Mục lục - repository.vnu.edu.vnrepository.vnu.edu.vn/bitstream/VNU_123/15146/1/V_L0_01848.pdf3.2.4. Biến đổi không gian màu .....Error! Bookmark not defined. 3.2.4.1. Biến

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 toán ............................................................................................. 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 ................................................................. 18

2.1.2.1. Một số khái niệm..................................................................................... 18

2.1.2.2. Biểu diễn ảnh .......................................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2.3. Biến đổi ảnh ............................................ Error! Bookmark not defined.

2.1.2.4. Biểu diễn màu ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2.5. Tổng hợp màu và sánh màu .................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2.6. Hệ toạ độ màu ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.2. Một số phương pháp biểu diễn ảnh ....................... Error! Bookmark not defined.

2.2.1. Mã loạt dài ..................................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.2. Mã xích .......................................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.3. Mã tứ phân ..................................................... Error! Bookmark not defined.

2.3. Một số lý thuyết xử lý và nhận dạng ..................... Error! Bookmark not defined.

Nguyễn Văn Thắng – Luận văn thạc sĩ giới thiệu về vi kẹp

2

2.3.1. Lý thuyết xử lý ảnh 2D .................................. Error! Bookmark not defined.

2.3.1.1. Khảo sát trực tiếp trong miền không gian điểm ảnh:Error! Bookmark

not defined.

2.3.1.2. Thực hiện phép biến đổi không gian: ..... Error! Bookmark not defined.

2.3.2. Nâng cao chất lượng ảnh ................................ Error! Bookmark not defined.

2.3.2.1. Khôi phục ảnh ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.2.2. Tăng cường ảnh ....................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.3. Phân đoạn ảnh và tìm biên ảnh ...................... Error! Bookmark not defined.

2.3.3.1. Khái niệm biên ảnh và phương pháp xác định biênError! Bookmark

not defined.

2.3.3.2. Kỹ thuật phân đoạn ảnh .......................... Error! Bookmark not defined.

Chương 3 ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

CÁC CÔNG CỤ XỬ LÝ ẢNH CỦA MATLAB ........ Error! Bookmark not defined.

3.1. Công cụ thu nhận ảnh ............................................ Error! Bookmark not defined.

3.1.1. Công cụ thu nhận ảnh là gì? ........................... Error! Bookmark not defined.

3.1.2. Các bước cơ bản để thu nhận ảnh (Image Acquisition Toolbox) .......... Error!

Bookmark not defined.

3.2. Công cụ xử lý ảnh ................................................. Error! Bookmark not defined.

3.2.1. Công cụ xử lý ảnh là gì? ................................ Error! Bookmark not defined.

3.2.2. Ảnh trong Matlab và công cụ xử lý ảnh......... Error! Bookmark not defined.

3.2.3. Các loại ảnh trong công cụ xử lý ảnh của MatlabError! Bookmark not

defined.

3.2.3.1. Ảnh nhị phân ........................................... Error! Bookmark not defined.

3.2.3.2. Ảnh chỉ số (Indexed) ............................... Error! Bookmark not defined.

3.2.3.3. Ảnh cường độ (Intensity) ........................ Error! Bookmark not defined.

3.2.3.4. Ảnh màu thực(Truecolor) ....................... Error! Bookmark not defined.

3.2.4. Biến đổi không gian màu ............................... Error! Bookmark not defined.

3.2.4.1. Biến đổi ảnh sang lớp single ................... Error! Bookmark not defined.

3.2.4.2. Biến đổi ảnh sang lớp các số nguyên không dấu 8 bitError! Bookmark

not defined.

3.2.4.2. Biến đổi ảnh sang lớp các số nguyên không dấu 16 bit .................. Error!


3.2.5. Đọc và ghi dữ liệu ảnh ................................... Error! Bookmark not defined.


3

3.2.5.1. Đọc dữ liệu ảnh từ tệp ............................. Error! Bookmark not defined.

3.2.5.2. Ghi dữ liệu ảnh vào tệp ........................... Error! Bookmark not defined.

3.2.6. Hiển thị và khám phá ảnh .............................. Error! Bookmark not defined.

3.2.6.1. Hiển thị ảnh ............................................. Error! Bookmark not defined.

3.2.6.2. Khám phá ảnh ......................................... Error! Bookmark not defined.

3.2.7.Tính toán ảnh .................................................. Error! Bookmark not defined.

3.2.7.1. Các quy tắc làm tròn trong tính toán ....... Error! Bookmark not defined.

3.2.7.2. Kết hợp các lời gọi các hàm tính toán ảnhError! Bookmark not

defined.

Chương 4 ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

THỰC NGHIỆM .......................................................... Error! Bookmark not defined.

4.1. Các phương pháp đo đạc, xử lý số liệu trong thực nghiệmError! Bookmark not

defined.

4.1.1. Khảo sát chuyển động của vi kẹp .................. Error! Bookmark not defined.

4.1.1.1. Các thuật toán để tìm L ........................... Error! Bookmark not defined.

4.1.1.2. Kết quả mô phỏng các thuật toán ............ Error! Bookmark not defined.

4.2. Kết quả thực nghiệm ............................................. Error! Bookmark not defined.

4.2.1. Hoạt động của hệ thống thực nghiệm ............ Error! Bookmark not defined.

4.2.2.1. Giao diện của chương trình ..................... Error! Bookmark not defined.

4.2.2.2. Cấu hình cho cổng Com .......................... Error! Bookmark not defined.

4.2.2.3. Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh ......... Error! Bookmark not defined.

4.2.3. Giao tiếp giữa chương trình và mạch điều khiển vi kẹpError! Bookmark

not defined.

4.2.4. Kết quả của chương trình điều khiển vi kẹp .. Error! Bookmark not defined.

4.2.4.1. Điều khiển tay kẹp tự động ..................... Error! Bookmark not defined.

4.2.4.2. Điều khiển tay kẹp bằng tay .................... Error! Bookmark not defined.

Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 18

Phụ lục .......................................................................... Error! Bookmark not defined.

1. Mã chương trình cho giao diện cấu hình cho cổng COMError! Bookmark not

defined.

2. Mã chương trình cho giao diện thiết lập cấu hình cho thiết bị thu ảnh ........... Error!


3. Mã chương trình cho giao diện đìều khiển vi kẹp ... Error! Bookmark not defined.


4


5

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


6

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 thông 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 S3Error! Bookmark not

defined.

Hình 2.4. Hệ tọa độ ba màu RGB ...................... Error! Bookmark not defined.

Hình 2.5 Ảnh nhị phân và các biểu diễn mã loạt dài tương ứng. ............... Error!


Hình 2.6. Hướng các điểm biên và mã tương ứng.Error! Bookmark not

defined.

A 111 110 000 001 000 110 101 100 011 100 010 001Error! Bookmark not

defined.

Hình 3.1. Các thành phần của công cụ xử lý ảnh.Error! Bookmark not

defined.

Hình 3.2. Cửa sổ preview – xem dòng dữ liệu đầu vàoError! Bookmark not

defined.

Hình 3.4. Dữ liệu được nhận ngay khi khởi động đối tượngError! Bookmark

not defined.


7

Hình 3.6. Đưa dữ liệu vào không gian làm việc của Matlab ............................................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7. Các giá trị điểm trong ảnh nhị phân... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Ảnh chỉ số ........................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3. 9: Ảnh cường độ ................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.10 Ảnh màu ............................................ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ điều khiển vi kẹp ....... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.2 Hệ thống điều khiển vi kẹp ................. Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 3. (a) Ảnh gốc (b). Ảnh sau khi lấy biênError! Bookmark not

defined.

Hình 4.4 Khoảng cách giữa hai đầu vi kẹp là L Error! Bookmark not defined.

Hình 4.5. Tọa độ và kích thước của ảnh ............ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán quét lùi ................... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.7. Các tọa độ cần xác định của ảnh ........ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.8 Ảnh phóng to của một bên kẹp khi đường biên không trơn ........ Error!


Hình 4.9 Kết quả khảo sát thuật toán quét trái phải.Error! Bookmark not

defined.

Hình 4.10 Kết quả khảo sát thuật toán quét lùi. Error! Bookmark not defined.

Hình 4.11. Ảnh dùng để khảo sát các thuật toán Error! Bookmark not defined.

Hình 4. 12: Lưu đồ thuật toán điều khiển vi kẹp Error! Bookmark not defined.

Hình 4.13. Giao diện chính của chương trình điều khiển vi kẹp ................ Error!


Hình 4.14. Cấu hình phương thức truyền cho cổng COMError! Bookmark not

defined.

Hình 4.15 Cấu hình cho thiết bị thu nhận ảnh ... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.16 Thu 9 ảnh liên tiếp – thực hiện 1 lần triggerError! Bookmark not

defined.

Hình 4.17 Thu 9 ảnh liên tiếp – thực hiện 9 lần triggerError! Bookmark not

defined.

Hình 4.18 : Ảnh của một phần vi kẹp chụp qua kính hiển viError! Bookmark

not defined.

Hình 4.19. Quá trình tay kẹp tiến lại kẹp vật ..... Error! Bookmark not defined.


8

Hình 4.20. Điều khiển vi kẹp trong chế độ điều khiển bằng tay ........................................Error! Bookmark not defined.

Hình 4.22. Điều khiển tay phải của vi kẹp ........ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.23. Điều khiển cả hai tay kẹp ................. Error! Bookmark not defined.


9

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

thông 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 toán đưa ra quyết định quay trở lại điều khiển

chuyển động của vi kẹp đó.

Từ những ý tưởng ban đầu đó thì cần yêu 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


10

Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ HỆ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN VI KẸP

1.1 Sự hình thành bài toán

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 công 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 không 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 toán

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

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

PC

CAMERA

Kính hiển vi

Vi kẹp

Mạch điều khiển


11

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

thông 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 môi

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 công 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 không gian địa lý mà có nghĩa về sự thay đổi

thang độ, kích thước của môi 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 polymer-

silicon 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


12

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

Như vậy là vi kẹp có gắn cảm biến áp điện trở có hai thông 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 quá 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]


13

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 không khí khi

có thế DC đặt tới chấp hành điện nhiệt. Độ dịch chuyển này là tổng số dịch chuyển


14

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

Công suất tiêu thụ của nguồn được tính dựa trên điện áp và dòng tương ứng trên vi

chấp hành điện nhiệt. Hình 1.6 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp khi tương ứng

với công 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 công 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


15

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

thông 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


16

kẹp vào vật tại điện áp khoảng 3.75 V. Sau đó lực tiếp xúc được tăng tới 135

mN tại điện áp ứng dụng là 4.5 V.

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.


17

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 quá trình xử lý ảnh có thể mô tả ở

hình 2.1.

Trước hết là quá 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 hoá (loại CCD - Charge Coupled Device).

Hình 2.1. Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh

Camera

Thu nhận ảnh

Sensor

Số hóa Phân

tích ảnh Nhận dạng

Lưu trữ Hệ Q.định

Lưu trữ


18

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 quá trình số hoá (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.

Quá 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 không thể không 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.


19

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.

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 mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả

nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính chủ yếu của đối

tượng. Có hai kiểu mô 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 hoá quá 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.


20

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 hoá, người ta

biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về

không gian) và lượng tử hoá, thành phần giá trị về nguyên tắc sao cho bằng mắt thường

không phân biệt được hai điểm kề nhau.

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

1. Th.s Nguyễn Hoàng Hải – Th.s Nguyễn Việt Anh (2005), Lập trình matlab và ứng

dụng (dùng cho sinh viên khối khoa học kỹ thuật) NXB KHKT

2. Lương Mạnh Bá – Nguyễn Thanh Thủy Nhập môn xử lý ảnh số NXB KHKT

Tiếng Anh

3. Chu Duc Trinh (2007) sensing microgripper for microparticles handing phD thesis

delft university of Technology, The Neitherland

4. RGB color space http://www.rgbworld.com/color.html

5. Trợ giúp trực tuyến matlab http://www.mathworks.com/

6. Color principles- hue, saturation, and value

http://ncsu.edu.scivis/lesson/colormodels/color_models2.html#(HSV)

7. Stephen J. Chapman, (2001) “Matlab programming for engineer (second edition)”

8. Matlab toàn tập htttp://www.scribd.com/doc/2540653/matlab_toantap

9. A john Wiley & Son,inc Publication. Tinku Acharya and Ajoy kray. Image proceesing:

principles and application

10. Elisabet perez and bahram javidi “image processing techniques for automatic road

sign indentification and tracking”

http://www.rgbworld.com/color.html

http://www.mathworks.com/

http://ncsu.edu.scivis/lesson/colormodels/color_models2.html#(HSV)

Documents

Mục lục - repository.vnu.edu.vnrepository.vnu.edu.vn/bitstream/VNU_123/15146/1/V_L0_01848.pdf3.2.4. Biến đổi không gian màu .....Error! Bookmark not defined. 3.2.4.1. Biến