(Đồ án hcmute) mô hình phát hiện lỗi trên bề mặt gạch men ứng dụng xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

MƠ HÌNH PHÁT HIỆN LỖI TRÊN BỀ MẶT GẠCH MEN
ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH

GVHD : TS. LÊ MỸ HÀ
SVTH: PHẠM VĂN QUANG 12151065
NGƠ ĐÌNH HUY
12151128

SKL 0 0 4 4 9 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2017

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

MƠ HÌNH PHÁT HIỆN LỖI TRÊN BỀ MẶT

GẠCH MEN ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN :

TS. LÊ MỸ HÀ

SINH VIÊN THỰC HIỆN:
PHẠM VĂN QUANG

12151065

NGƠ ĐÌNH HUY

12151128

LỚP:

12151CLC

NGÀNH:

CƠNG NGHỆ KTDK VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHĨA:

2012 – 2016

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2017

do an

PHẦN A: GIỚI THIỆU

i

do an


TRƯỜNG ĐH. SPKT TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Văn Quang

MSSV: 12151065

Ngơ Đình Huy

MSSV: 12151128

Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã ngành:

12151

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khóa:

2012-2016

Lớp: 12151CLC

I. TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH PHÁT HIỆN LỖI TRÊN BỀ MẶT GẠCH
MEN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH
Thời gian thực hiện từ 22/9/2016 đến 13/1/2017
II. NHIỆM VỤ
1. Các yêu cầu cụ thể của đề tài:
-

Tìm hiểu các phương pháp xác định lỗi trên bề mặt gạch men.

-

Thiết kế và thi công mô hình phân loại sản phẩm gạch men lỗi.

-

Tìm hiểu PLC S7-200, biến tần Siemens M420, …

-

Tìm hiểu cách truyền thơng giữa PLC và Matlab.

2. Lời cam đoan cuả sinh viên:
Chúng tơi – Phạm Văn Quang và Ngơ Đình Huy cam đoan Đồ án
tốt nghiệp là cơng trình nghiên cứu của chúng tôi theo sự hướng dẫn của
T.S Lê Mỹ Hà. Các kết quả công bố trong đồ án là trung thực và khơng
sao chép từ cơng trình nào khác.
Tp.HCM, ngày
Xác nhận của bộ môn

tháng năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

ii

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP.HCM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Khoa Điện - Điện Tử

Bộ Mơn Tự động điều khiển
Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng......năm 2017

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: PHẠM VĂN QUANG
Lớp: 12151CLC

MSSV: 12151065

Họ tên sinh viên 2: NGƠ ĐÌNH HUY
Lớp: 12151CLC

MSSV: 12151128

Tên đề tài: MƠ HÌNH PHÁT HIỆN LỖI TRÊN BỀ MẶT GẠCH MEN ỨNG
DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ ẢNH
Xác

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1

Nhận đề tài. Gặp giáo viên hướng dẫn.

Tuần 2

Tuần 3

nhận

GVHD

Tìm hiểu tổng quan các phương pháp thực hiện đề tài.
Sinh viên làm theo nhiệm vụ được giao.
Kết nối webcam và xử lý tín hiệu ảnh.
Báo cáo tiến độ cho GVHD.
Tìm hiểu các phương pháp xác định lỗi trên bề mặt gạch
men:

Tuần 4,5

-

Phương pháp xoay ảnh chụp về đúng vị trí theo
ảnh chuẩn ( Registration ).

-

Xác định vết nứt, lỗ đinh, vết ố, lỗi hoa văn, các
lỗi hình dạng như kích thước, vỡ, mẻ góc.

Tuần 6,7

Báo cáo tiến độ cho GVHD.

Tuần 8,9

Thiết kế, thi công mơ hình phần cứng.

Tuần 10,11

Xây dựng thuật tốn xác định vết nứt, vết ố màu, lỗi hoa
văn, lỗ đinh, mẻ góc.
iii

do an


Tuần 12

Tuần 13

Tuần 14

Kết nối PLC với Matlab.
Báo cáo tiến độ cho GVHD.
Viết chương trình xác định lỗi trên bề mặt gạch.
Thiết kế và lập trình giao diện GUIDE.

Viết báo cáo.
Cho chạy thử chương trình kết hợp phần cứng.

Tuần 15

Tiếp tục hoàn thiện báo cáo.
Báo cáo tiến độ cho GVHD.
Nộp báo cáo.

Tuần 16

Gặp giáo viên phản biện.
Tiếp tục hoàn thiện mơ hình
GV HƯỚNG DẪN

TS. LÊ MỸ HÀ

iv

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: .................................................................MSSV: ............................
................................................................MSSV: ............................
Ngành: .................................................................................................................................
Tên đề tài:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Họ và tên giáo viên hướng dẫn:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
............................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
............................................................................................................................................
6. Điểm……………. (Bằng chữ: ...................................................................................... )
............................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng năm 20…
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

v

do an

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: .................................................................MSSV: ............................
................................................................MSSV: ............................
Ngành: .................................................................................................................................
Tên đề tài: ...........................................................................................................................
............................................................................................................................................
Họ và tên giáo viên phản biện:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:

............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
............................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
............................................................................................................................................
6. Điểm…………. (Bằng chữ: .......................................................................................... )
............................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 20…
Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

vi

do an


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay với sự bùng nổ của khoa học công nghệ và sự phát triển mạnh mẽ
của các nghành cơng nghiệp thì con người có xu hướng tự động hóa cơng việc,
thay thế con người bằng các thiết bị trong việc giám sát và điều khiển. Đặc biệt
trong lĩnh phát hiện lỗi và phân loại sản phẩm. Nhóm chọn đề tài phát hiện lỗi trên
gạch men vì hệ thống này còn khá mới và được áp dụng trong nhiều nhà máy gạch
lớn.
Đề tài “Mơ hình phát hiện lỗi trên bề mặt gạch men ứng dụng kỹ thuật xử lý
ảnh” là một đề tài mới mẻ với sinh viên ngành công nghệ điện tự động, đề tài yêu

cầu sinh viên có kiến thức cơ bản về xử lý ảnh, các kiến thức chun mơn về tự
động hóa.

vii

do an


LỜI CẢM ƠN

Đề tài “Mơ hình phát hiện lỗi trên bề mặt gạch men ứng dụng kỹ thuật xử
lý ảnh” thực sự là một đề tài khó và mới lạ tuy nhiên sau một khoảng thời gian
ngắn nhóm cũng hồn thành xong đề tài. Kết quả đạt được có thể coi là một thành
cơng của cả nhóm. Để có thể hồn thành tốt đề tài này thì cần u cầu một sự nổ
lực lớn từ chúng tôi để đạt được kết quả như vậy trong một thời gian ngắn. Và vai
trò của giáo viên hướng dẫn là rất lớn, Tiến sĩ Lê Mỹ Hà đã rất nhiệt tình cùng
chúng tơi nghiên cứu để có thể giúp chúng tơi hồn thành tốt đề tài này. Trong q
trình làm đề tài nhóm cũng phát sinh nhiều khó khăn, điều này ảnh hưởng trực tiếp
đến chất lượng cũng như thời gian thực hiện đề tài. Trong thời gian làm đồ án mặc
dù thầy bận đi học xa nhưng thầy vẫn cố gắng dành thời gian để giúp đỡ nhóm.
Để có thể hồn thiện đề tài thì sự tích lũy kiến thức trong 4 năm học đại học
là yếu tố quan trọng vì vậy chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong
khoa đã cung cấp các kiến thức hữu ích khơng chỉ cho việc thực hiện đề tài mà cịn
là kiến thức về sau này trong công việc sau khi ra trường.
Và chúng tôi cũng cảm ơn bạn bè, tuy là không cùng chung đề tài nhưng các
bạn cũng nhiệt tình hổ trợ giúp đỡ về tinh thần cũng như các kiến thức liên quan
giúp chúng tơi có thể giải quyết một số vấn đề khi gặp khó khăn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng năm 201

Nhóm thực hiện
Phạm Văn Quang–Ngơ Đình Huy

viii

do an


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đề tài được chia làm ba phần như sau:
PHẦN A: GIỚI THIỆU
PHẦN B: NỘI DUNG
Phần nội dung là phần chính của đề tài và được chia làm 4 chương:
 Chương 1 TỔNG QUAN: nêu lên vấn đề, mục tiêu, giới hạn và hướng
nghiên cứu của đề tài. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT: tìm hiểu về cơ sở lý thuyết xử lý ảnh. Kết
nối Matlab và PLC S7 200 thông qua phần mềm PC Access
 Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG: thiết kế hệ thống thực tế, lưu đồ giải
thuật, giao diện giám sát và điều khiển hệ thống trên GUI trong Matlab.
 Chương 4 KẾT QUẢ: những kết quả đã đạt được trong quá trình.
 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN: những hạn chế của đề
tài, kết luận sau khi hoàn thành đề tài và các hướng phát triển cho đề tài.

ix

do an


MỤC LỤC

PHẦN A: GIỚI THIỆU ...................................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................. ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................... iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. viii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ........................................................................................... ix
MỤC LỤC ......................................................................................................... x
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... xii
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... xv
PHẦN B: NỘI DUNG ....................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 2
1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................. 2
1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài......................................................................... 3
1.3 Phương pháp, phương tiện nghiên cứu ................................................. 3
1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 4
2.1 Thị giác máy tính................................................................................... 4
2.2 Ngưỡng và các bộ lọc ............................................................................ 4
2.3 Các phương pháp xác định khuyết tật trên bề mặt gạch men ............... 5
2.4 Lựa chọn thiết bị ................................................................................. 10
2.5 Giới thiệu phần mềm ........................................................................... 20
2.6 PLC S7-200 ......................................................................................... 27
2.7 Kết nối PLC với Matlab [1] ................................................................ 32
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 37
3.1 Yêu cầu công nghệ .............................................................................. 37
3.2 Sơ đồ khối của hệ thống ...................................................................... 37
3.3 Giới thiệu mơ hình .............................................................................. 37
3.4 Quy trình hoạt động ............................................................................ 39
3.5 Xác định địa chỉ ngõ vào, ngõ ra PLC ................................................ 40
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .................................................................................. 50
4.1 Kết quả thử nghiệm ............................................................................. 50

x

do an


CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 58
5.1 Kết luận ............................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 60

xi

do an


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1- 2 : Máy phát hiện lỗi trên gạch men ......................................................... 3
Hình 2- 1: Ví dụ về ảnh hưởng của việc đặt ngưỡng. (a) là ảnh gôc, (b) là ảnh với
ngưỡng 0.7, (c) là ảnh với ngưỡng 0.4 ................................................................... 5
Hình 2-2.................................................................................................................. 8
Hình 2-3.................................................................................................................. 8
Hình 2-4.................................................................................................................. 9
Hình 2-5: Kết quả registration.............................................................................. 10
Hình 2-6: PLC S7 – 200 CPU 224 AC/DC/RLY................................................. 11
Hình 2-7: Sơ đồ chân của PLC S7-200. (a) Sơ đồ chân ngõ vào, (b) Sơ đồ chân
ngõ ra .................................................................................................................... 12
Hình 2-8: Xilanh CDJ2D16-100-B ...................................................................... 12
Hình 2-9: Van đảo chiều ...................................................................................... 13
Hình 2- 10 : Cảm biến (1) vật cản hồng ngoại ..................................................... 13
Hình 2- 11 : Sơ đồ đấu dây cảm biến NPN .......................................................... 14

Hình 2- 12: Cảm biến (2) vật cản hồng ngoại ...................................................... 14
Hình 2-13: Sơ đồ đấu dây cảm biến PNP ............................................................ 15
Hình 2-14: Webcame Logitech C615 (HD) ......................................................... 15
Hình 2-15: Encoder E6B2-CWZ6C ..................................................................... 15
Hình 2-16 : Sơ đồ chân Encoder .......................................................................... 16
Hình 2-17: Động Cơ OM ..................................................................................... 16
Hình 2-18: Biến tần ATV11 Technical manual ................................................... 17
Hình 2-19: Các nút nhấn cài đặt trên biến tần...................................................... 17
Hình 2-20: Sơ đồ đấu dây của bộ biến tần ........................................................... 18
Hình 2-21 : Các thơng số truy cập vào Menu ...................................................... 19
Hình 2-22: Giao diện Image Acquisition toolbox ................................................ 21
Hình 2- 23: Tạo chương trình GUIDE ................................................................. 22
Hình 2- 24: Giao diện lập trình GUI .................................................................... 23
Hình 2- 25: Các đặc tính của component ............................................................. 24
Hình 2- 26 Biểu tượng của chương trình MicroWIN .......................................... 25
xii

do an


Hình 2-27: Giao diện chương trình PLC .............................................................. 25
Hình 2-28: Khai báo các biến trong chương trình PLC ....................................... 26
Hình 2-29: Quan hệ giữa OPC Toolbox Object với OPC Server ........................ 27
Hình 2-30: Thiết lập High Speed Counter (1)...................................................... 30
Hình 2-31: Thiết lập High Speed Counter (2)...................................................... 30
Hình 2- 32: Thiết lập High Speed Counter (3)..................................................... 31
Hình 2-33: Mơ tả chế độ đếm và các loại HSC ................................................... 31
Hình 2- 34: Giao diện phần mềm V1.0 PC Access .............................................. 32
Hình 2- 35 Đưa các biến từ chương trình PLC vào PC Access ........................... 32
Hình 2- 36: Đưa các biến vào Test Client ............................................................ 33

Hình 2- 37: Kết quả tạo liên kết trên PC Access ................................................. 33
Hình 2- 38: Giao diện OPC Tool ......................................................................... 34
Hình 2-39: Tạo Host trong OPC Tool để liên kết với OPC Server ..................... 34
Hình 2- 40: Giao diện OPC Tool khi kết nối thành công .................................... 35
Hình 2- 41: Kết quả tạo liên kết trên OPC Tool .................................................. 35
Hình 3- 1: Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................... 37
Hình 3- 2: Buồng xử lý ảnh.................................................................................. 38
Hình 3- 3: Biến tần ATV11 Technical manual .................................................... 38
Hình 3- 4: Động cơ không đồng bộ 3 pha Siemens ............................................. 39
Hình 3-5: Xilanh CDJ2D16-100-B ...................................................................... 39
Hình 3- 6: Sơ đồ kết nối phần cứng mơ hình phát hiện lỗi trên bề mặt gạch ...... 41
Hình 3- 7: Sơ đồ mạch động lực mơ hình phát hiện lỗi trên bề mặt gạch ........... 41
Hình 3- 8: Mặt trước của tủ điều khiển và giám sát............................................. 42
Hình 3- 9: Lưu đồ giải thuật cho PLC.................................................................. 43
Hình 3-10: Lưu đồ giải thuật cho chương trình Matlab ....................................... 44
Hình 3-11: lưu đồ phát hiện lỗi vết nứt, lỗ đinh, ố màu, lỗi hoa văn ................... 45
Hình 3-12: Các dạng liên kết ............................................................................... 46
Hình 3-13: Các đặc trưng của vật thể................................................................... 46
Hình 3-14 : lưu đồ giải thuật phát hiện lỗi gạch vỡ ............................................. 47
Hình 3-15: Giao diện GUIDE hồn chỉnh ........................................................... 48
Hình 3- 16: Giao diện GUIDE khi gặp lỗi kẹt gạch............................................. 49
Hình 4-1: Hình ảnh gạch chuẩn ........................................................................... 50
xiii

do an


Hình 4-2: Gạch vỡ góc và lỗ đinh ........................................................................ 51
Hình 4-3: Hình gạch bị nứt và ố màu ................................................................... 51
Hình 4-4: gạch bị ố màu ....................................................................................... 52

Hình 4-5: Gạch bị lỗ đinh..................................................................................... 52
Hình 4-6: Gạch bị vết nứt và vỡ góc .................................................................... 53
Hình 4-7: Gạch bị ố màu ...................................................................................... 53
Hình 4-8: Gạch khơng lỗi ..................................................................................... 54
Hình 4-9: Gạch khơng lỗi ..................................................................................... 54
Hình 4-10: File excel báo cáo ............................................................................. 55
Hình 4-11: Các mẫu gạch thử .............................................................................. 55

xiv

do an


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Bảng thống kế số lượng thiết bị .......................................................... 10
Bảng 3-1: Kết nối ngõ vào, ngõ ra ....................................................................... 40
Bảng 4-1: Các Mẫu gạch kiểm tra lỗi .................................................................. 56

xv

do an


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan

PHẦN B: NỘI DUNG

do an

Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề
Tìm lỗi bề mặt là một vấn đề rất được quan tâm hiện nay, các ứng dụng

trong việc tìm lỗi bề mặt của sản phẩm công nghiệp thường được ứng dụng
trong các sản phẩm như: tìm lỗi vãi, thép, gỗ, đá hoa cương, hay trong lĩnh vực
khảo cổ học… đã và đang là những đề tài vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu
theo nhiều lĩnh vực áp dụng khác nhau, và cũng đang là nhu cầu cần thiết cấp
bách cho các ngành công nghiệp trên nhiều nước.
Để phát hiện các lỗi chính xác và nhanh, ta phải phân tích kết cấu ảnh hay
phân tích các lớp màu càng chính xác thì kết quả tìm lỗi sẽ càng tối ưu. Đồng
thời để thực hiện nhanh phù hợp với việc xử lý thời gian thực hiện dữ liệu xử lý
càng ít càng tốt, vì thế phương pháp tốt nhất là sử dụng bộ lọc để hạn chế nhiễu.
Vấn đề nghiên cứu các phương pháp và các kỹ thuật cho việc kiểm tra đánh
giá lỗi bề mặt trong sản xuất theo dây chuyền tự động, cũng như vai trò của việc
kiểm tra và đánh giá chất lượng cho sản phẩm là rất quan trọng, nhưng hiện nay
các nghiên cứu để áp dụng cho các ứng dụng này vẫn chưa phổ biến, chủ yếu là
các phương pháp truyền thống thường được thực hiện do con người trực tiếp
quan sát bề mặt của sản phẩm, để đánh giá phân loại chất lượng cho các sản
phẩm. Với công nghệ hiện đại và kỹ thuật phát triển rất cao trong các ngành sản
xuất công nghiệp với dây chuyền tự động, đòi hỏi việc kiểm tra đánh giá sản
phẩm phải được thực hiện một cách chính xác, tốc độ nhanh và phải thực hiện

thường xuyên trong một mơi trường với các loại nhiễu. Vì thế một ứng dụng
trong công nghiệp quan trọng là kiểm tra đánh giá bề mặt sản phẩm, phân loại
sản phẩm bằng hệ thống quan sát tự động từ các sản phẩm di chuyển trên băng
tải với số lượng, thời gian tạo sản phẩm nhanh.
Trước xu hướng đó, chúng tơi quyết định chọn đề tài “Mơ hình phát hiện
lỗi trên bề mặt gạch men ứng dụng xử lý ảnh” cho đồ án tốt nghiệp của mình.

2

do an


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Tổng quan

Hình 1- 1 : Máy phát hiện lỗi trên gạch men
1.2

Mục tiêu giới hạn đề tài
Mục tiêu của đề tài là tìm ra thuật toán sao cho phát hiện được những lỗi cơ

bản trên một viên gạch như: phát hiện vết nứt, mẻ cạnh… một cách tự động đạt
được hiểu quả về thời gian và năng suất.
Đề tài của chúng tơi có thể phát hiển được những lỗi cơ bản, đơn giản của
một viên gạch chưa tìm được những lỗi phức tạp hơn. Vì giới hạn về kiến thức
và năng lực nên thuật toán xử lý ảnh chưa được tối ưu vì thế địi hỏi phần cứng
phải đáp ứng đủ yêu cầu cho việc xử lý ảnh.
1.3

Phương pháp, phương tiện nghiên cứu
Trong quá trình làm đề tài chúng tôi đã dùng các phương pháp sau: nghiên

cứu các tài liệu trong và ngoài nước, nghiên cứu việc dùng matlab trong xử lý
ảnh, thử sai những phương pháp có thể sử dụng.
Phương pháp dùng camera để phát hiện lỗi trên gạch cũng được một số nhà
máy gạch men lớn sử dụng rộng rãi.
1.4

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hiện nay, trong các nhà máy gạch men lớn, việc phát hiện lỗi và kiểm tra

chất lượng sản phẩm đang là vấn đề thiết yếu vì vậy việc áp dụng hệ thống phát
hiện lỗi một cách tự động rất cần thiết. Hệ thống giúp giảm nguồn nhân lực nâng
cao hiệu xuất và độ chính xác.

3

do an


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Thị giác máy tính
Trước đây, việc kiểm tra chất lượng gạch men đầu ra của nhà máy thường

được xử lý bằng phương pháp thủ công, thông qua quá trình giám sát trực tiếp
của mắt người và một số các biện pháp đo đạt thủ công bằng tay của các kiểm
định viên. Việc thu thập thông tin tự động, thơng qua các cảm biến điện tử chỉ
có khả năng xác định được kích thước, độ cong vênh của bề mặt gạch, mà chưa
đủ khả năng để xác định các khuyết tật khác trên bề mặt gạch men như vết nứt,
lõm men, đốm, lỗ kim…
Giờ đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin, các phần mềm và các
thuật toán xử lý ảnh được nghiên cứu phát triển, hình ảnh thu về được phân tích,
xử lý dựa trên một đặc trưng của đối tượng giống như hệ thống thị giác của con
người, nhờ đó, tính tự động hóa trong lĩnh vực giám sát ngày càng nâng cao như
hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm dựa trên kỹ thuật nhận dạng theo đặc
trưng của đối tượng, màu sắc, hình dáng… những thứ nói trên được xây dựng
dựa trên nền tảng gọi là thị giác máy tính.
Cụ thể, trong đồ án này sử dụng thuật toán thị giác máy tính để tìm ra các
khuyết tật trên bề mặt gạch men, xác đinh kích thước của gạch.
Có thể nói thêm là lĩnh vực ứng dụng của thị giác máy tính rất rộng như
nhận dạng chữ, nhận biết hành vi, nhận dạng khn mặt, điều khiển robot, ước
tính quỹ đạo di chuyển… hay nói chung là cơng cụ quan trọng cho trí tuệ nhân
tạo. Những phần được sử dụng trong phạm vi đồ án này là một phần nhỏ trong
lĩnh vực thị giác máy tính.
2.2

Ngưỡng và các bộ lọc

2.2.1

Ngưỡng

Việc lấy ngưỡng và sử dụng các bộ lọc là một phương thức nâng cao chất

lượng ảnh trong bước tiền xử lý. Ngưỡng (Threshold) là một khái niệm khá
quen thuộc trong xử lý ảnh cũng như rất nhiều lĩnh vực khác. Nó dùng để chỉ

4

do an


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

một giá trị mà người ta dựa vào để phân loại một tập hợp thành các vùng
riêng biệt.

(a)

(b)

(c)

Hình 2- 1: Ví dụ về ảnh hưởng của việc đặt ngưỡng. (a) là ảnh gôc, (b)
là ảnh với ngưỡng 0.7, (c) là ảnh với ngưỡng 0.4
Trong luận văn này, ngưỡng được dùng để nhị phân hóa ảnh. Nhị phân hóa
là q trình biến một ảnh xám thành ảnh nhị phân. Ảnh nhị phân chỉ chứa giá
trị 0 và 1. Theo đó, giá trị 0 sẽ là giá trị ứng với những điểm đem trên ảnh và
giá trị 1 sẽ là giá trị ứng với những điểm trắng. Công thức để nhị phân ảnh là
đặt tất cả các giá trị của ảnh xám về 0 nếu chúng bé hơn một ngưỡng T cho
trước và về 255 nếu chúng lớn hơn ngưỡng T đó. Vấn đề ở đây là chọn ngưỡng
T như thế nào để cho ra được ảnh nhị phân như mong muốn, nghĩa là ảnh làm

nổi các vùng đối tượng và nền. Việc xác định T là rất khó vì chúng phụ thuộc
vào từng điều kiện chiếu sáng khác nhau của môi trường, mỗi mơi trường sẽ có
giá trị T khác nhau.
2.3

Các phương pháp xác định khuyết tật trên bề mặt gạch men
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, thì yêu cầu được đặt lên hàng đầu

là yếu tố chính xác và phải thực hiện nhanh chóng theo thời gian thực. Do vậy,
việc này cần có sự phối hợp và bổ sung chặt chẽ cho nhau của hai lĩnh vực là
Xử lý ảnh (Image Processing) và Thị giác máy tính (Computer Vision).
Có rất nhiều phương pháp và hướng tiếp cận của vấn đề nhận biết khuyết
tật trên bề mặt sản phẩm: phương pháp máy học, phương pháp phát hiện biên
cho ảnh đa mức xám…
2.3.1

Nhận biết theo phương pháp học máy (machine learning)

Các phương pháp thuộc nhóm này dựa trên một tập hợp các hình mẫu của
đối tượng. Để trích đặt trưng từ các mẫu, cần phải thực hiện việc huấn luyện

5

do an


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

dưới dạng thống kê hoặc các thuật toán học máy với đủ nhiều các mẫu ảnh có
chứa đối tượng và khơng chứa đối tượng.
Một số phương pháp thuộc nhóm này:
-

Phương pháp PCA.

-

Phương pháp mạng Nơ-ron nhân tạo.

Do nhóm phương pháp này dựa trên việc huấn luyện sao cho thu được mơ
hình đối tượng sản phẩm từ một tập dữ liệu dương (ảnh có chứa hình đối tượng)
và một tập dữ liệu âm (ảnh khơng chứa hình đối tượng) nên chúng có sự tương
quan so sánh trực tiếp đến các đặc điểm hình học của một kiểu sản phẩm điển
hình.
Nhược điểm của phương pháp này là địi hỏi phải ln có sẵn cơ sở dữ liệu
hình ảnh sản phẩm rất lớn.
2.3.2

Nhận biết theo phương pháp phát hiện biên trên ảnh đa mức xám

2.3.2.1 Các phương pháp tách biên trong xử lý ảnh
Một biên trong một hình ảnh nói chung có thể được định nghĩa như là đường
bao của ảnh hoặc đường viền ngăn cách khu vực ảnh liền kề có đặc điểm tương
đối khác biệt theo một số tính năng quan tâm, một trong số đó là độ đo về sự
thay đổi đột ngột về cấp xám. Biên có thơng tin quan trọng góp phần hướng tới
phân tích và giải thích thơng tin hình ảnh (nhận dạng). Các giai đoạn của phát
triển biên là hàm mịn hay nâng cao chất lượng ảnh (quá trình loại bỏ nhiễu) và
phát hiện biên.

Có nhiều phương pháp để phát hiện cơ bản, nhưng hầu hết trong số đó có
thể chia thành hai loại:
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp: tìm biên dựa vào sự biến thiên về
giá trị độ sang (cấp xám) của ảnh. Chủ yếu dựa vào kỹ thuật lấy đạo hàm. Ở
phương pháp này ta có thể nhóm thành 2 loại:
-

Phương pháp Gradient: chúng ta tính tốn ước lượng độ lớn
gradient bằng cách sử dụng bộ lọc hàm mịn và sử dụng tính tốn để
xác định vị trí của biên. Nói cách khác phương pháp Gradient là
phương pháp dị biên cục bộ bằng cách tìm kiếm cực đại và cực tiểu
khi lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh.

6

do an


Đồ án tốt nghiệp
-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Phương pháp Laplace: chúng ta lấy đạo hàm bậc hai của các tín
hiệu và biên độ đạo hàm là cực đại khi đạo hàm bậc hai bằng 0.
Trong ngắn hạn, phương pháp Laplace tìm kiếm tốn tử chéo khơng
tại đạo hàm bậc hai của ảnh để tìm biên.

Phương pháp phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân
được ảnh thành các vùng thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên. Kỹ thuật dò

biên và phân vùng ảnh là hai bài tốn đối ngẫu nhau vì dị biên để thực hiện
phân lớp đối tượng mà khi đã phân lớp xong nghĩa là đã phân vùng được ảnh
và ngược lại, khi đã phân vùng ảnh đã được phân lớp thành các đối tượng, do
đó có thể phát hiện được biên.
2.3.4 Nhận biết theo phương pháp so khớp mẫu (Template Matching)
Template Matching [2] là một nhóm kĩ thuật nhằm phân loại đối tượng dựa
vào mức độ tương tự giữa những đối tượng xem xét với mẫu (template hay sample)
cho trước. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc so sánh giữa ảnh gạch chuẩn và
ảnh gạch mẫu để tìm ra sự khác nhau. Trong đề tài này, các lỗi được phát hiện
bằng cách trừ ảnh xám của gạch chuẩn cho ảnh xám của gạch lỗi. Mỗi ảnh xám là
1 ma trận số với các giá trị là các mức xám của các pixel, vì vậy khi trừ 2 ảnh xám
chính là trừ 2 ma trận. Các pixel có cùng mức xám khi trừ nhau sẽ bằng 0, có nghĩa
tất cả những chi tiết giống nhau sẽ biến mất, các chi tiết khác nhau sẽ hiện ra và
những chi tiết khác nhau đó chính là các lỗi cần phát hiện. Tuy nhiên, điều kiện để
trừ 2 ảnh là vô cùng nghiêm ngặt, cụ thể, 2 ảnh cần trừ cho nhau bắt buộc phải có
cùng kích thước, các chi tiết giống nhau bắt buộc phải có cùng mức xám, cùng vị
trí tọa độ vì nếu khơng cùng vị trí và mức xám khi trừ nhau chúng sẽ khơng biến
mất và kết quả hồn toàn sai lệch.
Trong thực tế các điều kiện về vị trí của các chi tiết giống nhau là hồn tồn
khơng thể đáp ứng vì mỗi viên gạch trên băng tải đều có 1 tư thế khác nhau, khơng
thể trùng khớp nhau 100%, chỉ cần 1 pixel bị lệch thì kết quả sau khi trừ chắc chắn
sai lệch. Chính vì vậy chúng ta phải sử dụng 1 thuật toán để làm cho ảnh lỗi có tư
thế và tọa độ trùng khớp với ảnh chuẩn, thuật tốn đó là image registration [3] sử
dụng các điểm đặc trưng SURF (Speed Up Robust Features).

7

do an

Đồ án tốt nghiệp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Các điểm đặc trưng là các điểm mà khi ảnh bị xoay hay phóng to, thu nhỏ thì
các điểm đó đều bất biến, không thay đổi. SURF là bộ phát hiện và bộ mô tả các
điểm quan tâm bất biến với tỷ lệ và góc xoay. Phương pháp này tương đương hoặc
thậm chí nhanh hơn so với các phương pháp đề xuất trước đây mà liên quan đến
tính lặp đi lặp lại, tính riêng biệt và tính vững chắc, nó cịn giúp việc tính tốn và
so sánh nhanh hơn.
SURF đạt được kết quả này bằng cách dựa trên những hình ảnh tích hợp
có nhiều nếp cuộn hình ảnh thơng qua việc xây dựng dựa trên các thế mạnh của
các bộ phát hiện và bộ mô tả hàng đầu (ở đây sử dụng phương pháp ma trận của
Hessian để đo đạc cho bộ phát hiện và dựa trên phương pháp phân phối cho các
bộ mơ tả); Bằng cách đơn giản hóa các phương pháp này sẽ cho ta các kết quả
thiết yếu và dẫn tới việc liên kết các phát hiện và mô tả mới phù hợp
Các bước thực hiện image registration:
Bước 1: Chuyển đổi ảnh chuẩn và lỗi thành ảnh xám (Hình 2-2).

Hình 2-2
Bước 2: Tìm ra các điểm đặc trưng của cả 2 ảnh (Hình 2-3).

Hình 2-3

8

do an