Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌ ĐỖ VĂN CHUYÊN ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠ Ngƣ : TS. Phạm Đức Long Thái Nguyên – 2013 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên cứu luận văn “Ứng dụng xử lý ảnh trong điều khiển cánh tay robot công nghiệp” các kết quả và dữ liệu đƣợc nêu ra là hoàn toàn trung thực dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phạm Đức Long. Mọi thông tin trích dẫn dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đƣợc viết trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực hiện tại Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên dƣới sự hƣớng dẫn của thầy TS. Phạm Đức Long. Trƣớc hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS.Phạm Đức Long, Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ để em hoàn thành tốt luận văn của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, cùng các thầy cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ quá trình làm luận văn này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp những ngƣời đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 11 năm 2013 HỌC VIÊN Đỗ Văn Chuyên Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH v Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 2 1.1. Lý thuyết về xử lý ảnh [1] 2 1.1.1. Hệ thống xử lý ảnh 2 1.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 2 1.1.3. Thu nhận ảnh và số hóa 5 1.1.4. Phân tích ảnh 5 1.1.5. Hệ quyết định 5 1.2. Thu nhận ảnh và lƣu trữ ảnh 5 1.2.1. Thu nhận ảnh[7] 5 1.2.2. Lƣu trữ ảnh 7 1.3. Phân tích ảnh 11 1.3.1. Khái niệm pixel và pixel lân cận 11 1.3.2. Một số không gian màu 11 1.3.3. Một số kỹ thuật trợ giúp xử lý ảnh 14 1.3.4. Biên và các phƣơng pháp phát hiện biên[1][4][7] 14 1.4. Biến đổi Hough 15 1.4.1. Biến đổi Hough tổng quát [9] 15 1.4.2 Biến đổi Hough tìm hình chữ nhật [11] 20 1.4.2. Biến đổi Hough tìm đƣờng tròn 23 Chƣơng 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 26 2.1. Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot công nghiệp 26 2.2. Ứng dụng robot công nghiệp trong quá trình sản xuất 27 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp 28 2.3.1. Định nghĩa robot công nghiệp 28 2.3.2. Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom) 29 2.3.3. Hệ tọa độ (Coordinate frames) 29 2.3.4. Trƣờng công tác của robot 31 2.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 31 2.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp 31 2.4.2. Kết cấu của tay máy 33 2.5. Phân loại robot công nghiệp 36 2.5.1. Phân loại theo kết cấu 36 2.5.2. Phân loại theo hệ thống truyền động 36 2.5.3. Phân loại theo ứng dụng 36 2.5.4. Phân loại theo cách thức và đặc trƣng của phƣơng pháp điều khiển 36 Chƣơng 3: ĐĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG XỬ LÝ ẢNH 38 3.1. Ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp 38 3.2. Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ ảnh. 39 3.3. Giới thiệu camera Eye-RIC 41 3.4. Xác định vị trí đối tƣợng bằng xử lý ảnh 45 3.4.1. Xác định vị trí đối tƣợng hình tròn 45 3.4.2. Xác định vị trí đối tƣợng hình vuông 47 3.4.3. Xác định vị trí đối tƣợng hình tròn lẫn với các đối tƣợng hình vuông trong mặt phẳng chi chi tiết máy 48 3.4.4. Kết quả thực nghiệm 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU/TỪ VIẾT TẮT Ý NGHĨA CCD Charge Coupled Device CMOS Conplementary Metal – Oxide – Semiconductor BMP Bitmap PCX Personal Computer Exchange RLE Run – Length – Encoded TIFF Targed Image File Format RGB Red- green- blue CMY Cyan-Magenta- Yellow HSV Hue-Saturation-Value AMF American machijne and Foundry Company NC Numerically Controlled machine tool CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) AFNOR Association Française de Normalisation RIA Robot institule of America DOF Degrees Of Freedom SCARA Selective Compliant Articulated Robot Arm AI Artificial intelligence CNN Cellular neural network PC Personal computer Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh. 2 Hình 1.2: Tọa độ P và tọa độ các điểm lân cận 11 Hình 1.3: Mô hình màu RGB. 12 Hình 1.4: và biểu diễn một đƣờng thẳng. 16 Hình 1.5: Đƣờng thẳng Hough trong trục tọa độ. 18 Hình 1.6: a) Original image b) Image after gradiant filtering 20 Hình 1.7: c) Hough array visualization d) Image with detected lines 20 Hình 1.8: Hình chữ nhật có gốc tọa độ nằm ở giữa. 21 Hình 1.9: Hình chữ nhật trong không gian Hough. 22 Hình 1.10: Ảnh nhị phân 24 Hình 1.11: Hiển thị ma trận của phép biến đổi Hough. 25 Hình 1.12: Tâm của vòng tròn với bán kính R. 26 Hình 2.1. Các tọa độ suy rộng của robot. 30 Hình 2.2: Qui tắc bàn tay phải 30 Hình 2.4. Các thành phần chính của hệ thống robot. 32 Hình 2.5. Robot kiển tạo độ Đề các. 33 Hình 2.6. Robot kiểu tọa độ trụ. 34 Hình 2.7. Robot kiểu tọa độ cầu. 34 Hình 2.8. Robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc. 35 Hình 2.9. Robot kiểu SCARA. 36 Hình 3.1. a) Vòng bi b) Vòng đệm máy 47 Hình 3.2. a) Ốc máy b) Phụ tùng máy 40 Hình 3.3. Quá trình xử lý 40 Hình 3.4. Cánh tay robot điều khiển bằng thông tin chiết xuất từ hình ảnh 41 Hình 3.5. Sơ đồ hệ thống điều khiển cánh tay robot 50 Hình 3.6. Cameta EyE Rics 42 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 3.7. Cài đặt phần mềm ứng dụng 44 Hình 3.8. Bƣớc chọn thƣ mục cài đặt 44 Hình 3.9. Kết thúc quá trình cài đặt. 45 Hình 3.10. Giao diện chính của phần mềm Eye-RIS ADK 10.2 45 Hình 3.11. Tìm tâm hình học của một hình bất kỳ. 46 Hình 3.12. Tìm đỉnh và góc lệch của hình vuông 48 Hình 3.13. Không gian thực 56 Hình 3.14. Không gian thực chỉ còn hình tròn 57 Hình 3.15. Thuật toán chung 57 Hình 3.16. Các đuối tƣợng hình tròn nằm đối xứng nhau 58 Hình 3.17. Thu ảnh hình chòn từ camera Eye-Ric 50 Hình 3.18. Kết quả sau khi xử lý 51 Hình 3.19. Kết quả tính toán 51 Hình 3.20. Thu ảnh từ camera 51 Hình 3.21. Kết quả sau khi xử lý 52 Hình 3.22. Kết quả tính toán 52 Hình 3.23. Thu ảnh từ camera 52 Hình 3.24. Kết quả thu đƣợc sau quá trình xử lý. 53 Hình 3.25. Kết quả tìm tọa độ các đỉnh và góc lệch. 53 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh đã đƣợc nghiêm cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong đời sống nhƣ trong y học xử lý ảnh xử dụng trong nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X-quang. Trong cuộc sống gia đình xử lý ảnh dùng để cải thiện chất lƣợng ảnh truyền hình. Trong Điều khiển và Tự động hóa xử lý ảnh đã có những đóng góp quan trọng đặc biệt là trong lĩnh vực Robot. Robot thông minh ngày nay không thể thiếu xử lý ảnh để thực hiện. Nhận dạng đối tƣợng ngoài môi trƣờng nói chung hay trong nhà máy xí nghiệp. Từ việc nhận dạng có thể giải quyết rất nhiều bài toán nhƣ gắp vật, tránh vật cản, dò đƣờng,…Các chƣơng trình ứng dụng nhƣ: nhận dạng mặt ngƣời, nhận dạng vân tay trong điều tra hình sự, xử lý ảnh vệ tinh, kiểm soát giao thông, xử lý ảnh chụp cắt lớp, MRI, chuẩn đoán tế bào trong y học, các chƣơng trình nhận dạng chữ viết đã đem lại nhiều ứng dụng tiện ích cho con ngƣời. Nhận dạng đối tƣợng trong ảnh là vấn đề đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Mục đích chính nhằm tìm ra những đối tƣợng trong ảnh với thời gian nhỏ nhất. Thuật toán tìm kiếm đối tƣợng dựa trên biến đổi Hough là một trong nhiều phƣơng pháp tìm kiếm đối tƣợng trong ảnh. Biến đổi Hough là một kỹ thuật có thể dùng để tách ra các đặc điểm của một hình dáng cụ thể trong một ảnh nhị phân. Đối tƣợng có thể có hình dạng bất kỳ miễn là có thể biểu diễn đƣợc bằng phƣơng trình toán. Các bài toán tìm kiếm từ những mức đơn giản nhƣ tìm đƣờng thẳng tới các bài toán phức tạp hơn nhƣ tìm hình tròn, hình elipse, hình vuông hoặc các hình phức tạp đều có thể thực hiện bằng biến đổi Hough. Luận văn bao gồm các nội dung chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Cở sở lý thuyết xử lý ảnh Chƣơng 2: Giới thiệu chung về robot công nghiệp Chƣơng 3: Điều khiển cánh tay robot bằng xử lý ảnh Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận đƣợc sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Chƣơng 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 1.1. Lý thuyết về xử lý ảnh [1] 1.1.1. Hệ thống xử lý ảnh Hệ thống xử lý ảnh điển hình thƣờng bao gồm những thành phần sau: Hình 1.1 Hệ thống xử lý ảnh Từ hình vẽ ta thấy một hệ thống xử lý ảnh bao gồm thu nhận ảnh, số hóa ảnh, phân tích ảnh và cuối cùng là quyết định (tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể mà đƣa ra quyết định phù hợp) 1.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh Một số khái niệm cơ bản - Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh đƣợc xem nhƣ là dấu hiệu hay cƣờng độ sáng tại 1 tọa độ trong không gian của đối tƣợng và ảnh đƣợc xem nhƣ là 1 tập hợp các điểm ảnh. - Mức xám, màu: Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh. Khử nhiễu - Có hai loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh. [...]... nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chƣơng trình số cũng nhƣ kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biển, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia… 2.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong quá trình sản xuất Từ khi mới ra đời robot công nghiệp đƣợc áp dụng trong. .. trƣớc, công ty Mỹ là AMF (American machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Ngƣời máy công nghiệp (Industrial Robot) Ngày nay ngƣời ta đặt tên ngƣời máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng nhƣ tay ngƣời đƣợc điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp. .. Quá trình lƣu ảnh nhằm 2 mục đích: + Tiết kiệm bộ nhớ + Giảm thời gian xử lý Việc lƣu trữ trông tin trong bộ nhớ có ảnh hƣởng rất lớn đến việc hiển thị, in ấn và xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ là một tập hợp các điểm với cùng kích thƣớc nếu sử dụng càng nhiều điểm ảnh thì bức ảnh càng đẹp, càng mịn và càng thể hiện rõ hơn chi tiết của ảnh ngƣời ta gọi đặc điểm ngày là độ phân giải Để lƣu trữ ảnh trên máy tính,... trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của con ngƣời thao tác: nó gồm có một bộ phận kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, đƣợc nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo chuyển động của tay cầm Mỹ là nƣớc sản xuất robot đầu tiên có trên là Unimate-1900 đƣợc dung trong kỹ nghệ ô tô Sau đó là các nƣớc sản xuất robot công nghiệp nhƣ Anh1967,... thì ảnh càng có nhiều màu, và càng rõ nét hơn Giá trị tiêu biểu của n là 1 (ảnh đen trắng), 4 (ảnh 16 màu), 8 (ảnh 256 màu), 16 (ảnh 65536 màu) và 24 (ảnh 16 triệu màu) Ảnh BMP 24-bit có chất lƣợng hình ảnh trung thực nhất + Chiều cao của ảnh (height), cho bởi điểm ảnh (pixel) + Chiều rộng của ảnh (width), cho bởi điểm ảnh Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 Cấu trúc tập tin ảnh. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 26 Hình 1.12: Tâm của vòng tròn với bán kính R Chƣơng 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ Robot xuất hiện từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống... ảnh và số hóa Thu nhận ảnh có thể thông qua camera Các camera có thể là tƣơng tự hoặc là camera số (loại camera kiểu CCD - Charge Coupled Device) Ảnh cũng có thể đƣợc thu qua các thiết bị khác nhƣ máy quét… Nếu nhận ảnh đƣợc là tƣơng tự nó phải đƣợc số hóa nhờ quá trình lấy mẫu và lƣợng tử hóa trƣớc khi phân tích, xử lý hay lƣu trữ ảnh 1.1.4 Phân tích ảnh Ở giai đoạn này ảnh đƣợc xử lý theo nhiều công. .. thị ảnh Color Palette (4*x bytes), x là số màu của ảnh: định nghĩa các màu sẽ đƣợc sử dụng trong ảnh Bitmap Data: lƣu dữ liệu ảnh Đặc điểm nổi bật nhất của định dạng BMP là tập tin hình ảnh thƣờng không đƣợc nén bằng bất kỳ thuật toán nào Khi lƣu ảnh, các điểm ảnh đƣợc ghi trực tiếp vào tập tin - một điểm ảnh sẽ đƣợc mô tả bởi một hay nhiều byte tùy thuộc vào giá trị n của ảnh Do đó, một hình ảnh lƣu... của robot ngày cành đƣợc nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trƣờng Đại học tổng hợp Sanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt -tay , có khả năng nhận biết và định hƣớng bàn kẹp theo vị trí vậy kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 công ty Mỹ là Cincinnati đƣa ra loại robot đƣợc điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tƣơng lai) Robot. .. 23 mạnh hơn trong sự hiện diện của các cấu trúc khác, và khám phá mạnh mẽ trong công việc này để phát hiện hình chữ nhật trong hình ảnh + Thuật toán tìm hình chữ nhật: Ý tƣởng cơ bản của thuật toán là để tìm kiếm mỗi điểm ảnh (x, y) của hình ảnh, tính toán HT của cạnh hình ảnh trong một khu vực nhất định tâm tại (x, y), tìm đỉnh có liên quan của HT, và sử dụng các điều kiện đƣợc mô tả trong mục trƣớc . theo ứng dụng 36 2.5.4. Phân loại theo cách thức và đặc trƣng của phƣơng pháp điều khiển 36 Chƣơng 3: ĐĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG XỬ LÝ ẢNH 38 3.1. Ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ ẢNH 2 1.1. Lý thuyết về xử lý ảnh [1] 2 1.1.1. Hệ thống xử lý ảnh 2 1.1.2. Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 2 1.1.3. Thu nhận ảnh và số hóa 5 1.1.4. Phân tích ảnh 5. MỞ ĐẦU Trong ngành khoa học máy tính, xử lý ảnh đã đƣợc nghiêm cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong đời sống nhƣ trong y học xử lý ảnh xử dụng trong nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X-quang. Trong cuộc