Hệ thống phân loại cà chua dựa vào màu sắc và khối lượng

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

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

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA
THEO MÀU SẮC VÀ KHỐI LƯỢNG
GVHD: Th.S. Nguyễn Thanh Nghĩa

SVTH: Trần Hoàng Minh
MSSV: 14141196
SVTH: Lê Duy Ân
MSSV: 13141008

Tp. Hồ Chí Minh – 8/2020


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA
THEO MÀU SẮC VÀ KHỐI LƯỢNG
GVHD: Th.S. Nguyễn Thanh Nghĩa

SVTH: Trần Hoàng Minh
MSSV: 14141196
SVTH: Lê Duy Ân
MSSV: 13141008

Tp. Hồ Chí Minh - 8/20


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 03 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chun ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Trần Hồng Minh
Lê Duy Ân
Kỹ thuật Điện - Điện tử
Đại học chính quy
2014

MSSV: 14141196
MSSV: 13141008
Mã ngành: 01
Mã hệ:
1
Lớp:
1414141

I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA THEO MÀU SẮC VÀ
KHỐI LƯỢNG
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
− Kích thước băng tải : chiều dài 60cm, chiều rộng 10cm.
− Webcam Logitech C270p đóng vai trị thu nhận ảnh đầu vào.
− Board Arduino Nano là bộ điều khiển trung tâm của mô hình.
− Dùng xi lanh để đẩy sản phẩm.
− Động cơ DC 24V điều khiển băng tải.
− Dùng cảm biến tiệm cận hồng ngoại xác định vị trí cà chua.
− Dùng LCD 16x2 hiển thị khối lượng cà chua.
− Dùng Loadcell và module HX711 xác định khối lượng cà chua.
− Dùng van khí nén điều khiển xi lanh.
− Dùng module relay điều khiển van khí nén và băng tải.
2. Nội dung thực hiện:
− Tìm hiểu Arduino, Matlab, cảm biến, webcam.

− Kết nối Arduino với Matlab, webcam với Matlab, các thiết bị ngoại vi với
Arduino
− Thiết kế khối nhận biết màu sắc, cân nặng.
− Thiết kế mơ hình tồn hệ thống.
− Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển hệ thống.
− Thi cơng hồn chỉnh hệ thống điện, cho hệ thống chạy thử nghiệm và hiệu
chỉnh.
− Viết báo cáo thực hiện.
− Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09/03/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/08/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
CÁN BỘ HƯỚNG
DẪN SINH

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm
2010

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Trần Hoàng Minh
Lớp:14141DT1B ........................................................... MSSV:14141196
Họ tên sinh viên 2: Lê Duy Ân
Lớp:13141DT1B ........................................................... MSSV:13141008
Tên đề tài: HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÀ CHUA THEO MÀU SẮC VÀ KHỐI
LƯỢNG
Tuần/ngày
Tuần 1
Từ 9/3/2020
đến 15/3/2020
Tuần 2
Từ 16/3/2020
đến 22/3/2020
Tuần 3
Từ 23/3/2020
đến 29/3/2020
Tuần 4
Từ 30/3/2020
đến 5/4/2020
Tuần 5
Từ 6/4/2020
đến 12/4/2020
Tuần 6
Từ 13/4/2020
đến 19/4/2020
Tuần 7
Từ 20/4/2020
đến 26/4/2020

Tuần 8
Từ 27/4/2020
đến 3/5/2020
Tuần 9
Từ 4/5/2020
đến 10/5/2020

Nội dung
- Gặp GVHD nhận đề tài.
- Viết đề cương chi tiết
- Tìm hiểu và tham khảo các đề tài đã nghiên
cứu có liên quan đến điều khiển, giám sát và
xử lý hình ảnh dùng Arduino và Matlab.
- Gặp và báo cáo với GVHD về hướng thực
hiện đề tài.
- Tìm hiểu và cài đặt ngơn ngữ lập trình
Matlab.
- Tìm hiểu về vi điều khiển Arduino Nano và
cài đặt phần mệm lập trình arduino.
- Tìm hiểu về webcam phục vụ cho đề tài.
- Cài đặt driver cho webcam.
- Tìm hiểu về Loadcell, module HX711
- Tìm hiểu về LCD 16x2, van khí nén và xi
lanh khí nén.
- Kết nối arduino và webcam với Matlab.
- Kết nối Loadcell và module HX711 với
arduino, tiến hành cân chỉnh loadcell.
- Kết nối arduino với LCD 16x2 và các thiết bị
ngoại vi còn lại.
- Thiết kế mơ hình hệ thống.

- Xây dựng lưu đồ giải thuật.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Viết chương trình trên Matlab phân tích và xử
lý màu sắc.
- Chạy mơ phỏng kết quả trên máy tính.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Viết chương trình điều khiển cho phần nhập
liệu, điều khiển van, các xi lanh và động cơ.

Xác nhận
GVHD


- Chạy mô phỏng, kiểm tra hoạt động.
Tuần 10
Từ 11/5/2020
đến 17/5/2020
Tuần 11
Từ 18/5/2020
đến 24/5/2020
Tuần 12
Từ 25/5/2020
đến 31/6/2020
Tuần 13
Từ 1/6/2020
đến 7/6/2020
Tuần 14
Từ 8/6/2020
đến 14/6/2020
Tuần 15

Từ 15/6/2020
đến 21/6/2020
Tuần 16
Từ 22/6/2020
đến 28/6/2020

- Báo cáo tiến độ với GVHD.
- Viết chương trình thu nhận dữ liệu của
loadcell.
- Viết chương trình điều khiển LCD.
- Chạy mô phỏng kiểm tra hoạt động.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
- Viết chương trình hồn chỉnh cho tồn bộ hệ
thống.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
- Viết chương trình hồn chỉnh cho tồn bộ hệ
thống.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
- Viết chương trình hồn chỉnh cho tồn bộ hệ
thống.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Hồn thành mơ hình.
- Viết báo cáo luận văn.
- Báo cáo tiến độ cho GVHD.
- Viết báo cáo luận văn.
- Hoàn thiện báo cáo, chuận bị gặp GVPB và
bảo vệ.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và cơng
trình nghiên cứu, không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có
sao chép nhóm đồ án hồn tồn chịu trách nhiệm.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2020
Sinh viên thực hiện đề tài 1:

Trần Hoàng Minh

Sinh viên thực hiện đề tài 2:

Lê Duy Ân


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ
trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt
thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất
nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của q Thầy Cơ, gia đình và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện điện tử – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã cùng với tri thức và tâm
huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời
gian học tập tại trường. Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Thanh
Nghĩa đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi gặp mặt, làm việc. Nếu khơng
có những lời hướng dẫn, dạy bảo của Thầy thì em nghĩ đồ án tốt nghiệp của chúng
em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng nhóm sẽ khó tránh khỏi những lúc làm
các Thầy Cơ, các bạn phiền lịng. Kính mong q Thầy Cơ, cùng các bạn lượng thứ
bỏ qua. Với vốn kiến thức hạn hẹp cùng kinh nghiệm sống ít ỏi của mình thì chắc
chắn trong bài báo cáo sẽ có những sai lầm vỉ sót. Nhóm nghiên cứu rất làm thứ lỗi
và mong nhận được những chỉ dạy, đóng góp vơ cùng q báu của q Thầy cơ
cùng các bạn để nhóm có thể hoàn thiện tốt đề tài hơn nữa.

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện 1

Trần Hoàng Minh

Sinh viên thực hiện 2

Lê Duy Ân


MỤC LỤC
TRANG BÌA ............................................................ Error! Bookmark not defined.
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................
ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........ Error! Bookmark not
defined.
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................

1

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................

8

MỤC LỤC ................................................................ Error! Bookmark not defined.
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ............................................... iError! Bookmark not defined.
LIỆT KÊ BẢNG VẼ ............................................... Error! Bookmark not defined.
TÓM TẮT ................................................................ Error! Bookmark not defined.
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................

1

1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ..............................................................................................

1

1.2

MỤC TIÊU ...................................................................................................

2

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................

2

1.4

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ...........................................................................

2

1.5

BỐ CỤC ........................................................................................................

3

Chương 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................

4

2.1

GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH ..................................................................

4

2.2

KHƠNG GIAN MÀU CỦA ẢNH ..............................................................

7

2.2.1

Khơng gian màu RGB ..........................................................................

7

2.2.2

Khơng gian màu HSV ...........................................................................

9

NHỮNG VẤN ĐỀ TRONG XỬ LÝ ẢNH ..............................................

10

2.3.1

Điểm ảnh ..............................................................................................

10

2.3.2

Ảnh số ...................................................................................................

10

2.3.3

Phân loại ảnh .......................................................................................

11

2.3.4

Quan hệ giữa các điểm ảnh ................................................................

11

2.3.5

Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám ..................................................

12

2.3.6

Nhị phân hóa ảnh ................................................................................

14

2.3.7

Lọc nhiễu .............................................................................................

14

2.3.8

Phương pháp phát hiện biên ..............................................................

14

2.3.9

Phân đoạn ảnh .....................................................................................

15

2.3

Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................

17


3.1

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG....................................................................... 17

Bảng 3.1 Danh sách các linh kiện..................................................................... 17
3.1.1

Khối thu nhận ảnh............................................................................. 18

3.1.2

Khối cảm biến.................................................................................... 19

a. Mô tả cảm biến tiệm cận hồng ngoại................................................... 19
b. Mô tả Loadcell 1Kg và module ADC HX711...................................... 20
3.1.2

Khối điều khiển.................................................................................. 23

3.1.3

Khối chấp hành.................................................................................. 25

a. Mô tả động cơ DC................................................................................. 25
b. Mô tả van khí nén................................................................................. 26
c. Mơ tả xylanh khí nén............................................................................ 27
d. Mô tả Module Relay 4 kênh................................................................. 29
e. Mô tả LCD kèm module I2C................................................................ 30
3.1.4

Khối nguồn......................................................................................... 31

a. Nguồn cấp cho động cơ DC, đèn báo 24VDC:....................................31
b. Nguồn cấp cho Arduino Uno Nano...................................................... 31
c. Nguồn cấp cho động cơ Servo, Module Relay 5VDC.........................32
3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ.................................................................................. 33
3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG...................................................................... 34
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG................................................................... 34
4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG............................................................................. 34
4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG........................................................................... 41
4.2.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống.................................................................... 41
4.2.2 Lưu đồ giải thuật xác định màu sắc..................................................... 42
4.3 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC............................. 43
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ............................................... 47
5.1

KẾT QUẢ TỔNG QUAN........................................................................ 47

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC............................................................................... 47
5.2.1 Giao diện chương trình......................................................................... 47
5.2.2 Kết quả mơ hình hệ thống thực tế........................................................ 48
5.2.3 Kết Quả Thực Nghiệm.......................................................................... 52
5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ....................................................................... 53
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................... 54
6.1

KẾT LUẬN............................................................................................... 54


6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 55
PHỤ LỤC............................................................................................................... 56


LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh............................................................... 5
Hình 2.2:Khơng gian màu RGB................................................................................... 8
Hình 2.3:Hệ tọa độ màu RGB [3]............................................................................... 9
Hình 2.4: Khơng gian màu HSV................................................................................ 10
Hình 2. 5: Các lân cận ảnh....................................................................................... 11
Hình 2.6:Chuyển ảnh màu thành ảnh xám.............................................................. 13
Hình 2.7:Lược đồ xám............................................................................................. 13
Hình 2.8:Ảnh xám và ảnh nhị phân.......................................................................... 14
Hình 2.9:Hình tách biên........................................................................................... 15
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống phân loại cà chua.............................................. 17

Hình 3.2: Webcam Logitech C170p.......................................................................... 19
Hình 3.3: Cảm biến tiệm cận hồng ngoại (trái) và sơ đồ chân (phải).......................20
Hình 3.4: Cụm Load Cell.......................................................................................... 21
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Load Cell...................................................................... 21
Hình 3.5: Mặt trước và mặt sau của board Arduino Nano......................................23
Hình 3.6: Động cơ DC.............................................................................................. 26
Hình 3.7: Van Khí nén.............................................................................................. 26
Hình 3.8: Xylanh khí nén.......................................................................................... 27
Hình 3.9 : Các linh kiện khí nén............................................................................... 28
Hình 3.10: Module Relay 4 kênh.............................................................................. 29
Hình 3.11: LCD kèm module I2C.............................................................................. 30
Hình 3.12: Nguồn tổ ong 24V – 5A.......................................................................... 31
Hình 3.13: Cáp nối Mini USB................................................................................... 32
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp LM2596.................................................... 32
Hình 3.15: Hình ảnh thực tế mạch hạ áp LM2......................................................... 32
Hình 3.16: Sơ đồ ngun lý...................................................................................... 33
Hình 4.1: Mơ hình thực tế hồn chỉnh.................................................................... 36
Hình 4.2: Vị trí nhập liệu.......................................................................................... 37
Hình 4.3: Vị trí phân loại cà chua............................................................................. 38
Hình 4.4: Vị trí băng tải............................................................................................ 39
Hình 4.5: Vị trí khay phân loại................................................................................. 40


Hinh 4.6: Lưu đồ giải thuật hệ thống....................................................................... 41
Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật xác định màu sắc.......................................................... 42
Hình 4.8: Chương trình matlab................................................................................ 43
Hình 4.9: Nút run trong giao diện Matlab............................................................... 44
Hình 4.10: Giao diện điều khiển.............................................................................. 44
Hình 4.11: Giao diện hệ thống hồn chỉnh.............................................................. 45
Hình 4.12: Kết quả thu được................................................................................... 46

Hình 5.1: Giao diện chương trình............................................................................ 48
Hình 5.1 thể hiện các thơng số khi phân loại cà chua.............................................. 48
Hình 5.2: Xác định màu sắc cà chua xanh................................................................ 48
Hình 5.3: Xi lanh đẩy cà chua vào khay.................................................................... 49
Hình 5.4: Xác định màu sắc cà chua đỏ................................................................... 50
Hình 5.5: Xi lanh đẩy cà chua đỏ loại 2 vào khay phân loại..................................... 50
Hình 5.6: Xác định cà chua đỏ................................................................................. 51
Hình 5.7: Xi lanh đẩy cà chua đỏ loại 1 vào khay phân loại..................................... 51
Hình 5.8: Cà chua vàng được đưa đến khay cuối.................................................... 52


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 3.1 Danh sách các linh kiện............................................................................. 17
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Load Cell...................................................................... 21
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Arduino nano.............................................................. 24
Bảng 3.4 : Thông số kỹ thuật van khí nén................................................................ 28
Bảng 5.1: Kết quả khảo sát...................................................................................... 52


TÓM TẮT
Ngày nay, việc dùng xử lý ảnh là rất phổ biến trong công nghiệp sản xuất
cũng như trong việc phân loại sản phẩm , nhận thấy tiềm năng ứng dụng của cơng
nghệ xử lý ảnh vào nơng nghiệp nói chung và phân loại nơng sản nói riêng nhóm
nghiên cứu và thực hiện đề tài “ Hệ thống phân loại cà chua dựa trên màu sắc và
khối lượng”. Đề tài có khả năng phân nhận biết và phân loại cà chua đỏ loại 1 cà
chua đỏ loại 2, cà chua xanh cà chua vàng bằng cách sử dụng khác nhau cơ bản về
màu sắc và khối lượng, một cách tự động, giải phóng sức lao động, năng xuất lao
động cao hơn. Kết quả thực hiện của đề tài đã nhận nhận biết và phân loại cà chua
đỏ loại 1 cà chua đỏ loại 2, cà chua xanh cà chua vàng. Đầu tiên cà chua được đưa
vào máng chờ, xy lanh máng chờ đẩy cà chua vào ô chụp ảnh và cân khối lượng,

máy tính xử lý được màu sắc xy lanh bàn cân đẩy cà chua vào băng chuyền, tùy
thuộc cà chua có phân loại gì mà tương ứng xylanh tại vị trí đó đẩy cà chua vào
máng phân loại.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Khoa học kỹ thuật luôn phát triển ở mọi lĩnh vực, nhất là các ngành sản xuất,

chúng đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất là ưu tiến hàng đầu. Tự động
hóa hệ thống phân loại sản phẩm là một cách cải tiến và nâng cấp trong những công
đoạn sản xuất. Hệ thống này giúp cho việc sản xuất được linh hoạt hơn, tiết kiệm
thời gian, nhân lực, tăng năng suất đem lại hiểu quả kinh tế cao. Trong q trình sản
xuất địi hỏi phải ngày càng chính xác và nhanh chóng để đáp ứng được xu thế hiện
đại hóa. Sự ra đời của cơng nghệ xử lý ảnh và những ứng dụng của nó là rất cần
thiết cho cuộc sống. Một số ứng dụng của xứ lý ảnh trong cuộc sống là phát hiện
các đám cháy tròng nhà kho hay xưởng sản xuất, giám sát an ninh ở các khu vực,
phát hiện lỗi trên bề mặt vật thể, nhận dạng đường đi, biển báo cho ô tô tự hành.
Ngành cơng nghiệp đóng gói sản phẩm là ngành cần sự chính xác cao trong
kiểm tra đầu ra và để thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với tốc độ
và sự chính xác cao thì cơng nghệ xử lý ảnh ra đời và ngày càng phát triển hơn.
Thời gian vừa qua đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện thông qua các đề tài
Đồ Án Tốt Nghiệp (ĐATN) thực hiện dựa trên nhu cầu thực thế như năm 2019, Phan
Thanh Phong, Nguyễn Hiền Minh, với đề tài “Ứng dụng xử lý ảnh trong hệ thống phân
loại sản phẩm” , là sự kết hợp hoàn hảo giửa kit raspberry và Arduino nhận tính hiệu từ
camera và cảm biến, điều khển động cơ DC và hiển thị kết quả lên LCD 16x2.

Một đề tài ĐATN tiêu biểu khác phải kể đến là của Trần Khánh Hưng, Hoàng
Như Ý vào năm 2018 tên là “Hệ thống phân loại cà chua theo màu sắc sử dụng PLC
S7-1200” [2], khi nhắc đến những đề tài nghiên cứu ứng dụng vào công nghiệp thì
lựa chọn thường được quan tâm đến những bộ PLC mạnh mẽ, và trong đề tài này
PLC S7-1200 kết hợp với Arduino nhận tín hiệu từ các loại cảm biến màu sắc, cảm
biến hồng ngoại điều khiển các cơ cấu khí nén và băng chuyền. Nhận diện được 3
trạng thái màu sắc của cà chua (đỏ, vàng, xanh) đạt hiểu quả kinh tế cao so với thực
hiện bằng cảm quan của con người.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Theo đó xử lý ảnh trong phân loại sản phẩm đã và đang được nghiên cứu
phát triển. Phân loại sản phẩm theo màu sắc có nhiều phương pháp khác nhau như
dùng cảm biến màu, kính lọc màu,…cùng với nhiều phương pháp phân loại sản
phẩm khác như sử dụng PLC, Arduino, Raspbery, … Từ đó nhóm chúng em đã tìm
hiểu và đi đến quyết định chọn đề tài: “ Hệ thống phân loại cà chua dựa trên màu
sắc và khối lượng” bằng phương pháp xử lý ảnh trên phần mềm Matlab.

1.2

MỤC TIÊU
Với mục tiêu tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng của xử lý ảnh trong thực tế. Từ

đó thiết kế và thi cơng hệ thống phân loại cà chua theo màu sắc và cân nặng, trong
đó sử dụng webcam để thực hiện thu nhận hình ảnh cà chua rồi gửi dữ liệu vào máy

tính để tiến hành xử lý phân loại màu sắc. Với bộ xử lý trung tâm là Arduino nano
sẽ có chức năng cân khối lượng cà chua, và đưa cà chua đến nơi phân loại dựa vào
nhận dữ liệu xử lý phân loại cà chua từ máy tính.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

Nội dung 1: Tìm hiểu về Arduino, phần mềm Matlab, Webcam.

-

Nội dung 2: Kết nối Arduino với Matlab, Webcam với Matlab, các thiết bị
ngoại vi với Arduino

-

Nội dung 3: Thiết kế buồng nhận biết màu sắc và cân nặng.

-

Nội dung 4: Thiết kế mơ hình tồn hệ thống.

-

Nội dung 5: Xây dựng lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển hệ
thống.

-

Nội dung 6: Thi cơng hồn chỉnh hệ thống điện, cho hệ thống chạy thử

nghiệm và tiến hành hiệu chỉnh.

-

Nội dung 7: Viết báo cáo luận văn.

-

Nội dung 8: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4

GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
-

Đề tài chỉ tập trung vào việc phân loại màu sắc và khối lượng của cà chua
(đỏ, vàng, xanh), không đánh giá chất lượng, mức độ chin của cà chua.

-

Ảnh được chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường.

-

Đề tài được giới hạn trong mơ hình thu nhỏ.

-

Tốc độ xử lý chậm.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5

BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan
Đăt vấn đề liên quan đến đề tài, mục tiêu hoàn thành, nội dung nghiên cứu,
giới hạn của đề tài và bố cục.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Giới thiệu về xử lý ảnh, không gian màu của ảnh, các vấn đề trong xử lý ảnh.
Chương 3: Thiết Kế Hệ Thống
Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, thiết kế từng khối. Sơ đồ kết nối phần
cứng, nguyên lý hoạt động.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Thi cơng lắp đặt mơ hình hệ thống, trình bày lưu đồ giải thuật, viết chương
trình điều khiển hệ thống.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá
Trình bày kết quả đạt được và những gì chưa làm được, đưa ra nhận xét và
đánh giá về sản phẩm
Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH
Xử lý ảnh (XLA) là đối tượng nghiên cứu của lĩnh vực thị giác máy, là quá

trình biến đổi từ một ảnh ban đầu sang một ảnh mới với các đặc tính và tuân theo ý
muốn của người sử dụng. Xử lý ảnh có thể gồm q trình phân tích, phân lớp các
đối tượng, làm tăng chất lượng, phân đoạn và tách cạnh, gán nhãn cho vùng hay q
trình biên dịch các thơng tin hình ảnh của ảnh.
Cũng nhờ xử lý dữ liệu bằng đồ hoạ, xử lý ảnh số là một lĩnh vực của tin học
ứng dụng. Xử lý dữ liệu bằng đồ họa đề cập đến những ảnh nhân tạo, các ảnh này
được xem xét nhờ là một cấu trúc dữ liệu và được tạo bởi các chương trình. Xử lý
ảnh số bao gồm các phương pháp và kỹ thuật biến đổi, để truyền tải hoặc mã hố
các ảnh tự nhiên. Mục đích của xử lý ảnh gồm:
•

Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh.

•

Tự động nhận dạng ảnh, đốn nhận ảnh, đánh giá các nội dung của ảnh.

Nhận biết và đánh giá các nội dung của ảnh là sự phân tích một hình ảnh thành
những phần có ý nghĩa để phân biệt đối tương này với đối tương khác, dựa vào đó ta

có thể mơ tả cấu trúc của hình ảnh ban đầu. Có thể liệt kê một số phương pháp nhận
dạng cơ bản nhờ nhận dạng ảnh của các đối tương trên ảnh, tách cạnh, phân đoạn
hình ảnh,… Kỹ thuật này được dùng nhiều trong y học (xử lý tế bào, nhiễm sắc thể),
nhận dạng chữ trong văn bản. 1.2 Các quá trình.
Xử lý ảnh hiện nay là một trong những lĩnh vực được quan tâm và chú trọng
đầu tư, là một lượng kiến thức cơ bản giúp cho các kỹ sư kỹ thuật và cử nhân công
nghệ thông tin áp dụng vào làm việc trong thực tế. Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng
trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu nhận từ các thiết bị như camera,
webcam… Do đó, xử lý ảnh đã được ứng dụng và phát triển trong rất nhiều lĩnh vực
quan trọng như:
-

Trong lĩnh vực quân sự: xử lý và nhận dạng ảnh quân sự.

-

Trong lĩnh vực giao tiếp người máy: nhận dạng ảnh, xử lý âm thanh, đồ họa.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Trong lĩnh vực an ninh, bảo mật: nhận diện khuôn mặt người, nhận diện vân tay,
mẫu mắt.

-

Trong lĩnh vực giải trí: trị chơi điện tử.

-

Trong lĩnh vực y tế: Xử lý ảnh y sinh, chụp X quang, MRI, công cụ hướng dẫn
cho người mù và phương tiện đi lại tự trị.

Hình 2.1: Các bước cơ bản trong xử lý ảnh

Thu nhận ảnh: Đây là công đoạn đầu tiên mang tính quyết định đối với quá trình
XLA. Ảnh đầu vào sẽ được thu nhận qua các thiết bị nhờ camera, sensor, máy
scanner,v.v… và sau đó các tín hiệu này sẽ được số hóa. Việc lựa chọn các thiết bị
thu nhận ảnh sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các đối tượng cần xử lý. Các thơng số
quan trọng ở bước này là độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và tốc
độ thu nhận ảnh của các thiết bị.
Tiền xử lý: Ở bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu,
khử bóng, khử độ lệch,v.v… với mục đích làm cho chất lượng ảnh trở lên tốt hơn
nữa, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn về sau trong quá trình XLA. Quá
trình này thường được thực hiện bởi các bộ lọc.
Phân đoạn ảnh: phân đoạn ảnh là bước then chốt trong XLA. Giai đoạn này
phân tích ảnh thành những thành phần có cùng tính chất nào đó dựa theo biên hay các
vùng liên thông. Tiêu chuẩn để xác định các vùng liên thơng có thể là cùng màu, cùng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

mức xám v.v… Mục đích của phân đoạn ảnh là để có một miêu tả tổng hợp về nhiều
phần tử khác nhau cấu tạo lên ảnh thơ. Vì lượng thơng tin chứa trong ảnh rất lớn,
trong khi đa số các ứng dụng chúng ta chỉ cần trích một vài đặc trưng nào đó, do
vậy cần có một q trình để giảm lượng thơng tin khổng lồ đó. Q trình này bao
gồm phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu.
Biểu diễn ảnh: Kết quả của bước phân đoạn ảnh thường được cho được dạng
dữ liệu điểm ảnh thơ, trong đó hàm chứa biên của một vùng ảnh, hoặc tập hợp tất cả
các điểm ảnh thuộc về chính vùng ảnh đó. Trong cả hai trường hợp, sự chuyển đổi
dữ liệu thô này thành một dạng thích hợp hơn cho việc xử lý trong máy tính là rất
cần thiết. Để chuyển đổi chúng, câu hỏi đầu tiên cần phải trả lời là nên biểu diễn
một vùng ảnh được dạng biên hay được dạng một vùng hoàn chỉnh gồm tất cả
những điểm ảnh thuộc về nó. Biểu diễn dạng biên cho một vùng phù hợp với những
ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trong hình dạng bên ngồi của đối
tượng, ví dụ như các góc cạnh và điểm uốn trên biên chẳng hạn. Biểu diễn dạng
vùng lại thích hợp cho những ứng dụng khai thác các tính chất bên trong của đối
tượng, ví dụ như vân ảnh hoặc cấu trúc xương của nó. Sự chọn lựa cách biểu diễn
thích hợp cho một vùng ảnh chỉ mới là Đồ án tốt nghiệp Khoa CNTT-Trường
ĐHDL Hải Phòng 8 một phần trong việc chuyển đổi dữ liệu ảnh thơ sang một dạng
thích hợp hơn cho các xử lý về sau. Chúng ta còn phải đưa ra một phương pháp mơ
tả dữ liệu đã được chuyển đổi đó sao cho những tính chất cần quan tâm đến sẽ được
làm nổi bật lên, thuận tiện cho việc xử lý chúng.
Nhận dạng và nội suy ảnh: Đây là bước cuối cùng trong q trình XLA.
Nhận dạng ảnh có thể được nhìn nhận một cách đơn giản là việc gán nhãn cho các
đối tượng trong ảnh. Ví dụ đối với nhận dạng chữ viết, các đối tượng trong ảnh cần
nhận dạng là các mẫu chữ, ta cần tách riêng các mẫu chữ đó ra và tìm cách gán đúng
các ký tự của bảng chữ cái tương ứng cho các mẫu chữ thu được trong ảnh. Giải
thích là cơng đoạn gán nghĩa cho một tập các đối tượng đã được nhận biết.
Cơ sở tri thức: ảnh là một đối tượng phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung
lượng điểm ảnh, môi trường thu nhận ảnh, dẫn đến ảnh bị nhiễu. Trong nhiều khâu xử
lý và phân tích ảnh ngồi việc đơn giản hóa các phương pháp tốn học đảm bảo tiện lợi

cho việc xử lý, người ta còn mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh
theo cách của con người. Trong các bước xử lý đó, nhiều khâu hiện nay đã xử

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
lý theo các phương pháp trí tuệ con người. Vì vậy, các cơ sở tri thức được phát huy
và phát triển.[4]
Chúng ta cũng có thể thấy rằng, không phải bất kỳ một ứng dụng XLA nào
cũng bắt buộc phải tuân theo tất cả các bước xử lý đã nêu ở trên, ví dụ như các ứng
dụng chỉnh sửa ảnh nghệ thuật chỉ dừng lại ở bước tiền xử lý. Một cách tổng quát
thì những chức năng xử lý bao gồm cả nhận dạng và giải thích thường chỉ có mặt
trong hệ thống phân tích ảnh tự động hoặc bán tự động, được dùng để rút trích ra
những thơng tin quan trọng từ ảnh, ví dụ như các ứng dụng nhận dạng ký tự quang
học, nhận dạng chữ viết tay v.v…

2.2

KHƠNG GIAN MÀU CỦA ẢNH
Các khơng gian màu là một mơ hình tốn học dùng để mô tả các màu sắc

trong thực tế được biểu diễn dưới dạng số học. Ở đây nhóm sẽ chỉ đề cập đến một
số không gian màu chủ yếu và thường sử dụng để biểu diễn ảnh như: RGB, HSV,
CMYK, HSL, HIS.
Trong đó, RGB và HSV là hai khơng gian màu cơ bản và ứng dụng nhiều
nhất. Trong đề tài này sử dụng ảnh thu thập từ webcam có khơng gian màu RGB
chuyển đổi sang HSV rồi sau đó xử lý.

2.2.1 Không gian màu RGB
RGB là một không gian màu cơ bản trong xử lý ảnh, được sử dụng phổ biến
cho việc xử lý và lưu trữ dữ liệu ảnh số. Không gian màu này khá gần với cách mắt
người tổng hợp màu sắc. Nguyên lý cơ bản là sử dụng 3 màu sắc cơ bản R (red đỏ), G (green - xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả các màu sắc.Mỗi
điểm ảnh đều là sự pha trộn của 3 màu sắc này.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2:Khơng gian màu RGB [8]
Khơng gian màu RGB được chuẩn hóa như sau:
Cường độ: I =
+ +

(2.1)

3

Màu đỏ chuẩn hóa: r =

(2.2)
+ +

Màu xanh lá cây chuẩn hóa: g =

(2.3)
+ +

Màu xanh dương chuẩn hóa: b =

(2.4)
+ +

Ta có thể thấy, trong khơng gian màu này thì: b = 1 – r – g. Do đó, chỉ cần
nhìn vào hai thành phần r và g để biểu diễn không gian màu RGB, thành phần thứ
ba sẽ khơng cịn giá trị và có thể được bỏ qua. Thường thì hai thành phần màu R và
G được giữ lại, cịn thành phần B thì bị bỏ đi.
Mơ hình màu RGB được biểu diễn bởi khối lập phương với các trục R, G, B
như sau:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3:Hệ tọa độ màu RGB [8].
Nếu như một ảnh số được mã hóa bằng 24bit, nghĩa là 8bit cho kênh R, 8bit
cho kênh G, 8bit cho kênh B, thì mỗi kênh màu này sẽ nhận giá trị từ 0-255. Với
mỗi giá trị khác nhau của các kênh màu kết hợp với nhau ta sẽ được một màu khác
nhau, như vậy mơ hình RGB có thể biểu diễn hơn 16 triệu màu.
Chẳng hạn màu đen là sự kết hợp của các kênh màu (R, G, B) với giá trị
tương ứng (0, 0, 0), màu trắng có giá trị (255, 255, 255), màu vàng có giá trị (255,
255, 0), màu đỏ có giá trị (255, 0, 0), màu xanh lục có giá trị (0, 255, 0), màu xanh

lam có giá trị (0, 0, 255) và một số màu khác. Tính chất cần chú ý của khơng gian
màu này đó là tính bất biến đối với bề mặt, kết hợp với phép chuyển đổi đơn giản từ
không gian màu RGB cơ bản mà không gian màu RGB chuẩn hóa ngày càng được
sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nhận dạng.
Tuy nhiên, do tính tương quan cao giữa các kênh, giá trị cảm nhận không
đồng nhất, sự pha trộn giữa dữ liệu thành phần màu và dữ liệu về độ sáng mà không
gian màu RGB không được ưa chuộng sử dụng cho việc phân tích màu cũng như
trong các thuật tốn nhận dạng dựa trên màu sắc.[8]

2.2.2 Khơng gian màu HSV
HSV là không gian màu được dùng nhiều trong việc chỉnh sửa ảnh, phân tích
ảnh và một phần của lĩnh vực thị giác máy tính. Hệ khơng gian này dựa vào 3 thông số
sau để mô tả màu sắc: H = Hue: màu sắc; S = Saturation: độ đậm đặc, sự bảo hòa; V =
Value: giá trị cường độ sáng. Hàm rgb2hsv và hsv2rgb chuyển đổi ảnh giữa các

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
không màu RGB và HSV. Khơng gian màu này thường được biểu diễn dưới dạng
hình trụ hoặc hình nón [8].

Hình 2.4: Khơng gian màu HSV.
Đi theo vòng tròn từ 0 - 360 độ là trường biểu diễn màu sắc (H). Theo như cách
biểu diễn không gian màu theo hình trụ như trên, giá trị độ sáng (V) được biểu diễn
bằng cách đi từ dưới đáy hình trụ lên và nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Ở đáy hình trụ V
có giá trị là 0 là tối nhất và trên đỉnh hình trụ thì V có giá trị là 1 là độ sáng lớn nhất. Đi
từ tâm hình trụ ra ngồi mặt trụ là giá trị bão hịa của màu sắc (S) có giá trị từ 0 đến 1.

Giá trị S = 0 ứng với tâm hình trụ là chỗ mà màu sắc nhạt nhất, giá trị

S = 1 ở ngoài mặt trụ là nơi mà giá trị màu sắc đậm đặc nhất.
Như vậy ứng với mỗi giá trị (H, S, V) sẽ cho ta một màu sắc mà ở đó mơ tả
đầy đủ thơng tin về màu sắc, độ đậm đặc và độ sáng của màu đó. [8]

2.3 NHỮNG VẤN ĐỀ TRONG XỬ LÝ ẢNH
2.3.1 Điểm ảnh [5]
Là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bức ảnh kỹ thuật số. Địa chỉ của điểm
ảnh được xem như là một tọa độ (x, y) nào đó. Một bức ảnh kỹ thuật số, có thể được
tạo ra bằng cách chụp hoặc bằng một phương pháp đồ họa nào khác, được tạo nên
từ hàng ngàn hoặc hàng triệu pixel riêng lẻ. Bức ảnh càng chứa nhiều pixel thì càng
chi tiết. Một triệu pixel thì tương đương với 1 megapixel.

2.3.2 Ảnh số [5]
Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả
ảnh gần với ảnh thật. Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh. Ảnh có độ phân giải
càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặt điểm của tấm ảnh càng làm cho tấm ảnh

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
trở nên thực và sắc nét hơn. Một hình ảnh là một tín hiệu hai chiều, nó được xác
định bởi hàm tốn học f(x, y) trong đó x và y là hai tọa độ theo chiều ngang và
chiều dọc. Các giá trị của f(x, y) tại bất kỳ điểm nào là cung cấp các giá trị điểm ảnh
(pixel) tại điểm đó của một hình ảnh.

2.3.3 Phân loại ảnh [5]
Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng, gán bằng một giá trị tại điểm đó.
Các mức ảnh xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256. Mức được sử dụng thông
dụng nhất là 265, tức là dùng 1byte để biểu diễn mức xám. Trong đó:
-

Ảnh nhị phân: Là ảnh có 2 mức trắng và đen, chỉ có 2 giá trị 0 và 1 và chỉ sử
dụng 1 bit dữ liệu trên 1 điểm ảnh.

-

Ảnh đen trắng: Là ảnh có hai màu đen, trắng (khơng chứa màu khác) với mức
xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau.

-

Ảnh màu: Là ảnh kết hợp của 3 màu cơ bản lại với nhau để tạo ra một thế giới
màu sinh động. Người ta thường dùng 3byte để mô tả mức màu, tức là có
khoảng 16,7 triệu mức màu.

2.3.4 Quan hệ giữa các điểm ảnh [5]
Lân cận điểm ảnh: được nói một cách hài hước như là hàng xóm của các
điểm ảnh. Có 2 loại lân cận cơ bản là lân cận 4 và lân cận 8.

Hình 2. 5: Các lân cận ảnh.

4 điểm ảnh lân cận 4 theo cột và hàng với tọa độ lần lượt là (x+1, y), (x-1, y),
(x,y+1), (x, y-1) ký hiệu là tập N4(p). 4 điểm ảnh lân cận 4 theo đường chéo có tọa
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11