Xây dựng hệ giám sát điều khiển vi kẹp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Thắng

Xây dựng hệ giám sát, điều khiển vi kẹp

Luận văn ThS Kỹ thuật điện tử (60 52 70)

Hà Nội - 2008


Lời cảm ơn
Để hồn thành được khóa học cũng như đề tài luận văn thạc sỹ tôi đã được sự
định hướng chỉ bảo tận tình của các thầy cơ trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội và sự ủng hộ về tinh thần và vật chất của gia đình và bạn bè.
Để bày tỏ được lịng biết ơn của mình. Trước tiên tơi xin gửi tới PGS TS. Trần
Quang Vinh lời cảm ơn sâu sắc và chân thành. PGS là một người thầy đã giảng dạy
và định hướng cho tôi trong suốt thời gian học đại học, hoàn thành luận văn đại học
và hoàn thành cả khóa học sau đại học. Đặc biệt là trong quá trình nghiên cứu làm đề
tài luận văn thạc sỹ, thầy luôn luôn nhắc nhở động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất. Và nhờ có sự giúp đỡ tận tình của thầy mà tơi có thể vượt qua những hồn cảnh
khó khăn nhất để hồn thành bản luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn TS. Chử Đức Trình, người đã rất nhiệt tình giúp
đỡ tơi trong định hướng công việc, kiểm tra kết quả thực nghiệm và đóng góp ý kiến.
Với những ý kiến đóng góp rất q báu đó tơi đã rút ra cho mình rất nhiều kinh
nghiệm trong công việc.
Tôi xin cảm ơn các anh chị ở Viện quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) đã hết
sức tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được sử dụng hệ thống kính hiển vi tại Viện nhằm
giúp tơi hồn thành tốt phần thực nghiệm.

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong bản luận văn này là do tơi
tìm hiểu từ các tài liệu tham khảo, không sao chép từ bất kỳ bản luận văn nào khác.
Phần thực nghiệm là do chính tơi xây dựng và được kiểm nghiệm tại phòng sạch
của viện ITIMS. Nếu phát hiện bất cứ đoạn văn, đoạn mã nào trùng lặp với các kết
quả của các bản luận văn trước đó tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm.
Người cam đoan

Nguyễn Văn Thắng


Mục lục
Trang
Mục lục ...................................................................................................................... 1
Danh mục các thuật ngữ ............................................................................................. 4
Danh sách hình vẽ dùng trong luận văn ...................................................................... 5
Chương 1 ................................................................................................................... 8
GIỚI THIỆU VỀ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VI KẸP ................................... 8
1.1 Sự hình thành bài tốn .......................................................................................... 8
1.2 Cách giải quyết ..................................................................................................... 8
1.3. Sơ lược về vi kẹp ................................................................................................. 9
1.3.1 Giới thiệu....................................................................................................... 9
1.3.2 Chế tạo .......................................................................................................... 9
1.3.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon ..................................................... 10
1.3.4 Thông số kỹ thuật của vi kẹp có gắn cảm biến ............................................. 11
Chương 2 ................................................................................................................. 15
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH .............................................................................. 15
2.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh ................................................................ 15
2.1.1. Các quá trình trong xử lý ảnh ...................................................................... 15

2.1.1.1. Thu nhận ảnh ....................................................................................... 16
2.1.1.2. Phân tích ảnh ....................................................................................... 17
2.1.1.3. Nhận dạng ảnh ..................................................................................... 17
2.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh .............................................................. 17
2.1.2.1. Một số khái niệm ................................................................................. 17
2.1.2.2. Biểu diễn ảnh ....................................................................................... 18
2.1.2.3. Biến đổi ảnh ......................................................................................... 19
2.1.2.4. Biểu diễn màu ...................................................................................... 19
2.1.2.5. Tổng hợp màu và sánh màu.................................................................. 21
2.1.2.6. Hệ toạ độ màu ...................................................................................... 21
2.2. Một số phương pháp biểu diễn ảnh .................................................................... 22
2.2.1. Mã loạt dài.................................................................................................. 23
2.2.2. Mã xích....................................................................................................... 23
2.2.3. Mã tứ phân.................................................................................................. 24
2.3. Một số lý thuyết xử lý và nhận dạng .................................................................. 24
2.3.1. Lý thuyết xử lý ảnh 2D ............................................................................... 24


2

2.3.1.1. Khảo sát trực tiếp trong miền không gian điểm ảnh: .................................................
2.3.1.2. Thực hiện phép biến đổi không gian: ................................................... 28
2.3.2. Nâng cao chất lượng ảnh............................................................................. 28
2.3.2.1. Khôi phục ảnh ...................................................................................... 28
2.3.2.2. Tăng cường ảnh ................................................................................... 32
2.3.3. Phân đoạn ảnh và tìm biên ảnh .................................................................... 36
2.3.3.1. Khái niệm biên ảnh và phương pháp xác định biên .............................. 36
2.3.3.2. Kỹ thuật phân đoạn ảnh........................................................................ 36
Chương 3 ................................................................................................................. 38
CÁC CÔNG CỤ XỬ LÝ ẢNH CỦA MATLAB ...................................................... 38

3.1. Công cụ thu nhận ảnh ........................................................................................ 38
3.1.1. Cơng cụ thu nhận ảnh là gì? ........................................................................ 38
3.1.2. Các bước cơ bản để thu nhận ảnh (Image Acquisition Toolbox) ................. 39
3.2. Công cụ xử lý ảnh.............................................................................................. 49
3.2.1. Cơng cụ xử lý ảnh là gì? ............................................................................. 49
3.2.2. Ảnh trong Matlab và công cụ xử lý ảnh ...................................................... 49
3.2.3. Các loại ảnh trong công cụ xử lý ảnh của Matlab ........................................ 50
3.2.3.1. Ảnh nhị phân ....................................................................................... 50
3.2.3.2. Ảnh chỉ số (Indexed) ............................................................................ 50
3.2.3.3. Ảnh cường độ (Intensity) ..................................................................... 51
3.2.3.4. Ảnh màu thực(Truecolor) ..................................................................... 52
3.2.4. Biến đổi không gian màu ............................................................................ 52
3.2.4.1. Biến đổi ảnh sang lớp single ................................................................ 52
3.2.4.2. Biến đổi ảnh sang lớp các số nguyên không dấu 8 bit ........................... 53
3.2.4.2. Biến đổi ảnh sang lớp các số nguyên không dấu 16 bit ......................... 54
3.2.5. Đọc và ghi dữ liệu ảnh ................................................................................ 55
3.2.5.1. Đọc dữ liệu ảnh từ tệp .......................................................................... 55
3.2.5.2. Ghi dữ liệu ảnh vào tệp ........................................................................ 56
3.2.6. Hiển thị và khám phá ảnh ........................................................................... 57
3.2.6.1. Hiển thị ảnh ......................................................................................... 57
3.2.6.2. Khám phá ảnh ...................................................................................... 58
3.2.7.Tính tốn ảnh ............................................................................................... 58
3.2.7.1. Các quy tắc làm trịn trong tính tốn..................................................... 58
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


3

3.2.7.2. Kết hợp các lời gọi các hàm tính tốn ảnh ...............................................................
Chương 4 ................................................................................................................. 60
THỰC NGHIỆM ...................................................................................................... 60
4.1. Các phương pháp đo đạc, xử lý số liệu trong thực nghiệm ................................. 60
4.1.1. Khảo sát chuyển động của vi kẹp ................................................................ 61
4.1.1.1. Các thuật tốn để tìm L ........................................................................ 62
4.1.1.2. Kết quả mơ phỏng các thuật tốn ......................................................... 66
4.2. Kết quả thực nghiệm.......................................................................................... 68
4.2.1. Hoạt động của hệ thống thực nghiệm .......................................................... 68
4.2.2.1. Giao diện của chương trình .................................................................. 68
4.2.2.2. Cấu hình cho cổng Com ....................................................................... 69
4.2.2.3. Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh ....................................................... 70
4.2.3. Giao tiếp giữa chương trình và mạch điều khiển vi kẹp ............................... 74
4.2.4. Kết quả của chương trình điều khiển vi kẹp ................................................ 75
4.2.4.1. Điều khiển tay kẹp tự động .................................................................. 76
4.2.4.2. Điều khiển tay kẹp bằng tay ................................................................. 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 80
Phụ lục ..................................................................................................................... 81
1. Mã chương trình cho giao diện cấu hình cho cổng COM ...................................... 81
2. Mã chương trình cho giao diện thiết lập cấu hình cho thiết bị thu ảnh................... 82
3. Mã chương trình cho giao diện đìều khiển vi kẹp ................................................. 84

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


4

Danh mục các thuật ngữ

Từ viết tắt

Tên tiếng anh

Nghĩa

AD

Analog to Digital

Biến đổi tương tự ra số

B/W

Black & White

Ảnh đen trắng

CCD

Charge Coupled Device

CIE

Commision Internationale d'Eclairage

Tổ chức quốc tế về chuẩn hoá màu

DFT

Discrete Fourier Tranform

Biến đổi Fourier rời rạc

dpi

dot per inch

Số điểm ảnh trên một inch

FFT

Fast Fourier Tranform

Biến đối fourier nhanh

IC

Itegrated Circuit

Mạch tích hợp

KL

Karhumen Loeve

Biến đổi KL

MEMS

Micro Electro Mechanical System

Vi cơ điện tử

Pixel

Picture element

Điểm ảnh

RGB

Red – Green - Blue

Ba màu cơ bản đỏ - xanh - lơ

RLC

Run - Length Code

Mã đoạn dài

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


5

Danh sách hình vẽ dùng trong luận văn

Hinh 1.1 Sơ đồ khối của hệ giám sát và điều khiển vi kẹp .......................................... 8
Hinh 1.2: Vi kẹp có gắn cảm biến [3] ....................................................................... 10
Hinh 1.3: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay của vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu
hình học và các thơng số[3] ...................................................................................... 11
Hinh 1.4: Hoạt động của thiết bị:(a) vị trí ban đầu miệng của vi kẹp có gắn cảm biến;
(b) khi có áp đặt một điện thế 5 V tới cả những cánh tay; ......................................... 11
(c) trước khi kẹp vật; (d) khi kẹp vật (dây kim loại ). ................................................ 11
Hinh 1.5: Sự dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp
cung cấp. Đo được độ dịch chuyển tối đa là 32 µm tại 4.5 V .................................... 12
Hinh 1.6: Sự dịch chuyển của miệng vi kẹp tương ứng với công suất tiêu thụ .......... 12
Hinh 1.7:Biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp ứng
dụng. ........................................................................................................................ 13
Hinh 1.8: Đầu ra của cảm biến lực tương ứng với độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có
gắn cảm biến. ........................................................................................................... 13
Hinh 1.9: Biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và những vật được giữ
tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng. .................................................................... 14
Hình 2.1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh .......................................................... 15
Hình 2.2: Các đường cong cảm nhận S1, S2 và S3 ................................................... 20
Hình 2.4. Hệ tọa độ ba màu RGB ............................................................................. 22
Hình 2.5 Ảnh nhị phân và các biểu diễn mã loạt dài tương ứng. ............................... 23
Hình 2.6. Hướng các điểm biên và mã tương ứng. .................................................... 24
A 111 110 000 001 000 110 101 100 011 100 010 001 ............................................ 24
Hình 3.1. Các thành phần của cơng cụ xử lý ảnh. ..................................................... 39
Hình 3.2. Cửa sổ preview – xem dịng dữ liệu đầu vào ............................................. 44
Hình 3.4. Dữ liệu được nhận ngay khi khởi động đối tượng ..................................... 48
Hình 3.6. Đưa dữ liệu vào khơng gian làm việc của Matlab ...................................... 49
Hình 3.7. Các giá trị điểm trong ảnh nhị phân .......................................................... 50
Hình 3.8 Ảnh chỉ số.................................................................................................. 51
Hình 3. 9: Ảnh cường độ .......................................................................................... 51
Hình 3.10 Ảnh màu .................................................................................................. 52

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển vi kẹp ............................................................... 60
Hình 4.2 Hệ thống điều khiển vi kẹp ........................................................................ 61
Hình 4. 3. (a) Ảnh gốc
(b). Ảnh sau khi lấy biên ............................................. 61
Hình 4.4 Khoảng cách giữa hai đầu vi kẹp là L ........................................................ 62
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


6
Hình 4.5. Tọa độ và kích thước của ảnh.................................................................... 62
Hình 4.6 Lưu đồ thuật tốn qt lùi .......................................................................... 64
Hình 4.7. Các tọa độ cần xác định của ảnh ............................................................... 65
Hình 4.8 Ảnh phóng to của một bên kẹp khi đường biên khơng trơn ........................ 65
Hình 4.9 Kết quả khảo sát thuật tốn qt trái phải. .................................................. 66
Hình 4.10 Kết quả khảo sát thuật tốn qt lùi.......................................................... 67
Hình 4.11. Ảnh dùng để khảo sát các thuật tốn ....................................................... 67
Hình 4. 12: Lưu đồ thuật tốn điều khiển vi kẹp ....................................................... 68
Hình 4.13. Giao diện chính của chương trình điều khiển vi kẹp ................................ 69
Hình 4.14. Cấu hình phương thức truyền cho cổng COM ......................................... 70
Hình 4.15 Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh ........................................................... 71
Hình 4.16 Thu 9 ảnh liên tiếp – thực hiện 1 lần trigger ............................................. 72
Hình 4.17 Thu 9 ảnh liên tiếp – thực hiện 9 lần trigger ............................................. 73
Hình 4.18 : Ảnh của một phần vi kẹp chụp qua kính hiển vi ..................................... 75
Hình 4.19. Q trình tay kẹp tiến lại kẹp vật ............................................................. 76
Hình 4.20. Điều khiển vi kẹp trong chế độ điều khiển bằng tay ................................ 77
Hình 4.22. Điều khiển tay phải của vi kẹp ................................................................ 78
Hình 4.23. Điều khiển cả hai tay kẹp ........................................................................ 78

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


7
MỞ ĐẦU
Hiện nay kỹ thuật xử lý ảnh được ứng rất nhiều vào các lĩnh vực trong khoa học
công nghệ và cuộc sống, trong đó có lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là công
nghệ robot sử dụng các camera để cảm ứng nhận biết vật, hay đường đi,…Trong luận
văn thạc sĩ này tôi lựa chọn kỹ thuật xử lý ảnh để xây dựng một hệ điều khiển một vi
kẹp. Vi kẹp này được chế tạo trên công nghệ MEMs, có kích thước rất nhỏ cỡ micro
met. Do kích thước nhỏ như vậy, nên ta không thể giám sát và điều khiển trực tiếp
được mà thay vào đó ta giám sát và điều khiển thông qua ảnh của vi kẹp thu được
thơng qua một kính hiển vi quang học. Với ảnh của vi kẹp được phóng to ảnh với một
tỉ lệ nhất định ta có thể giám sát sự chuyển động của vi kẹp đơn giản và hiệu quả hơn.
Ý tưởng chung để xây dựng lên một hệ điều khiển vi kẹp là: Sử dụng một kính
hiển vi có độ phóng đại cỡ hàng trăm lần sau đó dùng một camera để thu nhận ảnh
trên thị kính của kính hiển vi. Ảnh thu được sau khi biến đổi ra dạng số sẽ được một
chương trình máy tính xử lý tính tốn đưa ra quyết định quay trở lại điều khiển
chuyển động của vi kẹp đó.
Từ những ý tưởng ban đầu đó thì cần u cầu về trang thiết bị là một kính hiển vi
có độ khuếch đại cỡ hàng trăm lần, một thiết bị thu nhận ảnh được ghép nối trực tiếp
với máy tính, một máy tính có tốc độ xử lý cao đáp ứng được thời gian thực, một
mạch điện điều khiển vi kẹp được ghép nối với máy tính. Mạch điện này có nhiệm vụ
nhận các lệnh từ máy tính, chính là các giá trị số sau đó biến đổi ra các giá trị điện áp
theo một tỉ lệ tuyến tính để điều khiển việc đóng mở và chuyển động của vi kẹp.
Với nội dung như vậy, Bài luận văn được chia làm 4 chương
Chương 1: Giới thiệu về hệ giám sát và điều khiển vi kẹp
Chương 2: Tổng quan về xử lý ảnh

Chương 3: Các công cụ xử lý ảnh của Matlab
Chương 4: Thực nghiệm

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


8

Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VI KẸP
1.1 Sự hình thành bài tốn
Trong vài năm gần đây, vi kẹp đã được nghiên cứu rộng rãi. Nó cần thiết trong nhiều
lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng như các bộ phận lắp ráp, các cánh tay điều khiển các
robot cỡ nhỏ ứng dụng trong các ca phẫu thuật tinh vi. Các công nghệ phát triển sản
xuất các mạch tích hợp điện tử (IC) hoặc các cơng nghệ tương thích IC tĩnh điện, áp
điện, nhiệt điện thường được áp dụng để chế tạo các vi kẹp. Các vi kẹp có kích thước
rất nhỏ cỡ µm do vậy việc điều khiển giám sát bằng mắt thường và trực tiếp bằng tay
là không thể. Trong luận văn này tôi sẽ thực hiện một bài toán là xây dựng một hệ
giám sát, điều khiển một vi kẹp dựa vào công nghệ thị giác máy tính(computer
vision).

1.2 Cách giải quyết
Vi kẹp được dùng để gắp, kẹp các vật có kích thước rất nhỏ. Do vi kẹp có kích thước
rất nhỏ, mắt người khơng thể nhìn thấy được, nên để xây dựng một hệ điều khiển
được vi kẹp đó dựa trên thị giác máy tính, thì cần phải có các thiết bị như sau:
Một kính hiển vi có độ phóng đại cỡ hàng chục đến hàng trăm lần
Một thiết bị thu nhận ảnh tốc độ nhanh
Một máy tính dùng để đọc dữ liệu ảnh từ thiết bị thu nhận ảnh và xử lý tính tốn

khoảng cách giữa hai tay kẹp của vi kẹp và so sánh với kích thước của vật từ đó đưa
ra quyết định tiếp tục đóng kẹp lại hay mở kẹp ra để gắp vật.
Dưới đây là sơ đồ khối của hệ điều khiển vi kẹp

PC
CAMERA
Kính hiển vi

Mạch điều khiển

Vi kẹp

Hinh 1.1 Sơ đồ khối của hệ giám sát và điều khiển vi kẹp

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


9
PC: là máy tính chứa chương trình điều khiển và giám sát chuyển động của vi kẹp
CAMERA: Là thiết bị thu ảnh. Thiết bị thu ảnh từ kính hiển vi và đưa vào máy tính
thơng qua cổng USB.
Kình hiển vi: Là kính hiển vi quang học có độ phóng đại cỡ hàng trăm lần
Vi kẹp: là đối tượng cần điều khiển
Mạch điều khiển: Là một mạch điển tử có gắn chíp vi sử lý có nhiệm vụ nhận các
giá trị số từ máy tính và biến đổi thành giá trị điện áp tương ứng để điều khiển vi kẹp.

1.3. Sơ lược về vi kẹp
1.3.1 Giới thiệu

Các vi cảm biến và vi chấp hành được chế tạo trên công nghệ vi cơ điện tử MEMS đã
và đang được sử dụng rộng rãi ở những nhiệm vụ được thực hiện trong các mơi
trường có dải kích thước nhỏ cỡ micro mét. Đó là các ứng dụng như vi lắp ráp,vi
robot, đo kích thước và dịch chuyển vị trí của các tế bào sinh học, tách, tiêm, mổ tế
bào, vv...
Vi kẹp có gắn cảm biến được đề xuất với chiều dài là 490 µm, chiều rộng 350 µm và
chiều dày là 30 µm với công suất tiêu thụ thấp và nhiệt độ hoạt động thấp. Hơn nữa,
thiết bị này được chế tạo với cơng nghệ tương thích CMOS và do đó có khả năng tích
hợp với các mạch điều khiển trên một chip.
Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để thực hiện các thao tác của các thiết bị trong thế
giới vi mô bằng các thao tác trong thế giới vĩ mô. Hiện nay, các hoạt động như vậy
cũng thường được gán cho nghĩa là hoạt động từ xa. Trong trường hợp này, hoạt động
từ xa không mang ý nghĩa xa về mặt khơng gian địa lý mà có nghĩa về sự thay đổi
thang độ, kích thước của mơi trường thao tác và các đối tượng được giám sát điều
khiển.

1.3.2 Chế tạo
Vi kẹp có gắn cảm biến dựa trên sự kết hợp của vi chấp hành điện-nhiệt polymersilicon và thanh cảm biến lực áp trở gắn lên các cần của vi kẹp. Sơ đồ nguyên lý được
biểu diễn trong hình 1.2. Khi cơ cấu chấp hành điện nhiệt được kích hoạt, cánh tay
của vi kẹp và thanh cảm biến lực bị uốn cong dẫn đến các đầu mỏ kẹp có thể dịch
chuyển . Độ dịch chyển của đầu vi kẹp phụ thuộc vào điện áp đầu vào và có thể dịch
chuyển từ 8 đến 40μm trong dải điện áp nung cho phép và nhiệt độ nhỏ hơn 1000C.
Đồng thời cảm biến áp điện trở sẽ phát ra điện thế cảm nhận. Điện thế này tỷ lệ với
độ dịch chuyển của đầu kẹp và lực tiếp xúc giữa đầu kẹp với vật. Nó tạo ra một ứng
xuất dọc theo chiều dài trên hai cạnh đối diện của cần kẹp làm thay đổi giá trị điện trở
của cảm biến áp trở trên cần kẹp
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp

10
Như vậy là vi kẹp có gắn cảm biến áp điện trở có hai thơng số để điều khiển
và giám sát là: Điện thế lối ra trên cảm biến áp điện trở và điện áp đặt vào vi chấp
hành nhiệt điện. Tuy nhiên trong hệ thống thực nghiệm của luận văn này tôi không sử
dụng thông số điện áp lối ra trên cảm biến áp điện trở mà thay vào đó là sử dụng thị
giác máy tính để giám sát q trình chuyển động của đầu kẹp từ đó đưa ra quyết định
điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đặt vào vi chấp hành.

1.3.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon
Cảm biến có gắn vi kẹp được thiết kế ở trạng thái thường mở. Cấu trúc của vi kẹp dựa
trên silicon kết hợp với polymer, mỗi bộ chấp hành bao gồm 41 răng lược silicon với
những lớp polymer SU8 ở giữa. Mỗi răng silicon có chiều rộng là 6 µm, chiều dài là
75 µm, và bề dày là 30 µm. Lớp polymer SU8 có chiều rộng là 3 µm[].

Hinh 1.2: Vi kẹp có gắn cảm biến [3]

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


11

Hinh 1.3: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay của vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu
hình học và các thông số[3]

1.3.4 Thông số kỹ thuật của vi kẹp có gắn cảm biến
Hình 1.4 biểu diễn một vài trạng thái khác nhau của miệng vi kẹp. Hình 1.4(a) là
trạng thái không hoạt động của vi kẹp với độ mở là 40 µm. Khoảng cách giữa hai

miệng có thể được đóng tới 8 µm khi cấp một điện thế khoảng 4.5 V tới các cánh tay
(hình 1.4 b). Trong hình 1.4 (c) và (d) minh họa cho thao tác kẹp dây kim loại 23 µm.

Hinh 1.4: Hoạt động của thiết bị:(a) vị trí ban đầu miệng của vi kẹp có gắn cảm biến;
(b) khi có áp đặt một điện thế 5 V tới cả những cánh tay;
(c) trước khi kẹp vật; (d) khi kẹp vật (dây kim loại ).
Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng của miệng vi kẹp trong khơng khí khi
có thế DC đặt tới chấp hành điện nhiệt. Độ dịch chuyển này là tổng số dịch chuyển
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


12
của hai miệng vi kẹp khi cả hai cánh tay hoạt động. Sai số của phép đo được ước
lượng là 1.5 µm. Sự di chuyển cực đại 32 µm được đo tại điện áp ứng dụng 4.5V. Do
vậy, những vi kẹp này có khả năng thao tác với các vật có đường kính giữa 8 và 40
µm.

Hinh 1.5: Sự dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp
cung cấp. Đo được độ dịch chuyển tối đa là 32 µm tại 4.5 V
Cơng suất tiêu thụ của nguồn được tính dựa trên điện áp và dịng tương ứng trên vi
chấp hành điện nhiệt. Hình 1.6 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp khi tương ứng
với cơng suất tiêu thụ. Trung bình thiết bị cần 5 mW cho 1 µm dịch chuyển của
miệng vi kẹp.

Hinh 1.6: Sự dịch chuyển của miệng vi kẹp tương ứng với cơng suất tiêu thụ
Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu ra của cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt
trên vi chấp hành điện nhiệt. Giá trị điện trở ban đầu của áp điện trở tại nhiệt độ
phòng là 39 kOhm. Điện áp nuôi cho cầu là 1V dc. Điện áp ra lớn nhất là 49 mV tại

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


13
điện áp đặt lên vi kẹp là 4.5 V. Mối quan hệ giữa điện áp ra và độ dịch chuyển
miệng của vi kẹp có gắn cảm biến được biểu diễn trong hình 1.8. Độ nhạy của vi kẹp
có gắn cảm biến là 1.5 kV/m. Đường cong tuyến tính này trong phạm vi 2 %.
Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn thế đầu ra của cảm biến lực áp trở cantilever khi vi
kẹp kẹp một dây kim loại có đường kính 23 µm. Hai miệng của vi kẹp có gắn cảm
biến đóng từ từ cho tới khi nó kẹp được vật.
Lực tiếp xúc giữa miệng của vi kẹp và vật được kẹp có thể được ước lượng
thơng qua sự dịch chuyển của vi kẹp trong hình 1.7.

Hinh 1.7:Biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp ứng
dụng.

Hinh 1.8: Đầu ra của cảm biến lực tương ứng với độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có
gắn cảm biến.

Hình 1.9 biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và vật được kẹp tương
ứng với giá trị điện áp đặt lên vi kẹp. Lực tiếp xúc bằng không cho tới khi hai miệng
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


14
kẹp vào vật tại điện áp khoảng 3.75 V.

mN tại điện áp ứng dụng là 4.5 V.

Sau đó lực tiếp xúc được tăng tới 135

Hinh 1.9: Biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và những vật được giữ
tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng.

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

giới thiệu về vi kẹp


15

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH
2.1. Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh
2.1.1. Các quá trình trong xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một khoa học còn tương đối mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác,
nhất là trên qui mô công nghiệp, song trong xử lý ảnh đã bắt đầu xuất hiện những
máy tính chuyên dụng. Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên
dụng hay một hệ thống xử lý ảnh dùng trong nghiên cứu, đào tạo, trước hết chúng ta
sẽ xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh. Các giai đoạn chính của q trình xử lý
ảnh có thể mơ tả ở hình 2.1.
Trước hết là q trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua camera. Thường
ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tương tự (loại camera ống kiểu CCIR), nhưng
cũng có thể là tín hiệu số hố (loại CCD - Charge Coupled Device).

Lưu trữ
Camera

Thu nhận ảnh

Số hóa

Phân
tích ảnh

Nhận dạng

Sensor
Lưu trữ

Hệ Q.định

Hình 2.1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng (sensor), hay ảnh thu
nhận được qua máy quét(scanner). Tiếp theo là q trình số hố (Digitalizer) để biến
đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, trước khi chuyển sang giai đoạn xử lý, phân
tích hay lưu trữ ảnh.
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


16
Q trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trước hết
là công việc tăng cường ảnh để nâng cao chất lượng ảnh, do những nguyên nhân khác
nhau: Có thể do chất lượng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu, ảnh có
thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cường và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một

số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc- trạng
thái trước khi ảnh bị biến dạng. Giai đoạn tiếp theo là phát hiện các đặc tính như biên
ảnh, phân vùng ảnh, trích chọn các đặc tính, v.v...
Cuối cùng, tuỳ theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp
hay các quyết định khác.
2.1.1.1. Thu nhận ảnh
Các thiết bị thu ảnh thông thường gồm máy quay (camera) cộng với bộ chuyển đổi
tương tự số AD(Analog to Digital) hoặc máy quét (scanner) chuyên dụng.
Các thiết bị thu nhận ảnh này có thể cho ảnh trắng đen B/W (Black & White)
với mật độ từ 400 đến 1600 dpi (dot per inch) hoặc ảnh màu 600 dpi. Với ảnh B/W
mức màu z là 0 hoặc 1. Với ảnh đa cấp xám, mức xám biến thiên từ 0 đến 255. Ảnh
màu, mỗi điểm ảnh lưu trữ trong 3 bytes và do đó ta có 28x3 = 224 màu (cỡ 16, 7
triệu màu).
Khi dùng scanner, một dòng photodiot sẽ quét ngang ảnh (quét theo hàng) và
cho ảnh với độ phân giải ngang khá tốt. Đầu ra của scanner là ảnh ma trận số mà ta
quen gọi là bản đồ ảnh (ảnh Bitmap). Bộ số hoá (digitalizer) sẽ tạo ảnh vector có
hướng.
Trong xử lý ảnh bằng máy tính, ta khơng thể khơng nói đến thiết bị monitor
(màn hình) để hiện ảnh. Monitor có nhiều loại khác nhau:
- CGA : 640 x 320 x 16 màu,
- EGA : 640 x 350 x 16 màu,
- VGA : 640 x 480 x 16 màu,
- SVGA: 1024 x 768 x 256 màu.
Với ảnh màu, có nhiều cách tổ hợp màu khác nhau. Theo lý thuyết màu do
Thomas đưa ra từ năm 1802, mọi màu đều có thể tổ hợp từ 3 màu cơ bản: Red (đỏ),
Green (lục) và Blue (lơ).
Nhìn chung, các hệ thống thu nhận ảnh thực hiện 2 quá trình:
- Cảm biến: biến đổi năng lượng quang học (ánh sáng) thành năng lượng điện.
- Tổng hợp năng lượng điện thành ảnh.

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


17
2.1.1.2. Phân tích ảnh
Phân tích ảnh liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của một ảnh để đưa ra
một mô tả đầy đủ về ảnh. Các kỹ thuật được sử dụng ở đây nhằm mục đích xác định
biên của ảnh. Có nhiều kỹ thuật khác nhau như lọc vi phân hay dò theo quy hoạch
động.
Người ta cũng dùng các kỹ thuật để phân vùng ảnh. Từ ảnh thu được, người ta
tiến hành kỹ thuật tách (split) hay hợp (fusion) dựa theo các tiêu chuẩn đánh giá như:
màu sắc, cường độ, v...v. Các phương pháp được biết đến như Quad-Tree, mảnh hoá
biên, nhị phân hoá đường biên. Cuối cùng, phải kể đến cac kỹ thuật phân lớp dựa
theo cấu trúc[].
2.1.1.3. Nhận dạng ảnh
Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mơ tả đối tượng mà người ta muốn đặc
tả nó. Q trình nhận dạng thường đi sau q trình trích chọn các đặc tính chủ yếu
của đối tượng. Có hai kiểu mơ tả đối tượng:
- Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số).
- Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).
Trên thực tế, người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều
đối tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số,
chữ có dấu).
Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy phục vụ cho việc tự động hố q trình đọc
tài liệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính.
Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu
chữ, v...,v ) phục vụ cho nhiều lĩnh vực.
Ngoài 2 kỹ thuật nhận dạng trên, hiện nay một kỹ thuật nhận dạng mới dựa vào

kỹ thuật mạng nơron đang được áp dụng và cho kết quả khả quan.

2.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh
2.1.2.1. Một số khái niệm
+ Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh
Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể
xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hố,
người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu
(rời rạc hóa về khơng gian) và lượng tử hố, thành phần giá trị về nguyên tắc sao cho
bằng mắt thường không phân biệt được hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, người
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


18
ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử
ảnh. Ở đây cũng cần phân biệt khái niệm pixel hay đề cập đến trong các hệ thống đồ
hoạ máy tính. Để tránh nhầm lẫn ta tạm gọi khái niệm pixel này là pixel thiết bị. Khái
niệm pixel thiết bị có thể xem xét như sau: Khi ta quan sát màn hình (trong chế độ đồ
hoạ), màn hình khơng liên tục mà gồm nhiều điểm nhỏ, gọi là pixel. Mỗi pixel gồm
một cặp toạ độ x, y và màu.
Cặp toạ độ x, y tạo nên độ phân giải (resolution). Như màn hình máy tính có
nhiều loại với độ phân giải khác nhau: màn hình CGA có độ phân giải là 320 x 200;
màn hình VGA là 640 x 350,...
Như vậy, một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Khi được số hoá, nó thường
được biểu diễn bởi bảng hai chiều I(n,p): n dịng và p cột. Ta nói ảnh gồm n x p
pixels. Người ta thường kí hiệu I(x,y) để chỉ một pixel. Thường giá trị của n chọn
bằng p và bằng 256. Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit.
+ Gray level: Mức xám

Mức xám là kết quả sự mã hoá tương ứng một cường độ sáng của mỗi điểm
ảnh với một giá trị số - kết quả của q trình lượng hố. Cách mã hố kinh điển
thường dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ
thuật. Vì 28 = 256 (0, 1, ..., 255), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mã hoá bởi 8
bit.
2.1.2.2. Biểu diễn ảnh
Trong biểu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là
pixel. Nhìn chung có thể xem một hàm hai biến chứa các thơng tin như biểu diễn của
một ảnh. Các mơ hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả lôgic hay định lượng các tính
chất của hàm này. Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc
các tiêu chuẩn “thông minh” để đo chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ
thuật xử lý.
Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mẫu hoá và lượng tử hố. Thí dụ một
ảnh ma trận 512 dịng gồm khoảng 512 x 512 pixel. Việc lượng tử hoá ảnh là chuyển
đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Convert) của một ảnh đã lấy
mẫu sang một số hữu hạn mức xám. Vấn đề này sẽ trình bày chi tiết trong phần sau.
Một số mơ hình thường được dùng trong biểu diễn ảnh: Mơ hình tốn, mơ hình
thống kê. Trong mơ hình tốn, ảnh hai chiều được biểu diễn nhờ các hàm hai biến
trực giao gọi là các hàm cơ sở. Với mơ hình thống kê, một ảnh được coi như một
phần tử của một tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


19
biến, phương sai, moment.
2.1.2.3. Biến đổi ảnh
Thuật ngữ biến đổi ảnh (Image Transform) thường dùng để nói tới một lớp các ma

trận đơn vị và các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh. Cũng như các tín hiệu một chiều
được biểu diễn bởi một chuỗi các hàm cơ sở, ảnh cũng có thể được biểu diễn bởi một
chuỗi rời rạc các ma trận cơ sở gọi là ảnh cơ sở. Phương trình ảnh cơ sở có dạng:
A*k,l = ak al*T, với ak là cột thứ k của ma trận A. A là ma trận đơn vị, có nghĩa
là A A*T = I. Các A*k,l định nghĩa ở trên với k,l = 0,1, ..., N-1 là ảnh cơ sở. Có nhiều
loại biến đổi được dùng như:
- Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard,. . .
- Tích Kronecker (*)
- Biến đổi KL (Karhumen Loeve)
Do phải xử lý nhiều thơng tin, các phép tốn nhân và cộng trong khai triển là
khá lớn. Do vậy, các biến đổi trên nhằm làm giảm thứ nguyên của ảnh để việc xử lý
ảnh được hiệu quả hơn.
2.1.2.4. Biểu diễn màu
Ánh sáng màu là tổ hợp của ánh sáng đơn sắc. Mắt người chỉ có thể cảm nhận được
vài chục màu, song lại có thể phân biệt được tới hàng ngàn màu. Có 3 thuộc tính chủ
yếu trong cảm nhận màu:
- Brightness: Sắc màu, cịn gọi là độ chói.
- Hue
: Sắc lượng, còn gọi là sắc thái màu.
- Saturation : Độ bão hoà
Với nguồn sáng đơn sắc, độ hue tương ứng với bước sóng . Độ bão hồ thay
đổi nhanh nếu ta thêm lượng ánh sáng trắng. Hình 2.1 mô tả mối liên quan giữa các
đại lượng trên và 3 màu chủ yếu R, G và B.
Do sự tán sắc ánh sáng (ứng với khai triển Fourier) mà ta nhìn rõ màu. Theo
Maxwell, trong võng mạc mắt có 3 loại tế bào hình nón cảm thụ 3 màu cơ bản ứng
với 3 phổ hấp thụ S1(), S2() và S3().
min = 380 nm;  max = 780 nm.

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


20

Hình 2.2: Các đường cong cảm nhận S1, S2 và S3
Theo lý thuyết 3 màu, phân bố phổ năng lượng của một nguồn sáng màu ký hiệu là
C() và tổ hợp màu theo ngun tắc 3 màu có thể mơ tả bằng hình 2.3 dưới đây:
s1(x)c()d

c()

 s2(x)c()d

 s3(x)c()d

1(C)

2(C)

3(C)

Hình 2.3: Nguyên tắc tổ hợp màu.
 max

Trong đó  i ( C )



S

i

( )C ( )

với i = 1, 2, 3.

(2.1)

 min

i(C) gọi là đáp ứng phổ (spectral responses).
Phương trình 2.1 gọi là phương trình biểu diễn màu. Nếu C1() và C2() là hai
phân bố phổ năng lượng tạo nên các đáp ứng phổ 1(C1) và 2(C2) mà i(C1) =
i(C2), với i =1, 2, 3 thì hai màu C1 và C2 là như nhau (sánh được).

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


21
2.1.2.5. Tổng hợp màu và sánh màu
Một trong các vấn đề cơ bản của lý thuyết biểu diễn màu là sử dụng một tập các
nguồn sáng (màu) để biểu diễn màu. Theo lý thuyết 3 màu của Thomas, người ta hạn
chế số màu còn 3 màu cơ bản: đỏ, lục và lơ. Giả sử rằng ba nguồn sáng cơ bản có
phân phối phổ năng lượng là Pk( ) với k =1, 2, 3 và:


m ax




Pk (  ) d   1

(2.2)

m in

Để sánh một màu C(), giả sử rằng 3 màu cơ bản được tổ hợp theo tỉ lệ k(), k
=1, 2, 3, như vậy:
3

C ( ) 



 k (  ) Pk (  )

sẽ cho C(). Thay giá trị này vào phương trình 2.1 ta có:

k 1

 max

 i (C ) 


 min


S i (  )    k (  ) Pk ( 
 k 1
3

3



3

= 


) d    k ( )
k 1


 k (  )a i , k

với

max




pk ( )S i ( )d

min

max



ai,k 

k 1





pk (  )S i ( )d

(2.3)

min

Như vậy, có thể tổng hợp màu theo phép cộng: màu X = 1 đỏ + 2 xanh +
3 lơ với 1, 2 và 3 là các hệ số tổng hợp. Phương pháp này hay được dùng trong
các ảnh dân dụng.
Lý thuyết tổng hợp màu trên cho phép đưa ra một số luật sánh màu sau:
i) mọi màu có thể sánh bởi nhiều nhất 3 màu.
ii) nguồn sáng của một màu tổng hợp bằng tổng nguồn sáng các màu thành
phần.
iii) nếu màu C1 sánh được với màu C1' và C2 sánh được với màu C2' thì:
- 1 C1+ 2 C2 = 1C1'+ 2 C2' : luật cộng màu
- nếu C1+ C2 = C1'+ C2' và C2 = C2' thì C1 = C1'.

iv) luật bắc cầu: nếu C1 = C2 và C2 = C3 thì C1 = C3.
dấu = ở trên có nghĩa là sánh được.
2.1.2.6. Hệ toạ độ màu
Tổ chức quốc tế về chuẩn hoá màu CIE(Commision Internationale d'Eclairage) đưa ra
một số các chuẩn để biểu diễn màu. Các hệ này có các chuẩn riêng. Ở đây chỉ đề cập
đến chuẩn màu CIE-RGB (hệ toạ độ dùng 3 màu cơ bản). Như đã nêu trên, một màu
là tổ hợp của các màu cơ bản theo một tỉ lệ nào đấy. Như vậy, một pixel ảnh màu kí
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh


22
hiệu Px được viết:

PX

 red

 green

 blue






(2.4)

Người ta dùng hệ toạ độ ba màu R-G-B(tương ứng với hệ toạ độ x-y-z) để biểu
diễn màu như sau:

Hình 2.4. Hệ tọa độ ba màu RGB
Trong cách biểu diễn này ta có cơng thức: đỏ + lục + lơ =1. Công thức này gọi
là cơng thức Maxell. Trong hình vẽ trên, tam giác tạo bởi ba đường đứt đoạn gọi là
tam giác Maxell. Ta cũng có thể chuyển từ hệ toạ độ 3 màu về hệ toạ độ x-y-z.

2.2. Một số phương pháp biểu diễn ảnh
Sau bước số hoá, ảnh sẽ được lưu trữ hay chuyển sang giai đoạn phân tích. Trước khi
đề cập đến vấn đề lưu trữ ảnh, ta cần xem xét ảnh sẽ được biểu diễn ra sao trong bộ
nhớ máy tính. Phần trên cũng đã nói đến các mơ hình tốn học để biểu diễn ảnh. Nếu
lưu trữ trực tiếp ảnh thô theo kiểu bản đồ ảnh, dung lượng sẽ khá lớn, tốn kém mà
nhiều khi không hiệu quả theo quan điểm ứng dụng. Thường người ta không biểu
diễn tồn bộ ảnh thơ mà tập trung đặc tả các đặc trưng của ảnh như: biên ảnh
(Boundary) hay các vùng ảnh (Region). Các kỹ thuật phát hiện biên hay phân vùng
ảnh sẽ được giới thiệu kỹ ở phần sau. Dưới đây giới thiệu một số phương pháp biểu
diễn ảnh. Thường người ta dùng:
- Biểu diễn mã loạt dài (Run - Length Code).
- Biểu diễn mã xích (Chaine Code).
- Biểu diễn mã tứ phân (Quad Tree Code).
Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ

tổng quan về xử lý ảnh