Chương 1: Tổng quan. Chương này giới thiệu về đề tài sẽ nghiên cứu, bao gồm lý do chọn đề tài, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu và những giới hạn trong phạm vi của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Phần cơ sở lý thuyết đề cập đến các nội dung lý thuyết, kiến thức, tổng quan về xử lý ảnh và các khái niệm cơ bản cần quan tâm trong xử lý ảnh, ngôn ngữ lập trình Python và thư viện OpenCV, PLC.
Giới thiệu về các phần mềm được sử dụng trong đề tài. Chương 3: Thiết kế hệ thống Trình bày chi tiết về yêu cầu của hệ thống. Thiết kế phần cứng, sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng, sơ đồ trình tự thiết kế phần mềm. Ngoài ra, nhóm thể hiện và giải thích lưu đồ giải thuật của phần mềm.
Chương 4: Kết quả Chương này cho thấy các kết quả đạt được của đề tài. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Trong chương này, nhóm rút ra kết luận từ những kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo trong tương lai. -3- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.
Tổng quan về xử lý ảnh Xử lý ảnh được coi là một trong những ngành quan trọng trong lĩnh vực khoa học máy tính và kỹ thuật điện tử, có sức ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều khía cạnh của cuộc sống. Trong thời đại hiện nay, khi mà công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, việc quan tâm và đầu tư vào lĩnh vực xử lý ảnh cũng được thể hiện rõ qua sự chú ý của con người với tầm ảnh hưởng to lớn của nó. Lịch sử xử lý ảnh bắt nguồn từ hai ứng dụng: nâng cao chất lượng thông tin hình ảnh và xử lý dữ liệu máy tính. Lần sử dụng đầu tiên của nó là vào năm 1920 để truyền thông tin hình ảnh giữa London và New York qua Cáp Burt Lane.
Vào những năm 1950, sự phát triển về chất lượng hình ảnh được cải thiện bắt đầu, đồng thời các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu số hóa hình ảnh. Trong thời gian này, các kỹ thuật số hóa hình ảnh cơ bản đầu tiên đã được phát triển. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, khái niệm xử lý ảnh vẫn chưa được dư luận quan tâm, do máy tính thời đó chưa có khả năng thực hiện nhiệm vụ này. Từ năm 1964, công nghệ vi tính đã phát triển và có khả năng xử lý ảnh mặt trăng khi trở về trái đất bởi các thiết bị quay của tàu vũ trụ Ranger 7 của Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, California) như: làm nổi bề mặt và lưu trữ ảnh.
Đây là một trong những thành tựu tiêu biểu nhất của xử lý ảnh. Đây là một trong những thành tựu tiêu biểu nhất trong lĩnh vực xử lý ảnh. Song song với việc sử dụng nó trong khám phá không gian, các ứng dụng xử lý ảnh như thiên văn học, giám sát tài nguyên trái đất và thiên văn học cũng xuất hiện vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970. Cho đến nay, xử lý ảnh đã có những bước tiến vượt bậc trong nhiều lĩnh vực khoa học, từ ứng dụng đơn giản đến nâng cao.
Khái niệm về quá trình xử lý ảnh Xử lý ảnh là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn nào đó. Kết quả đầu ra thường là một ảnh tốt hơn (hình ảnh được nâng cao chất lượng theo một tiêu chí nào đó theo cảm nhận của con người) hoặc phân tích ảnh để thu được các thông tin đặc trưng nhằm đưa ra kết luận cho việc phân loại, nhận biết ảnh,… -4- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 1 Quá trình xử lý ảnh 2. Các bước cần thiết trong quá trình xử lý ảnh a.
Thu thập ảnh: Trong hệ thống xử lý ảnh số số, camera là thiết bị rất quan trọng có nhiệm vụ quan sát và thu nhận hình ảnh đầu vào của hệ thống. Nó thường được xem như một hộp đen trải qua quá trình chuyển đổi để chuyển đổi hình ảnh sang định dạng có thể lưu trên máy tính. Các bước xử lý này bao gồm phát xạ ánh sáng, thấu kính, cảm biến, thành phần quang điện và bộ số hóa, tất cả đều được phối hợp để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số cuối cùng. Điều đặc biệt quan trọng trong nhận dạng ảnh là đặc tính thời gian của camera, do đó quá trình xử lý ảnh đóng vai trò như một máy quét trong hệ thống nhận dạng ảnh.
Hình ảnh kỹ thuật số được chụp bởi một cảm biến hình ảnh có thể chuyển đổi thông tin về cường độ ánh sáng và mức xám của hình ảnh thực tế thành tín hiệu điện áp ở dạng tương tự. Tín hiệu này được số hóa để trở thành tín hiệu số. Cảm biến thường bao gồm hai thành phần chính. Thành phần đầu tiên tạo ra tín hiệu điện ở đầu ra tỷ lệ thuận với lượng năng lượng nhận được.
Thành phần thứ hai là bộ số hóa, một phần tử chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tùy thuộc vào thành phần số hóa (về cơ bản là bộ chuyển đổi ADC), có các tín hiệu có số bit khác nhau: 4 bit, 8 bit, 10 bit, 12 bit. hoặc bạn sẽ có được một hình ảnh có 16.256 mức xám khác nhau. Tiền xử lý ảnh Sau khi ảnh số được thu thập dưới dạng tín hiệu số, cần phải trải qua giai đoạn tiền xử lý.
Chức năng chủ yếu của tiền xử lý là cải thiện ảnh, nâng cao các tính chất của ảnh giúp cho các quá trình xử lý về sau được thuận tiện hơn. Các bước tiền xử lý cơ bản bao gồm tăng cường độ tương phản, lọc nhiễu,. -5- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c. Phân vùng ảnh Bước xử lý tiếp theo là phân đoạn hình ảnh.
Khi hình ảnh được cải thiện, chúng trở nên phù hợp hơn cho việc xác định ngưỡng và phân đoạn. Nhiệm vụ chính của việc phân ngưỡng và phân đoạn ảnh là chia ảnh đầu vào thành các đối tượng và đối tượng riêng biệt. Kết quả của quá trình phân đoạn ảnh là một chuỗi các điểm ảnh được đánh số riêng lẻ được liên kết với các đối tượng. Điều này rất hữu ích cho việc xử lý tiếp theo.
Đầu ra của quá trình phân đoạn hình ảnh là các điểm ảnh chưa được lọc có chứa vùng hoặc khả năng kết nối của tất cả các pixel trong vùng đó. Dữ liệu này phải được chuyển đổi sang định dạng phù hợp để máy tính xử lý. Đây là phần phức tạp, khó khăn nhất trong quá trình xử lý ảnh và dễ xảy ra lỗi, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của ảnh. Kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào bước này.
Biểu diễn và mô tả Sau khi một hình ảnh được phân đoạn thành các vùng của các đối tượng riêng biệt, mỗi vùng được đại diện và mô tả ở dạng phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo như: xác định các đặc trưng hình học của đối tượng: dựa trên cơ sở đối tượng đã được xác định và phân biệt, ta có thể thực hiện xác định các đặc trưng hình học của mỗi đối tượng đấy, như: vị trí, kích thước, hướng,. và số đối tượng hay mật độ đối tượng trong ảnh. Phần trình bày liên quan đến đặc điểm của hình ảnh và thuộc tính vùng. Mô tả đề cập đến việc trích xuất thông tin định lượng giúp phân biệt một lớp đối tượng với lớp khác.
Nhận dạng và nội suy Sau khi hình ảnh được phân đoạn thành các vùng của các đối tượng riêng biệt, mỗi vùng được biểu diễn và mô tả theo định dạng phù hợp để xử lý tiếp. Ví dụ: Xác định thuộc tính hình học của đối tượng: Dựa trên các đối tượng đã xác định và phân biệt, bạn có thể xác định các thuộc tính hình học của từng đối tượng như vị trí, kích thước, hướng. số lượng đối tượng hay mật độ đối tượng trong ảnh. Phần trình bày này mô tả các thuộc tính hình ảnh và thuộc tính vùng.
Mô tả đề cập đến việc trích xuất thông tin định lượng để phân biệt một loại đối tượng này với một loại đối tượng khác.Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…). -6- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT f. Cơ sở tri thức (Knowledge Base) Như đã đề cập trước đó, hình ảnh là những đối tượng rất phức tạp về đường nét, độ sáng và dung lượng điểm ảnh và môi trường phong phú mà chúng được chụp sẽ gây ra nhiễu. Ở nhiều giai đoạn xử lý và phân tích hình ảnh, ngoài việc đơn giản hóa các kỹ thuật toán học để thuận tiện cho việc xử lý, người ta muốn mô phỏng quá trình tiếp nhận và xử lý hình ảnh theo cách của con người.
Nhiều bước xử lý này hiện được xử lý bằng phương pháp trí tuệ của con người. Đây là nơi nền tảng kiến thức phát huy tác dụng. Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh a. Ảnh Thông tin về vật thể hay quang cảnh được chiếu sáng mà con người quan sát và cảm nhận được bằng mắt và hệ thống thần kinh thị giác.
Biểu diễn ảnh về mặt toán học có dạng: F(x, y) với x, y là tọa độ không gian 2 chiều và F là độ lớn của độ chói (ảnh đơn sắc), màu (đối với ảnh màu). Vì x và y biến thiên liên tục nên F cũng sẽ biến thiên liên tục. Điểm ảnh( Picture Element) Hình ảnh trong tự nhiên là những tín hiệu liên tục về giá trị không gian và độ sáng. Để máy tính lưu trữ và hiển thị hình ảnh, con người phải chuyển đổi các tín hiệu liên tục này thành một số hữu hạn tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lượng tử hóa và lấy mẫu các thành phần giá trị.
Điều này đã dẫn đến khái niệm về điểm ảnh (pixel). Điểm ảnh là đơn vị cơ bản nhất để tạo ra những bức ảnh kỹ thuật số. Địa chỉ của điểm ảnh được biểu thị dưới dạng tọa độ (x, y) cụ thể. Điểm ảnh được biểu diễn dưới dạng I(x,y).
trong đó I là mức xám của điểm ảnh và (x, y) là tọa độ của điểm ảnh này. Ảnh kỹ thuật số được tạo bằng cách chụp hoặc xử lý đồ họa khác được tạo thành từ hàng triệu điểm ảnh riêng lẻ. Mật độ điểm ảnh của ảnh càng cao thì ảnh sẽ càng có nhiều chi tiết. 2 Một điểm ảnh -7- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c.