Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu phân loại trứng cút dùng phương pháp xử lý ảnh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu phân loại trứng cút bằng phương pháp xử lý ảnh, ứng dụng công nghệ hiện đại trong nông nghiệp.

• Tác giả: Đỗ Hoàng Sơn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu phân loại trứng cút dùng phương pháp xử lý ảnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc phân loại trứng cút bằng phương pháp xử lý ảnh, một ứng dụng tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến. Mục tiêu chính là phát hiện vết nứt trên vỏ trứng cút thông qua công nghệ xử lý hình ảnh kết hợp với mạng nơ-ron, nhằm nâng cao hiệu quả phân loại trứng tự động.

1.1. Lý do chọn đề tài

Trứng cút là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng, nhưng việc phân loại trứng hiện nay chủ yếu dựa vào thủ công, gây mệt mỏi và giảm năng suất. Phương pháp xử lý ảnh kết hợp với trí tuệ nhân tạo được đề xuất để giải quyết vấn đề này, đặc biệt là phát hiện vết nứt trên vỏ trứng, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng trứng.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm phát triển một hệ thống tự động phân loại trứng cút dựa trên xử lý ảnh và mạng nơ-ron. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân tích hình ảnh trứng cút để phát hiện vết nứt, với dữ liệu đầu vào là các ảnh tĩnh được chụp dưới ánh sáng LED.

II. Tổng quan về trứng cút và phương pháp phân loại

Phần này trình bày các đặc điểm cấu tạo và dinh dưỡng của trứng cút, cùng với các tiêu chuẩn phân loại trứng theo chất lượng. Nghiên cứu cũng đề cập đến các phương pháp kiểm tra trứng hiện có, bao gồm phương pháp phá hủy và không phá hủy, cùng với ưu nhược điểm của từng phương pháp.

2.1. Đặc điểm và tiêu chuẩn phân loại trứng cút

Trứng cút có kích thước nhỏ nhưng hàm lượng dinh dưỡng cao. Các tiêu chuẩn phân loại trứng dựa trên hình dạng, vết nứt, và chất lượng vỏ. Phương pháp kiểm tra không phá hủy, như phân tích âm thanh và quang phổ kế, được ưu tiên trong sản xuất công nghiệp.

2.2. Các phương pháp kiểm tra trứng hiện có

Các phương pháp kiểm tra trứng bao gồm kỹ thuật cơ học (lực nén), kỹ thuật quang phổ, và quan sát bằng camera. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu đảm bảo chất lượng trứng trước khi đưa ra thị trường.

III. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Phần này giới thiệu các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh số, mạng nơ-ron, và cách chúng được áp dụng trong việc phát hiện vết nứt trên trứng cút. Nghiên cứu sử dụng mạng nơ-ron lan truyền ngược nhiều lớp (MLP) để phân tích histogram của ảnh trứng, từ đó xác định sự hiện diện của vết nứt.

3.1. Xử lý ảnh số và ứng dụng

Xử lý ảnh số bao gồm các kỹ thuật như chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám, tăng độ tương phản, và tách biên. Những kỹ thuật này giúp cải thiện chất lượng ảnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích và nhận dạng vết nứt.

3.2. Mạng nơ ron và thuật toán học máy

Mạng nơ-ron được sử dụng để huấn luyện mô hình dựa trên dữ liệu histogram của ảnh trứng. Thuật toán lan truyền ngược giúp tối ưu hóa các trọng số trong mạng, nâng cao độ chính xác của việc phân loại trứng.

IV. Thực nghiệm và kết quả đạt được

Nghiên cứu tiến hành thử nghiệm với các ảnh trứng cút được chụp dưới ánh sáng LED vàng, trắng, và đỏ. Kết quả cho thấy ánh sáng vàng mang lại hiệu quả tốt nhất trong việc phát hiện vết nứt, với độ chính xác trung bình đạt 86,54%.

4.1. Quy trình thực nghiệm

Quy trình bao gồm việc thu thập ảnh trứng, xử lý ảnh để tạo histogram, và huấn luyện mạng nơ-ron. Các thử nghiệm được thực hiện trên nhiều cấu trúc mạng khác nhau để tìm ra mô hình tối ưu.

4.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả cho thấy mạng nơ-ron 3 lớp với 768 ngõ vào đạt độ chính xác cao nhất. Phương pháp đề xuất có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp phân loại trứng tự động, giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc kết hợp xử lý ảnh và mạng nơ-ron trong việc phát hiện vết nứt trên trứng cút. Kết quả mở ra hướng phát triển cho các hệ thống phân loại trứng tự động trong tương lai.

5.1. Kết luận

Phương pháp đề xuất đạt độ chính xác cao và có thể ứng dụng trong thực tế. Việc phát hiện vết nứt thành công là bước đầu tiên trong việc xây dựng hệ thống phân loại trứng cút tự động.

5.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện tốc độ xử lý và độ chính xác của hệ thống, cũng như mở rộng ứng dụng cho các loại trứng khác như trứng gà và trứng vịt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiên của đề tài nghiên cứu. Trang v * Phần 2: Tổng quan Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đền dé tài; nêu những vân dé còn tôn tại; chi ra những vân đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. * Phần 3: Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực hiện Trình bày các cơ sở lý thuyết, lý luận, giả thuyết khoa học và phương pháp nghiên cứu đã được sử dụng trong luận văn. * Phần 4: Thực nghiệm và kết quả đạt được Mô tả ngăn gọn công việc nghiên cứu khoa học đã tiên hành, các sô liệu thực nghiệm của luận văn.

s* Phan 5: Ket luận và kiên nghị những nghiên cưu tiệp theo Trình bày những kết quả đạt được của luận văn và đưa ra kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên kết quả đạt được. Trang vi LOI CAM DOAN Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn nay là kết qua làm việc của tôi dưới sự hướng dẫn của Thay PGS.TS Nguyễn Tan Tiến, Thay TS. Nguyễn Duy Anh, ngoại trừ các phần tham khảo từ các tài liệu khác được ghi rõ trong luận văn. Đỗ Hoàng Sơn Trang Vii MUC LUC LỜI CAM ƠN,.

ác HH HH HH ga ii TOM TAT LUẬN VĂN. +: t2 2 HH HH re iv LOL CAM ĐOAN. cách HH go vi MUC LUC 4]Ả. vil DANH MỤC CÁC CHU VIET TAT VA KÝ HIBU .eeeeesceseessessessssssecsesneeseeseesnecnecsnseneeneeaneeseeneenseaes ix DANH MỤC HINH.--- - 2c 2t 2É th HH HH tk.

xiii DANH MỤC BANG Wu. 1 Phần 2: TONG QUAN. G11 1111111111 111111111111 T01 TT Tàn ru 4 2. Tổng quan về trứng - trứng cút và một số tiêu chuẩn phân loại trứng.

Đặc điểm chung về trứng và tring CÚT. Một số yêu tố cơ ban ảnh hưởng đến chất lượng trứng. Tiêu chuẩn đánh giá, phân loại chất lượng trứng. Một số phương pháp kiểm tra và phân loại chất lượng trứng.

Tổng quan về một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoai nước có liên quan đến dé tài. Các vấn để còn tÔn tại.ss<s<cs+esvseesevseksesrserserksereeorserresesesserrssre 13 2. Các van đề cân tập trung giải quyết của đề tài.---- 5: 5222222 13 Phan 3: CƠ SỞ LY THUYET VÀ PHƯƠNG PHAP THUC HIEN. Cơ sở lý thuyt ec c ccc cccccccssscseessscssssessssesscsssussesessssesssssessssessssesesseessscstesssesseses 14 3.

Giới thiệu về ảnh SỐ.---¿-:-5xc+ct+ExEx 2 2E EE211. Giới thiệu về xử lý ảnh SỐ. ¿6-5-5 252 St 3E E2EEE2EEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrkrkrrrrkrrrrees 17 3. Các ứng dụng cơ bản của công nghệ xử lý ảnh sỐ.

Mang NO TOI. Giới thiệu về nơ ron sinh NOC. óc - S6 SE E3 SE SE E$ESESEEEEESESEEEEEESEEEESEEkrkErsrrkrke 26 3. Cầu trúc và thuật toán cơ bản mang nơ ron máy tính.

Một số ứng dụng cơ bản của mạng no ron và trong xử lý ảnh. eee 34 Trang Vill 3. Ứng dụng xử lý ảnh và mang no ron giải quyết van dé của dé tài. 34 Phan 4: THUC NGHIỆM VA KẾT QUÁ ĐẠT ĐƯỢC.- -- -Sek kề SnHk Tnhh 44 4.

Xây dựng chương trình tổng thỂ. Thu thập và xử lý tập mẫu. ------- ¿52 ©2+E2E+E2ESEEESE2E2E2E212EE1E 2121112111112 re. Dùng thuật toán di truyền tìm cau trúc mạng .----¿- - ¿++52+x+sz+z+xvzszrerxez 51 VN 0c con ốc.

Kết qua dat QUOC .cecccccccccccsccscsssesessssessssesuesesucsssussesesscscsussssssssstsissesusscsuescseassesneses 54 Phan 5: KET LUẬN VA KIÊN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. Kết luận về kết quả của để tài. Những van dé còn tồn tại và hướng phát triển của dé tài .---- 5555: 59 DANH MỤC CONG TRÌNH CONG BO CUA TÁC GIẢ.¿-¿- 5c5+2c2xerxervervrrrrervea 63 DANH MỤC TAI LIEU THAM KHẢO. 64 PHAN LÝ LICH TRÍCH NGANG .cccccccccccoceccsceccececcseesescsecscsecscsceecsceccaesecacsecacsececaeeacscacscecaeeeaces 66 Trang 1x DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giai thich ANN Artifical Neural Network bpp Bit per pixel CCD Charge-coupled device CMOS Complimentary Metal-Oxide Semiconductor CR Crossover Rate DIP Digital Image Proccessing HSV Hue — Saturation — Value IEC International Egg Commission MLP MultiLayer Perceptron MR Mutation Rate RGB Red — Green — Blue GA Genetic Algorithm NST Nhiém sac thé Giai thich f%y),g(%y), dy) Giá tri cường độ diém anh tại vi tri x, y L Mức xám cua ảnh Trang xi Vƒ Gradient cua anh IVF Độ lớn gradient cua anh Hướng cua gradient Mat na trượt (mat nạ cuộn) Ham gaussian tai vi tri x, y Hệ sô tri trung bình ham gaussian Phuong sai Mang No ron Giai thich Giá trị hàm tong Hàm kích hoạt Giá trị ngõ ra thực tế Giá trị ngõ ra mong muốn Sai số giữa dự và y; Hàm sai số (mục tiêu) Giá tri ngõ ra tại mỗi nút Giá trị trọng số Số gia của giá trị trọng số Momentum Learning rate Trang xi Giai thích Biên nhiêm sắc thê SO cá thê trong quân thê Chiêu dài nhị phân NST Trang Xiil DANH MỤC HÌNH Hình 2-1: Cau tạo chung của trứng [4]|.- - ¿+ ¿5552 S£+x+E#EE+E#EEEEEEEEEEEEEEEEEESEEEkrkrrkrkrrrrkrrrrrrerrre 4 Hình 2-2: Hình roi trứng ga loại AA, A và B [Í7].

vn H ng knnHvkkrt 7 Hình 2-3: Quan sát bên trong trứng [Ø].---- - 5 + E13 3 11191111 1 1n nu ng ve 8 Hình 2-4: Kiểm tra trứng bằng lực nén [ O].- - ¿+ ¿2 ¿+52 S£+E+E#EE£E#EEEEEESEEExexerrxererxrrrrrrerrre 9 Hình 2-5: Kiểm tra trứng bằng phân tích âm thanh [ 1 Ï].-- - 25+ 2 ++s+£+>++x+xz+xvrzxexezszrxes 9 Hình 2-6: Đồ thị phân tích đáp ứng âm thanh của trứng gà [ Í l].--¿- 25252 >s+x+xszs+xezszs2 10 Hình 2-7: Phân tích trứng bằng quang phổ kế [LO].-- --¿- ¿25252522 S£+E+E+EE£E+EezszEvrerxexerszed 10 Hình 2-8: Đồ thị phân tích trứng bằng quang phổ kế [ 1O]. --¿- + ¿2-5 +5+>x+sz>szE+xrxsxerszsd 10 Hình 2-9: Phân tích vết ban vỏ trứng [ 1O ].-- ¿5£ ¿SE SE k‡E‡EEEEEE‡k‡EEEEEEEEEEEEkEEEEk xxx 11 Hình 2-10: Phân tích vết nứt vỏ trỨng.- - ¿+ +52 SE #EE£E#EEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEkrkrkrrkrrrrrrrrrerrrei 11 Hình 3-1: Biểu dién cau trúc ảnh số 2 chiỀU.-- ¿5 5252 2E2E+EEEE#EEEEEEEEEEErEeErrxrrererrrsrrrred 14 Hình 3-2: Mô tả ảnh nhị phân. - - - --- < E1 1119111191111 HH HH HH HH kh 15 Hình 3-3: Thang mau mức xám ảnh fSbIÍ. --- - - 556 < + 1131230111 3310111 1 3 vn HH kh 15 Hình 3-4: Biểu diễn ảnh xám.

-¿- - 5c SE EE SE SE. 16 Hình 3-5: Ba màu cơ bản__RGT. -- ---- -cc c1 cọ Họ kg BE 3t 16 Hình 3-6: Sơ đồ xử lý ảnh $6 [17].---- ¿5£ 56+ SSE+EEE+E‡ESEEEEEEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEkrkrkrkrrrrkrrrrerrred 17 Hình 3-7: Cảm biển CCD và CMOS. esssssessseseesssesseesseessseeseessueesnsessnesneesneesneesneessnesnenseeseennses 17 Hình 3-8: Biểu đồ Gaus.

19 Hình 3-9: Mặt nạ cuộn gaussian 1 ChiỀU. SG BS 1S E1 K1 SE S SE TS HH TT TH TH gu 20 Hình 3-10: Chuyển từ ảnh mau sang ảnh xám [IÑ|.-- --¿- - ¿2 5+ S252 S£+x+E+EE£x+EezzEererxexerszed 21 Hình 3-11: Chuyển từ ảnh xám 8bit sang ảnh nhị phân.--- ¿5+ + 2 £+5++x+xzzszE+xrxexerszed 22 Hình 3-12: Giản đồ histogram ảnh xám.---- ¿5:5 SE 2EESE‡ESEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrkrrrrrrrrrrrrred 22 Hình 3-13: Tăng độ sáng và giản đồ hisfogram. --¿- 5: 56252 tt Ex‡EEExEEEEkrkrkrrkrrerrrrrrerrred 23 Hình 3-14: Giảm độ sáng và giản đồ hisfogram.--¿- -- 6552 S2 sSEx‡EE2xEEEEErkrkrrxrrererrrrrrrred 23 Hình 3-15: Tăng độ tương phản và giản đồ histogram. ¿5-5625 Sz+x‡EvErxeErrxrrererrrrrrrred 23 Hình 3-16: Giảm độ tương phản và giản d6 histogram.--¿-- 56 52522 ‡xvEerxzrererxrrersred 24 Hình 3-17: Tach biên bằng phương pháp Sobel và Cannyy.--- ¿5+ ¿52 +++5*+x+EzzszEsrrxesersred 24 Hình 3-18: Ứng dụng tách biên trong y hỌC.- - ¿+ ¿5 5E S£2E‡E+EEEEEEEEEEEEEEkrkrkrrkrrrrrrrrrerrred 25 Hình 3-19: Cấu trúc cơ bản một no ron sinh học [ IØ]|.-¿- ¿s52 SE + £+EEeEsEeEexsxexsezkezxz 26 Hình 3-20: Mạng nơ ron sinh học [20].

-c c c E30 1116881111183 1188 1011 vn kg 27 Hình 3-21: Sơ đồ một no ron nhân tạO. -¿- ¿c6 SE E1 SE SE SEEKEE TS KT KT TT HT ryu 27 Hình 3-22: Mang nơ ron truyền thắng 3 lớp. - ¿+ ¿5-5 5E 23S22E2E+EEEEEEEEEESEEEkrkrkrrkrrrrrrrrrrrrred 29 Hình 3-23: Sơ d6 1 perceptron .ccccccscscsssscssssessssescssssesssssscsscsesessssssscssseeesssscessssseessssessssseeessssessseeeess 30 Hình 3-24: Sơ đồ mạng MLP .scecscsscsssssscssssesssescesssessssssesscsesesssssscsssesesssscesssssessssesssssceesssseessseeeess 31 Hình 3-25: Ảnh hưởng momentum đến điểm CUC trị.--c- tt SE St S SE S HS Hs rkở 32 Hình 3-26: Sơ đồ giải thuật mạng nơ TON ML/P.- ¿5-5625 S*2x‡E‡EE‡EEEEEEEEEErkekerxrrererxrrrrrred 33 Hình 3-27: Hệ thống thu nhận anh rol frỨng CÚC.--- - - - << + SE E131 1011111 113 930111 ng ve 35 I§0i092388.- 36 Hình 3-29a: Trứng không có VẾT ỨC.-- ¿6 S92 £+E9E#EEEE#EEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEErErkrkrrrrkrrrrrrrred 43 Hình 4-1: Giao diện chương trinh .- 2G 1111111 1111 TH HH HH HH kh 44 Hình 4-2: Lưu đô thực hiện của phương phápp.------ ¿5 6552262 £x‡EvEzESEEkrxererxrrerrrrrrerrred 45 Trang xiv Hình 4-3: Góc độ quan sát trứng (A, B, C vi tri quan sát). -- - «ke xxx 46 Hình 4-4: Sơ đỗ thuật toán GA.

- 6+ tt HH nh nh ghn 52 Hình 4-5: Cầu hình mạng nơ ron 3 lớp được sử dỤng. ----- ¿5 55252 £+x‡EvEzxeEerxrrerersesersred 53 Hình 5-1: Sơ đồ ứng dụng phương pháp vào hệ thống liên tục.----¿- ¿+55 5z>s+c+zscxsserszed 60 Hình 5-2: Thực hiện với nhiều 18041154 /IEaaaa::ÝảẳẳiiddtitỞỞỞỎỐỐ. 61 Hình 5-3: Dinh vị và khoanh vùng nhiều trỨng.-----¿- ¿52+ 52 5+2 x+E+EE+E£EE+E+EvEErxeEerxzrererxesersrrd 61 Hình 5-4: Tach thành từng trứng riêng ÍẺ. --- - - 55 <3 1131230111135 1011 1E vn HH kh 62 Trang xv DANH MỤC BANG Bảng 2-1: Bang giá trị dinh dưỡng của trứng gà, trứng vit va trứng cut [5], [6 ].--‹---- 5 Bảng 2-2: Tiêu chuẩn phân loại tring [7] .-- --¿-:- ¿+ +5 S+E££E+EEE+E#EEEE+EEEEzEeEeErkrrrkrxerrrxrrrrrree 6 Bảng 3-1: Một số hàm kích hoạt nơ rOI.

(GB SE SE KEE SE SE SE TS HT H HT 28 Bảng 3-2: So sánh anh roi trứng cuit khi roi bằng ánh sáng đỏ, vàng và trắng.------- 36 Bảng 3-3: Bang so sánh histogram ánh sáng trắng của ảnh roi trứng cúT.---- -:-ss+-+s5s+¿ 39 Bảng 3-4: Bang so sánh histogram ánh sáng vàng của ảnh roi trứng CÚT.-««---<-«<<+++ 41 Bảng 4-1: Xử lý với anh roi của trứng không Vet nứt.--¿- + 2 +52 S22E+E£x+xvEerxrrrxrserrrxrree 47 Bảng 4-2: Xử lý với ảnh roi của trứng C6 VẾT 'ỨT.-¿-- ¿©5222 +EE£x#EvEEESEEEkrEerrkrrrkrsrrrrrrree 48 Bảng 4-3: Xử lý với ảnh roi của trứng bị LỆCH.- ‹- c1 2 111912 1 11 HH HH kg 50 Bảng 4-4: Kết quả thử nghiệm với mạng 3 lớp, 768 ngõ vào.---- ¿5-5252 cc2v+rrrxerrrxrree 55 Bang 4-5: Kết quả thử nghiệm với mạng 4 lớp, 768 ngõ vào.- ¿55c 52c c2v+rrrxerrrxrree 55 Bảng 4-6: Kết quả thử nghiệm với mạng 3 lớp, 512 ngõ vào.---- ¿5-52 25c cc2x+xrzxerrrxrree 56 Bảng 4-7: Kết quả thử nghiệm với mạng 5 lớp, 512 ngõ vào.- ¿5-52 2c c2v+xrzxerrrxrree 57 Bảng 4-8: Kết quả thử nghiệm với mạng 3 lớp, 256 ngõ Vào.- ¿5-5252 c‡v+xrrxerrrxrree 58 Trang | Phan 1: MO DAU Ly do chon dé tai. Năm 1964 tai thủ đô của Italia, Hội đồng quốc tế về trứng gia cầm (International Egg Commission - IEC) đã dé nghị chọn một ngày trong năm để tôn vinh giá trị dinh dưỡng tuyệt vời của trứng đối với sức khỏe con người tại hội nghị thế giới lần thứ 2 về dinh dưỡng và thực phẩm và đã được hội nghị chấp thuận. Cụ thể là hội nghị đã chọn ngày thứ sáu của tuần thứ hai trong tháng 10 hàng năm làm “Ngày thế giới về trứng gia cam” (World Egg Day). “Ngày thé giới về trứng gia cam” là sự ghi nhận và tôn vinh của con người trên toàn thế giới về giá trị tuyệt vời của trứng với sức khoẻ con người.