nghiên cứu số hóa đô thị thực nghiệm dùng trong các bài toán thiết kế tàu thủy

1
NGHIÊN CỨU SỐ HOÁ ĐỒ THỊ THỰC NGHIỆM
DÙNG TRONG CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ TÀU THỦY
RESEARCHING THE DIGITALIZING COMPLEX EXPERIMENTAL
GRAPHS IN PROGRAMING SHIP DESIGN
TS Trần Gia Thái – Khoa kỹ thuật tàu thủy– Đại học Nha trang
Tel : 0905121350 – Fax : 058.831147 - Email :
Tóm tắt:
Bài báo trình bày tóm t ắt các kết quả nghi ên cứu về thuật toán v à chương trình số
hóa các đồ thị thực nghiệm phức tạp, đ ược hiểu như là vấn đề nhận diện các ảnh Bitmap
trên máy tính để tự động xác định chính xác giá tr ị các đồ thị thực nghiệm phức tạp đ ã
được đưa vào máy tính bằng các thiết bị ngoại vi nh ư camera, scaner v..v…, đư ợc ứng
dụng rất nhiều trong lập tr ình các bài toán thi ết kế tàu thủy như : tính sức cản vỏ tàu,
thiết kế chân vịt theo ph ương pháp đồ thị v..v… và trong nhiều lĩnh vực khác
Abstract :
The article was presented the researched results in brief about algorithm and
program of complex experimental digitalizing graphs which known as a problem
recognizes bitmap images on computer to automat ically determine accurately values of
complex experimental graphs which were input in computer by peripherals as camera,
scanner etc. It was apllied in programing ship design such as : calculating ship hull
resistance, designing propeller in graphic method etc and the other field
1.ĐẶT VẤN ĐỀ
Như đã biết, trong các bài toán kỹ thuật nói chung và bài toán thiết kế tàu nói riêng,
thường gặp trường hợp phải tính toán và xử lý số liệu theo những đồ thị đa biến phức tạp,
gồm các đường cong bất kỳ nhận từ số liệu thực nghiệm (gọi chun g là đồ thị thực nghiệm),
mà việc xác định chính xác các giá trị của chúng không đ ơn giản và mất nhiều thời gian.
Ví dụ về các đồ thị như thế trong thiết kế tàu thủy là đồ thị của nhà khoa học Võ Văn Trác
dùng để tính sức cản tàu cá Việt nam hoặc đồ thị dùng thiết kế chân vịt của Papmen v..v…
Do đó vấn đề tự động số hoá đồ thị, được hiểu như là bài toán nhận diện ảnh đồ hoạ tr ên
máy tính nhằm xác định nhanh và chính xác các giá trị đồ thị đã hiển thị trên máy tính,
có vai trò và ý nghĩa quan trọng, nhất là để dùng trong lập trình bài toán thiết kế tàu thủy.

Mặc dù hiện nay đã có nhiều thuật toán và phần mềm nhận diện ảnh đồ hoạ tr ên máy tính,
nhưng thực tế nhận thấy, thuật toán v à phần mềm số hoá để đọc giá trị đồ thị thực nghiệm
dùng trong tính toán cá c bài toán thiết kế tàu nói chung vẫn chưa được giải quyết triệt để,
không chỉ vì lý do thuật toán phức tạp, giá th ành phần mềm cao mà còn hàng loạt vấn đề
thường gặp khi xử lý các đồ thị thực nghiệm nh ư ảnh không rõ, ảnh quét bị nghiêng v..v…
Chính vì thế, trong bài báo này chúng tôi mu ốn giới thiệu với bạn đọc kết quả nghi ên cứu
của mình về cơ sở thuật toán và phần mềm số hoá đồ thị thực nghệm d ùng trong bài toán
thiết kế tàu thuỷ, một nội dung trong đề t ài Tự động hoá thiết kế tối ưu đường hình tàu
đánh cá Việt nam do Bộ môn Tàu thuyền Trường Đại học Nha trang thực hiện năm 2004
và đã đạt kết quả khả quan.
2
2.NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHI ÊN CỨU
 Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thuật toán số hoá các đồ thị thực nghiệm
 Viết phần mềm tự động số hoá và đọc chính xác các giá trị của đồ thị thực nghiệm
 Ứng dụng trong lập tr ình bài toán tính sức cản, tính chân vịt v à chọn máy trong
thiết kế tàu
2.1.Cơ sở lý thuyết và thuật toán số hoá đồ thị thực nghiệm
Như đã biết, màn hình máy tính dùng m ạng lưới các điểm vẽ (pixel) để hiển thị ảnh
và mỗi vị trí pixel được gán một địa chỉ v à giá trị độ sáng ứng với các vị trí tr ên màn hình.
Theo nguyên tắc này, ảnh đồ hoạ trên máy tính được hiển thị bằng các pixel tr ên màn hình
và được phân thành hai nhóm chính :
- Ảnh Bitmap
Ảnh Bitmap hiển thi tr ên cơ sở dùng ma trận các điểm vẽ (pixel) biểu diễn h ình ảnh,
trong đó ảnh được đưa vào máy tính từ thiết bị thu nhận h ình như scanner, camera v..v…
Do đó khi làm việc với ảnh Bitmap th ường điều chỉnh các pixel h ơn là chỉnh sửa hình dạng
và các ảnh Bitmap phụ thuộc v ào độ phân giải, nghĩa là nó bao gồm một số pixel cố định .
- Ảnh Vector
Ảnh Vector tạo bởi các đ ường thẳng và đường cong điều chỉnh bằng Vector toán học
diển tả hình ảnh bằng hình học nên ảnh đồ hoạ Vector không phụ thuộc vào độ phân giải,
tức là có thể chỉnh sửa kích cở của ảnh khi hiển thị trên màn hình mà không s ợ mất nét.

Trên cơ sở đó, các thuật toán v à phần mềm số hoá đồ thị hiện nay thường xây dựng
trên cơ sở chuyển ảnh hiển thị tr ên máy tính từ dạng ảnh Bitmap sang dạng ảnh Vector.
Tuy nhiên, cách làm này thư ờng gặp khó khăn về kỹ thuật, nhất l à phụ thuộc khá nhiều vào
chất lượng ảnh nhận từ các thiết bị thu nhận ảnh v à độ phân giải của màn hình máy tính.
Kết quả nghiên cứu đề tài đã xây dựng được thuật toán và chương trình theo hướng mới,
cho phép tự động số hoá và đọc giá trị các đồ thị thực nghiệm đ ã được đưa vào máy tính từ
thiết bị thu nhận hình ảnh như camera, scanner v..v… h ay từ các chương trình đồ hoạ khác.
Có thể tóm tắt cơ sở lý thuyết của thuật toán theo tr ình tự sau :
(1) Sử dụng kỹ thuật Vector hoá theo x ương (lọc xương) bóc dần lớp biên đối tượng
để làm mảnh dần đối tượng đến khi thành đường duy nhất có độ d ày bằng 1 pixel
sau đó chuyển về ảnh trắng đen để mỗi điểm trên màn hình chỉ có một trong hai
trạng thái bật hay tắt n ên chỉ cần dùng một bit cho một pixel để kiểm soát độ
sáng của điểm màn hình
(2) Chuyển đổi toạ độ thực của ảnh theo toạ độ m àn hình với tỷ lệ xích quy định.
Để thích ứng với sự khác biệt về tỉ lệ v à phương hoặc ảnh quét bị xoay đi góc ,
ánh xạ các toạ độ đã quy đổi vào một vùng hình vuông cụ thể trên màn hình sao
vẫn duy trì tỉ lệ thích hợp, đồng thời xoay hình đến vị trí góc  = 0 với quy ước
hệ toạ độ màn hình thích hợp với trục x nằm ngang và trục y nằm thẳng đứng
(3) Loại bỏ những đối tượng không cần thiết trong quá tr ình số hoá
(4) Sử dụng ma trận các điểm pixel tr ên màn hình máy tính để nhận diện hình ảnh đồ
thị nhờ phân biệt m àu sắc của các đường trên đồ thị so với các điểm khác tr ên
màn hình và đọc địa chỉ của các điểm pixel có chứa các điểm của các đ ường cong
trên đồ thị và chuyển thành giá trị đồ thị tương ứng với tỷ lệ xích đ ã chọn
3
Hình 1 trình bày sơ đồ thuật toán của chương trình tự động số hoá ảnh các đồ thị
thực nghiệm được đưa vào máy tính bằng máy scanner.
Hình 1 : Sơ đồ thuật toán của chương trình
LỌC XƯƠNG ĐỐI TƯỢNG ẢNH ĐẾN
CHIỀU DÀY MỘT PIXEL
BẮT ĐẦU

CHUYỂN VỀ ẢNH TRẮNG ĐEN
QUY ĐỔI TOẠ ĐỘ THỰC & XOAY
ẢNH THEO TOẠ ĐỘ MÀN HÌNH
ĐỌC ĐỊA CHỈ CÁC PIXEL CÓ CHỨA
MÀU KHÁC MÀU MÀN HÌNH
KẾT THÚC
HIỂN THỊ GIÁ TRỊ CỦA CÁC
ĐƯỜNG CONG TRÊN ĐỒ THỊ
QUY ĐỔI ĐỊA CHỈ CÁC PIXEL SANG
GIÁ TRỊ TOẠ ĐỘ CỦA ĐỒ THỊ
DÙNG MA TRẬN ĐIỂM PIXEL CỦA
MÀN HÌNH NHẬN DIỆN ẢNH
4
2.2.Phần mềm số hoá và đọc chính xác các giá trị của đồ thị thực nghiệm
Trong phần này chúng tôi giới thiệu phần mềm v à kết quả số hoá đồ thị thực nghiệm
đa biến phức tạp là đồ thị tính sức cản t àu cá của nhà khoa học Việt nam là Võ Văn Trác.
Dùng Scanner quét theo toạ độ kích thước của thiết bị ảnh đồ thị cần số hoá v ào máy tính,
và dùng lệnh đọc Mo trong menu Tap tin của chương trình để đọc File ảnh vào phần mềm.
Hình 2 là ảnh scanner của một trong số các đồ thị tính sức cản tàu cá của Võ Văn Trác đã
được đọc và chuyển vào vùng hiển thị hình vuông cố định, đã được quy định trên màn hình
Hình 2 : Đọc ảnh scanner đồ thị tính sức cản của Võ Văn Trác
Dùng chức năng lọc của ch ương trình để bỏ các đối tượng không cần số hoá (h ình 3)
Hình 3 : Ảnh sau khi lọc
5
Nhấp mục Nhan Dang để chương trình tự động nhận diện và số hoá đồ thị (hình 4).
Khi rà chuột vào đồ thị, chương trình sẽ bắt dính vào các điểm trên đồ thị (hiện dấu cộng)
đồng thời đọc giá trị toạ độ điểm tr ên thanh trạng thái nằm dưới màn hình
Hình 4 : Nhận diện và số hoá đồ thị
Trường hợp cần tìm giá trị Y theo giá trị X cho tr ước thì nhập giá trị X vào ô Nhap X
và nhấp Tim Y_Ve, chương trình sẽ hiển thị vị trí tất cả giá trị Y cần t ìm của đồ thị (hình 5).

Hình 5 : Cách xác định giá trị Y theo giá trị X cho tr ước