Đang tải... (xem toàn văn)
TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung đã thực hiện: • Đọc và tìm hiểu lý thuyết Anoto dot pattern, tìm hiểu các giải thuật xử lý ảnh và phát triển giải thuật decode pattern thu được từ camera. • Thiết kế và thực hiện phần cứng bút thông minh. Bút có chức năng decode được vị trí của bút trên giấy, phát nhạc file wav. • Xây dựng chương trình in dot pattern lên giấy, có thể điều chỉnh kích thước và mật độ dot pattern phù hợp với yêu cầu phần cứng. • Xây dựng chương trình xử lý ảnh trên PC bằng ngôn ngữ C, từ đó nhúng xuống MCU ARM, tối ưu bộ nhớ và tốc độ với các thuật toán đã thực hiện trên vi xử lý ARM. Kết quả cần đạt được: • Thực hiện chức năng chấm đọc cơ bản của bút thông minh. Nội dung bài báo cáo gồm có 5 chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài: Chương này trình bày sơ lược về đề tài, những mục tiêu, nhiệm vụ và tình hình hiện tại của luận văn. Chương 2: Lý thuyết: Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về coding pattern, giới thiệu các thư viện được sử dụng. Chương 3: Thiết kế và thực hiện. Chương này trình bày các thiết kế về phần cứng của bút chấm đọc. Đồng thời trình bày quy trình hệ thống hoạt động, các giải thuật xử lý ảnh được sử dụng, các giải thuật tác giả tự thiết kế và áp dụng lên bút thông minh. Chương 4: Kết quả thực hiện. Trình bày kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm của hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Trình bày về ưu và khuyết điểm của đề tài, những điều đạt được và những hạn chế của đề tài so với mục tiêu đề ra. Đồng thời qua đó nêu lên hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ o0o LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BÚT CHẤM ĐỌC GVHD:Th.S BÙI QUỐC BẢO SVTH: TRẦN MINH TÂM MSSV: 41002868 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc. ✩ ✩ Số: ______ /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1. HỌ VÀ TÊN: TRẦN MINH TÂM MSSV: 41002868 2. NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : DD10DV567 3. Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BÚT CHẤM ĐỌC” 4. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): 5. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 03/09/2014 6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2014 7. Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn Giáo viên: Th.S BÙI QUỐC BẢO Toàn bộ luận văn Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn ThS. Bùi Quốc Bảo đã gợi ý đề tài cũng như hướng dẫn tận tình để giúp tôi hoàn thành luận văn. Cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử nói riêng và Khoa Điện-Điện tử nói chung đã tạo điều kiện giúp đỡ và giảng dạy nhiệt tình trong suốt các năm học qua. Xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị, các bạn và các em trong Câu lạc bộ Nghiên Cứu Khoa Học Khoa Điện-Điện tử, Đại học Bách Khoa TPHCM Pay It Forward đã đồng hành, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn. Đặc biệt xin cảm ơn đến gia đình đã luôn hỗ trợ và động viên giúp tôi có động lực để phấn đấu trong học tập và cuộc sống. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014. Sinh viên TRẦN MINH TÂM 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO TÓM TẮT LUẬN VĂN - Nội dung đã thực hiện: • Đọc và tìm hiểu lý thuyết Anoto dot pattern, tìm hiểu các giải thuật xử lý ảnh và phát triển giải thuật decode pattern thu được từ camera. • Thiết kế và thực hiện phần cứng bút thông minh. Bút có chức năng decode được vị trí của bút trên giấy, phát nhạc file wav. • Xây dựng chương trình in dot pattern lên giấy, có thể điều chỉnh kích thước và mật độ dot pattern phù hợp với yêu cầu phần cứng. • Xây dựng chương trình xử lý ảnh trên PC bằng ngôn ngữ C, từ đó nhúng xuống MCU ARM, tối ưu bộ nhớ và tốc độ với các thuật toán đã thực hiện trên vi xử lý ARM. - Kết quả cần đạt được: • Thực hiện chức năng chấm đọc cơ bản của bút thông minh. Nội dung bài báo cáo gồm có 5 chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài: Chương này trình bày sơ lược về đề tài, những mục tiêu, nhiệm vụ và tình hình hiện tại của luận văn. Chương 2: Lý thuyết: Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về coding pattern, giới thiệu các thư viện được sử dụng. Chương 3: Thiết kế và thực hiện. Chương này trình bày các thiết kế về phần cứng của bút chấm đọc. Đồng thời trình bày quy trình hệ thống hoạt động, các giải thuật xử lý ảnh được sử dụng, các giải thuật tác giả tự thiết kế và áp dụng lên bút thông minh. Chương 4: Kết quả thực hiện. Trình bày kết quả đạt được về phần cứng và phần mềm của hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Trình bày về ưu và khuyết điểm của đề tài, những điều đạt được và những hạn chế của đề tài so với mục tiêu đề ra. Đồng thời qua đó nêu lên hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO MỤC LỤC 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: 1.1.1 Tổng quan về bút thông minh: Bút thông minh là thiết bị có thể định vị chính xác vị trí trên giấy viết bằng nhiều loại công nghệ khác nhau, và ứng dụng của bút thông minh cũng rất rộng, từ những bút ghi nhận chữ viết của người, các loại bút cảm ứng (stylus), các bút chấm đọc. 1.1.2 Các công nghệ được sử dụng trong bút thông minh: Công nghệ bút thông minh đã có một lịch sử phát triển dài, đã được áp dụng qua nhiều công nghệ, từ đó tạo nên nhiều dòng dòng sản phẩm với các tính năng và chất lượng đa dạng: • Công nghệ siêu âm: Hình 1.1. IRIS Note Executive - Thiết bị gồm một bút và một bộ thu phát. Bộ thu phát thường được gắn vào giữa, phía trên vùng cần ghi chép. Mục đích của bộ thu phát là nó sẽ phát các sóng siêu âm ra vùng không gian mà người dùng đang đặt bút. Trên ngòi bút sẽ có một loại chất liệu đặc biệt mà khi sóng siêu âm chạm vào nó sẽ phản xạ trở lại bộ thu phát, chú ý rằng bộ thu phát sẽ gồm phía thu và phía phát không cùng nằm một vị trí. Việc xác định thời gian truyền – phản xạ và tính góc nhận về sẽ xác định được vị trí của viết trên giấy. 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO - Ưu điểm của thiết bị này là hoạt động được trên nhiều bề mặt (miễn là gắn được bộ thu – phát), bút có thể không cần dùng pin (vì bút chỉ là một thiết bị thụ động), tuy nhiên với việc các tính năng của bút ngày càng mở rộng thì việc dùng pin và gắn các ngoại vi lên bút là chuyện không thể tránh khỏi. - Nhược điểm của thiết bị này so với các công nghệ khác là giữa bút và bộ thu phát cần có khoảng trống để sóng siêu âm truyền, vì thế cách đặt bút và cách cầm bút của người dùng cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng của bút. • Công nghệ camera (optical): Hình 1.2. Livescribe Smartpen - Thiết bị gồm một bút có gắn camera hồng ngoại, và giấy viết được in sẵn các dot pattern. Loại dot pattern này được in bằng một loại mực đặc biệt mà nó sẽ hấp thu toàn bộ ánh sáng hồng ngoại, vì thế chúng ta sẽ hoàn toàn không thấy các dot pattern có trên giấy. Các dot pattern có thể chứa nhiều thông tin, một trong các thông tin quan trọng nhất đó là tọa độ của chính pattern đó, cũng chính là tọa độ của bút khi chấm lên các pattern. Viết sẽ đọc pattern khi được chấm xuống bề mặt, giải mã pattern đó và suy ra được vị trí của bút trên bề mặt giấy. - Ưu điểm của thiết bị này là phần cứng dễ thực hiện, độ chính xác có thể tùy biến dựa vào mật độ các dot pattern. - Tuy nhiên thiết bị này cũng có các nhược điểm như giấy phải được in sẵn các dot pattern. • Ngoài ra còn rất nhiều công nghệ khác như công nghệ dùng cảm biến gia tốc, công nghệ Active (sử dụng trường điện từ và bộ dao động LC trên bút để phát hiện vị trí), công nghệ Trackball pen (sử dụng một đầu bi – giống như chuột máy tính), tuy nhiên hai công nghệ camera và siêu âm hiện tại đang có ưu điểm hơn cả. 1.1.3 Tình hình nghiên cứu hiện tại 1.1.3.1 Tình hình ngoài nước: 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO Bút thông minh là thiết bị được sử dụng phổ biến ở nhiều nước phát triển. Bút thông minh được nhiều công ty nước ngoài phát triển như Livescribe, Polyvision, Maxell, LogiTech,… với các công nghệ sử dụng và ứng dụng rất đa dạng, từ các thiết bị hỗ trợ học tiếng anh, hỗ trợ ghi chép đến các thiết bị tích hợp nhiều tính năng. 1.1.3.2 Tình hình trong nước: Ở nước ta, nghiên cứu và chế tạo bút thông minh vẫn còn là một lĩnh vực mới và chưa được quan tâm. Các sản phẩm smartpen ở nước ta hầu hết là các sản phẩm nhập từ Trung Quốc, ứng dụng còn hạn chế, chỉ tập trung vào ứng dụng chấm đọc, các thiết bị hỗ trợ học tiếng anh… 1.2NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Mục tiêu chung của luận văn là tiến tới thiết kế một bút chấm đọc đơn giản nhưng vẫn có được đầy đủ các tính năng, cụ thể là bút có thể xác định chính xác vị trí trên giấy, phát một file nhạc theo ý muốn, có độ chính xác và tốc độ tương đối, đồng thời xây dựng các công cụ hỗ trợ việc kiểm tra hoạt động của bút và công cụ để thiết kế các thành phần của bút. - Xây dựng phần cứng của bút chấm đọc, phần cứng phải đảm bảo tính chất nhỏ gọn, có thể cầm nắm được, đồng thời phần cứng phải hỗ trợ các tính năng cũng như khả năng xử lý các tác vụ của bút chấm đọc. - Tìm hiểu hoạt động của camera CMOS, vi điều khiển ARM Cortex M4, thẻ nhớ SD, chip DAC, chip cảm biến gia tốc, module bluetooth và cách kết nối, truyền tải dữ liệu giữa chúng. - Nghiên cứu và áp dụng các giải thuật coding pattern, lựa chọn loại coding phù hợp với phần cứng và khả năng triển khai. Đồng thời thiết kế một công cụ để tạo ra kho pattern mẫu, và một công cụ để xuất pattern mẫu đó ra giấy. - Nghiên cứu các giải thuật xử lý ảnh để tiền xử lý hình ảnh thu về từ camera CMOS. - Thực hiện các bộ lọc ảnh để loại bỏ nhiểu, áp dụng thuật toán nhận diện cạnh để phân đoạn các vật thể, thuật toán chuyển ảnh từ ảnh màu sang ảnh xám, thuật toán chuyển từ ảnh xám sang ảnh binary, thuật toán phát hiện và tách các đối tượng, thuật toán lọc thông minh các đối tượng. - Xây dựng một thuật toán có thể giải mã ra tọa độ của bút dựa vào thông tin thu được từ việc xử lý ảnh. - Sử dụng SD card và chip DAC để có thể xuất âm thanh, nghiên cứu giải thuật để chạy file mp3, wav. - Xây dựng ứng dụng bút chấm đọc dựa vào các tính năng nêu trên. 10 [...]... pointer chỉ số byte đã đọc thành công (dùng để kiểm tra đã hết file hay chưa) 21 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO 22 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO CHƯƠNG 3 THI T KẾ VÀ THỰC HIỆN 3.1 TỔNG QUAN VỀ THI T KẾ: Sản phẩm bút thông minh sẽ gồm 5 phần chính: coding pattern, thi t kế phần cứng và thuật toán xử lý ảnh, thuật toán decode pattern và ứng dụng bút chấm đọc 3.2 CODING PATTERN:... các dấu chấm Bề mặt giấy được chia ra làm nhiều "Code Windows" Việc decode các "Code Windows" ta sẽ tính ra được tọa độ x và y của vị trí đang decode Việc xác định coding pattern cùng với các tiêu chí kĩ thuật phù hợp với ứng dụng thực tế, ta sẽ có các khó khăn chính sau: Khó khăn đầu tiên là việc xác định kích thước của các chấm Vì các chấm càng nhỏ thì việc tạo các chấm và cách decode các chấm càng... tương ứng cho vị trí trục X và vị trí trục Y Bảng giá trị được cho như sau: Mark value 1 2 3 4 - Cell value a b c d x -code 1 0 1 0 y -code 1 1 0 0 Bảng 2.1 Giá trị của x -code và y -code tương ứng với mark value Với việc chia ra x -code và y -code cho mỗi symbol Ta sẽ có được 2 thông tin độc lập cho mỗi symbol Mỗi vị trí sẽ được mã hóa bởi 4x4 điểm, vị trí sẽ bao gồm tọa độ X và tọa độ Y Việc mã hóa một... trên đường DIN 3.3.4.2 Thi t kế khối DAC trên bút chấm đọc: Mạch nguyên lý khối DAC PCM5141: Hình 3.13 Mạch nguyên lý khối DAC PCM5141 • Khối DAC: - Nguồn: 3.3V - Input: Các chân I2C để điều khiển, các chân I2S (LRCK, DIN, BCK, SCK) để truyền tín hiệu âm thanh - Output: Hai đường tín hiệu audio left và right 34 Luận văn tốt nghiệp - GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO Ở đây chip DAC được thi t kế để hoạt động với... động tác chấm đọc của người sử dụng 3.3.5.3 Chức năng, mục đích sử dụng: Việc bố trí cảm biến gia tốc trên bút chấm đọc nhằm thực hiện hai chức năng: + Phát hiện được động tác chấm của người dùng, khi phát hiện được người dùng có chấm xuống mặt phẳng giấy, MCU sẽ đọc tín hiệu ngắt pulse từ cảm biến gia tốc và quyết định có phải là hành động chấm của người dùng hay không + Đo góc nghiên của bút so với... sẽ được chia thành các code windows F với đặc tính là mỗi code windows sẽ bao gồm 4*4 điểm, các code windows kề nhau về trục x sẽ có một cột chung • Ví dụ: code windows F(0,0) sẽ bao gồm các chuỗi bit từ các cột K0, K1, K2, K3 và các chuỗi bit từ các hàng R0, R1, R2, R3 Và code windows kề theo đường chéo của F(0,0) sẽ là code windows F(1,1) có các tọa độ cột là K3, K4, K5, K6 và các tọa độ hàng tương... trình generate x -code pattern Như đã trình bày ở phần lý thuyết, do dot pattern được mã hóa với các trục x và trục y riêng độc lập với nhau nên ta có thể viết từng hàm riêng cho mã hóa x -code và y -code 25 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S BÙI QUỐC BẢO Hình 3.4 Giải thuật chương trình generate y -code pattern 3.2.3 Chương trình in pattern lên giấy: Chương trình có chức năng đọc file “encoded pattern.txt”,... đương với vị trí ngắn nhất là 25.4mm/100 = 254um) Khoảng cách giữa mark và điểm trung bình là bằng nhau đối với các symbol Cũng trong các thi t kế mẫu, khoảng cách giữa các mark và điểm trung bình là 50um Thông thường khoảng cách giữa mark và điểm trung bình được chọn tầm 1/6 khoảng cách giữa các virtual raster Và khoảng các được chọn vào tầm 1/8 đến 1/4 Nếu chọn khoảng cách bé hơn 1/8 ta sẽ rất khó khăn... được 2 ma trận 4*4 cho x-coding và y-coding x -code: 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 y -code: 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 Bảng 2.4 x -code và y -code trong ví dụ Từ x -code, tra theo các hàng dọc, ta có được giá trị sau: 2 0 4 6 Hiệu tương ứng cho mỗi cột là: 2 4 2, modulo cho 7 ta được: 5 4 2 Đây là một số đa cơ số có giá trị tương ứng là: (5-3)*8 + (4-3)*2 + (2-1) = 19 Code windows đầu tiên có position... lại, khi kích thước của các chấm tăng lên thì độ phân giải sẽ bị giảm xuống đáng kể Khó khăn tiếp theo là việc thực thi trên phần cứng có giới hạn Vì khi decode các pattern có thuật toán cũng như được mã hóa phức tạp thì cần phần cứng xử lí mạnh cũng như là giải thuật decode tối ưu Qua việc cân nhắc các khó khăn ở trên và qua một thời gian tìm kiếm kĩ càng Tác giả đã tìm hiểu và quyết định sử dụng một . hướng dẫn: Phần hướng dẫn Giáo viên: Th.S BÙI QUỐC BẢO Toàn bộ luận văn Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH PHẦN