Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến việc bắn phân loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VÕ NGỌC ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC BẮN PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã ngành 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 8/2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ NGỌC ANH TUẤN MSHV: 1570313 Ngày, tháng, năm sinh: 10/01/1992 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03 1-TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến việc bắn phân loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 2-NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu sở phương pháp xử lý ảnh ứng dụng máy phân loại - Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến việc bắn loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Xây dựng mơ hình thuật tốn việc bắn phân loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 3-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 4/7/2016 4-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/6/2017 5-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRẦN ANH SƠN Tp.HCM, ngày … tháng…… năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Trần Anh Sơn TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH SƠN Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS LÊ VĂN SỸ Cán chấm nhận xét 2: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 06 tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS.TS NGUYỄN THANH NAM PGS.TS LƯU THANH TÙNG TS TRƯƠNG QUỐC THANH TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS TS NGUYỄN THANH NAM TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS.TS NGUYỄN HỮU LỘC LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cám ơn đến bố, mẹ thành viên gia đình ủng hộ tạo điều kiện vật chất tinh thần để tơi có thuận lợi suốt khố học vừa qua Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô khoa Cơ Khí, Trường đại học Bách khoa TPHCM Các Thầy cô cho động lực kinh nghiệm nghiên cứu giá trị suốt thời gian qua Và đặc biệt, tơi khơng thể hồn thành luận văn khơng có giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy Trần Anh Sơn, may mắn Thầy đồng ý hướng dẫn thực luận văn Thầy không truyền đạt cho kiến thức mà cịn truyền đạt niềm đam mê cơng việc sống Tôi trân trọng kiến thức lời khuyên quý báu Thầy Tôi xin chân thành cảm ơn Trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 Học viên thực Võ Ngọc Anh Tuấn i TÓM TẮT Ngành công nghiệp chế biến sản xuất hạt điều đóng vai trị quan trọng phát triển kinh tế Việt Nam, nguồn thu ngoại tệ ta từ xuất hạt điều đứng đầu nhiều năm liên tiếp Trong sản xuất, chế biến hạt điều, khâu phân loại hạt điều (theo màu sắc, kích thước…) theo tiêu chuẩn khâu cuối trước thành phẩm Hiện nay, khâu thực chủ yếu thủ công, hiệu suất suất đạt không cao Bằng việc sử dụng hệ thống phân loại ứng dụng xử lý ảnh khắc phục nhược điểm q trình Mục đích nghiên cứu tìm thơng số ảnh hưởng đến việc bắn loại hạt điều hệ thống gồm thiết bị như: thiết bị nhận diện ảnh, xử lý, van khí nén tốc độ cao…Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu thuật tốn trình phân loại thử nghiệm mơ hình ABSTRACT Cashew is an agricultural product that plays an essential role in the developments of the economy of Viet Nam, since foreign revenue from cashew products is ranked as one of the top agricultural exporting commodities By implementing the machine vision system, the quality and price of cashew will be improved Moreover, it is possible to obtain high accuracy and performance with this technology For that purpose, the machine is equipped with CCD cameras and high-velocity pneumatic separation system Therefore, a research is conducted to calculate velocity of airflow, the conveyor, and the height difference between conveyor belt and air nozzle, all of which impact the accuracy of pneumatic separation system Finally, the author presents the algorithm of this process and testing on the real model ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn hướng dẫn TS Trần Anh Sơn công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Người thực Võ Ngọc Anh Tuấn iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix TỪ NGỮ VIẾT TẮT x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ngành công nghiệp hạt điều Việt Nam .1 1.1.1 Tầm quan trọng việc xuất nhân hạt điều nước ta 1.1.2 Quy trình sản xuất hạt điều xuất 1.1.3 Tiêu chuẩn hạt điều xuất 1.2 Sơ lược hệ thống phân loại sản phẩm phương pháp xử lý ảnh 10 1.3 Tính hình nghiên cứu ngồi nước 11 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 11 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 12 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 13 1.5 Điểm mới, ý nghĩa khoa học, giá trị thực tiễn luận văn, 14 1.6 Nội dung thực luận văn 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Các hệ thống phân loại hạt điều dùng công nghệ xử lý ảnh 16 2.1.1 Nguyên lý dạng băng tải 17 2.1.2 Nguyên lý máng trượt .18 2.2 Cơ sở xử lý ảnh 20 iv 2.2.1 Giới thiệu chung xử lý ảnh 20 2.2.2 Cơ sở xử lý ảnh 22 2.2.3 Không gian màu 24 CHƯƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH .31 3.1 Phương trình chuyển động hạt 31 3.1.1 Chuyển động hạt thành phẩm .34 3.1.2 Chuyển động hạt điều phế phẩm 35 3.2 Các thông số ảnh hưởng đến thời gian thực trình phân loại hạt điều 43 3.2.1 Thời gian xử lý hệ thống .43 3.2.2 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến trình bắn phân loại 50 CHƯƠNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG NHÂN HẠT ĐIỀU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 55 4.1 Thuật toán nhận dạng .55 4.1.1 Quá trình lọc: .57 4.1.2 Chuyển đổi không gian màu 58 4.1.3 Phân ngưỡng 60 4.1.4 Lọc nhiễu 63 4.2 Kết luận 68 4.3 Hướng phát triển .68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC .70 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các quốc gia nhập nhân hạt điều Việt Nam Hình 1.2 Quy trình chế biến hạt điều xuất Hình 1.3 Phân loại hạt điều dùng phương pháp thủ công Hình 1.4 Nhân nguyên trắng (WW) .7 Hình 1.5 Nhân nguyên sém vàng (SW) Hình 1.6 Nhân nguyên nám nhạt (LBW) .8 Hình 1.7 Nhân nguyên nám (BW) Hình 1.8 Nhân đốm rỗ Hình 1.9 Nhân nguyên (W) Hình 1.10 Nhân vỡ ngang (B) Hình 1.11 Nhân vỡ dọc (S) Hình 1.12 Nhân vỡ vụn (P) .10 Hình 2.1 Nguyên lý phân loại dạng băng tải 18 Hình 2.2 Nguyên lý máy phân loại dạng máng trượt 19 Hình 2.3 Lực tác dụng lên hạt mơ hình máng nghiêng .20 Hình 2.4 Các bước xử lý ảnh 21 Hình 2.5 Dải ánh sắng mắt người nhận biết 24 Hình 2.6 Mô hình khơng gian màu RGB 25 Hình 2.7 Không gian màu HSV 26 Hình 2.8 Hình trịn biểu diễn màu sắc (Hue) .27 Hình 2.9 Không gian màu CYMK .28 Hình 2.10 Chuyển đổi không gian màu RGB sang không gian màu HSV 29 Hình 3.1 Mơ hình hạt chuyển động băng tải .32 vi Hình 3.2 Mơ hình quỹ đạo thay đổi hạt điều .32 Hình 3.3 Hạt trước chịu tác dụng dịng khí 35 Hình 3.4 Quỹ đạo hạt điều thành phẩm với nhiều vận tốc khác 39 Hình 3.5 Vận tốc dịng khí lúc bắt đầu phun 40 Hình 3.6 Vận tốc dịng khí tắc dụng lên hạt 40 Hình 3.7 Áp suất dịng khí bắt đầu phun .41 Hình 3.8 Áp suất dịng khí tác dụng lên hạt 41 Hình 3.9 Biểu đồ vận tốc theo thời gian trình bắn 42 Hình 3.10 Biểu đồ áp suất theo thời gian trình bằn loại .42 Hình 3.11 Áp lực khí tác dụng lên hạt q trình bắn 43 Hình 3.12 Thời gian thực xử lý hệ thống .44 Hình 3.13 Kiến trúc điển hình camera số 45 Hình 3.14 Chọn camera cụm xử lý ảnh 45 Hình 3.15 Van tích hợp 20 lỗ .47 Hình 3.16 Van tích hợp 16 lỗ khí .48 Hình 3.17 Hình ảnh van đơn Mac 34 49 Hình 3.18 Các van lắp thân đỡ 49 Hình 3.19 Cấu tạo máng rung điện lõi chữ I 51 Hình 3.20 Cấu tạo máng rung lõi chữ E .51 Hình 3.21 Sơ đồ thiết kế máy phân loại .53 Hình 3.22 Thiết kế phận cấp rung máy 53 Hình 3.23 Băng tải máy .54 Hình 3.24 Vị trí bố trí thiết bị phận phân loại .54 Hình 4.1 Thuật toán nhận diện màu hạt điều .56 Hình 4.2 Thuật toán chập hình thu từ camera 57 vii Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Đọc Line ảnh L[index] Dịch chuyển mảng 64 phần tử Image[63]=Image[62] Image[0]=L[Index] Ảnh Image khung ảnh 64 *độ dài khung ảnh L ( xử lý Image L[Index] Index+=1; Lặp lại Hình 4.2 Thuật tốn chập hình thu từ camera 4.1.1 Q trình lọc: Trong trình camera thu nhận ảnh, ảnh bị suy thối nguồn nhiễu gây ra, nguyên nhân gây nhiễu bị ảnh hưởng điều kiện xung quanh hay trình truyền ảnh để xử lý Ảnh thu thường có hai nguồn nhiễu là: nhiễu muối tiêu nhiễu cuộn Nhiễu muối tiêu xuất hình ảnh mã hóa truyền qua kênh có nhiễu ồn điện từ Nhiễu cuộn thấu kính khơng hội tụ, chuyển động, nhiễu loạn khí điều kiện thời tiết bất lợi Cả nguồn nhiễu phân bố thành phần tần số cao Để loại thành phần nhiễu, người ta thường sử dụng lọc trung bình Hình 4.3 thể sơ đồ lọc trung bình Hình 4.3 Sơ đồ hoạt động lọc trung bình 57 Chương 4: Thuật tốn nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Ngồi sử dụng số lọc trung bình khác như: - Geometric Mean - Harmonic Mean - Contraharmonic Mean Sau cho ảnh qua lọc trung bình ảnh lọc phần nhiễu Bước trình xử lý ảnh thuật toán nhận diện màu sắc qua chuyển đổi không gian màu Việc chuyển đổi mục đích làm khơng gian màu phù hợp với thị giác người Bộ chuyển đổi giải thuật 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 hoàn toàn cần thiết cho nhận diện màu sắc Bởi khơng gian màu HSV hồn tồn khơng gian màu phù hợp với thị giác người Hình 4.4 thể sơ đồ chuyển khơng gian màu Ngồi nhiều trường hợp, ta 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 nhân hạt điều 58 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.6 Ảnh sau tách ngưỡng Hình 4.7 Ảnh gốc trước chuyển không gian màu Hình 4.8 Ảnh sau chuyển ảnh xám 59 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài 4.1.3 Phân ngưỡng Nếu ảnh hạt điều thu đơn khơng chịu tác động cường độ ánh sáng lúc ta dùng ngưỡng để quan tâm đến màu sắc hạt xấu hạt tốt Vì mẫu vật xấu định sẵn nên ta biết biết dãi màu hạt điều đạt tiêu chuẩn hay khơng Để phân nhiều loại màu tiêu chuẩn hạt điều khác ta phải xây dựng thư viện riêng cho Nhưng thực tế, ảnh thu nhận chụp khơng đơn giản vậy, ảnh thu nhận cịn chịu ảnh hưởng độ chiếu sáng Thuật toán sử dụng không gian màu HSV để thuận tiện cho nhận dạng màu sắc Đặc tính khơng gian màu HSV: H bước sóng ánh sáng, V cường độ ánh sáng, S độ tinh khiết ánh sáng gốc Để chọn ngưỡng cho ảnh ta sử dụng bước sóng H Cũng không gian màu này, giá trị V mà lớn giá trị S lớn ngược lại Vì xử lý chọn ngưỡng ta ý đến thông số H đầu tiên, thơng số cịn lại Hình 4.9 Sơ đồ phân ngưỡng Hình 4.10 Mô tả ngưỡng nhân hạt điều tốt 60 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.11 Mô tả ngưỡng nhân hạt điều xấu Hình 4.12 Biên độ ngưỡng màu RGB nhân hạt điều xấu 61 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.13 Ngưỡng màu RGB nhân hạt điều xấu Hình 4.14 Ngưỡng màu hạt điều bị lỗi Rõ ràng sau lấy ngưỡng ta xác định xác vị trí, diện tích bao nhân hạt điều, từ ta tiến hành xử lý sâu vào lỗi để tính tốn phân tính chất lượng 62 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.15 Ảnh trước sau lấy ngưỡng Ta thấy hạt điều xấu, lấy ngưỡng tạo diện tích màu lỗi nhiều hạt điều tốt (hạt điều tốt gần khơng có màu xám nhiều) Vậy dựa vào tỉ lệ Diện tích vùng xám/ Diện tích vùng sang (trên nhân hạt điều) ta dễ dàng phân loại loại hạt điều, đồng thời diện tích vùng sáng khơng đủ lớn, đồng nghĩa hạt điều vỡ 4.1.4 Lọc nhiễu Thuật toán lọc nhiễu dùng q trính xử lý cịn gọi Mophologyclose Thuật toán dựa hai phép “dãn” “co” 63 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài - Phép toán co (Erosion) hai hoạt động (khác phép giãn nở) hình thái học có ứng dụng việc giảm kích thước đối tượng, tách rời đối tượng gần nhau, làm mảnh tìm xương đối tượng Phép toán giãn nở (Dilation) được định nghĩa ⊕ = ⋃ ⊂ đó, A đối tượngtrong ảnh, B cấu trúc phần tử ảnh Phép tốn có tác dụng làm cho đối tượng ban đầu ảnh tăng lên kích thước (giản nở ra) Hình 4.16 Sơ đồ lọc nhiễu Hình 4.17 Anh gốc trước qua lọc Hình 4.18 Ảnh qua eros bậc 64 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.19 Ảnh qua lọc eros bậc 12 Hình 4.20 Ảnh qua thuật tốn tính tốn diện tích 65 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.21 Ảnh qua tính tính tốn định hướng Qua bước xử lý nhân hạt điều qua thuật toán nêu trên, tác giả tiến hành thử nghệm phân loại mơ hình thực tế Mơ hình gồm khồi xử lý như: camera nhận diện, ánh sáng, van khí nén tốc độ cao Mơ hình thử nghiệm thuật tốn Hình 4.22 Mơ hình thử nghiệm thuật toán phân loại 66 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài Hình 4.23 Thử nghiệm phân loại nhân hạt điều xấu Hình 4.24 Thử nghiệm nhân hạt điều tốt Bước đầu thử nghiệm, tác giả phân loại hạt xấu, tốt theo màu sắc hạt Kết nhận diện hạt điều khiển van khí nén 67 Chương 4: Thuật toán nhận dạng nhân hạt điều hướng phát triển đề tài 4.2 Kết luận - Luận văn tìm thông số công nghệ ảnh hưởng đến trình bắn phân loại hạt điều ứng dụng xử lý ảnh Việc tìm thơng số cơng nghệ giúp ta điều chỉnh để đạt kết tối ưu yêu cầu đặt Từ thiết kế phận theo thơng số tính tốn - Dựa vào phương trình quỹ đạo hạt điều lúc phân loại, ta biết thơng số thời gian điều khiển cho tồn hệ thống, qua thời gian đó, thiết kế, lựa chọn thiết bị phù hợp với thời gian hệ thống - Xây dựng thuật toán nhận dạng hạt điều ứng dụng xử lý ảnh thử nghiệm mơ hình thực tế 4.3 Hướng phát triển - Thiết kế, hồn thiện kết cấu khí máy dạng công nghiệp từ thông số thiết kế trình bày luận văn - Tiếp tục hồn thiện thuật tốn nhận dạng, thử nghiệm máy cơng nghiệp, thực nghiệm thông số để đạt hiệu suất cao máy 68 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hiệp hội điều Việt Nam, website http://www.vinacas.com.vn/ [2] Jarimopas, Bundit Jaisin, Nitipong (2008), An experimental machine vision system for sorting sweet tamarind, Journal of Food Engineering, Volume 89, Issue 3, Trang 291297 [3] C S Nandi, B Tudu and C Koley, Machine Vision Based Techniques for Automatic Mango Fruit Sorting and Grading Based on Maturity Level and Size [4] E Hamzeloo, M Massinaei, N Mehrshad, Estimation of particle size distribution onan industrial conveyor belt using image analysis and neural networks, Powder Technol 261 (2014) 185–190 [5] Hà Thiên Sơn, Nghiên cứu máy phân loại cà phê màu sắc, Đại học công nghệ Hà nội [6] Nguyễn Danh Tiến, Chế tạo thử nghiệm máy phân loại cà phê hạt màu sắc Opsotec 5.01-A phục vụ xuất khẩu, mã số đề tài KC 06.DA 05CN 69 Phụ lục PHỤ LỤC Bài báo tham gia hội nghị tác giả giáo viên hướng dẫn Hội nghị SEATUC 2017 tổ chức Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh – Tháng 3/2017 Tên báo: Study the effect of airflow classifying system to trajectories of cashew nuts using machine vision technology 70 Phụ lục 71 ... máy phân loại - Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến việc bắn loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh - Xây dựng mơ hình thuật toán việc bắn phân loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý. .. số: 60.52.01.03 1-TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến việc bắn phân loại hạt điều ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 2-NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu sở phương pháp xử lý ảnh ứng dụng. .. CHƯƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH Trong chương này, tác giả nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến q trình phân loại hạt điều ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh,