(Đồ án hcmute) robot nhận biết màu và hình sử dụng phương pháp nhận dạng đường biên

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐƯỜNG BIÊN

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI
SVTH: ĐINH BÁ CAO
MSSV: 12141019
SVTH: ĐƯỜNG QUỐC QUYỀN
MSSV: 12141186

SKL 0 0 4 4 1 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016

do an


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN
DẠNG ĐƯỜNG BIÊN
GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái
SVTH: Đinh Bá Cao
MSSV: 12141019
SVTH: Đường Quốc Quyền
MSSV: 12141186

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2016

do an


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG
ĐỀ TÀI:

ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH SỬ
DỤNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG
ĐƯỜNG BIÊN

GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái
SVTH: Đinh Bá Cao
MSSV: 12141019
SVTH: Đường Quốc Quyền
MSSV: 12141186

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2016

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép từ tài
liệu hay cơng trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài

do an


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nhờ sự
giúp đỡ tận tình của q thầy cơ về mọi mặt nên đề tài tốt nghiệp của chúng em đã được
hoàn thành.
Chúng em xin gởi lịng biết ơn chân thành đến Bộ mơn Điện tử công nghiệp cùng
quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ
sở để nhóm sinh viên chúng em thực hiện tốt đề tài.
Đặc biệt, chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Nguyễn Văn Thái đã
trực tiếp hướng dẫn và trong suốt quá trình làm đồ án thầy ln quan tâm, tận tình giúp
đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT1C đã chia sẻ, đóng góp ý

kiến, trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện
đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ và người thân đã tận tình nhắc nhở chúng em, tạo cho chúng
em nguồn động lực to lớn để hoàn thành đề tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm Sinh viên thực hiện
Đinh Bá Cao
Đường Quốc Quyền

do an


MỤC LỤC
Trang bìa ........................................................................................................................ ..i
Nhiệm vụ đồ án ................................................................................................... ………ii
Lịch trình ....................................................................................................................... iii
Cam đoan ....................................................................................................................... iv
Lời cảm ơn ...................................................................................................................... v
Mục lục ........................................................................................................................... vi
Liệt kê hình vẽ ................................................................................................................ ix
Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................... xi
Tóm tắt ......................................................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................ 1
1.2 MỤC TIÊU ................................................................................................................ 1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 2
1.4 GIỚI HẠN ................................................................................................................. 2
1.5 BỐ CỤC ..................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 4
2.1 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH. .............................................................................. 4

2.1.1 Tổng quan về xử lý ảnh. ......................................................................................... 4
2.1.2 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. ............................................................ 5
2.1.2.1 Điểm ảnh. ............................................................................................................. 5
2.1.2.2 Phân loại ảnh. ...................................................................................................... 6
2.1.2.3 Độ phân giải. ........................................................................................................ 7
2.1.3 Không gian màu HSV. ........................................................................................... 7
2.1.4 Thư viện EmguCV. ................................................................................................ 8
2.2 KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN. .......................................................................................... 9
2.2.1 Sơ lược về cấu trúc của vi điều khiển. ................................................................. 9
2.2.2 Vi điều khiẻn PIC 18F4550. ................................................................................ 10
2.2.3 Sơ đồ chân PIC18F4550. ..................................................................................... 12

do an


2.2.4 Khối điều chế độ rộng xung PWM. .................................................................... 15
2.2.4.1 Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM. ................................................. 17
2.2.4.2 Tính chu kỳ xung PWM. .................................................................................. 17
2.2.4.3 Tính hệ số chu kỳ xung PWM. ........................................................................ 18
2.2.5 Ngắt của vi điều khiển PIC18F4550. .................................................................. 18
2.2.6 Truyền/nhận dữ liệu UART. ............................................................................... 19
2.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC............................................................... 20
2.3.1 Cảm biến ENCODER. ......................................................................................... 20
2.3.2 PICKit 2 FULL Program/Debug. ....................................................................... 21
2.3.3 PL2303 HX Cable. ............................................................................................... 22
2.3.4 Động cơ DC........................................................................................................... 22
2.3.5 Relay OEG-OMI-SS-124L. ................................................................................. 23
2.3.6 OPTO PC817. ....................................................................................................... 24
2.3.7 MOSFET IRF540N. ............................................................................................. 25
2.3.8 Webcam Logitech C615. ..................................................................................... 26

2.3.9 Cảm biến siêu âm SRF005. ................................................................................. 27
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN ................................................................ 29
3.1 GIỚI THIỆU. .......................................................................................................... 29
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.......................................................... 29
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống. ............................................................................................ 29
3.2.1.1 Ứng dụng nhận dạng màu sắc. ....................................................................... 30
3.2.1.2 Lưu đồ điều khiển Robot. ................................................................................ 38
3.2.2 Tính tốn thiết ké ứng dụng. .............................................................................. 39
3.2.3 Tính tốn và thiết kế mạch ................................................................................. 43
3.2.3.1 Mạch nguồn. ...................................................................................................... 43
3.2.3.2 Khối điều khiển động cơ: ................................................................................. 44
3.2.4 Sơ đồ ngun lí tồn mạch. ................................................................................. 50
CHƯƠNG 4 : THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................................... 51
4.1 THI CÔNG ỨNG DỤNG. ...................................................................................... 51
4.1.1 Phần mềm thiết kế. .............................................................................................. 51

do an


4.1.2 Ngơn ngữ lập trình C# : ...................................................................................... 51
4.1.3 Thi công giao diện:............................................................................................... 53
4.1.4 Thi công mẫu vật................................................................................................. 57
4.2 THI CƠNG MẠCH. ............................................................................................... 57
4.3 LẮP RÁP VÀ ĐĨNG GĨI MẠCH. ...................................................................... 61
4.4 QUY TRÌNH THAO TÁC SỬ DỤNG. ................................................................ 67
CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ. ............................................. 69
5.1 BOARD MẠCH IN. ................................................................................................ 69
5.2 NGUỒN.................................................................................................................... 69
5.3 ĐỘNG CƠ DC ......................................................................................................... 69
5.4 CẢM BIẾN ENCODER: ........................................................................................ 69

5.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG. ................................................................ 70
5.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ROBOT. ........................................................................ 73
CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 75
6.1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI. ................................................................................................ 75
6.2 KẾT LUẬN. ............................................................................................................. 75
6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................................................................................ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO : ............................................................................................ 77
MỘT SỐ TRANG WEB THAM KHẢO KHÁC : ....................................................... 78
PHỤ LỤC. ........................................................................................................................ 79

do an


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2.1: Khơng gian màu HSV. .................................................................................... 7
Hình 2.2 : Vi điều khiển PIC16F4550. .......................................................................... 10
Hình 2.3 : Cấu hình PIC18F4550. ................................................................................. 12
Hình 2.4 : Sơ đồ chân PIC18F4550. .............................................................................. 13
Hình 2.5 : Điều chế độ rộng xung với các hệ số chu kì khác nhau............................. 16
Hình 2.6 : Cấu trúc khối điều chế độ rộng xung PWM. ............................................. 17
Hình 2.7 : Encoder và bánh xe gắn cho encoder. ........................................................ 20
Hình 2.8 : Hình mơ phỏng cách đếm số xung từ encoder. .......................................... 20
Hình 2.9 : Xung từ hai kênh của encoder..................................................................... 21
Hình 2.10 :Mạch nạp cho vi điều khiển PIC. ............................................................... 22
Hình 2.11 : Cáp PL2303 HX. ......................................................................................... 22
Hình 2.12 : Điều khiển động cơ DC chạy thuận ......................................................... 23
Hình 2.13 : Điều khiển động cơ DC chạy ngược.......................................................... 23
Hình 2.14 : Relay loại 8 chân. ........................................................................................ 24
Hình 2.15 : Opto PC817. ................................................................................................ 24
Hình 2.16 : Hình dáng và ký hiệu của IRF540. ........................................................... 25

Hình 2.17 : Webcam Logitech C615. ............................................................................ 26
Hình 2.18 : Cảm biến siêu âm SRF005. ....................................................................... 27
Hình 3.1 : Sơ đồ tổng quát. ............................................................................................ 29
Hình 3.2 : Sơ đồ khối giao diện điều khiển. ................................................................. 30
Hình 3.3 : Lưu đồ giải thuật tiền xử lý ảnh và nhận dạng màu sắc........................... 31
Hình 3.4 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình tam giác............................................... 33
Hình 3.5 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình chữ nhật. ............................................. 35
Hình 3.6 : Lưu đồ giải thuật nhận dạng hình trịn. ..................................................... 36
Hình 3.7 : Lưu đồ giải thuật truyền/nhận dữ liệu giữa ứng dụng và Robot. ............ 37
Hình 3.8 : lưu đồ điều khiển Robot. .............................................................................. 38
Hình 3.9 : Chọn chỉ số HSV để nhận dạng. .................................................................. 40
Hình 3.10 : Khung ảnh giá trị màu H. .......................................................................... 40
Hình 3.11 : RadioButton chọn hình khối. .................................................................... 41

do an


Hình 3.12 : Khung ảnh hiển thị ảnh tiền xử lý và sau xử lý. ...................................... 41
Hình 3.13 : Nút nhấn trong ứng dụng. ......................................................................... 41
Hình 3.14 : Nút nhấn và Combobox để kết nối với cổng COM. ................................ 42
Hình 3.15 : TextBox hiển thị dữ liệu truyền nhận. ...................................................... 42
Hình 3.16 : TextBox hiển thị tọa độ tâm vật. ............................................................... 42
Hinh 3.17 : mạch nguồn. ................................................................................................ 43
Hình 3.18 : Điều khiển động cơ DC dùng cặp Relay đảo chiều. ................................ 45
Hình 3.19 : Mạch điều xung (PWM) và mạch động lực đảo chiều động cơ.............. 46
Hình 3.20 : Mạch đảo chiều động cơ. ........................................................................... 48
Hình 3.21 : Mạch điều khiển xung PWM. .................................................................... 49
Hình 3.22 : Sơ đồ nguyên lý tồn mạch. ....................................................................... 50
Hình 4.1 : Giao diện khởi động của Visual Studio 2013. ............................................ 53
Hình 4.2 : Tạo một ứng dụng trong Visual Studio 2013. ............................................ 54

Hình 4.3 : Giao diện thiết kế ứng dụng. ....................................................................... 55
Hình 4.4 : Thêm control của EmguCV vào Toolbox. .................................................. 56
Hình 4.5 : Mẫu vật màu xanh và đỏ. ............................................................................. 57
Hình 4.6 : Lấy linh kiện trong ORCAD. ...................................................................... 59
Hình 4.7 : Cách tạo file Netlist. ..................................................................................... 60
Hình 4.8 : Chỉnh lại độ phân giải màn hình trong ORCAD. ...................................... 61
Hình 4.9 : Khung xe và pin . .......................................................................................... 62
Hình 4.10 : Động cơ và bánh xe trái. ............................................................................ 62
Hình 4.11 : Động cơ và bánh xe phải. ........................................................................... 63
Hình 4.12 : Bánh xe đa hướng trước............................................................................. 63
Hình 4.13 : Encoder trái và phải. .................................................................................. 64
Hình 4.14 : Thân sau của Robot. ................................................................................... 64
Hình 4.16 : Mặt trên mạch điều khiển Robot. ............................................................. 65
Hình 4.17 : Mặt dưới mạch điều khiển Robot. ............................................................ 66
Hình 4.18 : Robot hồn chỉnh. ....................................................................................... 66
Hình 4.19 : Kết nối ứng dụng với Robot....................................................................... 67
Hình 4.20 : các bước sử dụng ứng dụng. ...................................................................... 68

do an


Hình 5.1 : Chọn chỉ số màu HSV. ................................................................................. 70
Hình 5.2 : Textbox hiển thị tọa độ vật. ......................................................................... 70
Hình 5.3 : Kết nối cổng COM. ....................................................................................... 71
Hình 5.4 : Dữ liệu truyền nhận được. ........................................................................... 71
Hình 5.5 : Ảnh tiền xử lý. ............................................................................................... 71
Hình 5.6 : Ảnh sau khi nhận dạng màu sắc.................................................................. 72
Hình 5.7 : ảnh sau khi nhận dạng hình khối. ............................................................... 72
Hình 5.8 : Ứng dụng chạy thực tế. ................................................................................ 73

do an


LIỆT KÊ BẢNG VẼ
Bảng 2.1 : So sánh bốn loại pic 18F: ............................................................................. 12
Bảng 2.2 Một thông số kỹ thuật của IRF540(13) .......................................................... 25
Bảng 3.1 : Bảng màu HSV. ............................................................................................ 32
Bảng 3.2 Dòng tiêu thụ của một số linh kiện trong mạch........................................... 44
Bảng 4.1 : Bảng danh sách các linh kiện sử dụng : ..................................................... 58
Bảng 5.1 : Thống kê Robot di chuyển tới vật: ............................................................. 73

do an


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sau cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, các phát minh, sáng chế vĩ đại không
ngừng được xuất hiển biến những điều không tưởng thành sự thật và đã đưa nhân loại
bước sang một nền văn minh hoàn toàn mới. Trong đó, các lĩnh vực như cơng nghệ thơng
tin, điện tử, tự động hóa, các hệ thống truyền thơng sử dụng sóng vơ tuyến… ngày càng
có những bước phát triển vượt bậc.
Nền văn minh nhân loại không ngừng vận động và phát triển, và như một quy luật
tự nhiên thì khoa học – công nghệ cũng đang tiến những bước rất mạnh mẽ, sức mạnh mà
chúng mang lại đáp ứng được gần như là toàn bộ các nhu cầu cuộc sống của con người.
Năng suất lao động được nâng lên một cách tối đa, lao động chân tay được giảm hẳn, các
Robot và các thiết bị tự động hóa khác đảm nhận các cơng việc nặng nhọc trong các nhà
máy, xí nghiệp.
Một trong những lĩnh vực đã góp phần tạo nên các thành tựu to lớn đó chính là

cơng nghệ xử lý ảnh. Quá trình xử lý 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, từ đó phục vụ xử lý các cơng việc chính xác hơn.
Thế giới ngày càng phát triển thì lĩnh vực tự động hóa cần phải được mở rộng hơn.
Những Robot phục vụ sản xuất cũng như sinh hoạt của con người ngày càng nhiều. Công
nghệ chế tạo Robot cũng ngày càng hoàn thiện và tinh vi. Đồng thời, việc ứng dụng xử lý
ảnh đã mang lại nhiều thuận lợi cho con người, các công việc được xử lý chính xác hơn.
Xuất phát từ những nguyên nhân trên và để góp phần cũng cố những kiến thức đã
được học, nhóm chọn đề tài: “ROBOT NHẬN BIẾT MÀU VÀ HÌNH SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐƯỜNG BIÊN” để nghiên cứu và thi cơng mơ hình
sản phẩm.

1.2 MỤC TIÊU
 Thiết kế Robot và mơ hình với các hình khối và màu sắc cụ thể.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Viết ứng dụng cho máy tính sử dụng công nghệ xử lý ảnh để xác định chính xác
hình khối và màu sắc.
 Sau khi xác định chính xác hình khối và màu sắc, Robot sẽ tiến hành di chuyển tới
vị trí hình khối và màu sắc theo yêu cầu.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 NỘI DUNG 1: Thiết kế ứng dụng nhận biết hình khối và màu sắc bằng phần mềm
Visual Studio.

 NỘI DUNG 2: Thiết kế, lập trình và thi cơng phần cứng Robot.
 NỘI DUNG 3: Kết nối phần cứng Robot với phần mềm điều khiển.
 NỘI DUNG 4: Chạy thử nghiệm hệ thống nhận biết hình ảnh và màu sắc.
 NỘI DUNG 5: Cân chỉnh hệ thống.
 NỘI DUNG 6: Viết sách luận văn.
 NỘI DUNG 7: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4 GIỚI HẠN
Để phù hợp với mục đích nghiên cứu chuyên sâu về lập trình xử lý ảnh cũng như
lập trình vi điều khiển điều khiển Robot, nhóm thực hiện đề tài chỉ chú trọng nghiên cứu
những phần chính sau:
 Thiết kế ngun lý Robot và mơ hình với các hình khối và màu sắc cụ thể.
 Thiết kế ứng dụng nhận biết hình khối và màu sắc trên máy tính bằng phần mềm
Visual Studio 2013.
 Sau khi xác định chính xác hình khối và màu sắc, Robot sẽ tiến hành di chuyển tới
vị trí hình khối và màu sắc theo u cầu.
Đề tài này không đi giải quyết vấn đề sau:
 Các vấn đề về tính tốn thiết kế mơ hình cơ khí của Robot.
 Chỉ nhận biết được các hình ảnh 2D.
 Các khối nhận biết được còn giới hạn : hình tròn, chữ nhật, tam giác.
 Số lượng mẫu vật nhận dạng còn hạn chế( khoảng 5 mẫu vật).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5 BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày một số lý thuyết về xử lý ảnh, vi điều khiển và trình bày về
một số linh kiện sử dụng trong mạch.

 Chương 3: Thiết kế và tính tốn.
Nội dung chương là thiết kế sơ đồ hệ thống, sơ đồ từng khối. Tính tốn thiết kế
mạch và ứng dụng trên máy tính.
 Chương 4 : Thi công hệ thống.
Nội dung chương là thi công mạch và thi công ứng dụng.

 Chương 5: Kết quả nhận xét và đánh giá.
Trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm, nhận xét và đánh giá kết quả
đạt được.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Trình bày những kết quả thu được so với dự kiến ban đầu, đề xuất hướng phát triển
đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH.
2.1.1 Tổng quan về xử lý ảnh.
Là 1 công nghệ ra đời từ những năm 1960, tuy nhiên thì vào thời điểm đó cấu hình
của máy tính chưa đủ mạnh để hỗ trợ cơng nghệ xử lý ảnh đòi hỏi tốc độ phải cao và tốn
nhiều bộ nhớ lưu trữ. Vào thời điểm đó thì đã có nhiều trường đại học lớn và các viện
nghiên cứu trên thế giới như MIT đã trang bị những chiếc máy tính khổng lồ để nghiên
cứu về cơng nghệ này. Từ những năm 1970 trở đi, cấu hình máy tính đã mạnh mẽ hơn,
các ứng dụng như cải thiện và nâng cao chất lượng ảnh, lưu trữ và truyền ảnh bắt đầu
được phổ biến hơn. Còn ngày nay thì xử lý ảnh đang là 1 cơng nghệ làm thay đổi cuộc
sống giúp máy móc thay thế cho thị giác của con người.
Xử lý ảnh là quá trình thao tác trên ảnh đầu vào có thể là một hình ảnh, một khung
hình video.., đầu ra là một hình ảnh đáp ứng nhu cầu người dùng hay tập hợp các thơng số
liên quan đến hình ảnh.
Xử lý ảnh có thể được chia ra làm 3 lĩnh vực:
 Cải thiện chất lượng ảnh (Improvement of pictorial information): ví dụ việc làm
cho chất lượng một hình ảnh đã cũ trở lên rõ, nét như khi nó được chụp cách đây
nhiều năm.
 Lưu trữ và Truyền ảnh (Efficient Storage and transmission): Các định dạng ảnh
ra đời nhằm làm giảm dung lượng lưu trữ và tăng tốc độ truyền nhận hình ảnh khi
băng thơng có giới hạn. Các nhà nghiên cứu đã cho ra đời các định dạng ảnh như
.jpg, .png, .bmp ... đã dần làm giảm đáng kể dung lượng của ảnh nhưng vẫn đảm
bảo chất lượng của hình ảnh.
 Nhận diện ảnh (Image processing for autonomous machine): đây là ứng dụng
hay được sử dụng trong các dây truyền giám sát, đánh giá và kiểm tra chất lượng
sản phẩm trong cơng nghiệp... Ví dụ như nhận diện biển số xe trong các bãi giữ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
xe, kiểm tra nhãn chai đã được dán đúng tiêu chuẩn hay chưa, kiểm tra các linh
kiện điện tử đã được gắn đúng vị trí trên các bo mạch hay chưa, giúp Robot phát
hiện và chữa cháy kịp thời hay trong quân sự thì sử dụng cơng nghệ xử lý ảnh để
giúp cho Robot có thể theo dõi và bám đuổi mục tiêu. (1)
2.1.2 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh.
2.1.2.1 Điểm ảnh.
Ảnh số : là một tập hợp của nhiều điểm ảnh, hay còn gọi là pixel. Mỗi điểm ảnh
biểu diễn một màu sắc nhất định (hay độ sáng với ảnh đen trắng) tại một điểm ảnh duy
nhất, có thể xem một điểm ảnh giống như một chấm nhỏ trong một tấm ảnh màu. Bằng
phương pháp đo lường và thống kê một lượng lớn các điểm ảnh, chúng ta hoàn toàn có
thể tái cấu trúc các điểm ảnh này thành một ảnh mới gần giống với ảnh gốc. Có thể nói
các pixel gần giống như các phần tử có cấu trúc hạt trên một ảnh thông thường nhưng
được xếp theo từng hàng và cột và chứa các thông tin khác nhau.
Ảnh được biểu diễn dưới một ma trận hai chiều với các pixel được xác định bởi cặp tọa
độ (x, y), trong đó, giá trị của pixel tại tọa độ nhất định biểu diễn độ sang (ảnh đen trắng)
hay màu nhất định (ảnh màu). Giá trị độ sáng được số hóa trong xử lý ảnh được gọi là ảnh
xám. Với một ảnh sau khi lấy mẫu để cho ra một ảnh số với kích thước xác định gồm có
M hàng và N cột, ta nói rằng ảnh có kích thước M x N và được biểu diễn dưới dạng ma
trân như sau:
𝑓(1,1)
𝑓 (𝑥, 𝑦) = [ ⋮
𝑓(𝑀, 1)

⋯
⋱
⋯

𝑓(1, 𝑁)
⋮
]
𝑓(𝑀, 𝑁)

(2.1)

Trong đó :
f(x,y)- giá trị pixel tại vi trí (x, y)
M- số hàng của ảnh số đang xét
N- số cột của ảnh số đang xét
Đối với ảnh đen trắng, giá trị mức xám thường nằm trong khoảng 0 ≤ f(x,y) ≥ G -1.
Trong đó G thường được biểu diễn theo lũy thừa của 2.
Ảnh nhị phân (binary image) :Chỉ sử dụng duy nhất một bit để biểu diễn số pixel. (2)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.2.2 Phân loại ảnh.
Có hai dạng quan trọng trong ảnh số được dùng với nhiều mục đích khác nhau là
ảnh màu và ảnh đen trắng (hay cịn gọi là ảnh xám). Trong đó, ảnh màu được cấu trúc từ

các pixel màu trong khi ảnh đen trắng đươc xây dựng từ các pixel có giá trị mức xám
khác nhau.
Ảnh đen trắng : với một ảnh đen trắng được xây dựng từ nhiều pixel mà tại đó biểu
diễn một giá trị nhất định tương ứng với một mức xám. Những mức xám này trải dài
trong một khoảng từ đen sang trắng với bước nhảy rất mịn, thông thường là 256 mức xám
khác nhau theo tiêu chuẩn. Do mắt người chỉ có thể phân biệt một cách rõ ràng với
khoảng 200 mức xám khác nhau nên vì thế hồn tồn có thể nhận xét sự thay đổi liên tục
các mức xám.
Ảnh màu : thường được tạo thành từ nhiều pixel mà trong đó mỗi pixel được biểu
diễn bởi ba giá trị tương ứng với các mức trong các kênh màu đỏ (Red), xanh lá (Green)
và xanh dương (Blue) tại một vị trí cụ thể. Các kênh màu Red, Green và Blue (trong
không gian màu RGB) là những màu cơ bản mà từ đó có thể tạo ra các màu khác nhau
bằng phương pháp pha trộn. với việc chuẩn hóa 256 (28) mức cho từng kênh màu chính,
từ đó có thể thấy 1 pixel màu có thể biểu diễn được trong (28)3 = 16777216 màu khác
nhau. Từ đó có thể thấy rằng với một pixel chỉ cần một byte cho việc lưu trữ đối với ảnh
đen trắng và 3 byte đối với ảnh màu. Vì thế với cùng một ảnh có kích thước nhất định,
dung lượng của ảnh màu lưu trên bộ nhớ luôn lớn hơn gấp 3 lần dung lượng dành cho ảnh
đen trắng trong trừng hợp không sử dụng các kỹ thuật nén ảnh.
Việc tính tốn dung lượng của ảnh với đầy đủ mức xám (G=28 =256)có thể được
biểu diễn như sau :
Cgs = m x n

(2.2)

Crgb = 3x(m x n)

(2.3)

Trong đó :
Cgs – dung lượng của ảnh xám (tính theo byte)

Crgb – dung lượng của ảnh màu (tính theo byte)
m – kích thước theo chiều ngang của ảnh.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
n – kích thước theo chiều dọc của ảnh.
(m x n) – tổng số pixel của ảnh.
Ảnh nhị phân : chỉ sử dụng duy nhất một bit để biểu diễn một pixel. Do do một bit
chỉ có thể xác lập hai trạng thái là đóng và mở hay 1 và 0 tương ứng với hai màu đen và
trắng. Do đặc trưng trên mà ảnh nhị phân ít khi được sử dụng trong thực tế.
Ảnh chỉ số (indexed) : Một vài ảnh màu (hay đen trắng) được tạo thành từ một
bảng màu có sẵn bị giới hạn, điển hình thường dùng là tập 256 màu khác nhau. Những
ảnh này được gọi là ảnh màu chỉ số hóa (indexed) do dữ liệu dành cho mỗi pixel bao gồm
chỉ số có sẵn chỉ rõ màu trong tập có sẵn ứng với pixel đang xét. (2)
2.1.2.3 Độ phân giải.
Với cùng một ảnh, càng nhiều điểm được lấy mẫu thì ảnh chụp càng chi tiết. Mật
độ điểm ảnh trong một ảnh được xem như độ phân giải trong chính nó. Ảnh có độ phân
giải càng cao thì ảnh càng chứa nhiều thơng tin. Nói một các chính xác, khi giữ ảnh tại
cùng một kích thước vật lý thì ảnh trở nên sắc nét và chi tiết hơn nếu độ phân giải cao
hơn. (2)
2.1.3 Không gian màu HSV.
HSV (hue saturation value) : Khơng gian màu này cịn có tên khác là HSI
(intensity), HSL (lightness). Mơ hình này do AR Smith tạo ra vào năm 1978. Nó dựa trên
các đặc tính màu trực quan như sắc (tint), bóng (shade) và và tơng màu (tone); nói cách
khác là họ màu, độ thuần khiết, và độ sáng.

Hình 2.1: Khơng gian màu HSV.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ tọa độ cho không gian màu này là hình trụ:
 Giá trị màu thuần khiết (Hue) chạy từ 0 đến 360°.
 Độ bão hòa màu (Saturation) là mức độ của thuần khiết của màu, có thể hiểu là có
bao nhiêu màu trắng được thêm vào màu thuần khiết này. Giá trị của S nằm trong
đoạn [0, 1], trong đó S = 1 là màu tinh khiết nhất, hồn tồn khơng pha trắng. Nói
cách khác, S càng lớn thì màu càng tinh khiết, nguyên chất.

 Độ sáng của màu (Value), có khi được gọi là Intensity, Lightness, cũng có giá trị
dao động trong đoạn [0, 1], trong đó V = 0 là hồn tồn tối (đen), V = 1 là hồn
tồn sáng. Nói cách khác, V càng lớn thì màu càng sáng.
Hệ thống màu HSV thích hợp với một số thiết kế đồ họa vì nó cung cấp sự điều
khiển trực tiếp đến ánh sáng và sắc động. Hệ thống màu HSV cũng hỗ trợ tốt hơn những
thuật tốn xử lý ảnh vì tiêu chuẩn hóa về ánh màu và tập trung vào hai hàm số về độ hội
tụ màu và cường độ màu. Hệ thống màu HSV có sự phân chia rõ rệt giữa ánh sáng và
màu sắc do đó có khả năng rất lớn được áp dụng cho việc tính đặc trưng và so sánh sự
giống nhau về màu sắc của hai ảnh nên thích hợp cho việc tìm kiếm ảnh dựa vào màu. (3)
2.1.4 Thư viện EmguCV.
 EmguCV là gì :
Là một cross flatform .NET, một thư viện xử lý hình ảnh mạnh dành riêng cho

ngôn ngữ C#. Cho phép gọi được chức năng của OpenCV là từ .NET.
Tương thích ngơn ngữ như: C#, VB, VC ++, Iron Python...
Wrapper có thể được biên dịch bởi Visual Studio, Xamarin Studio và Unity.
Nó có thể chạy trên Windows, Linux, Mac OS X, iOS, Android và Windows
Phone.
 Lợi thế của EmguCV :
EmguCV được viết hoàn tồn bằng C#. Có thể chạy trên bất kỳ nền tảng hỗ trợ bao
gồm iOS, Android, Windows Phone, Hệ điều hành Mac OS X và Linux.
EmguCV có thể được sử dụng từ nhiều ngôn ngữ khác nhau, bao gồm C#,
VB.NET, C ++ và Iron Python.
Nhận dạng ảnh : nhận dạng khn mặt, các vật thể …
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xử lý ảnh : khử nhiễu, điều chỉnh độ sáng …
Nhận dạng cử chỉ. (4)

2.2 KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN.
2.2.1 Sơ lược về cấu trúc của vi điều khiển.
Năm 1971, bộ vi xử lý đầu tiên ra đời đã mở ra 1 thời đại mới trong công nghệ
điện tử và tin học. Các hàng chế tạo bán dẫn đã tích hợp các mạch ngoại vi và bộ vi xử lý
lên một chip duy nhất( on chip) để tạo ra các bộ vi điều khiển, để nhằm hạn chế tối đa các
linh kiện mắc ngoài khi xây dựng hệ thống có sử dụng vi xử lý, vi điều khiển.
Điều thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo vi điều khiển đó là tính đa dụng, dễ dàng sử dụng
và giá thành thấp. Vi điều khiển tỏ ra rất hấp dẫn trong các ứng dụng điều khiển điện tử vì

có kích thước nhỏ, tuy nhỏ nhưng chức năng rất đa dạng, dễ dàng tích hợp vào trong hệ
thống để điều khiển toàn hệ thống.
Các thành phần của vi điều khiển là: CPU, RAM, ROM, các bộ đếm, bộ định thời,
các cổng vào ra, giao diện truyền thông nối tiếp, các khối chuyển đổi tương tự số A/D và
ngược lại số tương tự D/A. Khối xử lý trung tâm CPU thực hiện các chỉ thị được lưu
trong bộ nhớ chương trình ROM để điều khiển tất cả các thành phần còn lại. Bộ nhớ truy
cập ngẫu nhiên RAM được dùng để lưu các thiết lập và các biến sử dụng trong chương
trình. Chương trình và các số liệu cố định được lưu trong ROM. Bộ nhớ ROM của vi điều
khiển trở thành thành phần FIRMWARE sau khi được nạp chương trình.
Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử: thiết bị viễn
thông, máy văn phòng, đồ điện tử gia dụng, đồ chơi trẻ em, thiết bị giải trí. Nói chung là
các thiết bị cần một cơ cấu điều khiển thơng minh, có khả năng tương tác với người sử
dụng.
Chương trình cho vi điều khiển là một tập các mã lệnh đã được dịch thành mã máy
thường được nạp trực tiếp vào bộ nhớ ROM của vi điều khiển từ máy tính thơng qua một
bộ nạp chương trình. Các cổng vào ra số cho các dữ liệu nhị phân vào ra qua các chân của
vi điều khiển. Các chân này được dùng để ghép nối vi điều khiển với các thiết bị vào ra số

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
hay ghép nối với các bộ vi điều khiển khác thực hiện các chức năng nào đó.
Cổng truyền thơng dữ liệu nối tiếp tạo khả năng giao tiếp của hệ thống với các hệ
thống khác qua: UART, I2C, SPI…
Các bộ đếm(Timer) dùng để tạo ra các nhịp thời gian chính xác hoặc để đếm xung.

Khối chuyển đổi A/D cho phép vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị điện tử
tương tự như cảm biến tương tự nhờ đó nó có thể đưa các dữ liệu vào để xử lý và lưu trữ.
Khối A/D cho phép vi điều khiển điều khiển các thiết bị không tương thích điều khiển
số.(5)
2.2.2 Vi điều khiẻn PIC 18F4550.
PIC18F4550 là một vi điều khiển đa chức năng và rẻ. Nó là sản phẩm của họ vi xử
lý PIC thông dụng của công ty Microchip của Mỹ. PIC 18F4550 là vi điều khiển 8bit có:

Hình 2.2 : Vi điều khiển PIC16F4550.
 Đóng vỏ DIP40, với 35 chân I/O
 Dung lượng bộ nhớ chương trình: Data EEPROM 256 Bytes, Data RAM
256 Bytes, SRAM 2048 Bytes, FLASH 32 Kbytes.
 Các chế độ quản lý năng lượng:
 Chạy: CPU chạy, thiết bị ngoại vi chạy.
 Chờ: CPU tắt, thiết bị ngoại vi chạy.
 Ngủ: CPU tắt, thiết bị ngoại vi tắt.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Thoát khỏi chế độ chờ trong 5.8 µs.
 Thốt khỏi chế độ ngủ trong 0.1 µs
 Oscillator Timer1: 1.1 µs, 32kHz, 2V.
 Watchdog Timer2: 2.1 µs.
 Khởi động Oscillator 2 tốc độ
 Các đặc tính ngoại vi nổi bật:

 Dịng Sink/Source cao : 25 mA/ 25 mA
 3 External Interrupts
 4 module Timer ( Timer0 đến Timer3)
 Lên tới 2 Capture/Compare/PWM (CCP) module:
 Capture 16- bit, độ phân giải tối đa 5.2 ns
 Compare 16-bit, độ phân giải tối đa 83.3 ns
 Độ phân giải của PWM là 1 đến 10-bit
 Module Capture/Compare/PWM (ECCP) cải tiến:
 Các chế độ nhiều ngõ ra.
 Có thể chọn độ phân giải
 Có thể lập trình thời gian chờ
 Tự động shutdown và tự động restart.
 Module UART cải tiến:
 Hỗ trợ LIN bus
 Module Master Synchronous Serial Port (MSSP) hỗ trợ 3-wire SPI
(4chế độ) và I2C Master và chế độ Slave
 10- bit, lên tới 13 kênh ADC với khả năng lập trình thời gian nhận
 2 bộ so sánh Analog với ngõ vào đa hợp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bảng 2.1 : So sánh bốn loại pic 18F:

 Cấu hình được minh họa như hình sau:

Hình 2.3 : Cấu hình PIC18F4550.
2.2.3 Sơ đồ chân PIC18F4550.
Để phù hợp với các yêu cầu của người dùng, PIC18F4550 có nhiều kiểu thiết kế
dạng như: 28-Pin PDIP; 40-Pin PDIP, 44-Pin TQFP, 44-Pin QFN. Ở đây, chúng em lựa
chọn sử dụng loại 40-PIN PDIP vì dễ dàng mua được ở thị trường, giá cả rẻ và phù hợp
với mục đích của việc nghiên cứu.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

do an

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4 : Sơ đồ chân PIC18F4550.
Chức năng một số chân chúng ta sử dụng của PIC18F4550:
Chân MCLR/Vpp/RE3:
 MCLR: ngõ vào reset tích cực mức thấp.
 Vpp: ngõ vào nhận điện áp khi ghi dữ liệu vào bộ nhớ nội flash.
 RE3: xuất/ nhập số - bit thứ 3 của PORT E.
Chân RE0/AN5/CK1SPP:
 RE0: xuất/ nhập số - bit thứ 0 của PORT E.
 AN5: Ngõ vào tương tự của kênh thứ 5.
Chân VDD
Chân VSS
Chân OSC1/CLKI:
 OSC1: ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn xung ở bên ngồi.

Ngõ vào có mạch Schmitt Trigger nếu sử dụng dao động RC
 CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài.
Chân OSC2/CLKO/RA6:
 OSC2: ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng
hưởng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

13