NHẬN DẠNG VÀ XỬ LÝ ẢNH VẬT THỂ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (15.49 MB, 78 trang )

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NHẬN DẠNG VÀ XỬ LÝ ẢNH VẬT THỂ ỨNG DỤNG TRONG
ĐIỀU KHIỂN

Họ và tên sinh viên:

ĐẶNG MINH CHỨC
PHẠM TRƯỜNG GIANG

Ngành: : CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2007-2011

Tháng 5/2011

NHẬN DẠNG VÀ XỬ LÝ ẢNH VẬT THỂ ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỀU KHIỂN

Tác gia

ĐẶNG MINH CHỨC
PHẠM TRƯỜNG GIANG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành Cơ điện tư

Giáo viên hướng dẫn:
Ths. TRẦN THỊ KIM NGÀ
Ts NGUYỄN VĂN HÙNG

Tháng 5/2011
1

LỜI CẢM ƠN
Em xin gởi đến Thầy Nguyễn Văn Hùng và Cô giáo Trần Thị Kim Ngà lời cam
ơn chân thành. Cam ơn Thầy, Cô đã tận tình hướng dẫn, định hướng, tạo điều kiện
giúp chúng em hoàn thành luận văn này.
Chúng em cũng xin chân thành cam ơn quý Thầy Cô ở khoa Cơ khí Công nghệ
Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức
và định hướng cho em trong suốt khóa học.
Cuối cùng chúng em xin cam ơn gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ chúng
em trong suốt quá trình học tập.
Xin trân trọng.
Đặng Minh Chức
Phạm Trường Giang

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “ nhận dạng và xư lý anh ứng dụng trong điều khiển” được
thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian 3 tháng từ
tháng 3 đến ngày 8 tháng 5 năm 2011.
Đề tài đã thực hiện thành công và đạt được kết qua kha quan như điều khiển
được robot đến vị trí nhận dạng và thực hiện thao tác hái cà chua. Đây được xem là kết
qua chính của đề tài, để thực hiện tốt kết qua này thì chúng tôi cũng phai thực hiện
thành công quá trình xư lý anh nhận dạng vật thể, vị trí vật thể trong không gian 3
chiều bằng Webcame thông qua chương trình Matlab và cam biến SRF10 thông qua vi
điều khiển ATMEGA 16. Để từ đó, chúng tôi lấy tín hiệu điều khiển robot.
Ngoài ra, chúng tôi cũng thiết kế giao diện giao tiếp với người quan sát bằng đồ
thị trong lập trình GUI của Matlab một cách thân thiện ,dễ hiểu và dễ điều khiển.

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................ii
TÓM TẮT...................................................................................................................iii
MỤC LỤC.................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................vii
DANH MỤC VIẾT TẮT..............................................................................................ix
Chương 1

MỞ ĐẦU...............................................................................................1

1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................1
1.2 Mục đích..............................................................................................................2
Chương 2

TỔNG QUAN.......................................................................................3

2.1 Lý thuyết xử lý ảnh.............................................................................................3
2.1.1

Hệ thống xử lý ảnh......................................................................................3

2.1.1.1

Thu nhận anh và số hóa.................................................................................3

2.1.1.2

Phân tích anh.................................................................................................4

2.1.1.3

Hệ quyết định................................................................................................4

2.1.2

Thu nhận anh và lưu trữ anh..........................................................................4

2.1.2.1

Thu nhận anh.................................................................................................4

2.1.2.2

Lưu trữ anh....................................................................................................7

2.1.3

Phân tích anh.................................................................................................8

2.1.3.1

Khái niệm pixel và pixel lân cận...................................................................8

2.1.3.2

Mộtsố không gian màu..................................................................................9

2.1.3.3

Một số công cụ trợ giúp xư lý anh...............................................................13

2.1.3.4

Tiền xư lý anh..............................................................................................15

2.1.3.5

Làm trơn anh...............................................................................................17

2.1.3.6

Biên và các phương pháp phát hiện biên.....................................................20

2.2 Xác định khoảng cách bằng sóng siêu âm.......................................................21
2.2.1

Khái niệm siêu âm.......................................................................................21

2.2.2

Cam biến siêu âm và nguyên tắc TOF.........................................................21

2.2.2.1

Cam biến siêu âm........................................................................................21
3

2.2.2.2

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cam biến siêu âm......................................22

2.2.2.3

Nguyên tắc TOF...........................................................................................24

2.2.2.4

Ưu điểm và nhược điểm cam biến siêu âm..................................................26

2.2.3

Cam biến siêu âm SRF10............................................................................27

2.3 Phần mềm matlab ứng dụng xử lý ảnh............................................................30
2.3.1

Khái niệm MATLAB...................................................................................30

2.3.2

Giao diện trong Matlab................................................................................30

2.3.3

Kha năng và ứng dụng của Matlab..............................................................31

2.3.4

Hệ thống lệnh xư lý anh trong Matlab (Matlab Funtion).............................32

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................34

3.1 Bố trí thực hiện đề tài.......................................................................................34
3.1.1

Thời gian.....................................................................................................34

3.1.2

Địa điểm......................................................................................................34

3.2 Phương tiện nghiên cứu....................................................................................34
3.3 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................35
3.3.1

Phương pháp lý thuyết.................................................................................35

3.3.2

Phương pháp thực nghiệm...........................................................................35

Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................37

4.1 Xây dựng quy trình nhận dạng và xử lý ảnh..................................................37
4.1.1

Quy trình nhận dạng và xư lý anh................................................................37

4.1.2

Quy trình xác định khoang cách sư dụng cam biến siêu âm........................38

4.2 Kết quả nhận dạng và xử lý ảnh......................................................................39
4.2.1

Quá trình nhận dạng và xư lý anh................................................................39

4.2.1.1

Sơ đồ khối xư lý..........................................................................................39

4.2.1.2

Nhận dạng và xư lý anh...............................................................................39

4.2.2

Quá trình nhận tín hiệu cam biến SRF10.....................................................46

4.2.2.1

Sơ đồ xư lý tín hiệu cam biến......................................................................46

4.2.2.2

Kết nối, chuyển đổi và hiển thị....................................................................46

4.2.3

Kết qua chương trình...................................................................................47

4.3 Kết quả chế tạo và điều khiển robot................................................................49
4.3.1

Mô hình chế tạo robot..................................................................................49
4

4.3.2

Kết qua chế tạo............................................................................................49

4.3.3

Điều khiển robot..........................................................................................50

4.3.4

Kết qua khao nghiệm sơ bộ.........................................................................52

4.4 Nhận xét.............................................................................................................54

Chương 5

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.................................................................55

5.1 Kết luận.............................................................................................................. 55
5.2 Đề nghị...............................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................56
PHỤ LỤC................................................................................................................... 57

DANH MỤC HÌNH
HÌNH 2.1 Sơ đồ hệ thống xư lý anh.............................................................................3
HÌNH 2.2 Sensor quét dòng CCD.................................................................................5
HÌNH 2.3 Quy ước tọa độ cho biểu diễn anh................................................................6
HÌNH 2-4 Pixel P và các lân cận của P..........................................................................9
HÌNH 2.5 Mô hình màu RGB.....................................................................................10
HÌNH 2.6 Các màu gốc bù và sự pha trộn giữa chúng................................................10
HÌNH 2.7 Sự biến đổi từ RGB thành CMY................................................................11
HÌNH 2.8 Mô hình màu HSV.....................................................................................12
HÌNH 2.9 Mô hình màu HLS.....................................................................................13
HÌNH 2.10 Một lân cận kích thước 3x3 quanh điểm (x,y)..........................................16
HÌNH 2.11 Các lân cận của p sư dụng để làm nhẵn anh nhị phân...............................19
HÌNH 2.12 Làm trơn hình anh nhị phân....................................................................20
HÌNH 2.13 Vùng hoạt động của cam biến siêu âm( nguồn internet)..........................23
HÌNH 2.14 Khu vực mù của cam biến siêu âm( nguồn internet)................................23
HÌNH 2.15 Thời gian truyền trong nguyên lý TOF.....................................................25
HÌNH 2.16 Tầm quét của cam biến siêu âm...............................................................25
HÌNH 2.17 Cam biến siêu âm SRF10.........................................................................27
HÌNH 2.18 Sơ đồ kết nối SRF10................................................................................28
5

HÌNH 2.19 Giao diện Matlab......................................................................................31
HÌNH 3.1 Sơ đồ phương pháp điều khiển robot.........................................................35
HÌNH 3.2 Phương pháp điều khiển hồi tiếp................................................................36
HÌNH 4.1 Sơ đồ nhận dạng và xư lý anh....................................................................37
HÌNH 4.2 Sơ đồ xác định khoang cách sư dụng cam biến SRF10..............................38
HÌNH 4.3 Sơ đồ mạch vi điều khiển...........................................................................38
HÌNH 4.4 Sơ đồ nhận dạng và xư lý anh ứng dụng điều khiển...................................39
HÌNH 4.5 Hình anh thu nhận từ Webcame.................................................................40
HÌNH 4.6 Sơ đồ nhận dạng và trích đối tượng............................................................40
HÌNH 4.7 Ảnh sau khi chuyển sang anh xám.............................................................41
HÌNH 4.8 Ảnh khi trích xuất gam màu đỏ..................................................................42
HÌNH 4.9 Sơ đồ quá trình xư lý phân tích anh............................................................42
HÌNH 4.10 Ảnh sau khi lọc trung vị...........................................................................43
HÌNH 4.11 Lọc bỏ vùng dưới 300px..........................................................................44
HÌNH 4.12 Ảnh đã được định tâm và đóng khung.....................................................44
HÌNH 4.13 Xác định khoang cáchhiển thị tọa độ tới tâm hình...................................45
HÌNH 4.14 Kết qua hệ quyết định..............................................................................45
HÌNH 4.15 Sơ đồ khối quá trình nhận tín hiệu cam biến SRF10................................46
HÌNH 4.16 Kết qua hiển thị trên màn hình LCD........................................................47
HÌNH 4.17 Kết qua hiển thị tín hiệu cam biến trên Matlab........................................47
HÌNH 4.18 Giao diện hiển thị chương trình xư lý anh................................................48
HÌNH 4.19 Giao diện hiển thị kết qua hệ thống..........................................................48
HÌNH 420 Mô hình robot ứng dụng xư lý anh............................................................49
HÌNH 4.21 Robot ứng dụng xư lý anh........................................................................50
HÌNH 4.22 Giai thuật điều khiển robot........................................................................51
HÌNH 4.23 Biểu đồ khao nghiệm độ phận giai xác định khoang cách........................52
HÌNH 42.4 Biểu đồ thời gian đáp ứng.........................................................................53

DANH MỤC VIẾT TẮT

6

CCD

Charge Coupled Device

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

GIF

Graphics Interchange Format

P

Pixel

CMY

Cyan, Magenta, Yellow

TOF

Time Of Flight

RLE

Run-Length-Encoded

RGB

Red, Green, Bule

HSL

Hue, Saturation, Lightness

LED

Light Emitting Diode

7

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề.
Trong mấy thập kỷ gần đây, xư lý anh đã được nghiên cứu mạnh mẽ và đã có
rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Như trong y học, xư lý anh số đã được dùng để phát
hiện và nhận dạng khối u, cai thiện anh X quang, nhận dạng đường biên mạch máu từ
những anh chụp mạch bằng tia X. Trong cuộc sống gia đình, xư lý anh được dùng để
cai thiện anh Ti vi. Trong truyền thông video như hội nghị video, điện thoại video thì
một vấn đề chính là cần có dai tần rộng. Việc mã hóa thẳng các chương trình video
chất lượng quang bá cần đến 100 triệu bit/s. Điều này không thể đáp ứng được. Nhưng
bằng cách mã hóa số và khôi phục anh (là những vấn đề của xư lý anh ) thì việc trên có
thể thực hiện chỉ với băng tần 100 nghìn bit/s. Còn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật,
xư lý anh đã và đang có những đóng góp quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực Robot.
Robot thông minh ngày nay không thể thiếu yếu tố xư lý anh. Đó là các vấn đề nhận

dạng các đối tượng ngoài môi trường. Từ việc nhận dạng có thể giai quyết rất nhiều
bài toán như tránh vật can, dò đường, tìm vật…. Từ những cơ sở đó, việc nghiên cứu
bài toán xư lý anh trong thời đại ngày nay là rất quan trọng và không thể thiếu trong
hầu hết các lĩnh vực.
Ngày nay, lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ phát triển một cách nhanh
chóng và mạnh mẽ, đặc biệt là lĩnh vực Robot thông minh. Xư lý anh là bài toán
không thể thiếu trong Robot nó có thể được xem là con mắt của Robot, nó có thể giúp
Robot quan sát, theo dõi đối tượng, dò đường,tìm vật,. . . điều này rất quan trọng cho
điều khiển Robot. Vì thế, bài toán xư lý anh sẽ giúp cho ta điều khiển Robot một cách
chính xác và dễ dàng hơn.

1

1.2 Mục đích.
Dựa trên những yêu cầu thực tế ngày nay trong lĩnh vực Robot thông
minh.Chúng tôi thực hiện đề tài “nhận dạng và xử lý ảnh vật thể ứng dụng trong
điều khiển” với mục đích nhận dạng vật thể thông qua màu sắc vật và định dạng vị trí
vật thể trong không gian để lấy tín hiệu điều khiển Robot.
Vì thời gian giới hạn cũng như mức độ rộng lớn của đề tài nên chúng tôi chỉ
thực hiện nghiên cứu các vấn đề cơ ban sau:
 Sư dụng Webcame kết hợp phần mềm MATLAB phát hiện đối tượng và định
vị trí đối tượng theo phương x,y trong khung anh.
 Sư dụng cam biến siêu âm SRF10 để xác định khoang cách đối tượng theo
phương z.
 Ứng dụng xư lý anh vào điều khiển ROBOT.

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Lý thuyết xử lý ảnh.

2.1.1 Hệ thống xử lý ảnh.
Một hệ thống xư lý anh điển hình thường bao gồm những thành phần sau:

2

Lưu trữ

Thiết bị thu
nhận ảnh
(camera,
sensor)

Thu nhận
ảnh

Lưu trữ

Số hóa

Nhận
dạng

Phân
tích
ảnh

Hệ quyết
định
HÌNH 2.1 Sơ đồ hệ thống xư lý anh.

Từ hình vẽ 2-1 ta thấy một hệ thống xư lý anh bao gồm: thu nhận anh, số hóa
anh, phân tích anh và cuối cùng là quyết định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụthể
mà đưa ra quyết định cho phù hợp).
2.1.1.1 Thu nhận anh và số hóa.
Việc thu nhận anh có thể thông qua camera. Các camera có thể hoặc là tương tự
(loại camera ống kiểu CCIR) hoặc là số (loại camera kiểu CCD_ Charge Coupled
Device). Ảnh cũng có thể được thu qua các thiết bị khác như máy quét v..v .Nếu anh
nhận được là tương tự nó phai được số hóa nhờ quá trình lấy mẫu và lượng tư hóa
trước khi phân tích, xư lý hay lưu trữ anh.
2.1.1.2 Phân tích anh.
Ở giai đoạn này anh được xư lý theo nhiều công đoạn nhỏ như: cai thiện anh,
khôi phục anh để làm nổi bật một số đặc tính chính của anh hay làm anh gần với trạng
thái gốc. Tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên, phân vùng, định vị trí tọa độ anh
trong không gian anh.
2.1.1.3 Hệ quyết định.
Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng hay các
quyết định khác. Ở đây, hệ thống xư lý anh đưa ra quyết định chọn đối tượng cần làm
việc trong không gian anh, sau đó lấy dữ liệu và làm việc với đối tượng đó
3

2.1.2 Thu nhận anh và lưu trữ anh.
2.1.2.1 Thu nhận anh.
Ảnh có thể được thu nhận qua camera ở dạng tín hiệu tương tự (loại camera ống
chuẩn CCIR) với tần số 1/25, mỗi anh 625 dòng hoặc ở dạng tín hiệu số (loại CCD) là
loại photodiode tạo ra cường độ ánh sáng tại mỗi điểm anh. Mặt khác, anh cũng có thể
tiếp nhận từ vệ tinh qua các bộ cam ứng (sensor), có thể quét anh từ anh chụp bằng
máy tính quét anh ( scaner).
Cấu tạo Camera (Webcame).
Webcame ( Web camera) được hiểu như một thiết bị thu nhận anh dưới dạng tín

hiệu số cấu tạo chung như sau:
-

Ống kính(Lens): thường làm bằng vật liệu dẻo, có thể điều chỉnh tiêu cự

của camera bằng cách xoay ống kính.
-

Cam biến hình anh (Image Sensor): có thể là CCD( Charge-Coupled

Device)hay là CMOS( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
-

Một số thiết bị khác.

Cam biến hình anh là thiết bị có kha năng chụp và số hóa hình anh dựa trên
nguyên lý tích điện dưới tác dụng của ánh sáng ( hình anh ) thu nhận được sau đó được
số hóa thông qua tín hiệu điện đã được chuyển đổi. Trên nguyên tắc làm việc chung
đó, cam biến hình anh được chia làm hai loại: CCD và CMOS. Tuy nhiên hai cam biến
này được chế tạo theo hai kỹ thuật hoàn toàn khác nhau.
Trong thực tế hiện nay, không ít người trong chúng ta nghĩ rằng camera CCD có
công nghệ tiên tiến hơn camera CMOS. Thực chất, điều này không hẳn đúng bởi vì
mỗi công nghệ đều có ưu nhược điểm, thế mạnh riêng tùy theo nhu cầu và ứng dụng.
 Cam biến CCD:
Thành phần cơ ban của Sensor CCD quét dòng là một hàng phân tư anh silic
gọi là photosites. Các photo hình anh cho qua một cấu trúc cổng đa tinh thể trong suốt
và được hấp thụ trong tinh thể silic, do đó tạo nên một cặp lỗ electron. Các quang điện
tư tạo ra được tập hợp vào các photosite, lượng điện tích được tập hợp trong mỗi
4

photosite tỷ lệ với cường độ chiếu sáng tại điểm đó. Một sensor quét dòng điển hình
gồm một hàng các phân tư anh photosite, hai cổng truyền được sư dụng để chốt lại nội
dung của các phần tư hình anh vào các thanh ghi vận chuyển và một cổng nối ra được
sư dụng để chốt nội dung của các thanh ghi vận chuyển vào bộ khuyếch đại, lối ra của
bộ khuyếch đại này là một tín hiệu điện áp tỷ lệ với các nội dung của hàng photosites.

HÌNH 2.2 Sensor quét dòng CCD
Các mang khối ghép diện tích giống các sensor quét dòng, ngoại trừ các
photosite được sắp xếp theo dạng ma trận và có một tổ hợp thanh ghi vận chuyển cổng
giữa các cột photosite như trong hình 2-2.Nội dung của các photosite lẻ được chốt
lầnlượt vào các thanh ghi vận chuyển dọc và sau đó lại được chốt vào các thanh ghivận
chuyển ngang. Nội dung của các thanh ghi vận chuyển ngang này được dẫn vào bộ
khuyếch đại, lối ra của bộkhuyếch đại là một dòng lẻ hình anh. Thực hiện tương tự với
các photosite chẵn để hoàn thành trường thứ hai của khung.Cơcấu quét này được lặp
lại 30 lần mỗi giây.
Các camera quét dòng chỉ cho ra một dòng hình anh của hình anh lối vào.
Những thiết bị này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng mà các đối tượng chuyển động
qua sensor (như trong các băng truyền). Sự chuyển động của một đối tượng theo
hướng vuông góc với sensor tạo ra hình anh hai chiều. Các sensor quét dòng có độ
5

phân giai thấp 32x3, trung bình 256x256 và cao 480 phân tư anh và các sensor thí
nghiệm CCD có kha năng đạt được độ phân giai khoang 1024x1024 hay cao hơn.
Ở đây, ta ký hiệu anh lối ra hai chiều của camera hay thiết bị cho anh khác là
f(x,y) trong đó x, y biểu thị toạ độ không gian (ví dụ mặt phẳng anh) và giá trị f tại
điểm (x,y) bất kỳ tỷ lệ với toạ độ (cường độ sáng) của hình anh tại điểm đó. Hình minh
hoạ một điểm anh và quy ước toạ độ của nó.

HÌNH 2.3 Quy ước tọa độ cho biểu diễn anh
Để máy tính có thể xư lý, hàm anh (x,y) phai được số hoá ca về không gian lẫn
biên độ (cường độ). Việc số hoá các toạ độ không gian (x,y) được coi như là việc lấy
mẫu hình anh, trong khi đó việc số hoá biên độ được coi là lượng tư hoá cường độ cho
những hình anh đơn sắc và phan anh ban chất của các anh này là biến thiên từ đen tới
trắng theo các mức xám khác nhau. Hai thuật ngữ cường độ sáng và mức xám có thể
dung hoán chuyển cho nhau.
Gia sư một hình anh liên tục được lấy mẫu đồng nhất cho một mang N hàng và
M cột, ở đây mỗi mẫu cũng được lượng tư hoá về biên độ. Mang này được gọi là anh
số, có thể được viết như sau:
[f(0,0)f(0,1)………………………f(0,M-1)]
F(x,y) =

f(1,0)f(1,1)……………………….f(1,M-1)
…………………………………
6

f(N-1,0)f(N-1,1)………………f(N-1,M-1)
Ở đây các biến rời rạc:x=0, 1, 2 …, N-1 và y= 0, 1, 2, …, M-1
Mỗi phần tư trong mang được gọi là một phần tư anh hay pixel. Từ mang ta
thấy pixel tại gốc của anh được biểu thị là f(0,0), pixel bên phai là f(0,1), v.v. Thông
thường N, M và số mức cường độ rời rạc của mỗi pixel đã lượng tư hoá là luỹ thừa
nguyên của 2.
Cam biến CMOS:cũng giống như cam biến CCD, CMOS cũng hấp thụ



ánh sáng thông qua mang diode quang. Tuy nhiên,bên trong mỗi pixel diode này được
tích hợp một mạch khuếch đại, lọc nhiễu,và mạch số hóa để có thể tự động dò tìm

photon ánh sáng hấp thụ đượcchuyển đổi thành điện áp và trực tiếp truyền tín hiệu đến
ngõ ra. Vì thế tín hiệu điện ở ngõ ra là tín hiệu ở dạng số.
2.1.2.2 Lưu trữ anh.
Ảnh trên máy tính là kết qua thu nhận theo các phương pháp số hoá được nhúng
trong các thiết bịkỹ thuật khác nhau.Quá trình lưu trữ anh nhằm 2 mục đích:
• Tiết kiệm bộ nhớ.
• Giam thời gian xư lý.
Việc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ có anh hưởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn
và xư lý anh được xem như là 1 tập hợp các điểm với cùng kích thước nếu sư dụng
càng nhiều điểm anh thì bức anh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết
của anh, người ta gọi đặc điểm này là độ phân giai.
Để lưu trữ anh trên máy tính, một số định dạng anh sau như IMG, PCX, TIFF,
GIF.


Định dạng anh IMG dùng cho anh đen trắng. Phần đầu của anh IMG có

16 byte chứa các thông tin:
-

6 byte đầu: dùng để đánh dấu định dạng anh IMG.

-

2 byte tiếp theo: chứa độ dài mẫu tin. Đó là độ dài của dãy các byte kề

liền nhau mà dãy này sẽ được lặp lại một số lần nào đó. Số lần lặp lại này sẽ được lưu
7

trong byte đếm. Nhiều dãy giống nhau được lưu trong một byte. Đây là một cách lưu
trữ hình anh dưới dạng nén.
-

4 byte tiếp theo: mô ta kích cỡ pixel .

-

2 byte tiếp theo: cho biết số pixel trên một dòng anh .

-

2 byte cuối: cho biết số dòng anh trong anh.



Định dạng anh PCX là một trong những định dạng anh cổ điển nhất.

Định dạng này sư dụng phương pháp mã loại dài RLE (Run-Length-Encoded) để nén
dữ liệu anh. Quá trình nén và giai nén được thực hiện trên từng dòng anh. Tệp PCX
gồm 3 phần :đầu tệp(header), dữ liệu anh (image data), và bang màu mở rộng.


Định dạng anh TIFF được thiết kế để làm nhẹ bớt các vấn đề liên quan

đến việc mở rộng tệp anh cố định. Định dạng này cũng gồm 3 phần: IFH, IFD, DE.


Định dạng anh GIF (Graphics Interchange Format). Định dạng này được

đưa ra để khắc phục những vấn đề mà các định dạng anh khác gặp phai khi số màu
trong anh tăng lên.
2.1.3 Phân tích anh.
2.1.3.1 Khái niệm pixel và pixel lân cận.
Pixel là phân tư nhỏ nhất cấu tạo nên hình anh. Mỗi pixel có một toạ độ (x,y) và
màu xác định.
P1

P2

P3

(x-1, y-1)

(x-1, y)

(x-1, y+1)

P4

P

P5

(x, y-1)

(x, y)

(x, y+1)

P6

P7

P8

(x+1, y-1)

(x+1, y)

(x+1, y+1)

HÌNH 2-4 Pixel P và các lân cận của P

8

Một pixel P tại các toạ độ (x, y) có ô pixel lân cận theo chiều dọc và chiều
ngang, và toạ độ tương ứng của các pixel này, như hình trên là:
P2(x-1, y)

P7(x+1, y)

P6(x+1, y-1) .

P5(x, y+1)

Tập các pixel này gọi là lân cận của P và ký hiệu là N4(p). Mỗi pixel lân cận
cách (x, y) một đơn vị và nếu (x, y) ở mép của màn hình thì sẽ có một số pixel lân cận
của p nằm ở ngoài hình anh. Ngoài 4 pixel lân cận của P theo chiều dọc và chiều

ngang, xung quanh P còn có 4 pixel chéo góc có các toạ độ tương ứng là:
P1(x-1, y-1)

P3(x-1, y+1)

P6(x+1, y-1)

P8(x+1, y+1)

Tập các pixel này được ký hiệu là ND(p).Bốn pixel này cùng với 4 pixel ởtrên
tạo thành 8 pixel lân cận của p và được ký hiệu là N8 (p).Tập hợp này cũng sẽ có một
số pixel ở bên ngoài hình anh nếu (x, y) nằm ở mép của hình anh.
2.1.3.2 Mộtsố không gian màu.
 Không gian màu RGB (Red, Green, Bule).
Màu đỏ, lục – xanh lá cây, lam – xanh da trời (RGB) được sư dụng phổ biến
nhất.Những màu gốc RGB được thêm vào những màu gốc khác điều đó tạo nên sự
đóng góp riêng của từng màu gốc được thêm cùng nhau để mang lại kết qua. Tập hợp
màu nhỏ thành phần sắp xếp theo khối lập phương đơn vị. Đường chéo chính của khối
lập phương với sự cân bằng về số lượng từng màu gốc tương ứng với các mức độ xám
với đen là (0,0,0) và trắng (1,1,1).

9

Blue(0,255)
(0, 0, 1)

(0,0,0)
(0,1,0) green

(1,0,0)
Red

HÌNH 2.5 Mô hình màu RGB
 Mô hình màu CMY (Cyan, Magenta, Yellow)
Là phần bù tương ứng cho các màu đỏ, lục, lam và cũng được sư dụng như
những bộ lọc loại trừ các màu này từ ánh sáng trắng. Vì vậy CMY còn được gọi là các
phần bù loại trừ của màu gốc. Tập hợp màu thành phần biểu diễn trong hệ tọa độ Đềcác cho mô hình màu CMY cũng giống như cho mô hình màu RGB ngoại trừ màu
trắng (ánh sáng trắng), được thay thế màu đen (không có ánh sáng) ở tại nguồn sáng.
Các màu thường được tạo thành bằng cách loại bỏ hoặc được bù từ ánh sáng trắng hơn
là được thêm vào những màu tối.
Green

Yellow

Cyan

Red

Black

Blue

Magenta

HÌNH 2.6 Các màu gốc bù và sự pha trộn giữa chúng

10

Khi bề mặt được bao phủ bởi lớp mực màu xanh tím, sẽ không có tia màu đỏ
phan chiếu từ bề mặt đó. Màu xanh tím đã loại bỏ phần màu đỏ phan xạ khi có tia sáng
trắng, mà ban chất là tổng của 3 màu đỏ, lục, lam. Vì thế ta có thể coi màu Cyan là
màu trắng trừ đi màu đỏ và đó cũng là màu lam cộng màu lục. Tương tự như vậy ta có
màu đỏ thẫm (Magenta) hấp thụ màu lục, vì thế nó tương đương với màu đỏ cộng màu
lam. Và cuối cùng màu vàng (Yellow) hấp thụ màu lam, nó sẽ bằng màu đỏ cộng với
lục.
Khi bề mặt của thực thể được bao phủ bởi xanh tím và vàng, chúng sẽ hấp thụ
hết các phần màu đỏ và xanh lam của bề mặt. Khi đó chỉ tồn tại duy nhất màu lục bị
phan xạ từ sự chiếu sáng của ánh sáng trắng. Trong trường hợp khi bề mặt được bao
phủ bởi ca 3 màu xanh tím, vàng, đỏ thẫm, hiện tượng hấp thụ xay ra trên ca 3 màu đỏ,
lục và lam. Do đó, màu đen sẽ là màu của bề mặt. Những mối liên hệ này có thể được
miêu ta bởi:

HÌNH 2.7 Sự biến đổi từ RGB thành CMY
 Mô hình màu HSV (Hue, Saturation, Value).
Các mô hình màu RGB, CMY được định hướng cho phần cứng trái ngược với
mô hình màu HSV của Smith hay còn được gọi là mẫu HSB với B là Brightness (độ
sáng), được định hướng người sư dụng dựa trên cơ sở nền tang về trực giác về tông
màu, sắc độ và sắc thái mỹ thuật.
Hệ thống tọa độ có dạng hình trụ và tập màu thành phần của không gian bên
trong mô hình màu được xác định là hình nón hoặc hình chóp sáu cạnh như trong hình.
Đỉnh hình chóp là sáu cạnh khi V= 1 chứa đựng mối quan hệ giữa các màu sáng và
những màu trên mặt phẳng với V= 1 đều có màu sáng.

11

HÌNH 2.8 Mô hình màu HSV
Sắc màu (Hue) hoặc H được đo bởi góc quanh trục đứng với màu đỏ là 0 o, màu

lục là 120o, màu lam là 240o (xem hình). Các màu bổ sung trong hình chóp HSV ở
180o đối diện với màu khác. Giá trị của S là một tập các giá trị đi từ 0 trên đường trục
tâm (trục V) đến 1 trên các mặt bên tại đỉnh của hình chóp sáu cạnh. Sự bão hòa được
đo tương đối cho gam màu tương ứng với mô hình màu này.
Mô hình màu dạng hình chóp sáu cạnh này đường cao V với đỉnh là điểm gốc tọa
độ (0,0). Điểm ở đỉnh là màu đen có giá trị tọa độ màu V= 0, tại các điểm này giá trị
của H và S là không liên quan với nhau. Khi điểm có S= 0 và V= 1 là điểm màu trắng,
những giá trị trung gian của V đối với S= 0 (trên đường thẳng qua tâm) là các màu
xám. Khi S= 0 giá trị của H phụ thuộc được gọi bởi các quy ước không xác định,
ngược lại khi S khác 0 giá trị của H sẽ là phụ thuộc.
Như vậy một màu nào đó V= 1, S= 1 là giốg như màu thuần khiết trong mỹ
thuật được sư dụng như điểm khởi đầu trong các màu pha trên. Thêm màu trắng phù
hợp để giam S (không có sự thay đổi V) tạo nên sự thay đổi sắc thái của gam màu. Sự
chuyển màu được tạo ra bởi việc giữ S= 1 và giam V tạo nên sự thay đổi về sắc độ và
tông màu tạo thành bởi việc thay đổi ca hai S và V.
 Mô hình màu HLS
Mô hình màu HLS được xác định bởi tập hợp hình chóp sáu cạnh đôi của không
gian hình trụ.Sắc màu là góc quanh trục đứng cau hình chóp sáu cạnh đôi với màu đỏ
tại góc 0o. Các màu sẽ xác định theo thứ tự giống như trong biểu đồ CIE khi ranh giới
12

của nó bị xoay ngược chiều kim đồng hồ: Màu đỏ, màu vàng, màu lục, màu xanh tím,
màu lam và đỏ thẫm. Điều này cũng giống như thứ tự sắc xếp trong mẫu hình chóp sáu
cạnh đơn HSV.

HÌNH 2.9 Mô hình màu HLS
Chúng ta có thể xem mẫu HLS như một sự biến dạng cầu mẫu HSV mà trong
đó mẫu này màu trắng được kéo hướng lên hình chóp sáu cạnh phía trên từ mặt V= 1.
Như với mẫu hình chóp sáu cạnh đơn, phần bổ sung của một màu sắc được đặt ở vị trí

180o hơn là xunh quanh hình chóp sáu cạnh đôi, sự bão hòa được đo xung quanh trục
đứng, từ 0 trên trục tới 1 trên bề mặt. Độ sáng bằng không cho màu đen và bằng một
cho màu trắng.
2.1.3.3 Một số công cụ trợ giúp xư lý anh.
 Kỹ thuật lọc số.
Chất lượng hình anh kém do rất nhiều nguyên nhân như do nhiễm điện tư của
máy thu hay chất lượng bộ số hóa kém. Nhiễu anh số được xem như là sự dịch chuyển
nhanh của tín hiệu thu nhận trên một khoang cách ngắn. Về mặt tần số, nhiễu ứng với
các thành phần tần số cao trong anh.Như vậy, để xư lý nhiễu ta có thể lọc các thành
phần tần số cao. Việc lọc dựa vào tính 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 anh gốc. Tùy theo cách tổ hợp điểm đang xét với các điểm lân cận mà ta
có kỹ thuật lọc tuyến tính hay kỹ thuật lọc phi tuyến. Điểm anhchịu tác động của biến
13

đổi là điểm ở tâm của mặt nạ. Các kỹ thuật lọc này được trình bày kỹ trong phần làm
trơn anh.
 Biến đổi Fourier.
 Khái niệm và công thức.
Biến đổi Fourier cho một tín hiệu có thể biểu diễn như sau:

Biến đổi Fourier thuận cho tín hiệu một chiều gồm một cặp biến đổi :
-Biến đổi Fourier thuận: chuyển sự biểu diễn từ không gian thực sang không
gian tần số (phổ và pha) .Các thành phần tần số n ày đ ược 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.
 Không gian một chiều.
Cho một hàm f(x) liên tục. Biến đổi Fourier của f(x), ký hiệu F(u) , u biểu diễn

tần số không gian, được định nghĩa là:

F(u) =
Trong đó:
f(x) : biểu diễn biên độ tín hiệu.
: biểu diễn pha.
Biến đổi Fourier ngược của F(u) cho f(x) được định nghĩa như sau:
14

 Không gian hai chiều.
Cho f(x,y) là hàm biểu diễn anh liên tục trong không gian hai chiều, cặp biến
đổi Fourier được định nghĩa như sau:
-Biến đổi Fourier thuận:

u,v biểu diễn tần số không gian
-Biến đổi Fourier ngược

2.1.3.4 Tiền xư lý anh.
 Phương pháp tiền xư lý trong miền không gian.
Thuật ngữ miền không gian ở đây muốn nói đến số lượng pixel tạo nên một
hình anh.Các phương pháp tiền xư lý trong miền không gian là các thủ tục tác động
trực tiếp lên các pixel tạo lên hình anh đó. Các hàm tiền xư lý trong miền không gian
được viết như sau:
g(x,y) =h[f(x.y)]
Ở đây f(x,y) là hàm điểm anh chưa được xư lý.
g(x,y) là hàm điểm anh đã được xư lý.
Trong đó,h là toán tư áp lên f. Dạng đơn gian nhất của h là lân cận có kích
thước1x1, khi đó g chỉ phụ thuộc vào giá trị của f tại (x,y) và h trở thành hàm ánh xạ
cường độ sáng điểm anh.

Một trong những kỹ thuật được sư dụng rộng rãi nhất là sư dụng mặt nạ nhân
chập. Trên hình minh hoạ một mặt nạ là một mang 2 chiều có kích thước 3x3, các hệ
số của mặt nạ được chọn để phát hiện một thuộc tính cho trước trong một hình anh.

15

HÌNH 2.10 Một lân cận kích thước 3x3 quanh điểm (x,y)
 Phương pháp tiền xư lý trong miền tần số.
Thuật ngữ miền tần số ở đây có nghĩa là tổng số pixel phức được tạo ra từ việc
lấy biến đổi Fourier hình anh .Khái niệm “tần số” thường được sư dụng trong giai
thích biến đổi Fourier và suy ra từ ban chất của biến đổi Fourier là tổ hợp của các hàm
sin phức.Phương pháp naỳ đóng vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực như phân tích
chuyển động của một vật và miêu ta vật.
Xét các hàm rời rạc của một biến, f(x), x=0, 1, …., N-1. Biến đổi Fourier thuận
của hàm f(x) là:

với u = 0, 1, 2,…..N-1. Trong phương trình này j=và u gọi là biến tần số. Biến
đổi Fourier ngược cho lại f(x) được định nghĩa như sau:

Nếu tính trực tiếp từ các phương trình trên với u=x=0,1, 2, ...N-1 thì phai thực
hiện khoang N2 phép cộng và phép nhân. Sư dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh
cho phép giam đáng kể số lượng phép tính xuống còn N.log 2 N phép tính, ở đây N
được gia sư là một số nguyên mũ 2.
Cặp biến đổi Fourier hai chiều của hình anh NxN được định nghĩa như sau:

Với u,v=0,1,2..., N-1 và

16

Với x,y=0, 1, 2,...N-1.
Bằng cách coi biên của vật như mang một chiều các điểm, sau đó tính biến đổi
Fourier các phần tư của mang đó, từ các giá trị F(u) thu được có thể biết được dạng
biên của vật. Biến đổi Fourier một chiều cũng là một công cụ rất mạnh trong việc phát
hiện chuyển động của vật.Tuy vẫn còn hạn chế về mặt tính toán nhưng biến đổi
Fourier rời rạc có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực tái tạo anh, cai thiện anh và
khôi phục anh. Đối với biến đổi Fourier liên tục, hai chiều, việc tính toán có thể đạt tới
tốc độ ánh sáng nhờ sư dụng các thiết bị quang học.
2.1.3.5 Làm trơn anh.
 Lấy trung bình các điểm anh lân cận- Lọc tuyến tính.
Lấy trung bình các điểm anh lân cận là một kỹ thuật miền không gian đơn gian
để làm trơn anh. Cho một hình anh f(x,y), thủ tục sẽ tạo ra một hình anh đã làm trơn
g(x,y), cường độ tại mỗi điểm (x,y) của anh này có được bằng cách lấy trung bình các
giá trị cường độ các điểm anh của f nằm trong một lân cận xác định trước của (x,y).
Nói cách khác, anh đã được làm nhẵn có được bằng cách sư dụng phương trình:

Với mọi x,y nằm trong f(x,y), S là tập hợp tọa độ các điểm trong lân cận (x,y)
gồm ca (x,y) và P là tổng số điểm trong lân cận.
 Phương pháp lọc điểm giữa (lọc trung vị)_ Lọc phi tuyến.
Một trong những khó khăn chủ yếu của phương pháp lấy trung bình các điểm
anh lân cận là nó làm mờ biên của hình anh và các chi tiết sắc nét khác. Sự mờ này có
thể làm giam đáng kể nhờ việc sư dụng bộ lọc điểm giữa ở đây chúng ta sẽ thay cường
độ của mỗi điểm anh bằng độ lớn cường độ của điểm giữa trong một lân cận xác định
trước của điểm anh đó thay vì lấy trung bình các điểm anh.
Để thực hiện lọc điểm giữa trong một lân cận của một điểm anh, trước tiên phai
sắp xếp các giá trị của pixel và các lân cận của nó, xác định điểm giữa và gán giá trị
này cho pixel.Thực chất của việc lọc điểm giữa là ép các điểm có cường độ khác biệt

17

NHẬN DẠNG VÀ XỬ LÝ ẢNH VẬT THỂ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về