THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOMÔ HÌNH HỆ THỐNG MÁY KÉO DI CHUYỂN TỰ ĐỘNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOMÔ HÌNH HỆ THỐNG MÁY KÉO DI
CHUYỂN TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên: PHẠM QUANG LỘC
NGUYỄN CÔNG HẬU
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2009- 2013
Tháng 06 năm 2013

 
 


MÔ HÌNH HỆ THỐNG MÁY KÉO CHẠY TỰ ĐỘNG

TÁC GIẢ

PHẠM QUANG LỘC – NGUYỄN CÔNG HẬU

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
Cấp bằng kỹ sư nghành cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:
TH.S TRẦN THỊ KIM NGÀ
PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG
Tháng 06 năm 2013

i 
 


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử và
thầy, cô khoa cơ khí_công nghệ đã giúp đỡ chúng em trong quá trình được học tại
trường Đại Học Nông Lâm.
Chúng em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Văn Hùng
và cô Trần Thị Kim Ngà đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm luận
văn tốt nghiệp
Đặc biệt, chúng em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian
nhận xét và góp ý để luận văn của chúng em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình và tất cả bạn bè đã động viên,
giúp đỡ ủng hộ cho chúng em trong suốt quá trình học tập. Xin cảm ơn tất cả mọi
người cầu chúc tất cả mọi người luôn mạnh khỏe, vui vẻ và thành công trong cuộc
sống. Xin chân thành cảm ơn!.

TPHCM, ngày tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện
PHẠM QUANG LỘC
NGUYỄN CÔNG HẬU

ii 
 


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “ Thiết kế chế tạo mô hình máy kéo chạy tự động” được thực
hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, trong thời gian từ tháng

3 đến tháng 5 năm 2013.
Đề tài được thực hiện thành công và đạt được kết quả khả quan như xây được
mô hình robot bám đối tượng dựa vào thuật toán CamShift trong thư viện OpenCV. Để
theo dõi đối tượng trong OpenCV cần phải có quá trình dò tìm, phân tích và nhận dạng
đối tượng.
Thực hiện truyền nhận dữ liệu nối tiếp chuẩn RS232, truyền nhận dữ liệu không
dây qua sóng RF.
Trên cơ sở tìm hiểu thư viện OpenCV đồ án xây dựng thuật toán theo dõi đối
tượng dựa vào thuật toán rất phổ biến trong OpenCV là thuật toán CamShift. Đồ án
gồm có:Mô hình máy kéo di chuyển tự động là một con robot chạy sau bám theo một
con robot chạy trước. Robot chạy sau có 1 webcam thu nhận hình ảnh đóng vai trò như
là con mắt của robot và một robot chạy trước đóng vai trò như là đối tượng di chuyển
để robot sau bám theo. Mô hình robot được chế tạo nhằm kiểm nghiệm thuật toán đã
xây dựng, kết quả của đồ án là căn cứ để phát triển và xây dựng các thuật toán điều
khiển robot sử dụng OpenCV.

iii 
 


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT .................................................................................................................. iii
MỤC LỤC .....................................................................................................................i
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... vi
Chương 1 .........................................................................................................................1
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................1

1.2 Mục đích .............................................................................................................2
Chương 2 .........................................................................................................................4
TỔNG QUAN ..............................................................................................................4
2.1 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh ...........................................................4
2.1.1 Phần tử ảnh ...................................................................................................4
2.1.2 Mức xám của ảnh .........................................................................................5
2.1.3 Ảnh ...............................................................................................................5
2.1.3.1 Ảnh nhị phân ..........................................................................................5
2.1.3.2 Ảnh xám .................................................................................................6
2.1.3.3 Ảnh màu .................................................................................................6
2.1.4 Độ phân giải .................................................................................................7
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh .......................................................................7
2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh ..............................................................................7
2.2.1.1 Khái niệm camera ..................................................................................8
2.2.1.2Phân loại Camera ....................................................................................8
2.2.2 Thu nhận ảnh và số ảnh ..............................................................................10
2.2.3 Lưu trữ ảnh .................................................................................................10
2.2.4 Phân tích ảnh ..............................................................................................11
2.2.5 Hệ quyết định .............................................................................................14
2.3 Tổng quan về vi điều khiển PIC .......................................................................15
i 
 


2.4 Truyền thông nối tiếp RS 232...........................................................................17
2.4.1 Tổng quan về truyền thông nối tiếp RS 232 ..............................................17
2.4.2 Truyền dữ liệu qua cổng RS 232 ................................................................19
2.4.2.1 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính thông qua cổng RS 232 ......19
2.4.2.2 Cấu trúc truyền dữ liêu theo chuẩn RS 232 .........................................19
2.5 Tín hiệu không dây sử đụng cặp module thu phát RF ......................................20

2.5.1 Tổng quan về sóng RF ...............................................................................20
2.5.1.1 Biên độ và bước sóng...........................................................................20
2.5.1.2 Bức xạ điện từ ......................................................................................21
2.5.1.3 Pha........................................................................................................21
2.5.2 Các phương pháp điều chế sóng RF ...........................................................21
2.5.2.1 Điều biên ..............................................................................................21
2.5.2.2 Điều tần ................................................................................................22
2.5.2.3 Điều pha ...............................................................................................22
2.5.3 Mã hóa dữ liệu ............................................................................................23
2.5.3.1 Các phương pháp mã hóa dữ liệu ........................................................23
2.5.3.2 Các dạng mã hóa phổ biến ...................................................................23
2.5.4 Hoạt động của sóng vô tuyến .....................................................................24
2.5.5 Module thu phát sóng RF ...........................................................................25
2.5.5.1 Tổng quan về cặp IC – PT2262 và IC – 2272 .....................................25
2.5.5.2 Module phát .........................................................................................26
2.5.5.3 Module thu ...........................................................................................27
2. 6 Tổng quan về OpenCV ....................................................................................28
2.6.1 Cấu trúc và nội dung OpenCV ...................................................................29
2.6.2 Một số hàm đơn giản thường xuyên sử dụng trong thư viện HighGUI như
sau:.......................................................................................................................30
2.6.2.1 Đọc và viết một bức ảnh. .....................................................................30
2.6.2.2Các hàm thực hiện xử lý ảnh ................................................................31
2.6.3 Cơ sở toán học của thuật toán CamShift ....................................................33
Chương 3 .......................................................................................................................35
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................................35
ii 
 


3.1 Thời gian bố trí và thực hiện đề tài ...................................................................35

3.2 Đối tượng và các thiết bị nghiên cứu ................................................................35
3.3 Phương pháp nguyên cứu. ................................................................................35
3.3.1 Phương pháp nguyên cứu. ..........................................................................35
Chương 4 .......................................................................................................................36
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................36
4.1 Sơ đồ xử lý và điều khiển .................................................................................36
4.1.1 Camera sử dụng ..........................................................................................36
4.1.2 Thiết kế mach vi điều khiển và kết nối module phát sóng RF ...................38
4.1.3 Sơ đồ khối khâu công tác. ..........................................................................40
4.1.4 Thiết kế mach vi điều khiển và kết nối module thu sóng RF.....................41
4.1.5 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ .............................................43
4.1.6 Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành ........................................................44
4.2 Xử lý ảnh, xác định và điều khiển bám theo đối tượng ....................................46
4.2.1 Thị giác máy tính điều khiển robot di động bám đối tượng .......................46
4.2.2 Thuật toán tính hướng và kích thước cỡ của đối tượng cần theo dõi .........46
4.2.2.1 Thuật toán chung..................................................................................46
4.2.2.2 Nhận dạng và bám theo đối tượng di động ..........................................47
4.2.3 Thuật toán CamShift ..................................................................................50
4.2.3.1 Thu nhận ảnh........................................................................................52
4.2.3.2 Histogram .............................................................................................53
4.2.4 Thiết kế và hoàn chỉnh phần mềm điều khiển............................................54
4.2.5 Phương pháp điều khiển .............................................................................56
4.2.5.1 khảo sát và chạy thử nghiệm 2 robot ...................................................56
4.2.5.2 Khảo nghiệm mô hình máy kéo di chuyển tự động .............................56
Chương 5 .......................................................................................................................59
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................................................59
5.1 Kết quả đạt được ...............................................................................................59
5.1.1 Kết quả đạt được ........................................................................................59
5.1.2 Hạn chế cân khắc phục ...............................................................................59
5.2 Hướng phát triển của đồ án...............................................................................60

iii 
 


TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................1
PHỤ LỤC .....................................................................................................................2
Code xử lý ảnh ..........................................................................................................2
Code vi điều khiển ..................................................................................................23
2.1 Code mạch phát .............................................................................................23
2.2 Code mach thu xe 1 .......................................................................................26
2.3 Code mạch thu xe 2 .......................................................................................29

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GUI: .............................. Graphical User Interface.
CMOS: .......................... Complementary Metal-Oxide-Semiconductor.
COM: ........................... component object model.
IP: ................................. Internet Protocol.
PIC: .............................. Programmable interrupt controller.
RS 232: ........................ Recommended Standard 232.
RF: ............................... Radio Frequency.
CCD: ............................ Charge Couple Device.
CCIR: ........................... Consultative Committee On International Radio.
AC: ............................... Alternating Current.
ASK: ............................ Amplitude Shift Keying.
PSK: ............................. Phase Shift Keying.
OpenCV ........................ Open Source Computer Vision Library.
CamShift .......................Continouusly Adaptive Mean Shift.

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Điểm ảnh ..........................................................................................................5

Hình 2.2 Ma trận biểu diễn ảnh nhị phân ........................................................................5
Hình 2.3 Ma trận biểu diễn ảnh xám ...............................................................................6
iv 
 


Hình 2.4 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần RED ...........................................6
Hình 2.5 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần GREEN ......................................6
Hình 2.6 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần BLUE .........................................7
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh ..................................................................................7
Hình 2.8 Camera có dây ..................................................................................................9
Hình 2.9 Camera không dây ............................................................................................9
Hình 2.10 Camera IP Sony SNC DH 240 .....................................................................10
Hình 2.11 Mô hình không gian màu RGB ....................................................................12
Hình 2.12 Mô hình màu HLS ........................................................................................12
Hình 2.13 Mô hình màu L*a*b .....................................................................................13
Hình 2.14 biến đổi Fourier ............................................................................................13
Hình 2.15 Vi điều khiển 16f877A .................................................................................15
Hình 2.16 Sơ đồ chân Pic16F877A. ..............................................................................16
Hình 2.17 Sơ đồ khối Pic 16F877A ..............................................................................17
Hình 2.18 Cổng nối tiếp RS232 9 Chân ........................................................................18
Hình 2.19 Sơ đồ kết nối vi điều khiển với máy tính qua cổng rs232 ............................19
Hình 2.20 Khung truyền dữ liệu qua cổng RS232 ........................................................20
Hình 2.21 Điều biên ......................................................................................................22
Hình 2.22 Điều tần ........................................................................................................22
Hình 2.23 Điều pha........................................................................................................23
Hình 2.24 các dạng mã hóa phổ biến ............................................................................24
Hình 2.25 Hoạt động của sóng vô tuyến .......................................................................24
Hình 2.26 Module phát sử dụng IC PT 2262 ................................................................26
Hình 2.27 Module thu sử dụng IC PT 2272 ..................................................................27

Hình 2.28 Quá trình phát triển của OpenCV .................................................................29
Hình 2.29 Cấu trúc cơ sở của OpenCV .........................................................................30
Hình 4.1 Sơ đồ khối xử lý ảnh và điều khiển ................................................................36
Hình 4.2 Camera có dây Nansin ....................................................................................37
Hình 4.3 Camera không dây Vantech............................................................................37
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF ..................38
Hình 4.5 Mạch vi điều khiển kết nối với module phát sóng RF ...................................39
v 
 


Hình 4.6 Mạch nguyên lý module phát sóng RF sử dụng PT 2262 ..............................40
Hình 4.7 Sơ đồ khối khâu công tác ...............................................................................40
Hình 4.8 Mạch nguyên lý Module thu sóng RF ............................................................41
Hình 4.9 Mạch nguyên lý module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A ...................42
Hình 4.10 Mạch module thu sóng RF kết nối với PIC 16F877A ..................................43
Hình 4.11 Mạch nguyên lí mạch động lực ....................................................................44
Hình 4.12 Mạch động lực ..............................................................................................44
Hình 4.13 Mô hình xe chạy trước..................................................................................45
Hình 4.14 Mô hình xe bám đối tượng ...........................................................................45
Hình 4.15 Sơ đồ thuật toán chung .................................................................................47
Hình 4.16 Mặt phẳng ảnh ..............................................................................................48
Hình 4.17 Biểu diễn đối tượng di chuyển trên mặt phẳng ảnh......................................49
Hình 4.18 Histogram .....................................................................................................50
Hình 4.19 Kết quả trước và sau khi lọc nhiễu. ..............................................................50
Hình 4.20 Sơ đồ thuật toán CamShift............................................................................51
Hình 4.21 Thu ảnh bám đối tượng ................................................................................52
Hình 4.22 Ảnh nhận từ Camera .....................................................................................53
Hình 4.23 Histogram .....................................................................................................53
Hình 4.24 Kết quả tính tọa độ tâm băng thuật toán CamShift. .....................................54

Hình 4.25 Kết quả bước đầu theo dõi đối tượng bằng thuạt toán CamShift .................54
Hình 4.26 Giao diện của chương trình điều khiển ........................................................55

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 thông số kỹ thuật của module phát ................................................................26
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của module thu .................................................................27
Bảng 4.1: Khảo nghiệm khoảng cách truyền của sóng RF ...........................................56
Bảng 4.2 khảo sát robot bám theo tốc độ 1 ...................................................................57
Bảng 4.3 khảo sát robot bám theo tốc độ 2 ...................................................................58

vi 
 


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Lương thực là vấn đề rất quan trọng trong hiện tại và cả tương lai. Nước ta là
một nước thuần về nông nghiệp xuất khẩu các mặt hàng nông nghiệp là chủ yếu, góp
phần đảm bảo an ninh lượng thế giới. Các mặt hàng xuất khẩu chủ yếu như: gạo, cà
phê, tiêu, điều…. Nhưng việc chất lượng của các sản phẩm không thể cạnh tranh với
nhiều mặt hàng của nhiều nước vẫn luôn bị ép giá trên thị trường xuất khẩu. Vì vậy,
không chỉ tăng chất lượng năng xuất của sản phẩm mà việc tính đến tiết kiệm sức lao
động của con người là nhu cầu hết sức cần thiết.
Khoa học kỹ thuật đã được ứng dụng từ rất sớm vào các hoạt động sản xuất, đặc
biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp nó được ứng dụng không chỉ nhằm tăng năng suất
và chất lượng mà còn giúp con người giải phóng một lượng lớn sức lao đông chân tay.
Tuy vậy, ở nước ta vẫn còn khá nhiều khâu trong quá trình sản xuất mà đặc biệt
là trong khâu thu hoạch, còn gây tốn kiếm nhiều sức lao động của con người. Ví dụ
như việc thu hoạch lúa bằng máy gặt đập liên hợp mới được ứng dụng vào những thập

niên gần đây ở nước ta. Việc ứng dụng máy đã giúp tiết kiệm rất nhiều sức lao động
của con người. Nhưng trong việc thu gom sau thu hoạch vẫn còn tốn kiếm thời gian về
năng lượng và khá nhiều sức lao động.

1 
 


Trong mấy thập kỷ gần đây, xử lý ảnh đã được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có
rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Như trong y học, xử lý ảnh số đã được dùng để phát
hiện và nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X quang…. Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ
thuật xử lý ảnh đã và đang đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Robot.
Trong nông nghiệp xử lý ảnh ngày càng được ứng dụng rộng rãi như mô hình tưới tiêu
tự động trong nhà lưới, robot hái cà chua…. Vì thế bài toán xử lý ảnh đã được áp dụng
giải quyết được rất nhiều việc tự động hóa trong các khâu của nền nông nghiệp nước
nhà, máy kéo di chuyển tự động bám theo đối tượng cũng dùng công nghệ xử lý ảnh.
1.2 Mục đích
Với mục đích góp phần tự động hóa trong nông nghiệp nước nhà, chúng tôi
thực hiện đề tài này xuất phát từ ý tưởng máy kéo chạy tự động không người lái, hay
với những ứng dụng thu gom nông sản trong quá trình thu hoạch… Nhằm giảm thiểu
sức lao động của người nông dân. Với những ứng dụng này hệ thống gồm một đối
tượng chạy phía trước và máy kéo hay cơ cấu chạy phía sau. Đối tượng chạy phía
trước để dẫn đường cho máy kéo hay cơ cấu thu gom nông sản phía sau. Phương thức
bám theo đối tượng chạy phía trước được thực hiện bằng công nghệ xử lý ảnh. Với
một đề tài sinh viên chúng em xin phép được mô phỏng hệ thống trên bằng mô hình hệ
thống gồm một mô hình robot bám theo một robot chạy trước, đề tài gồm 2 con robot.
Với hi vọng đề tài sẽ góp phần ứng dụng công nghệ tự động hóa vào quá trình sản xuất
nhằm tiết kiệm sức lao động và thời gian cho nền nông nghiệp nước nhà trong tương
lai.
Xây dựng phần mềm robot di động bám đối tượng sử dụng thư viện OpenCV.

Thuật toán được lựa chọn để sử dụng trong đồ án là thuật toán CamShift.
Xây dựng khối phần cứng để kiểm nghiệm giải thuật của thuật toán đã xây
dựng sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A.
Như vậy công việc chính của đồ án là: Tìm hiểu thưviện OPenCV.
Tìm hiểu thuật toán CamShift.
Lập trình điều khiển robot sử dụng thuật toán CamShift.
2 
 


Sử dụng truyền thông RS 232 để truyền dữ liệu nối từ máy tính xuống vi điều
khiển PIC 16f877A.
Sử dụng module thu phát RF để truyền tín hiệu điều khiển không dây.
Ứng dụng xử lý ảnh vào điều khiển hệ thống bám theo đối tượng xác định, điều
khiển hệ thống đi theo đối tượng đã được xác định.

3 
 


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh
2.1.1 Phần tử ảnh
Ảnh trong tự nhiên là những tín hiệu liên tục về không gian và giá trị độ sáng,
ảnh được xem như là 1 tập hợp tất cả các điểm ảnh. Để có thể lưu trữ và biểu diễn ảnh
bằng máy tính, con người phải tiến hành đổi biên các tín hiệu liên tục đó thành một số
hữu hạn các tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lượng tử hóa và lấy mẫu thành phần
giá trị độ sáng.
Một phần tử ảnh (Picture Element) là một giá trị biểu diễn cho mức xám hoặc

cường độ ảnh tại một vị trí sau khi đã biến đổi ảnh thành một số hữu hạn các tín hiệu
rời rạc.
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại tọa độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định.Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chon thích hợp
sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của
ảnh số gần như ảnh thật.Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là phần tử ảnh.

4 
 


Hình 2.1 Điểm ảnh
2.1.2 Mức xám của ảnh
Là kết quả của sự biến đổi tương ứng giá trị độ sáng của một điểm ảnh với một
giá trị số nguyên dương. Tùy thuộc vào giá trị biểu diễn mức xám mà mỗi điểm ảnh sẽ
được biểu diễn trên 1, 4, 8, 24 hay 32 bit (mức 8 bit là mức phổ dụng). Số lượng bit
biểu diễn mức xám càng lớn thì chất lượng ảnh càng cao.
2.1.3 Ảnh
Là một tập hợp hữu hạn các điểm ảnh kề nhau.Ảnh thường được biểu diễn bằng
một ma trận hai chiều, mỗi phần tử của ma trận tương ứng với điểm ảnh.
2.1.3.1 Ảnh nhị phân
Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có 2 mức giá trị mức đen, trắng phân biệt.Mỗi điểm
ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1.
0

1

1

0

1

1

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

Hình 2.2 Ma trận biểu diễn ảnh nhị phân

5 
 

2.1.3.2 Ảnh xám
Ảnh xám là ảnh mà giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 8 bit
(giá trị từ 0 đến 255).
0

5

12

0

15

94

21

0

0

0

156

9

0

11

245

12

Hình 2.3 Ma trận biểu diễn ảnh xám
2.1.3.3 Ảnh màu
Thông thường, ảnh màu được tạo nên từ 3 ảnh xám đối với màu nền đỏ (RED),
xanh lá (GREEN), xanh lam (BLUE). Tất cả các màu được tổng hợp từ 3 thành phần
màu trên theo các tỷ lệ khác nhau. Sau đây là thành phần cấu tạo của 3 màu chính sau.
0

7

11

0

115

94

20

0

0

0

15

16

0

11

225

12

Hình 2.4 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần RED
0

1

121

0

14

9

210

0

0

1

115

16

0

11

22

2

Hình 2.5 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần GREEN

6 
 


0

17

21

0

135

93

50

0

0

0

15

67

0

11

25

19

Hình 2.6 Ma trận biểu diễn mức xám của thành phần BLUE
2.1.4 Độ phân giải
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên một
ảnh số được hiển thị.Khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao cho mắt
người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách thích hợp tạo nên
mật độ phân bố, đó chính là độ phân giải và được phân bố theo trục x và y trong không

gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là
một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320, điểm theo chiều dọc * 200 điểm ảnh
(320*200). Rõ ràng cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA 17”
độ phân giải 320*200. Lý do là vì cùng mật độ (độ phân giải) nhưng diện tích màn
hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
2.2 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh
Một hệ thống xử lý ảnh điển hình thường bao gồm những thành phần sau:

Lưu
trữ

Lưu
trữ
Thiết bị
thu nhận
ảnh

Thu
nhận ảnh

Phân
tích
ảnh

Số hóa

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống xử lý ảnh
2.2.1 Các thiết bị thu nhận ảnh
7 

 

Nhận
dạng
Hệ
quyết
định

Hiển
thị


Ảnh có thể thu nhận qua Camera hoặc ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua
các bộ phận cảm ứng (sensor) hay ảnh, tranh được quét trên các máy scanner…
2.2.1.1 Khái niệm camera
Camera là một thiết bị ghi hình.Camera có thể ghi lại được những hình ảnh
trong một khoảng thời gian nào đó, lưu trữ và sau đó ta có thể xem lại bất cứ khi nào
bạn muốn. Camera sẽ truyền hình ảnh nhận được tại địa điểm được nó ghi lại sau đó
gửi tín hiệu đến các thiết bị hiển thị output như máy tính, điện thoại, tivi….
2.2.1.2Phân loại Camera
Camera thường được phân loại theo: Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh và Phân
loại theo đường truyền.
 Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
Camera analog CCIR
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog xử lý tín hiệu màu vector màu, loại
Camera này hiên nay ít được dùng.
Camera số CCD (Charge Couple Divide) (100% số)
Camera CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp
những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu hiệu ánh sáng sang
tín hiệu số để đưa vào các bộ xử lý. CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ

thống thấu kính của Camera. CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh
sáng thành những hạt điện tích và được số hóa. Đây là một quá trình chuyển đổi tương
tự số.Các thông số kĩ thuật của Camera CDD là đường chéo màn hình cảm biến (tính
bằng inch).Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt (màn hình
1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lượng tốt hơn 1/4 inch CCD, vì 1/3>1/4).
Camera số CMOS
CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Các loại Camera số
sử dụng công nghệ CMOS.Các Camera số thương mại sử dụng công nghệ CMOS thì
8 
 


chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng hình ảnh với
Camera CCD.Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CDD có ưu điểm rõ rệt so
với Camera anolog về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh.
 Phân loại theo đường truyền
Có 3 loại: Camera có dây, Camera không dây, IP Camera (Camera mạng).
Camera có dây

Hình 2.8 Camera có dây
Camera có dây có ưu điểm là độ an toàn cao, tính bảo mật tốt được sử dụng để
truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75ohm -1Vpp, dây C5. Chú ý rằng khi
truyền với khoảng cách >= 300m thì cần phải có bộ khuyếch đại để tránh việc mất tín
hiệu trên đường truyền.
Camera không dây

Hình 2.9 Camera không dây
9 
 

Các loại Camera này có ưu điểm là dễ thi công lắp đặt do không cần phải đi
dây, tuy nhiên Camera có hệ số an toàn không cao do sử dụng sóng vô tuyến RF để
truyền tín hiệu thường tần số dao động từ 1,2 đến 2,4MHz nên dễ bị bắt sóng hoặc bị
ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như điện thoại di động.
IP Camera

Hình 2.10 Camera IP Sony SNC DH 240
IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng qua hệ thống mạng Internet, tín hiêu
hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng. VớiCamera IP người dùng có thể điều
khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng Internet
2.2.2 Thu nhận ảnh và số ảnh
Việc thu nhận ảnh có thể thông qua Camera. Các Camera có thể là loại tương tự
(loại Camera ống kiểu CCIR) hoặc là số (loại Camera kiểu CCD) hay Camera IP. Ảnh
cũng có thể được thu qua các thiết bị khác như máy quét…. Nếu ảnh nhận được là
tương tự nó phải được số hóa nhờ quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa trước khi phân
tích, xử lý hay lưu trữ ảnh.
2.2.3 Lưu trữ ảnh
Ảnh trên máy tính là kết quả thu nhận theo các phương pháp số hóa được nhúng
trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau. Quá trình lưu trữ ảnh nhằm 2 mục đích:
10 
 


 Tiết kiệm bộ nhớ
 Giảm thời gian xử lý
Việc lưu trữ thông tin bộ nhớ có ảnh hưởng rất lớn đến việc hiển thị in ấn và xử
lý ảnh được xem như là 1 tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sử dụng càng
nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết của
ảnh người ta gọi đặc điểm này là độ phân giải. Có thể lưu trữ ảnh với tất cả các định

dạng như sau IMG, PCX, TIFF, GIF…Việc lựa chọn độ phân giải thích hợp tùy thuộc
vào nhu cầu sử dụng và đặc trưng của mỗi ảnh cụ thể.
2.2.4 Phân tích ảnh
 Một số không gian màu
Không gian màu RGB (Red, Green, Blue)
Còn gọi là ảnh “Truecolor” do tính trung thực của nó. Ảnh này được biểu diễn
bởi một ma trận ba chiều kích thược m x n x 3, với m x n là kích thước ảnh theo
pixels. Ma trận này định nghĩa các thành phần màu red, green, blue cho mỗi điểm ảnh,
các phần tử của nó có thể thuộc kiểu uint 8, uint 16 hoặc double.

11 
 


Hình 2.11 Mô hìình không gian màu R
RGB
Mô hìnnh màu HLS
S
Mô hình màu
m HLS được
đ
xác địịnh bởi tập hợp các hìình chóp sááu cạnh đôii của
đ
của hình chóp sááu cạnh đôii với
khôngg gian hình trụ.Sắc mààu là góc qquanh trục đứng
màu đỏ
đ tại góc 0o. Các màuu sẽ xác địnnh theo thứ
ứ tự giống như
n trong biểu
b

đồ CIE
E khi
ranh giới
g của nó bị xoay ng
gược chiều kim đồng hồ:
h màu đỏỏ, màu vàngg, màu lục, màu
tím, laam và đỏ thhẫm. Điều này
n cũng giống như thứ
ứ tự sắp xếpp trong mẫuu hình chópp sáu
cạnh đơn
đ HSV.

m HLS
Hình 2.12 Mô hình màu
Mô hìnnh màu L*aa*b
12


Là không gian màu phổ biến cho việc so sánh sự khác biệt về màu sắc. Trong
đó, hệ thống L*a*b đại diện cho 3 mức tỷ lệ với L (light) đại diện cho độ sáng.

Hình 2.13 Mô hình màu L*a*b
 Một số công cụ trợ giúp xử lý ảnh
Kỹ thuật lộc số
Chất lượng hình ảnh kém do rất nhiều nguyên nhân như do nhiễm điện tử của
máy thu hay chất lượng bộ số hóa kém. Nhiễu ảnh số được xem như là sự dịch chuyển
nhanh các tín hiệu thu nhận trên một khoảng cách ngắn. Về mặt tần số nhiễu ứng với
các thành phần tần số cao trong ảnh.Như vậy để xử lý nhiễu ta lọc các thành phần tần
số cao.Việc lọc dựa vào tính chất dư thừa thông tin không gian, các pixel lân cận có
thể có cùng hoặc gần cùng một số đặc tính.Kỹ thuật lọc này dùng một mặt nạ và di

chuyển khắp ảnh gốc.
Biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier cho một tín hiệu có thể biểu diễn như sau:

Hình 2.14 biến đổi Fourier
13 
 


Biến đổi Fourier thuận: Chuyển sự biến diễn từ không gian thực sang không
gian tần số (phổ và pha). Các thành phần tần số này được gọi là các biểu diễn trong
không gian Fourier của tín hiệu.
Biến đổi Fourier ngược: Chuyển đổi sự biểu diễn của đối tượng từ không gian
Fourier sang không gian thực.
Biên và các phương pháp phát hiện biên
Biên là vấn đề quan trọng trong trích chọn đặc điểm nhằm tiến tới hiểu ảnh.
Cho đến nay biên thực sự vẫn chưa có 1 định nghĩa thống nhất, trong mỗi ứng dụng
người ta đưa ra các độ đo khác nhau về biên. Một trong các độ đo đó là độ đo về sự
thay đổi đột ngột về cấp xám. Ví dụ: Đối với ảnh trắng đen, một điểm được gọi là
điểm biên nếu nó là điểm đen có ít nhất một điểm trắng bên cạnh. Tập hợp các điểm
biên tạo nên biên hay đường bao của đối tượng, xuất phát từ cơ sở này người ta thường
sử dụng hai phương phát phát hiện biên cơ bản
Phát hiện biên trực tiếp: Phương pháp này làm nổi biên dựa vào sự biến thiên
mức xám của ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng để phát hiện biên ở đây là kỹ thuật lấy đạo
hàm, nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có các kỹ thuật Gradient, còn nếu lấy đạo
hàm bậc hai của ảnh ta có kỹ thuật Laplace.Ngoài ra còn có một số các tiếp cận khác.
Phát hiện biên gián tiếp: Nếu bằng cách nào đó ta phân được ảnh thành các
vùng thì ranh giới giữa các vùng đó gọi là biên. Kỹ thuật dò biên và phân vùng ảnh là
hai bài toán đối ngẫu nhau vì dò biên để thực hiện phân lớp đối tượng mà khi đã phân
lớp xong nghĩa là đã phân vùng được ảnh và ngược lại, khi các vùng ảnh đã được phân

lớp thành các đối tượng, do đó có thể phát hiện được biên.
Phương pháp phát hiện biên trực tiếp tỏ ra khá hiệu quả và ít chịu ảnh hưởng
của nhiễu, song nếu sự biến thiên độ sáng đột ngột, phương pháp phát hiện biên trực
tiếp tỏ ra kém hiệu quả. Phương pháp phát hiện biên gián tiếp tuy khó cài đặt, song lại
áp dụng khá tốt trong trường hợp này, sự khác biệt cơ bản giữa hai phương pháp này
là: Trực tiếp cho kết quả là ảnh biên còn gián tiếp cho kết quả là đường biên.
2.2.5 Hệ quyết định
14 
 


Cuối cùngg tùy theo mục
m đích ứng
ứ dụng, sẽẽ là giai đooạn nhận dạạng hiển thịị hay
đưa raa các quyết định khác.
2.3 Tổổng quan về
v vi điều khiển
k
PIC
PIC (Prog
gramable Inntelligent C
Computer) do
d hãng General Instrrument đặt tên,
v điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650
P
hããng Microcchip tiếp tụcc phát triểnn các
con vi
dòng sản phẩm này.
n
Cho đến nay, cácc sản phẩm

m vi điều khhiển PIC củủa Microchiip đã
x đến 12Cxxxx, 17Cxx, 16Fxx, 166Fxxx, 16F
FxxxA, 18F
Fxxx,
gần 100 loại, từ họ 10Fxxx
18LFxxxx.
Tìm hiểu
h
PIC 166F877A

H
Hình
2.15 V
Vi điều khiểển 16f877A
A
Các tíính năng chhính của củaa PIC 16F877A:
 Sử dụnng công ngh
hệ tích hợp RISC CPU
U.
 8K Flaash ROM.
 368 byytes RAM.
 256 byytes EEPRO
OM.
 5 Port (A, B, C, D,
D E) ngõ vàào/ra với tín
n hiệu điều khiển độc lập.
l
 Bộ địnnh thời 8 bitt Timer 0 vàà Timer 2.
 1 bộ địịnh thời 16 bit Timer 1 có thể hoạạt động tronng cả chế độ
ộ tiết kiệm năng

n
lượng (Sleep
(
Mod
de) với nguồồn xung clo
ock ngoài.
15