Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị giám sát quá trình phát triển của tảo trong hệ thống nuôi tảo liên tục bằng công nghệ xử lý ảnh

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ – ĐIỆN
--------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
GIÁM SÁT Q TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA TẢO
TRONG HỆ THỐNG NI TẢO LIÊN TỤC
BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH
Người thực hiện

: TRẦN VĂN LỰC

Mã sinh viên

: 604926

Lớp

: K60TDHB

Chuyên ngành

: Tự Động Hóa

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. NGUYỄN KIM DUNG

Địa điểm thực hiện

: Khoa Cơ – Điện

Hà Nội – Năm 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong đồ án là
trung thực, khách quan và chưa từng dụng bảo vệ cho bất kỳ đồ án môn học nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án đã được
cảm ơn, các thơng tin trích dẫn trong đồ án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày... tháng... năm 2021
Sinh viên thực hiện

Trần Văn Lực

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp, bên cạnh sự nỗ
lực và cố gắng của bản thân, em đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn
của nhiều cá nhân và tập thể.
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân
thành tới Bộ mơn Tự Động Hóa khoa Cơ – Điện , Học Viện Nông Nghiệp Việt
Nam đã cho phép em thực hiện đề tài này.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới giảng viên Th.S Nguyễn Kim Dung
người đã giành nhiều thời gian, cơng sức tận tình giúp đỡ, động viên và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo, bạn bè và những người thân
đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành tốt đợt thực
tập này.
Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi
những thiếu sót, mong q thầy cơ, và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án của em
được hoàn chỉnh tốt hơn.
Cuối cùng em xin kính chúc tồn thể các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện,
các thầy cô trong Học Viện Nơng Nghiệp Việt Nam cùng tồn thể bạn bè người
thân sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày... tháng... năm 2021
Sinh viên thực hiện

Trần Văn Lực

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG ..............................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài .........................................................................2
3. Giới hạn đề tài ....................................................................................................2
4. Thời gian và địa điểm thực hiện.........................................................................2
Chương I: TỒNG QUAN TÀI LIỆU .....................................................................3

1.1.Tổng quan về tảo và quá trình sinh trưởng của tảo ..........................................3
1.1.1. Khái niệm chung về tảo................................................................................3
1.1.2 Phân loại tảo ..................................................................................................4
1.1.3. Tảo Chlorella vulgaris ..................................................................................7
1.1.4. Đặc điểm sinh học của Tảo ..........................................................................8
1.1.5. Một số công nghệ nuôi vi tảo thực tế .........................................................11
1.2. Tổng quan về công nghệ xử lý ảnh ...............................................................13
1.2.1. Khái quát về xử lý ảnh ...............................................................................13
1.2.2.Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh .........................................................15
1.3. Ứng dụng của công nghệ xử lý ảnh trong đời sống: .....................................18
1.3.1. Giảm nhiễu của bức ảnh .............................................................................18
1.3.2 Điều chỉnh tương phản ................................................................................18
1.3.3. Tìm cạnh (đường biên của vật) ..................................................................19
1.3.4 Nén ảnh........................................................................................................19
1.3.5. Phục chế ảnh...............................................................................................19

iii


1.4. Ứng dụng của xử lý ảnh trong công nghiệp ..................................................20
Chương II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................21
2.1 Bài tốn cơng nghệ .........................................................................................21
2.2 Thiết kế thiết bị giám sát quá trình phát triển của tảo dựa trên màu sắc .......22
2.2.1 Cấu trúc tổng quan về thiết bị .....................................................................22
2.2.2 Giải thích hoạt động của thiết bị .................................................................23
2.2.3 Lựa chọn thiết bị..........................................................................................23
2.2.4 Ngơn ngữ lập trình dùng cho bộ xử lý ảnh .................................................32
2.2.5 Hệ thống kiểu dữ liệu trong python ............................................................32
2.2.6 Thư viện Open Cv .......................................................................................33
2.2.7 Giới thiệu PyQt5 (phần mềm thiết kế giao diện người dùng).....................36

2.3. Thu thập cơ sở dữ liệu ...................................................................................38
2.4 Xây dựng thuật toán xác định thời điểm thu hoạch tảo .................................42
2.4.1. Thuật toán K – Láng giềng gần nhất (K-Nearest Neighbors) ....................42
2.4.2. Xây dựng thuật toán đối với đề tài: ............................................................43
2.5 Lưu đồ thuật toán ...........................................................................................46
2.6 Các bước thiết kế giao diện HMI: ..................................................................48
Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................53
3.1. Hình ảnh thực tế của thiết bị: ........................................................................53
3.2. Thực nghiệm đánh giá hệ thống: ...................................................................54
3.2.1. Thử nghiệm: ...............................................................................................54
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................................68
1. Kết luận ............................................................................................................68
2. Đề nghị .............................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................70
PHỤ LỤC .............................................................................................................71

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Dữ liệu sau khi thu thập:......................................................................40
Bảng 3.1: Kết quả thử nghiệm với mật độ 25.5250 triệu tế bào/ml và D
√2700 ....................................................................................................55
Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm với mật độ 25.5250 triệu tế bào/ml và D
90√10 ....................................................................................................57
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm với mật độ 20.4200 triệu tế bào/ml và
D

√2700 ............................................................................................59

Bảng 3.4: Kết quả thử nghiệm với mật độ 20.4200 triệu tế bào/ml và
D

90√10 ...........................................................................................60

Bảng 3.5: Kết quả thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml và
D

√2700 ............................................................................................63

Bảng 3.6: Kết quả thử nghiệm với mật độ 15.1259 triệu tế bào/ml và
D

90√10 ............................................................................................65

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Tế bào tảo ...............................................................................................3
Hình 1.2: Tảo lục ...................................................................................................5
Hình 1.3: Tảo đỏ.....................................................................................................6
Hình 1.4: Tảo xoắn ( tảo nước ngọt ) ....................................................................6
Hình 1.5: Tảo nước mặn (Rong Mơ) ....................................................................7
Hình 1.6: Đồ thị biểu hiện sự sinh trưởng của tảo ...............................................10
Hình 1.7: Hệ thống ni trong phịng thí nghiệm ................................................11
Hình 1.8: Hệ thống ni khép kín Photobioreactorpainn ....................................12
Hình 1.9: Mơi trường ni trong hệ thống ln được tuần hồn nhờ máy
bơm ......................................................................................................12
Hình 1.10: Hệ thống bể ni Raceway ...............................................................12

Hình 1.11: Ni tảo Chlorella ở quy mơ cơng nghiệp .........................................13
Hình 1.12: Quy trình xử lý ảnh ...........................................................................14
Hình 1.13: Ảnh trước và sau khi lọc nhiễu .........................................................18
Hình 1.14: Ảnh trước và sau khi điều chỉnh độ tương phản ..............................18
Hình 1.15: Ảnh trước và sau khi áp dụng thuật tốn tìm cạnh ...........................19
Hình 1.16: Ảnh trước và sau khi nén ...................................................................19
Hình 1.17: Ảnh trước và sau khi phục chế ...........................................................19
Hình 1.18: Kiểm tra số serial của nhãn thuốc .....................................................20
Hình 1.19: Kiểm tra linh kiện điện tử .................................................................20
Hình 2.1: Tổng quan thiết bị ................................................................................22
Hình 2.2: Raspberry Pi 3 model B ......................................................................24
Hình 2.3: Hình ảnh thực tế Raspberry Pi 3B ......................................................25
Hình 2.4: Thẻ nhớ cho raspberry ........................................................................27
Hình 2.5: Cổng chuyển đổi .................................................................................27
Hình 2.6: Nguồn ni cho raspberry ...................................................................27
Hình 2.7: Camera Module V2 8MP ....................................................................28
vi


Hình 2.8: Màn hình cảm ứng 7 inch ...................................................................28
Hình 2.9: Bơm Nhu Động Kamoer Peristaltic Pump NKP-DCL-S10B
12VDC .................................................................................................29
Hình 2.10: Led hắt 12v .........................................................................................29
Hình 2.11: Lọ nhựa trong suốt .............................................................................30
Hình 2.12: Biến trở ...............................................................................................31
Hình 2.13: Nhựa Mica đen ...................................................................................31
Hình 2.14: Relay ..................................................................................................31
Hình 2.15: Q trình lấy dữ liệu tại phịng thí nghiệm ........................................39
Hình 2.16: Mơ tả về thuật tốn k-NN ..................................................................43
Hình 2.17: Lưu đồ của một chu trình thực hiện ...................................................46

Hình 2.18: Lưu đồ của một chu trình xử lý ảnh ...................................................47
Hình 2.19: Phần mềm PyQt5 Designer ................................................................48
Hình 2.20: Cửa sổ New Form ..............................................................................48
Hình 2.21: Cửa sổ làm việc chính của phần mềm PyQT5 Designer ...................49
Hình 2.22: Cửa sổ thiết kế giao diện ....................................................................49
Hình 2.23: Cửa sổ Widget Box và Property Editor .............................................50
Hình 2.24: Hồn thành và lưu file hiển thị giao diện ...........................................51
Hình 2.25: Chuyển đổi File .ui sang file .py bằng cmd .......................................51
Hình 2.26: Giao diện sau khi lập trình xong các chức năng ................................52
Hình 3.1: Thiết bị khi lấy mẫu .............................................................................53
Hình 3.2: Thiết bị sau khi hồn thành ..................................................................54
Hình 3.3: Trạng thái bơm đang được kích hoạt với mật độ được chọn để thu
hoạch là: 25.5250 (Triệu tế bào/ml) và D

90√10 ...........................58

Hình 3.4: Trạng thái bơm đang được kích hoạt với mật độ được chọn để thu
hoạch là: 20.4200 (Triệu tế bào/ml) và D

90√10 ...........................62

Hình 3.5: Trạng thái bơm đang được kích hoạt với mật độ được chọn để thu
hoạch là: 15.1259 (Triệu tế bào/ml) và D

vii

90√10 ...........................66


MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Đất nước ta là một trong những nước có nền nơng nghiệp phát triển mạnh.
Là một nước đang dần bắt kịp với những sự phát triển về khoa học – kỹ thuật
tiên tiến của thế giới. Trong đó, lĩnh vực kĩ thuật điều khiển tự động hóa là một
trong những yếu tố quan trọng để phát triển và giảm bớt được một số quy trình,
tiết kiệm được lao động và giải quyết được bài toán kinh tế. Khơng những thế,
nó đóng vai trị cực kì quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực như công nghiệp,
nông nghiệp, dịch vụ… góp phần đẩy mạnh nền kinh tế của nước ta.
Thực phẩm sạch – một trong những tâm điểm của ngành nông nghiệp ta.
Thực phẩm sạch là loại thực phẩm được gieo trồng, chăm sóc bởi kĩ thuật nơng
nghiệp an tồn, nói khơng với hóa chất độc hại, khơng sử dụng chất kích thích
tang trưởng để nâng cao sản lượng hay lợi nhuận.
Công nghệ nuôi tảo mới du nhập vào Việt Nam trong những năm gần đây,
thế nhưng nhờ sự cần cù, học hỏi chăm chỉ mà công nghệ nuôi tảo đã phát triển
rất nhanh. Tảo là một trong những thực vật có sự phát triển, sinh sơi rất nhanh
nhưng lại yêu cầu về vấn đề vệ sinh và môi trường nuôi rất khắt khe, phải đảm
bảo rất nhiều yếu tố. Để đảm bảo được những vấn đề đó, đồng thời giảm bớt
được sự tác động của con người vào trong q trình ni cần có sự vào cuộc của
ngành tự động hóa. Để đảm bảo cho một hệ thống ni lớn như vậy cần có một
hệ thống điều khiển, giám sát lớn, theo dõi, đảm bảo những thơng số quan trọng
và cần thiết trong q trình ni. Vì khối lượng cơng việc trong những mơ hình
như vậy rất lớn, nên em quyết định lựa chọn đề tài là 1 khâu nhỏ trong q trình
đó nhưng cũng khơng kém quan trọng, đó là “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo
thiết bị giám sát quá trình phát triển của tảo trong hệ thống nuôi tảo liên
tục bằng công nghệ xử lý ảnh” để giúp con người có thể biết được thời điểm
thu hoạch chính xác cũng như đạt năng suất cao.
1


Với việc nghiên cứu, triển khai và phát triển đề tài này sẽ giúp em có cái

nhìn cụ thể, rõ ràng hơn về công nghệ xử lý ảnh hiện nay. Từ đó hướng đến phát
triển nền nơng nghiệp ni trồng với công nghệ cao, hiện đại. Đề tài này tập
trung vào việc xây dựng thuật toán, xác định thời điểm thu hoạch cũng như giám
sát được quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo trong q trình ni liên tục.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Trong phạm vi của đề tài này, chỉ đi sâu vào những phần quan trọng đó là
xây dựng thuật tốn xử lý ảnh để phát hiện thời điểm thu hoạch tảo, sau đó phát
tín hiệu điều khiển để bơm dung dịch ni tảo để giúp mật độ tảo không thay đổi
3. Giới hạn đề tài
Trong đề tài này, em chọn đối tượng để quan sát, xây dựng thuật toán là
Vi Tảo chlorella vulgaris một loại tảo có hàm lượng dinh dưỡng cao làm thực
phẩm cho con người. Trong đó, phần điều khiển và giám sát là so sánh ảnh liên
tục trong quá trình của tảo phát triển với mẫu. Từ đó đưa ra được kết luận trạng
thái phát triển của tảo ở từng thời điểm lấy mẫu và đưa ra tín hiệu điều khiển.
4. Thời gian và địa điểm thực hiện
- Thời gian: Từ tháng 9/2020 đến tháng 3/2021
- Địa điểm: Khoa cơ điện, Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

2


Chương I: TỒNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.Tổng quan về tảo và quá trình sinh trưởng của tảo
1.1.1. Khái niệm chung về tảo
Tảo (hay cỏ biển) là một nhóm thực vật lớn và đa dạng, bao gồm các sinh
vật thông thường là tự dưỡng, gồm một hay nhiều tế bào có cấu tạo đơn giản, có
màu khác nhau, ln ln có chất diệp lục nhưng chưa có rễ, thân, lá. Hầu hết
tảo sống trong nước. Đây là những sinh vật mà vách thân chứa xenluloza, là
những sinh vật tự dưỡng vì chứa diệp lục, quang hợp nhờ ánh sáng và CO2. Cơ
quan dinh dưỡng cịn gọi là tản. Tảo có nhiều dạng: đơn bào, sợi xiên, sợi phân

nhánh, hình ống, hình phiến. Tảo khơng có mơ dẫn truyền. Nhóm tảo có trên
100000000 lồi hiện sống trên Trái Đất.
Tảo có cấu tạo cơ thể dạng tán, dạng đơn độc hay tập đoàn, dạng sợi hay
mơ mềm... Nhiều đa dạng đơn bào có thể chuyển động và có thể có mối quan hệ
với protozoa. Về hình thái tảo rất đa dạng, một số lớn tảo nâu (Phaeophycotta)
có kich thước tương đương với một cây nhỏ: tảo lục, tảo đỏ, tảo xoắn, rong mơ.

Hình 1.1: Tế bào tảo

3


1.1.2 Phân loại tảo
Có rất nhiều loại, nhưng phổ biến được chia ra làm 4 nhóm tảo chính như:
a, Tảo lục
Tảo lục là một nhóm lớn các lồi tảo, mà thực vật có phơi (Embryophyta)
(hay thực vật bậc cao) đã phát sinh ra từ đó. Như vậy, chúng tạo nên một nhóm
cận ngành, mặc dù nhóm bao gồm cả tảo lục và phân giới Thực vật có phơi là
đơn ngành (và thường được biết đến với tên gọi là giới Thực vật - Plantae). Tảo
lục bao gồm trùng roi đơn bào và tập đồn trùng roi (thường nhưng khơng phải
ln luôn với 2 roi trên 1 tế bào), cũng như các dạng khuẩn cầu và khuẩn sợi,
sống thành tập đoàn khác và các dạng tảo biển vĩ mơ. Có khoảng 6.000 loài tảo
lục. Nhiều loài sống cả đời ở dạng đơn bào, trong khi những loài khác tạo thành
dạng tập đoàn, tập đoàn định số (coenobium) hoặc sợi dài hay tảo biển vĩ mô
phân dị cao.
Hầu hết các dạng tảo lục đều chứa các lục lạp. Chúng bao gồm diệp
lục a và b, khiến chúng có màu xanh lục sáng (cũng như các chất nhuộm màu phụ
thêm như β-caroten hay diệp hồng (xanthophyll)), và có loại nang thể xếp đống.
Tất cả tảo lục đều có ti thể với lớp màng trong phẳng. Khi có mặt thì các
roi thường được giữ chặt bởi một hệ thống các vi quản và dây dạng sợi hình chữ

thập, nhưng chúng khơng có trong các lồi thực vật có phơi và ln tảo, thay vì
thế các lồi này có một dải các vi quản. Các roi được sử dụng để di chuyển sinh
vật. Tảo lục thường có màng tế bào chứa xenluloza, và trải qua sự phân bào có
tơ mở khơng có trung thể.

4


Hình 1.2: Tảo lục
b, Tảo đỏ
Tảo đỏ là những sinh vật quang tự dưỡng thuộc ngành Rhodophyta. Phần
lớn các loài rong đều thuộc nhóm này. Các thành viên trong ngành có đặc điểm
chung là màu đỏ tươi hoặc tía. Màu sắc của chúng là do các hạt sắc tố
phycobilin tạo thành. Phycobilin là sắc tố đặc trưng cho tảo đỏ và vi khuẩn lam.
Người ta cho rằng lục lạp của tảo đỏ có nguồn gốc từ vi khuẩn lam cộng sinh
với tảo mà thành.
Hiện nay đã phân loại được gần 4.000 lồi tảo đỏ, phần lớn sống ở biển,
chỉ có một số ít sống ở nước ngọt. Mặc dù tảo đỏ có mặt ở tất cả các đại dương
nhưng chúng chỉ phổ biến ở các vùng biển ấm nhiệt đới nơi chúng có thể phân
bố sâu hơn bất kỳ một sinh vật quang hợp nào. Tảo đỏ là các sinh vật đa bào và
cơ thể phân nhiều nhánh. Tuy nhiên, cơ thể chúng lại khơng có sự biệt hóa thành
các mơ riêng biệt. Thành tế bào tảo đỏ có một lớp cứng bằng cellulose ở bên
trong và một lớp gelatin ở bên ngồi. Tế bào của chúng có thể có một hay nhiều
nhân tùy thuộc vào từng loài. Tế bào phân chia bằng cách ngun phân. Tảo đỏ
hồn tồn khơng có roi bơi; khơng có các tế bào có khả năng di chuyển ở bất kỳ
dạng nào.

5

Hình 1.3: Tảo đỏ
c, Tảo xoắn ( tảo nước ngọt)
Tảo xoắn (tên khoa học là Spirulina platensis) là một loại vi tảo dạng sợi
xoắn màu xanh lục, chỉ có thể quan sát thấy hình xoắn sợi do nhiều tế bào đơn
cấu tạo thành dưới kính hiển vi. Chúng cũng khơng phải thuộc chi Spirulina mà
lại là thuộc chi Arthrospira. Tên khoa học hiện nay của loài này là Arthrospira
platensis, thuộc bộ Oscilatoriales, họ Cyanobacteria. Tảo Spirulina đã được
nghiên cứu từ nhiều năm nay. Chúng có những đặc tính ưu việt và giá trị dinh
dưỡng cao. Các nhà khoa học trên thế giới đã coi tảo Spirulina là sinh vật có ích
cho lồi người.

Hình 1.4: Tảo xoắn ( tảo nước ngọt )
d, Tảo nước mặn ( Rong Mơ)
Rong mơ sống ở nước biển, sống thành từng đám lớn, bám vào đá hoặc
san hơ nhờ giá bám ở gốc, chưa có rễ, thân, lá. Rong mơ có màu nâu vì trong tế
bào ngồi chất diệp lục cịn có chất màu phụ màu nâu. Rong mơ cũng quang hợp
và tự tạo ra chất dinh dưỡng (dinh dưỡng tự dưỡng). Ngồi sinh sản vơ tính,
6


rong mơ cịn sinh sản hữu tính (kết hợp giữa tinh trùng và noãn cầu).Chúng và
Tảo xoắn cũng được liệt vào danh sách những thực vật bậc thấp do không có đủ
rễ, thân, lá thật sự như ở một cây thơng thường.

Hình 1.5: Tảo nước mặn (Rong Mơ)
e, Một số loại tảo khác
Tảo đơn bào là những loài tảo chỉ có một tế bào, gồm tảo tiểu cầu và tảo
silic, v.v.
Tảo đa bào là những lồi tảo có nhiều tế bào, gồm tảo vòng, rau diếp biển,
rau câu và tảo sừng hươu, v.v

1.1.3. Tảo Chlorella vulgaris
Chlorella có trên trái đất chúng ta từ thời kỳ tiền sử, cách đây khoảng 2,5
tỷ năm. Nhưng mãi đến năm 1890, sau khi phát minh ra kính hiển vi thì người ta
mới xác định được nó là loại thực vật đơn bào.
Tảo Chlorella phát triển mạnh ở Hà Lan từ sau năm 1800. Đến cận năm
1900, người ta biết rõ nó và nhân giống lên rất nhanh. Các nhà khoa học ở nhiều
nước khác nhau, đặc biệt là ở Đức bắt đầu nghiên cứu loại tảo này và có ý tưởng
sản xuất thực phẩm từ tảo Chlorella.
Chlorella là một chi của tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta.
Chlorella có dạng hình cầu, đường kính khoảng 2-10 μm và khơng có tiên mao.
Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll -a và b trong lục
lạp. Thơng qua quang hợp nó phát triển nhanh chóng chỉ cần lượng khí carbon
7


dioxit, nước, ánh sáng mặt trời, và một lượng nhỏ các khoáng chất để tái sản
xuất. Tên Chlorella được lấy từ tiếng Hy Lạp"chloros"có nghĩa là màu xanh lá
cây và phần hậu tố lấy từ tiếng Latin có nghĩa là"nhỏ bé".
1.1.4. Đặc điểm sinh học của Tảo
a, Vị trí, phân loại, tên gọi
- Nhóm: Eukaryota
- Giới: Flora ( thực vật )
- Ngành: Chlorophyta ( tảo lục )
- Lớp: Trebouxiophyceae
- Bộ: Chlorellales
- Họ: Chlorellaceae
- Chi: Chlorella
- Loài: Chlorella vulgaris
b, Đặc điểm sinh học của tảo Chlorella
Chlorella được gọi đơn giản là tảo xanh, đơn bào có kích thước 2 – 10 µm

không roi và chứa sắc tố quang hợp xanh lá cây là hợp chất Chlorophyll-a và
Chlorophyll-b trong lục lạp. Nhờ vậy Chlorella có khả năng quang hợp, lấy
Carbon Dioxid, nước và lượng nhỏ chất khoáng, biến đổi năng lượng ánh sáng
mặt trời thành hợp chất hữu cơ đơn giản để nó sinh trưởng và phát triển.
Người ta tin rằng Chlorella là nguồn gốc thực phẩm, là nguồn năng lượng
đầy tiềm năng, vì theo lý thuyết thì nó có khả năng biến đổi 8% năng lượng mặt
trời thành năng lượng trong tảo. Ngồi ra, nó cịn là nguồn thức ăn giàu Protein
(khoảng 60%) và chất béo, Carbonhydrate, chất xơ, chất khoáng và Vitamin.
Vì Chlorella là lồi tảo tế bào đơn bào nên việc thu hoạch và chế biến có
khó khăn. Ngày nay, người ta nuôi trồng loại tảo này trong điều kiện cơng
nghiệp, ni trong hồ hoặc bể rộng có đủ dinh dưỡng cũng như ánh sáng và
được quấy đảo liên tục nên năng suất cao hơn so với phát triển trong điều kiện

8


tự nhiên. Việc canh tác và thu hoạch cũng được trang bị cơ giới nên có thể sản
xuất với số lượng tương đối lớn.
Khi sử dụng tảo Chlorella làm thực phẩm, người ta nhận thấy vấn đề tiêu
hóa tế bào tảo gặp trở ngại, do cấu tạo thành tế bào tảo chống lại sự tiêu hóa để
bảo vệ tế bào tảo. Nhưng vấn đề này đã được giải quyết từ năm 1975, trong quá
trình chế biến người ta đã nghiên cứu phá hủy màng tế bào của nó và nâng cao
khả năng tiêu hóa các chất dinh dưỡng trong tảo lên trên 80%, phát minh này đã
được cấp Patent (bằng sáng chế).
c, Vòng đời của Chlorella
Gồm 4 giai đoạn:
- Giai đoạn tăng trưởng: ở giai đoạn này các tự bào tử sẽ tăng nhanh về
kích thước nhờ các sản phẩm sinh tổng hợp
- Giai đoạn bắt đầu chín: Tế bào mẹ chuẩn bị q trình phân chia
- Giai đoạn chín mùi: tế bào nhân lên trong điều kiện có sáng hoặc trong

bóng tối
- Giai đoạn phân cắt: Màng tế bào mẹ bị vỡ ra,các tự bào tử được phóng
thích ra ngoài: Sinh trưởng – trưởng thành – Thành thục – Phân chia.
Dưới những điều kiện sống tối ưu, nhiều ánh sáng, nước trong và khơng
khí sạch, Chlorella sinh sản với tốc độ vô cùng lớn. Một tế bào Chlorella sẽ phân
chia thành 2-8 tế bào con trong thời gian chưa đầy 24 giờ. Tuổi thọ của 1 vòng
đời tế bào phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và nguồn dinh
dưỡng trung bình là khoảng 7 giờ.

9


Hình 1.6: Đồ thị biểu hiện sự sinh trưởng của tảo
d, Công dụng của tảo
- Đối với cơ thể con người:
Chlorella pyrenoidosa khi được hấp thụ vào cơ thể còn có tác dụng sau:
Tăng cường interferon, làm sạch máu, gan, thận và ruột, kích thích sinh sản tế
bào hồng cầu, tăng oxy cho các tế bào và não, trợ tiêu hóa, kích thích q trình
sửa chữa ở các mơ; giúp tăng PH máu để đạt trạng thái kiềm hơn; giúp giữ cho
trái tim hoạt động bình thường; giúp tăng cường sản phẩm của các khu hệ sinh
vật trong đường tiêu hóa. Tất cả mọi người đều dùng được các sản phẩm từ rong
này để điều trị các căn bệnh như: mệt mỏi kinh niên (fatigue), áp huyết cao, tim
mạch, mất trí nhớ, cholesterol cao, lão hóa da, ngộ độc máu, tuần hoàn máu
kém, đau đầu, rối loạn giấc ngủ, sưng và đau khớp, béo phì và các bệnh nhiễm
trùng, dị ứng, chấn thương.
- Một số cơng dụng khác có thể kể đến như:
+ Làm thức ăn cho Tôm, Cá
+ Xử lý nước thải…..

10

1.1.5. Một số công nghệ nuôi vi tảo thực tế
Việc ni trồng quy mơ lớn các lồi vi tảo trên thế giới đã bắt đầu tại
Nhật Bản vào năm 1960. Đến nay, có nhiều lồi vi tảo đã được ni trồng với
quy mơ cơng nghiệp, trong đó điển hình nhất có thể kể tới các lồi vi tảo,
Chlorella, Dunalliella, Spirulina… Để nuôi trồng vi tảo ở quy mô công nghiệp,
người nuôi trồng sẽ phải hiểu rất rõ về các đặc điểm sinh lý, hóa sinh của từng
loại tảo. Hiện có hai hệ thống ni tảo chính là ni theo hệ thống hở (Opened
Ecosystem-O.E.S) và ni theo hệ thống kín (Closed Ecosystem-C.E.S) Việc
nuôi trồng vi tảo ở quy mô công nghiệp cũng đòi hỏi đầu tư cơ sở hạ tầng và các
thiết bị kỹ thuật đặc biệt. Một số công nghệ ni trồng vi tảo truyền thống có thể
kể đến như:
a, Ni trong phịng thí nghiệm

Hình 1.7: Hệ thống ni trong phịng thí nghiệm
11


b,Hệ thống ni Biodiractor

Hình 1.8: Hệ thống ni khép kín Photobioreactorpainn

Hình 1.9: Mơi trường ni trong hệ thống ln được tuần hồn nhờ máy bơm
c, Hệ thống ni vi tảo bằng bể ni Raceway

Hình 1.10: Hệ thống bể ni Raceway
12

d, Nuôi theo hệ thống hở, quy mô công nghiệp
Công nghệ nuôi trồng Chlorella theo hệ thống hở (O.E.S): thường được
áp dụng ở các trang trại ni có qui mơ lớn (cơng nghiệp). Trong mơ hình này
tảo sử dụng trực tiếp ánh sáng từ mặt trời. Các trang trại qui mô lớn thường
được lắp đặt hệ thống cánh quạt khuấy đảm bảo cho tảo hấp thụ tốt ánh sáng và
tránh các sợi tảo bị chìm xuống đáy. Do là hệ thống nuôi hở nên kiểu nuôi này
phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết nên cần có giải pháp quản lý tốt. Đây là
mơ hình ni cần đầu tư lớn và có khả năng kiểm sốt được các yếu tố lý hoá
học. Tảo sử dụng ánh sáng nhân tạo hay tự nhiên từ mặt trời.

Hình 1.11: Ni tảo Chlorella ở quy mô công nghiệp
1.2. Tổng quan về công nghệ xử lý ảnh
1.2.1. Khái quát về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu là xử lý
là ảnh. Đây là một phân ngành khoa học mới rất phát triển trong những năm gần
đây. Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai
trị quan trọng nhất. Đó cũng chính là mục tiêu mà xử lý ảnh nghiên cứu chính.
Gồm 4 lĩnh vực chính:
- Xử lý nâng cao chất lượng ảnh
- Nhận dạng ảnh
- Nén ảnh

13


- Truy vấn vết ảnh
Sau khi đã xác định được bài tốn cần xử lý, từ đó đưa ra các giải pháp để
xử lý nhưng đều phải trải qua các bước sau:
- Thu thập dữ liệu mẫu
- Tiền xử lý dữ liệu mẫu

- Tiến hành cho máy tính xử lý
- Thu kết quả
Trong đó, việc cho máy tính xử lý là cơng đoạn phức tạp nhất, địi hỏi
phải thực thi rất nhiều thuật tốn. Q trình xử ảnh được xem như là quá trình
thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một
q trình xử lý ảnh có thể là một ảnh tốt hơn hoặc một kết luận.

Hình 1.12: Quy trình xử lý ảnh
Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với
q trình XLA. Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị nhớ camera,
sensor, máy scanner,v.v… và sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa
chọn các thiết bị thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần
xử lý. Các thông số quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng màu,
dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận ảnh của các thiết bị.
Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử
nhiễu, khử bóng, khử độ lệch,v.v… với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở lên
tốt hơn nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình
XLA. Quá trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
Xử lý ảnh: Bao gồm 2 bước chính:

14


- Phân đoạn ảnh: phân đoạn là bước then chốt trong xử lý ảnh. Giai đoạn
này phân tích ảnh thành những vùng có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay
các vùng liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thơng có thể là cùng
màu, cùng mức xám, …..v..v Mục đích là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều
phần tử khác nhau cấu tạo nên ảnh thơ. Vì lượng thơng tin chứa trong ảnh rất
lớn, trong khi đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào
đó. Do vậy cần có một q trình để giảm lượng thơng tin khổng lồ đó. Q trình

này bao gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu.
- Tách các đặc tính: Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho
dưới dạng dữ liệu điểm ảnh thơ, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc
tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó.
Thu kết quả: Đây là bước cuối cùng trong quá trình xử lý ảnh. Từ các
khâu xử lý ảnh trên mà ta đưa ra kết quả. Có thể là một kết luận hoặc một bức
ảnh với chất lượng tốt hơn…v..v
1.2.2.Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
a. Các khái niệm cơ bản:
• Phần tử ảnh (Pixel -Picture Element). Ảnh trong thực tế là một ảnh liên
tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý bằng máy tính cần thiết
phải tiến hành số hóa ảnh. Trong q trình số hóa người ta biến đổi từ tín hiệu
liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu (rời rạc hóa về khơng
gian) và lượng hóa thành phần về giá trị mà về nguyên tắc bằng mắt thường
không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này người ta sử dụng
khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel. Vậy 1 ảnh là một tập
hợp các pixel.
• Mức xám (Gray level) là kết quả sự mã hóa tương ứng với một cường độ
sáng của mỗi điểm ảnh với một giá trị số - kết quả của q trình lượng hóa.
Cách mã hóa kinh điển thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hóa 256 mức là phổ

15


dụng nhất do lý do kĩ thuật. Vì 28 = 256 (0,1,…..255), nên với 256 mức, mỗi
pixel sẽ được mã hóa bởi 8 bit.
• Độ phân giải (Resolation) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên
một ảnh số được hiển thị.
• Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh
gần với ảnh thật.

• Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có hai mức xám 0 và 1.
• Ảnh màu là ảnh số trong đó cường độ điểm ảnh là sự tổng hợp từ các màu
tùy theo từng loại mà có cách biểu diễn khác nhau.
• Ảnh đa mức xám là ảnh có nhiều hơn hai mức xám.
b. Biểu diễn ảnh:
Trong biểu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh
là pixel. Nhìn chung có thể một hàm hai biến chứa các thông tin như biểu diễn
của một ảnh. Các mơ hình biểu diễn cho ta một mơ tả logic hay định lượng các
tính chất của hàm này. Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực hoặc
các tiêu chuẩn “thơng minh” để đo chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kĩ
thuật xử lý.
Một số mơ hình thường được dùng trong biểu diễn ảnh: mơ hình bài tốn,
mơ hình thống kê. Trong mơ hình bài tốn, ảnh hai chiều được biểu diễn nhờ các
hàm hai biến trực giao gọi là các hàm cơ sở. Cịn mơ hình thống kê, một ảnh
được coi như một phần tử của một tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ
vọng toán học, hiệp biến, phương sai, moment.
c. Biến đổi ảnh (Image Transform):
Thuật ngữ biến đổi ảnh thường dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn vị
và các kĩ thuật dùng để biến đổi ảnh.
Biến đổi ảnh nhằm làm giảm các nguyên nhân của ảnh để việc xử lý hiệu
quả hơn. Như làm rõ hơn các thông tin mà ngời dùng quan tâm nhưng người
dùng phải chấp nhận mất đi một số thông tin cần thiết.
16


d. Phân tích ảnh:
Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của 1 ảnh
để đưa ra một mơ tả đầy đủ về ảnh.
Q trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều cơng đoạn nhỏ. Trước
hết là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh, giai đoạn tiếp theo

là phát hiện các đặc tính như phát hiện biên, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc
tính..v.v..
• Tăng cường ảnh – khơi phục ảnh:
Tăng cường ảnh là một bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Nó
gồm các kỹ thuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu…
Khôi phục ảnh là nhằm loại bỏ các suy giảm trong ảnh.
• Biên:
Biên là vấn đề chủ yếu trong phân tích ảnh vì các điểm trích chọn trong
q trình phân tích ảnh đều dựa vào biên. Mỗi điểm ảnh có thể là biên nếu ở đó
có sự thay đổi đột ngột về mức xám. Tập hợp các điểm biên tạo thành biên hay
đường bao quanh của ảnh.
• Phân vùng:
Phân vùng là bước then chốt trong xử lý ảnh. Giai đoạn này nhằm phân
tích ảnh thành những thành phần có tính chất nào đó dựa theo biên hay các vùng
liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thơng có thể là mức xám, cùng
màu hay độ tương phản.
e. Nhận dạng ảnh:
Nhận dạng ảnh là q trình liên quan đến các mơ tả đối tượng mà người
ta muốn đặc tả nó. Q trình nhận dạng thường đi sau q trình trích chọn các
đặc tính chủ yếu của đối tượng. Có hai kiểu mơ tả đối tượng:
• Mơ tả tham số (nhận dạng theo tham số).
• Mơ tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).

17