghiep.vn/product/134k1n5952/Noi-ong khi-nen-2-dau-duoichuot-bang-dong-KBU-.htm ... cà phê, nhà hàng Một số hình ảnh loại hình 1.1 2 Hình 1.1 Màn nước khơng điều khiển Màn nước điều khiển hình nước rơi theo ý muốn, có điều khiển hệ thống, nước điều khiển xuất lần vận hội Olympic... người Màn hình nước thường có hai loại nước khơng điều khiển nước điều khiển sau: Màn nước không điều khiển dạng nước rơi bề mặt kính, nước rơi tạo màng (thường để dùng máy chiếu, chiếu lên tạo hình. .. C để viết chương trình nhúng mạch điều khiển nhúng vào hệ thống 5 Giới hạn phạn vi nghiên cứu luận văn Luận văn nghiên cứu xây dựng phần điều khiển hệ thống nước nghệ thuật hiển thị chữ, hình