(Đồ án hcmute) ứng dụng xử lý ảnh trong phân loại chất lượng gạo

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 HÓA

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH
TRONG PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG GẠO

GVHD: TS. LÊ MỸ HÀ
SVTH: TRẦN QUỐC DŨNG
MSSV: 11151217
SVTH: ĐINH CÔNG PHONG
MSSV: 11151155

SKL 0 0 4 1 9 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề Tài:

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG PHÂN LOẠI CHẤT
LƯỢNG GẠO

SVTH: TRẦN QUỐC DŨNG
MSSV: 11151217
SVTH: ĐINH CƠNG PHONG
MSSV: 11151155
Khóa: 2011-2015
Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GVHD: TS. LÊ MỸ HÀ

TP. HỒ CHÍ MINH - 01/2016

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng….năm 20...

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên Sinh viên: Trần Quốc Dũng

MSSV: 11151217

Đinh Công Phong

MSSV: 11151155

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Lớp: 11151CL1

Họ và tên giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Mỹ Hà

ĐT:

Ngày nhận đề tài: 5/10/2015

Ngày nộp đề tài : 15/01/2016

1. Tên đề tài: Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Trong Phân Loại Chất Lượng Gạo
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:……………………………………………………..
3. Nội dung thực hiện đề tài:
 Thiết kế mơ hình có khả năng phát hiện được hạt gạo xấu không đạt yêu
cầu theo tiêu chuẩn về hình dạng và màu sắc.
 Quá trình phân tích, xử lý ảnh để tìm ra hạt gạo khơng đạt chất lượng
được lập trình trên phần mềm Matlab.
4. Sản phẩm: Chương trình máy tính và mơ hình.

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Lê Mỹ Hà

TS. Lê Mỹ Hà

i

do an


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

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: Trần Quốc Dũng
Đinh Công Phong

MSSV: 11151217
MSSV: 11151155

Ngành:

Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Tên đề tài:

Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Trong Phân Loại Chất Lượng Gạo

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Mỹ Hà
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

ii

do an


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: Trần Quốc Dũng
Đinh Công Phong

MSSV: 11151217
MSSV: 11151155

Ngành:

Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Tên đề tài:

Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Trong Phân Loại Chất Lượng Gạo

Họ và tên Giáo viên phản biện: PGS.TS Lê Chí Kiên
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

iii

do an


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là q thầy
cơ khoa Điện-Điện Tử, khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao những người đã tận tình chỉ
dạy cho nhóm trong suốt q trình học tập tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực
hiện đồ án này.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới TS. Lê Mỹ Hà đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng giúp nhóm có nhiều

điều kiện thuận lợi trong suốt q trình thực hiện đồ án.
Cuối cùng, nhóm được bày tỏ lịng biết ơn vơ hạn tới những người thân trong gia
đình, bạn bè đã dành cho nhóm sự quan tâm, động viên trong suốt quá trình học tập
cũng như trong thời gian hồn thành khóa luận tốt nghiệp.
Do thời gian nghiên cứu có hạn, chắc chắn khóa luận khơng tránh khỏi những thiếu
sót. Nhóm rất mong nhận được những góp ý, nhận xét của thầy cơ và các bạn để đề
tài của nhóm được hồn thiện hơn.

Nhóm thực hiện
Trần Quốc Dũng
Đinh Công Phong

iv

do an


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đề tài này được xây dựng dựa trên mơ hình máy phân loại chất lượng gạo trong
thực tế nhằm làm hạ giá thành sản phẩm để có thể được sử dụng rộng rãi trên thị
trường. Nhóm thiết kế ra mơ hình có khả năng phát hiện ra hạt gạo không đạt chất
lượng nhờ vào hệ thống xử lý ảnh. Hệ thống gồm camera, máy tính và đèn LED.
Camera sẽ chụp ảnh gạo cần kiểm tra rồi sau đó đưa vào máy tính dùng phần mềm
Matlab để xử lý. Việc xác định hạt gạo không đạt tiêu chuẩn sẽ dựa vào các tiêu
chuẩn về hình dạng và màu sắc. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống nhận dạng
được sản phẩm lỗi khá cao. Độ chính xác của giải thuật đạt 90%.

v

do an

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................ iii
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... iv
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .....................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH...........................................................................................x
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................................1
1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài. ............................................................................1
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. ..............................................................2
1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. .............................................................2
1.1.4. Giải pháp. ...................................................................................................4
1.2. Mục tiêu đề tài. .................................................................................................4
1.3. Giới hạn đề tài...................................................................................................5
1.4. Nội dung đề tài..................................................................................................5
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................6
2.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh. .........................................................................6
2.2. Các vấn đề trong quá trình xử lý ảnh. .............................................................10
2.2.1. Các thiết bị thu nhận ảnh. .........................................................................10
2.2.2. Những khái niệm cơ sở về xử lý ảnh .......................................................13
2.2.3. Q trình xử lý ảnh. ..................................................................................14
2.2.4. Các phép tốn hình thái Morphology . .....................................................23
2.2.5. Không gian màu. ......................................................................................28
2.2.6. Những định dạng của ảnh. ........................................................................37

vi

do an


Chương 3: NHẬN DẠNG GẠO DỰA TRÊN HÌNH DẠNG VÀ MÀU SẮC ........39
3.1. Quy trình xử lý ảnh. ........................................................................................39
3.2. Phần mềm sử dụng..........................................................................................40
3.3. Phân loại theo diện tích và tỷ lệ. .....................................................................41
3.3.1. Chuyển đổi ảnh RGB sang ảnh mức xám. ...............................................41
3.3.2. Lọc nhiễu. .................................................................................................42
3.3.3. Tách biên. .................................................................................................42
3.3.4. Loại nhỏ pixel nhỏ. ...................................................................................43
3.3.5. Phân đoạn ảnh. .........................................................................................44
3.4. Phân loại theo màu sắc. ..................................................................................47
3.4.1. Chuyển ảnh từ hệ màu RGB sang hệ màu Lab. .......................................47
3.4.2. So sánh với ảnh mẫu.................................................................................48
3.5. Kết quả. ...........................................................................................................49
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................50
4.1. Hình ảnh phần cứng mơ hình..........................................................................50
4.1.1. Khung mơ hình. ........................................................................................50
4.1.2. Thiết bị Camera. .......................................................................................51
4.1.3. Thiết bị chiếu sáng. ..................................................................................52
4.2. Kết quả thực nghiệm. ......................................................................................52
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................59
5.1. Kết luận. ..........................................................................................................59
5.1.1. Kết quả đạt được. .....................................................................................59
5.1.2. Những mặt hạn chế...................................................................................59
5.2. Hướng phát triển. ............................................................................................60

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61
PHỤ LỤC ..................................................................................................................62

vii

do an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CCD: Charge-Coupled Device
CCIR: Comité Consultatif International des Radiocommunications
CMYK: Cyan-Magenta-Yellow-Key
CIE: Commission Internationale d’Eclairage
BMP: Bitmap Picture
DSP: Digital Signal Processing/Processor
GIF: Graphics Interchange Format
HSI: Hue-Saturation-Intensity
HSV: Hue-Saturation-Value
IMI: Industial Machinery and Instruments
IMG: Image
JPEG: Joint Photographic Experts Group
NTSC: National Television System Committee
PAL: Phase Alternate Line
RGB: Red-Green-Blue
SECAM: Sequential Color with Memory
TV: Television

viii

do an

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy phân loại gạo........................................................ 3
Bảng 2.1: Bảng tiêu chuẩn quan sát..........................................................................36
Bảng 4.1: Độ chính xác trong việc phát hiện gạo không đạt....................................58

ix

do an


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu gạo của Việt Nam trong giai đoạn 2010-2014.........1
Hình 1.2: Máy phân loại gạo dịng sản phẩm S.PRECISION trong thực tế. ..............3
Hình 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh. ...............................................................7
Hình 2.2: Thiết bị CCD. ............................................................................................12
Hình 2.3: Pixel trung tâm và 4 pixel lân cận (a) và 8 pixel lân cận (b). ...................13
Hình 2.4: Đường biên của ảnh. .................................................................................19
Hình 2.5: Đối tượng cần phình A và nhân tạo ảnh B. ...............................................24
Hình 2.6: Minh họa quét các bi khắp A . ..................................................................24
Hình 2.7: Kết quả đạt được. ......................................................................................24
Hình 2.8: Kết quả đạt được. ......................................................................................25
Hình 2.9: Sử dụng phép mở. .....................................................................................26
Hình 2.10: Phép đóng. ...............................................................................................27
Hình 2.11: Các loại sóng điện từ (trên) và dải ánh sáng được phóng to (dưới)........28
Hình 2.12: Ba màu cơ bản red, green, blue. ..............................................................30
Hình 2.13: Mơ hình khơng gian màu RGB. ..............................................................30
Hình 2.14:Màu cơ bản trong hệ CMYK. ..................................................................31
Hình 2.15: Mơ hình khơng gian màu HSV biểu diễn dưới dạng hình nón. ..............32

Hình 2.16: Mơ hình khơng gian màu HSV biểu diễn dưới dạng hình trụ. ...............33
Hình 2.17: Mơ hình khơng gian màu HSI. ................................................................34
Hình 2.18: Mơ hình khơng gian màu CIE- L*a*b*. .................................................35
Hình 2.19: Cấu trúc chung của định dạng ảnh. .........................................................38
Hình 3.1: Sơ đồ khối thể hiện quy trình xử lý ảnh gạo. ............................................39
Hình 3.2: Phần mềm Matlab. ....................................................................................40
Hình 3.3: Ảnh gạo RGB. ...........................................................................................41
Hình 3.4: Ảnh gạo chuyển mức xám. .......................................................................41
Hình 3.5: Ảnh đã được lọc nhiễu. .............................................................................42
Hình 3.6: Ảnh đã được tách biên. .............................................................................43
Hình 3.7: Ảnh loại bỏ những vùng nhỏ hơn 10 pixel. ..............................................43

x

do an


Hình 3.8: Lắp đầy những vùng biên kín. ..................................................................44
Hình 3.9: Biên được làm dầy lên. .............................................................................44
Hình 3.10: Lắp đầy những vùng biên kín lần 2.. ......................................................45
Hình 3.11: Biên được làm mảnh trở lại.....................................................................45
Hình 3.12: Các vùng ảnh gạo được đánh dấu. ..........................................................46
Hình 3.13: Những hạt gạo được đánh dấu khơng đạt u cầu theo diện tích và tỷ lệ.
...................................................................................................................................46
Hình 3.14: Ảnh màu RGB. ........................................................................................47
Hình 3.15: Ảnh sau khi chuyển sang hệ màu Lab. ...................................................47
Hình 3.16: Ảnh gạo mẫu RGB . ................................................................................48
Hình 3.17: Ảnh gạo mẫu chuyển sang hệ màu Lab. .................................................48
Hình 3.18: Những hạt gạo được đánh dấu khơng đạt theo màu sắc. .......................49
Hình 3.19: Những hạt gạo được đánh dấu khơng đạt về diện tích, tỷ lệ và màu. .....49

Hình 4.1: Khung mơ hình phần cứng. .......................................................................50
Hình 4.2: Vị trí lắp đặt camera. .................................................................................51
Hình 4.3: Logitech B525 HD Webcam. ....................................................................51
Hình 4.4: Đèn LED dùng cho chiếu sáng. ................................................................52
Hình 4.5: Ảnh 1. ........................................................................................................53
Hình 4.6: Ảnh 2 .........................................................................................................53
Hình 4.7: Ảnh 3 .........................................................................................................54
Hình 4.8: Ảnh 4 .........................................................................................................54
Hình 4.9: Ảnh 5 .........................................................................................................55
Hình 4.10: Ảnh 6 .......................................................................................................55
Hình 4.11: Ảnh 7 .......................................................................................................56
Hình 4.12: Ảnh 8 .......................................................................................................56
Hình 4.13: Ảnh 9 .......................................................................................................57
Hình 4.14: Ảnh 10 .....................................................................................................57

xi

do an


Chương 1: Tổng Quan

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề.
1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Lúa gạo là một trong những cây lương thực chính trên thế giới. Đặc biệt tại Việt Nam
đây là cây lương thực chính để tạo ra các sản phẩm thiết yếu để phục vụ đời sống con
người. Ngành sản xuất lúa gạo có khả năng tạo nhiều việc làm cho người lao động,
tăng danh thu, làm cơ sở phát triển cho các ngành khác, góp phần nâng cao mức sống
và ổn định an ninh lương thực từ đó góp phần ổn định tình hình chính trị của đất nước.

Với một nước nông nghiệp như Việt Nam hiện nay thì ngành sản xuất lúa gạo vẫn
cịn là ngành chủ lực trong phần trăm cơ cấu cây trồng và phân cơng lao động xã hội.
Việt Nam có thế mạnh trong việc sản xuất lúa gạo và là nước nhiều năm liền xuất
khẩu gạo đứng thứ ba trên thế giới thu về nguồn ngoại tệ lớn. Kim ngạch xuất khẩu
gạo của Việt Nam trong giai đoạn 2010-2014 được thể hiện trong Hình 1.1 [1].

Hình 1.1: Kim ngạch xuất khẩu gạo của Việt Nam trong giai đoạn 2010-2014.
Tuy nhiên, xuất khẩu gạo của Việt Nam vẫn cịn gặp khơng ít khó khăn. Hệ thống
sản xuất gạo vẫn cịn lạc hậu, sản xuất nhỏ lẻ dẫn đến chất lượng của hạt gạo Việt
Nam còn thấp hơn so với các nước xuất khẩu lớn trong khu vực như: Thái Lan, Ấn
Độ,...Vì thế khả năng cạnh tranh của hạt gạo Việt Nam trên thế giới còn thấp. Việt

Trang 1

do an


Chương 1: Tổng Quan

Nam chủ yếu xuất khẩu gạo qua các nước đang phát triển ở châu Á như: Trung Quốc,
Philipines, Indonesia,... một số nước ở châu Phi. Đối với những thị trường khó tính
như: Mỹ, EU, Nhật,...thì việc xuất khẩu qua các nước này vẫn còn hạn chế do hạt gạo
chưa đáp ứng được chất lượng mà các thị trường này đặt ra.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Kỹ thuật phân loại sử dụng các sensor quang đã bước đầu được thực hiện ở Việt Nam
từ đầu những năm 90 tại các trung tâm nghiên cứu lớn như Viện Máy và dụng cụ
công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội …Tuy nhiên, kỹ thuật và thiết bị
phân loại chỉ có thể ứng dụng cho các đối tượng có màu sắc rõ ràng, di chuyển chậm
theo tốc độ và mật độ hoàn toàn xác định trước. Việc nghiên cứu kỹ thuật và thiết bị
phân loại đối tượng có màu không rõ ràng di chuyển nhanh với mật độ lớn như các

loại vật liệu rời và nông sản thực phẩm dạng hạt thì vẫn chưa được quan tâm đúng
mức [2].
Việc ứng dụng xử lý ảnh trong việc phân loại chất lượng gạo cũng đã được nhiều
nhiều nhóm thực hiện: Phân loại gạo theo màu sắc của Viện Máy và dụng cụ công
nghiệp (IMI); ứng dụng neural và xử lý ảnh trong nhận dạng và phân loại gạo trắng
của nhóm tác giả Ths Nguyễn Xuân Vinh, Ths Lê Đình Lượng; nghiên cứu xử lý ảnh
trong phân loại sản phẩm theo màu sắc của sinh viên Bùi Nhân Tiến, K6 Khoa Điện
tử, Trường ĐH Tơn Đức Thắng (TPHCM).
1.1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước.
Kỹ thuật phân loại vật liệu rời và thực phẩm dạng hạt được nghiên cứu ứng dụng trên
thế giới từ những năm 70. Các thế hệ phân loại đầu tiên sử dụng sensor quang rời rạc
(photodiodes) để nhận thông tin màu sắc, đồng thời xử lý các thông tin này bằng các
thiết bị tương tự. Nguyên tắc phân loại kiểu này tuy bước đầu đáp ứng yêu cầu thị
trường phân loại sản phẩm nhưng bộc lộ nhiều nhược điểm: hệ thông phân loại cồng
kềnh, năng suất phân loại thấp, sai số lớn, độ linh hoạt khơng cao, rất khó khăn khi
thay đổi đối tượng phân loại.

Trang 2

do an


Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.2: Máy phân loại gạo dịng sản phẩm S.PRECISION trong thực tế.
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy phân loại gạo.
Mã sản phẩm
Năng suất (tấn/giờ)
Số kênh
Độ chính xác (%)

Tỷ lệ loại bỏ (tốt: xấu)
Cơng suất điện (Kw)
Số máng chính
Bắn khí
Lượng khí tiêu thụ
(lít/phút)
CCD Camera
Bộ điều khiển
Màn hình hiển thị
Điện áp (V/Hz)
Trọng lượng (kg)
Kích thước (DxRxC) mm

5R-6SXM-315
4.0-9.0
315
≥ 99.9%
≥10:1
2.6
5
Italy
2000-3500
Japan 2048 Pixel
USA
Japan
220/50
1043
2279x1640x2015

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật quang, các thế hệ đo – thu nhận tín hiệu màu sắc

ngày càng đạt độ chính xác cao, tích hợp ngày càng chặt chẽ, gọn nhẹ, trong đó đặc
biệt đáng kể là thiết bị quét quang học dựa trên CCD ( Charge Coupled Devides). Các
camera quang số kết hợp với kỹ thuật thu nhận – xử lý hình ảnh bằng máy tính đã mở

Trang 3

do an


Chương 1: Tổng Quan

ra bước ngoặt mới cho cho thiết bị phân loại sản phẩm: kết cấu máy hết sức gọn nhẹ,
độ chính xác cao, linh hoạt khi thay đổi đối tượng phân loại. Nguyên tắc phân loại
nhờ camera quang số đã được hầu hết các hãng lớn trên thế giới như Allen, Delta(Mỹ),
Sortex (Anh), Satake (Nhật bản) … ứng dụng và phát triển cho đến ngày nay.
Với thành tựu to lớn trong tất cả các thiết bị điều khiển liên quan đến thiết bị phân
loại như kỹ thuật ánh sáng, kỹ thuật –thiết bị camera, kỹ thuật xử lý phân tích màu,
thiết bị số, vi xử lý và máy tính, các thiết bị phân loại vật liệu rời dạng hạt ngày nay
đã đạt được tốc độ cao, đến hàng chục triệu sản phẩm mỗi giờ, đạt độ chính xác 00.2% và cho phép phân loại sản phẩm có kích thước nhỏ đến 1mm. Với các tính năng
trên, thiết bị phân loại đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết lĩnh vực phân loại vật
liệu rời như quặng, đá các loại, thủy tinh, nhựa tái chế … cũng như sản phẩm dạng
hạt trong lĩnh vực chế biến nông sản thực phẩm như rau, đậu, các loại hoa quả, gạo,
cacao, cà phê …[2]. Hình 1.2 là hình ảnh của một máy phân loại gạo trong thực tế.
1.1.4. Giải pháp.
Nghiên cứu một hệ thống phân loại chất lượng của gạo dùng xử lý ảnh. Hệ thống gồm
có một camera thu nhận hình ảnh rồi đưa vào máy tính xử lý để phát hiện ra sản phẩm
xấu sau đó dùng súng hơi loại bỏ sản phẩm xấu vừa mới phát hiện. Hệ thống nhỏ gọn
giá thành thấp nếu so với máy phân loại gạo trong thực tế của các hãng nước ngoài,
khi đưa vào thực tế thì sẽ tiết kiệm được chi phí do giá thành của các máy phân loại
gạo rất cao.

1.2. Mục tiêu đề tài.
Đề tài “ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG GẠO”
được xây dựng từ máy phân loại gạo trong thực tế nhằm làm hạ giá thành sản phẩm
để có thể được sử dụng rộng rãi trên thị trường. Mơ hình xây dựng trong đề tài nhỏ
gọn thích hợp trong phịng thí nghiệm. Mục tiêu của đề tài này là thiết kế một hệ
thống có khả năng phát hiện các sản phẩm xấu không đạt yêu cầu của hạt gạo, có thể
đối phó được với nhiễu từ môi trường xung quanh làm ảnh hưởng đến việc phân loại
gạo.

Trang 4

do an


Chương 1: Tổng Quan

1.3. Giới hạn đề tài.
Đề tài chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá chất lượng của hạt gạo theo chỉ tiêu về diện
tích, kích thước và màu sắc chưa loại bỏ được hạt không đạt chất lượng. Thời gian và
tốc độ xử lý vẫn còn chậm nên chưa thể chạy đúng với thời gian thực.
1.4. Nội dung đề tài.
Phần còn lại của đề tài như sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương này sẽ trình bày cơ bản lý thuyết về xử lý ảnh, các chỉ tiêu đánh giá trong
việc phân loại chất lượng của hạt gạo.
Chương 3: Nhận dạng gạo dựa trên hình dạng và màu sắc.
Chương này sẽ trình bày các bước phân tích để có thể phân loại chất lượng của hạt
gạo.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm.
Nội dung chương này tổng hợp các kết quả sau khi thi cơng mơ hình và kết quả đạt

được trong việc phân loại gạo.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
Kết quả nhận được khi hoàn thành đề tài, đưa ra các phương án phát triển hồn thiện
mơ hình nhằm tiến tới tối ưu hệ thống trong tương lai.

Trang 5

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong chương này sẽ trình bày sơ lược các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh, các quy
trình đánh giá chất lượng của hạt gạo dùng xử lý ảnh. Đồng thời cũng trình bày các
chỉ tiêu đánh giá chất lượng của hạt gạo.
2.1. Giới thiệu chung về xử lý ảnh.
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và cơng nghệ. Nó là một ngành khoa
học mới so với nhiều ngành khoa học khác. Song tốc độ của nó phát triển rất nhanh,
kích thích được nhiều các trung tâm nghiên cứu về nó với nhiều ứng dụng khác nhau.
Xử lý ảnh có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau từ những lĩnh vực về
dân sự đến những lĩnh vực an ninh quốc phòng. Xử lý ảnh đang được ứng dụng rất
nhiều như trong dự báo cháy rừng, dự báo lũ lụt, dự báo thời tiết, trong lĩnh vực an
ninh như nhân dạng vân tay, nhận dạng khn mặt, nhận dạng tội phạm.
Ngồi ra cịn một ứng dụng của xử lý ảnh mà mấy năm trở lại đây được cho là rất
quan trọng đó chính là ứng dụng xử lý ảnh trong việc phân biệt màu sắc, nó được áp
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt bây giờ đang được áp dụng rất mạnh
trong nông nghiệp, như ứng dụng xử lý ảnh cho việc phát hiện vật phẩm xấu. Do vậy
xử lý ảnh đang được phát triện hết sức toàn diện trên mọi lĩnh vực.
Các bước cần thiết trong xử lý ảnh, đầu tiên ảnh tự nhiên từ thế giới ngoài được thu

nhận qua các thiết bị thu (như Camera, máy chụp ảnh). Trước đây, ảnh thu qua
Camera là các ảnh tương tự (loại Camera ống kiểu CCIR). Gần đây, với sự phát triển
của công nghệ, ảnh màu hoặc đen trắng được lấy ra từ Camera, sau đó nó được chuyển
trực tiếp thành ảnh số tạo thuận lợi cho xử lý tiếp theo. Mặt khác, ảnh cũng có thể
tiếp nhận từ vệ tinh, có thể quét từ ảnh chụp bằng máy quét ảnh. Hình 2.1 mơ tả các
bước cơ bản trong xử lý ảnh [3].

Trang 6

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Hình 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh.
Sơ đồ như Hình 2.1 bao gồm các thành phần sau:
Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition).
Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng. Thường ảnh nhận qua camera là
ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng
có loại camera đã số hố (như loại CCD – Charge Coupled Device) là loại photodiot
tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh.
Camera thường dùng là loại quét dòng ; ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một
ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)
Tiền xử lý (Image Processing).
Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý
để nâng cao chất lượng. Chức năng chính của bộ tiền xử lý là lọc nhiễu, nâng độ
tương phản để làm ảnh rõ hơn, nét hơn.
Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh.
Phân vùng ảnh là tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân
tích, nhận dạng ảnh. Ví dụ: để nhận dạng chữ (hoặc mã vạch) trên phong bì thư cho

mục đích phân loại bưu phẩm, cần chia các câu, chữ về địa chỉ hoặc tên người thành
các từ, các chữ, các số (hoặc các vạch) riêng biệt để nhận dạng. Đây là phần phức tạp

Trang 7

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

khó khăn nhất trong xử lý ảnh và cũng dễ gây lỗi, làm mất độ chính xác của ảnh. Kết
quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn này.
Biểu diễn ảnh (Image Representation).
Đầu ra ảnh sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng
với mã liên kết với các vùng lận cận. Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích
hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính. Việc chọn các tính chất để thể hiện
ảnh gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Selection) gắn với việc tách các đặc tính của
ảnh dưới dạng các thông tin định lượng hoặc làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng
này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được. Ví dụ: trong nhận dạng ký tự
trên phong bì thư, chúng ta miêu tả các đặc trưng của từng ký tự giúp phân biệt ký tự
này với ký tự khác.
Nhận dạng và nội suy ảnh (Image Recognition and Interpretation)
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh. Quá trình thường thu được bằng cách so
sánh với mẫu chuẩn đã được học hoặc lưu từ trước. Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa
trên cơ sở nhận dạng. Ví dụ: một loạt chữ số và nét ngang trên phong bì thư có thể
được nội suy thành mã điện thoại. Có nhiều cách phân loại ảnh khác nhau về ảnh.
Theo lý thuyết về nhận dạng, các mơ hình tốn học về ảnh được phân loại nhận dạng
cơ bản:
 Nhận dạng theo tham số.
 Nhận dạng theo cấu trúc.

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa
học và công nghệ là: nhận dạng ký tự ( chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận
dạng văn bản(Text), nhân dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người...
Cơ sở tri thức (Knowledge Base)
Như đã nói ở trên, ảnh là một đối tượng khá phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung
lượng điểm ảnh, môi trường để thu ảnh phong phú kéo theo nhiễu. Trong nhiều khâu
xử lý và phân tích ảnh ngồi việc đơn giản hóa các phương pháp tốn học đảm bảo

Trang 8

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

tiện lợi cho xử lý, người ta mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh
theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử lý theo
các phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, ở đây các cơ sở tri thức được phát huy.
Mô tả (biểu diễn ảnh)
Từ Hình 2.1, ảnh sau khi số hoá sẽ được lưu vào bộ nhớ, hoặc chuyển sang các khâu
tiếp theo để phân tích. Nếu lưu trữ ảnh trực tiếp từ các ảnh thơ, địi hỏi dung lượng
bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng và cơng nghệ. Thơng
thường, các ảnh thơ đó được đặc tả (biểu diễn) lại (hay đơn giản là mã hoá) theo các
đặc điểm của ảnh được gọi là các đặc trưng ảnh (Image Features) như: biên ảnh
(Boundary), vùng ảnh (Region). Một số phương pháp biểu diễn thường dùng:
 Biểu diễn bằng mã chạy (Run-LengthCode).
 Biểu diễn bằng mã xích (Chaine-Code).
 Biểu diễn bằng mã tứ phân (Quad-Tree Code).
Biểu diễn bằng mã chạy.
Phương pháp này thường biểu diễn cho vùng ảnh và áp dụng cho ảnh nhị phân. Một

vùng ảnh R có thể mã hóa đơn giản nhờ một ma trận nhị phân:
U(m, n) = 1 nếu (m, n) thuộc R.
U(m, n) = 0 nếu (m, n) không thuộc R.
Trong đó: U(m, n) là hàm mơ tả mức xám ảnh tại tọa độ (m, n). Với cách biểu diễn
trên, một vùng ảnh được mô tả bằng một tập các chuỗi số 0 hoặc 1. Giả sử chúng ta
mô tả ảnh nhị phân của một vùng ảnh được thể hiện theo toạ độ (x, y) theo các chiều
và đặc tả chỉ đối với giá trị “1” khi đó dạng mơ tả có thể là: (x, y)r; trong đó (x, y) là
toạ độ, r là số lượng các bit có giá trị“1” liên tục theo chiều ngang hoặc dọc.
Biểu diễn bằng mã xích.
Phương pháp này thường dùng để biểu diễn đường biên ảnh. Một đường bất kỳ được
chia thành các đoạn nhỏ. Nối các điểm chia, ta có các đoạn thẳng kế tiếp được gán
hướng cho đoạn thẳng đó tạo thành một dây xích gồm các đoạn. Các hướng có thể
chọn 4, 8, 12, 24,…mỗi hướng được mã hoá theo số thập phân hoặc số nhị phân thành
mã của hướng.

Trang 9

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Biểu diễn bằng mã tứ phân.
Phương pháp mã tứ phân được dùng để mã hoá cho vùng ảnh. Vùng ảnh đầu tiên
được chia làm bốn phần thường là bằng nhau. Nếu mỗi vùng đã đồng nhất (chứa tồn
điểm đen (1) hay trắng (0)), thì gán cho vùng đó một mã và khơng chia tiếp. Các vùng
không đồng nhất được chia tiếp làm bốn phần theo thủ tục trên cho đến khi tất cả các
vùng đều đồng nhất. Các mã phân chia thành các vùng con tạo thành một cây phân
chia các vùng đồng nhất.
2.2. Các vấn đề trong quá trình xử lý ảnh.

2.2.1. Các thiết bị thu nhận ảnh.
Bộ cảm biến ảnh.
Bao gồm như máy chụp ảnh, camera có thể ghi lại hình ảnh như phim trong máy chụp
ảnh, vidicon trong camera truyền hình. Có nhiều loại máy cảm biến (sensor) làm việc
với ánh sáng nhìn thấy được và hồng ngoại như: Micro Densitomerters, Image
Disector, Camera Divicon, linh kiện quan điện bằng bán dẫn .
Camera.
Đối với một hệ thống xử lý ảnh thu nhận qua camera-camera như là con mắt của hệ
thống. Có 2 loại camera: camera ống loại CCIR và camera CCD. Loại camera ứng
với chuẩn CCIR với tần số 1/25 và mỗi ảnh gồm 25 dòng. Loại CCD gồm các photo
điốt và làm tương ứng một cường độ sáng tại một điểm ảnh ứng với một phần tử ảnh
(pixel). Như vậy, ảnh là tập hợp các điểm ảnh. Số pixel tạo nên một ảnh gọi là độ
phân giải (resolution).
Có nhiều kiểu thiết bị tạo ảnh, từ mắt động vật đến những ống kính camera ghi hình
và radio. Chúng có thể có hoặc khơng trang bị thấu kính. Mơ hình buồng tối camera
đầu tiên được phát minh vào thế kỷ 16 khơng có các thấu kính, nhưng thay vào đó là
một lỗ (pinhole) để hội tụ các tia sáng lên trên tường hoặc tấm mờ. Các lỗ dần dần
được thay thế bởi các thấu kính càng ngày càng phức tạp.
Nói chung camera thường có hai bộ phận cơ bản một là hệ thống tạo ảnh và hai là bề
mặt tạo ảnh có chứa chất nhạy cảm quang. Bề mặt tạo ảnh của một camera thông

Trang 10

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

thường là hình chữ nhật, nhưng các camera tồn cảnh có thể trang bị mặt tạo ảnh hình
trụ để tăng trường nhìn. Những phần tử nhạy tạo ảnh có những đặc trưng khác nhau.

Chúng có thể ghi nhận một ảnh rời rạc hoặc một ảnh liên tục về mặt khơng gian. Hệ
thống tạo ảnh có thể là lỗ hoặc là hệ thấu kính trong các camera hiện đại [2].
Cảm biến ảnh CCD (Charge Couple Device).
Như chúng ta biết Niepce phát minh ra kỹ thuật chụp ảnh từ đầu thế kỷ 19, nhưng
Daguerre mới là người giới thiệu nó với cơng chúng. Sau hai lần cùng cộng tác trong
năm 1826, Daguerre tiếp tục phát triển phương pháp chụp ảnh của riêng mình sử dụng
hơi thuỷ ngân để khuếch đại và để lộ ra ảnh được tạo trên miếng đồng mạ bạc được
bôi iốt. Phép chụp ảnh Daguerre ngay lập tức thành công khi Arago biểu diễn phương
pháp Daguerre ở viện hàn lâm khoa học Pháp năm 1839. Những cột mốc khác trong
lịch sử lâu dài của phương pháp chụp ảnh bao gồm phương pháp tấm ướt âm/dương
của Legray và Archer năm 1850, phương pháp gelatin (chất lỏng trong suốt khơng có
vị để chế tạo phim ảnh) của Maddox năm 1870, Eastman giới thiệu phim chụp ảnh
năm 1889, và phát minh kỹ thuật điện ảnh (cinema) của Lumiere năm 1895 và chụp
ảnh màu năm 1908.
Các camera CCD (Charge Couple Device) được đề xuất năm 1970 và đã thay thế các
camera vidicon trong hầu hết các ứng dụng hiện đại. Cảm biến CCD sử dụng một
lưới hình chữ nhật của các điểm (site) thu thập điện tử phủ trên một đế silic mỏng để
ghi lại năng lượng ánh sáng đến mỗi điểm trong chúng (hình 2.2). Mỗi một điểm được
tạo thành bằng cách cấy một lớp SiO2 trên đế và sau đó lắng đọng một cấu trúc cổng
dẫn lên trên. Khi photon đập vào silic, thì cặp điện tử lỗ trống được tạo ra (chuyển
đổi quang) và điện tử bị bắt giữ bằng giếng điện thế được tạo thành bởi tác động của
một điện thế dương ở cổng tương ứng. Các điện tử được tạo ra ở mỗi điểm được tập
hợp qua một chu kỳ thời gian T cố định.

Trang 11

do an


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Hình 2.2: Thiết bị CCD.
Các điện tích được lưu trữ ở những điểm riêng biệt sẽ được di chuyển sử dụng cách
mắc tích nạp điện (charge coupling): Các gói điện tích được truyền từ điểm này đến
điểm kia bằng cách vận chuyển các điện thế cổng và bảo tồn các gói riêng biệt. ảnh
được đọc ra khỏi CCD một hàng một lần, mỗi hàng được truyền song song tới một
thanh ghi lối ra nối tiếp. Giữa hai lần đọc hàng, thanh ghi truyền một ô điện tích của
nó một lần (hình 2.1) tới một bộ khuếch đại lối ra tạo ra một tín hiệu tỷ lệ với điện
tích nó nhận được. Q trình này tiếp tục cho tới khi toàn bộ ảnh đã được đọc ra. Nó
có thể được lặp lại 30 lần trong một giây (tốc độ TV) cho các ứng dụng ghi hình hoặc
ở tốc độ thấp hơn nhiều, bỏ đi nhiều thời gian (giây, phút, thậm chí hàng giờ) để thu
thập điện tử trong các ứng dụng mức sáng thấp như thiên văn học. Lưu ý rằng lối ra
số của hầu hết các CCD camera được chuyển đổi bên trong thành một tín hiệu ghi
hình tương tự trước khi được chuyển tới một bộ bắt hình (frame grabber) ở đó tạo
dựng ảnh số cuối cùng.
Các CCD camera màu cấp độ dân dụng thực chất sử dụng các chip giống như các
camera đen trắng, chỉ khác là các hàng hoặc các cột liên tiếp của cảm biến được tạo
ra nhạy cảm với ánh sáng đỏ, lục hoặc lam thường sử dụng một bộ lọc phủ để bù ánh
sáng. Các mẫu lọc khác có thể thực hiện được bao gồm các khối khảm (mosaic) 22
được tạo bởi các bộ cảm nhận hai lục, một đỏ và một lam (mẫu Bayer). Độ phân giải
không gian của camera một CCD tất nhiên là có giới hạn, các camera chất lượng cao
hơn sử dụng một bộ chia chùm tia để chuyển ảnh tới 3 CCD khác nhau thông qua các

Trang 12

do an