Ứng dụng thuật toán xử lý ảnh tạo véc tơ đặc tính phân loại chất lượng gạch Ceramic - Phạm Thị Ngọc Yến

Nội dung text: Ứng dụng thuật toán xử lý ảnh tạo véc tơ đặc tính phân loại chất lượng gạch Ceramic - Phạm Thị Ngọc Yến

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN XỬ LÝ ẢNH TẠO VÉC TƠ ĐẶC TÍNH PHÂN LOẠI CHẤT LƯỢNG GẠCH CERAMIC APPLICATION OF IMAGE PROCESSING TO GENERATE THE FEATURE VECTORS TO CLASSIFY THE QUALITY OF CERAMIC BRICK Đinh Văn Nhượng Phạm Thị Ngọc Yến, Trần Hoài Linh Trường CĐCN Sao Đỏ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Bài báo đã nghiên cứu và đề xuất ứng dụng một số thuật toán xử lý hình ảnh thu được từ camera số để tạo véc- tơ đặc tính phân loại chất lượng gạch ceramic. Từ ảnh của mỗi mẫu gạch véc- tơ đặc tính sẽ được tính toán và đưa ra gồm các thành phần như độ sai lệch kích thước, mẻ cạnh, sứt góc, độ vuông góc của các cạnh tương ứng và có kể đến vết sạn, vết xước bề mặt. Các véc-tơ đặc tính này có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình nhận dạng đạt hiệu quả cao. Kết quả nghiên cứu này phối hợp với mô hình mạng nơ ron logic mờ TSK, đã được kiểm nghiệm trên 340 mẫu gạch ceramic của nhà máy gạch Sao Đỏ- Hải Dương cho kết quả tốt, tỷ lệ chính xác trong phân loại đạt 97,8%. Mô hình có thể được triển khai để xây dựng các thiết bị tự động phân loại gạch ceramic một cách hiệu quả, nhằm khắc phục cách phân loại thủ công mà hiện nay các nhà máy đang thực hiện. ABSTRACT This paper proposes some algorithms to generate the feature vectors of the ceramic tiles from their image acquired from digital camera. For the picture of each ceramic tile a feature vector is calculated containing different features such as error of dimensions, chipped sides, chipped angle, the angle of correspond sides and other defects (scratches, grits). These feature vectors are later used in pattern recognition system with Takaga-Sugeno-Kang (TSK) fuzzy-neural network to detect the class of the ceramic tiles. With the accuracy about 97,8% for the testing set of data (340 samples of ceramic tiles produced by the Sao Do Ceramic Tile company in Hai Duong province). The solution can be used effectively in an automatic sorting system of ceramic tiles to replace the human workers. I. ĐẶT VẤN ĐỀ tơ đặc tính phân loại chất lượng gạch ceramic dựa trên ảnh chụp từ camera số và kết hợp Ngành sản xuất gạch ceramic ở Việt Nam mạng nơron TSK (Takaga-Sugeno-Kang) trong được hình thành cách đây 15 năm và đang đà xử lý véc-tơ đặc tính đưa ra kết quả phát triển mạnh mẽ. Từ 2 nhà máy gạch ra đời năm 1992-1994, đến năm 2005 cả nước có trên II. MÔ HÌNH CÁC BƯỚC XỬ LÝ ẢNH 2 50 nhà máy gạch với công suất 150 triệu m / năm. Đến năm 2007 các nhà máy, công ty mở rộng sản xuất, đưa công suất lên trên 200 triệu 2 m / năm. Doanh nghiệp Nhà nước chiếm 33,4%, doanh nghiệp tư nhân chiếm 45,8%, doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài chiếm 20,8% [3] Trong các dây chuyền sản xuất gạch ceramic các công đoạn của quá trình sản xuất đã được tự động hóa rất cao. Công đoạn phân loại sản phẩm còn thực hiện thủ công do con người đảm nhận trong việc xác định một số thông số kỹ thuật như: Sứt góc, mẻ cạnh, vết sạn, vết xước, vết nứt nên tỷ lệ chính xác trong phân loại chưa cao, ước chừng 94-95% [5]. Để khắc phục tồn tại này, trong bài báo tác giả đề xuất các thuật toán ứng dụng xử lý ảnh tạo véc- Hình 1. Sơ đồ khối mô hình nhiệm vụ 18
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Hình 4 là biên của đối tượng được tách 2.1 Phát hiện biên (tách đối tượng) theo phương pháp phân ngưỡng. Đã có một số phương pháp phát hiện biên được đưa ra như phương pháp toán tử Laplace, phương pháp gradient, toán tử Sobel,[1]. Hình 4. Khung đối tượng đã được tách Do các cạnh của gạch bao giờ cũng có độ cong, vênh nhất định để tiện cho việc xử lý các đặc tính ta chuyển các cạnh này gần đúng là các đường thẳng. Giả sử ta cần chuyển bộ số này Hình 2. Ảnh gốc chuyển về dạng xám về đường thẳng có dạng: Dựa vào đặc tính chênh lệch màu của nền y ax b (1) và đối tượng gạch nên ta sẽ đặt ngưỡng để phát hiện biên: [7] Các hệ số a, b được tìm theo phương pháp bình phương cực tiểu. Tức là cần tìm các hệ số a, b sao cho sai số E tính theo công thức sau đạt nhỏ nhất. 1 n E [ y ( ax b )]2 min (2) 2  ii i 1 Hình 3. Mức xám tại một hàng của ma trận ảnh Sai số E sẽ đạt cực tiểu khi a, b là nghiệm của hệ phương trình: Từ hình ảnh này ta có thể đặt ngưỡng cho việc phát hiện biên. Theo hình trên thì ngưỡng nn ()x n y đặt tốt nhất là N=100. Như vậy khi tiến hành ii ii 11 a quét ảnh từ trên xuống dưới, mức sáng sẽ tăng (3) n n b n đột ngột khi gặp đối tượng, sự thay đổi này phát 2 ()()xi  x i  x i y i hiện dựa theo ngưỡng đặt, các giá trị min, max i 1 i 1 i 1 tương ứng chính là biên đối tượng như hình 3. Kết quả hoạt động của hàm được mô tả Thuật toán cụ thể phát hiện biên trên và dưới trên hình 5. Trong đó, đường số 1 là các điểm như sau: biên cần xác định cạnh, còn đường số 2 là cạnh - Nhập ảnh đầu vào biên thẳng tính theo đường bình phương cực tiểu. - Xét lần lượt từng cột của ma trận ảnh - Xét tất cả các điểm ảnh thuộc cột này, tại điểm nào có giá trị mức xám lớn hơn giá 2 trị ngưỡng đặt trước thì lưu lại 1 - Giá trị min của tập hợp điểm này là biên của cạnh trên. Giá trị max của tập hợp điểm này là biên của cạnh dưới. Hình 5. Đường thẳng xấp xỉ theo cạnh biên 19
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 2.2 Chuẩn độ sáng 2.3 Phân tích đặc tính sứt góc mẻ cạnh Phương pháp: Chọn ảnh mẫu đầu vào có *Mẻ cạnh mức sáng giữa các phần của gạch là đều nhau, Xét mẫu gạch có vết mẻ tại cạnh như hình 9: ta chuyển đổi mức sáng của các mẫu khác theo mẫu này, quá trình chuyển đổi này được thực hiện theo hàm tuyến tính f ax b với x là mức sáng của đối tượng cần chỉnh, f là mức sáng của đối tượng sau khi chỉnh. Ứng với gạch mẫu có các giá trị độ sáng d ta tìm các hệ số a, b sao cho fd . Các hệ số a,b được xác định Hình 9. Gạch có vết sứt lớn ở cạnh theo phương pháp bình phương cực tiểu như trên cho một số điểm được lựa chọn mẫu trước Trước tiên ta sẽ chuyển ảnh về mức xám, có mức xám đặc trưng cho toàn ảnh và được sau đó lấy mức xám tại cạnh qua vết sứt ta có chọn như trên hình 6. được đồ thị như hình 10 Tuyến tính hóa mức xám tại các điểm này giữa các ảnh khác nhau ta thu được các hệ số a, b. Giả sử ảnh cần xử lý ta gặp phải là ảnh được chụp trong điều kiện độ sáng kém. Thể hiện cụ thể trong lược đồ mức xám histogram và trên bề mặt hoa văn như hình 7 [4,6]. Hình 10. Đồ thị mức xám thay đổi tại vị trí có vết sứt Để có thể đưa ra được thông số của vết sứt ta tiếp tục lọc cạnh theo phương pháp thay đổi ngưỡng. Kết quả, ta nhận được đồ thị với Hình 6. Vị trí các vùng được chọn để chuẩn sáng vết sứt được hiện lên khá rõ. Hình 7. Ảnh có ánh sáng kém và histogram Hình 11. Hình ảnh vết sứt khi lọc cạnh theo Theo lược đồ histogram thì các điểm đã phương pháp phân ngưỡng co dần về gốc 0. Độ sáng của ảnh giảm xuống rõ rệt. Kết quả sau khi chuẩn hóa mức sáng, Để xác định kích thước vết sứt, ta xác ảnh tối có mức sáng được cải thiện hơn rất nhiều. định đường thẳng xấp xỉ biên cạnh tốt nhất theo công thức bình phương cực tiểu (2). Sai lệch giữa đường thẳng được chuẩn hóa và cạnh thực tế đặc trưng đặc tính sứt góc của đối tượng như hình 12: Hình 8. Ảnh đã được chỉnh ánh sáng và histogram 20
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Lọc cạnh theo trục y ta được hình ảnh đường biên cạnh như sau: Hình 12. Đồ thị sai lệch của cạnh có vết sứt so với đường thẳng xấp xỉ Hình 15. Đồ thị vết sứt cạnh theo trục y được lọc Các vết mẻ cạnh được lọc ra và ghi lại theo phương pháp phân ngưỡng theo các thông số: Ma trận dữ liệu có cấu trúc Theo góc sứt trên ta có các thông số của gồm 4 cột, mỗi cột lưu thông số cần đưa vào góc này : Ma trận dữ liệu đưa vào mạng có mạng của 1 cạnh của đối tượng. Mỗi hàng dạng m 4 với m là số hàng ứng với mỗi hàng tương ứng biểu diễn đặc tính của một đối là đặc tính của một đối tượng gạch, 4 cột ứng tượng. Tại mỗi cạnh ta lưu tổng diện tích các với diện tích góc sứt của 4 góc. Diện tích góc vết mẻ. Đối với trường hợp cạnh cong vênh lớn sứt được tính gần đúng theo công thức: được coi như là một vết mẻ lớn. S 0,5  x  y * Sứt góc: 2.4 Phân tích đặc tính sai lệch kích thước Theo quy định thì loại gạch mà có vết sứt Sai lệch kích thước là sai lệch của các tối đa là 3÷10 (mm) thì thuộc loại 4 vì vậy ta cạnh so với chiều dài quy định và sai lệch giữa cắt các góc với các chiều theo từng cạnh là các cạnh với nhau. 15x15 (mm) để đảm bảo phân loại đúng gạch khi có góc sứt lớn Trước hết ta tính khoảng cách thật của cạnh, đó là khoảng cách giữa hai điểm góc liên tiếp của đối tượng ___ (4) Ck d( A k , A k mod 4 1 ); k 1,4; Sau đó tính kích thước chuẩn của cạnh , kích thước chuẩn này ứng với gạch loại 1. Hình 13. Hình ảnh gạch có góc sứt lớn Sai số cần lưu: Việc phát hiện góc sứt cũng tương tự như C E k (5) việc phát hiện các vết sứt cạnh, vết sứt của góc k cũng được phát hiện thông qua viêc đặt ngưỡng để phát hiện ra biên thật của cạnh tại lân cận Ma trận dữ liệu đưa vào véc-tơ đặc tính góc, đường biên này sẽ mang thông tin của vết có dạng m 4 với m là số hàng ứng với mỗi sứt. Hình ảnh vết sứt theo trục x và y của góc hàng là đặc tính của một đối tượng gạch, 4 cột sứt trên như trên hình 13. ứng với sai lệch của 4 cạnh so với chuẩn (lấy trị tuyệt đối). Sai lệch này là thông số Ek tính như Lọc cạnh theo trục x ta được hình ảnh trên. Gạch có chất lượng tốt thì tỉ lệ này sẽ xấp đường biên cạnh như sau: xỉ bằng 0. Một trong những đặc tính đi kèm với đặc tính sai lệch kích thước là đặc tính vuông góc của hai cạnh kề nhau. Hai đường thẳng y a11 x b và y a22 x b vuông góc với nhau thì tích hai hệ số góc aa 1. Trong bài 12 toán này các đối tượng xét có các cạnh gần Hình 14. Đồ thị vết sứt cạnh theo trục x được lọc song song với các trục nên các hệ số a 0 theo phương pháp phân ngưỡng 21
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 ứng với đường thẳng song song với trục x và Phương pháp thứ nhất: Trừ ảnh. Ảnh xét a ứng với đường thẳng song song với trục sẽ được so sánh và trừ đi ảnh mẫu, tại những vị y để tránh trường hợp a ta đưa dạng trí có vết sạm, xước mức sám sẽ thấp nhất sau đường thẳng về dạng sau. phép trừ, ứng dụng phương pháp lọc phân ngưỡng (threshold) ta sẽ lọc được vết sạm, Đối với đường thẳng song song với trục x xước ra. Để phương pháp này thực hiện tốt, ta đưa về dạng y a11 y b trước khi lọc vết sạm ta cần có quá trình tiền xử Đối với đường thẳng song song với trục y lý tốt. ta đưa về dạng x a22 y b Phương pháp thứ hai: Lọc dựa vào đặc tính đối xứng của hoa văn. Bản thân hoa văn Với các hệ số a 0 , vì vậy kiểm tra đặc của gạch ceramic là đối xứng qua tâm vì vậy tính vuông góc trong trường hợp này ta xét khi ta xoay gạch đi 900 hoặc 1800 thì vị trí hoa tương quan giữa hai hệ số a1 và a2 văn vẫn không thay đổi. Tiếp tục ứng dụng phương pháp trừ ảnh, trừ ảnh đối tượng xét và Cụ thể thông số lưu vào ma trận trong số 0 liệu có dạng m 4 với m ứng với số lượng các bản thân nó khi đã được xoay với góc 90 hoặc 1800 các đặc tính đối xứng sẽ bị triệt tiêu. Các đối tượng, 4 cột ứng với hiệu E aij a với i, vết lỗi sẽ còn lại trên nền. Tiếp tục áp dụng j là chỉ số của hai hệ số góc của hai cạnh kề phương pháp lọc ta sẽ lọc, phân ngưỡng ta thu nhau. Như vậy sản phẩm đạt chất lượng tốt nếu được các vết sạn, xước [1],[4] như E 0 Kết quả của phương pháp này được thể hiện 2.5 Phân tích đặc tính vết sạn và vết xước ở hình sau: Hình ảnh gạch có vết các vết sạn và vết xước trên bề mặt hoa văn Hình 18. Gạch có vết Hình 19. Các lỗi còn lại sạn vết xước sau khi lọc Do mức sáng giữa các hoa văn trong các ảnh vẫn có sự chệnh lệch nên sau phép trừ ảnh Hình 16. Ảnh đối tượng có vết sạn và vết xước còn lại vần chưa hiện rõ vết sạm và vết xước. Tiếp tục áp dụng lọc, phân ngưỡng để lọc các thành phần nhiễu còn lại và chuyển ảnh về nhị phân khi đó các phần tử có mức xám thấp sẽ bị lọc còn lại tại vị trí các vết xước, vết sạm mức xám cao sẽ ứng với mức 1. Khi ta sẽ lọc được vết sạm và vết xước. Đối với hai đặc tính này ta lưu sô pixel có mức sáng =1 (ứng với mức Hình 17. Đồ thị mức xám qua vị trí có vết sạn sáng) số pixel này càng lớn, số vết sạm, xước Ta thấy tại những điểm có vết sạn, xước càng nhiều và tỉ lệ nghịch với chất lượng gạch nền màu thay đổi đột ngột, mức xám tại chỗ vết III. KẾT QUẢ CÁC VÉC-TƠ ĐẶC TÍNH sạn, xước giảm xuống rõ rệt như hình 17. Các véc-tơ đặc tính được tạo ra với 16 Đây là những điểm không có quy luật, vì chiều, cụ thể như sau: vậy ta đề xuất hai phương pháp để lọc vết sạn, xước ra khỏi đối tượng như sau: 22
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 1. Các chiều từ 1 đến 4 là đặc tính sai lệch kích mẫu gạch, véc-tơ đầu vào gồm 16 chiều như đã thước của 4 cạnh. Chiều 1 ứng với cạnh thứ mô tả ở trên, đầu ra ứng với 4 mức cụ thể: nhất, chiều 4 ứng với cạnh thứ 4. d 0 (ứng với gạch loại 1), d 0,33 (ứng với 2. Các chiều từ 5 đến 8 là đặc tính mẻ cạnh của gạch loại 2), d 0,66 (ứng với gạch loại 3) và gạch mỗi chiều tương ứng với một cạnh. d 1 (ứng với gạch loại phế phẩm). 3. Các chiều từ 9 đến 12 là đặc tính sứt góc của IV. KẾT LUẬN của đối tượng. Mỗi chiều ứng với đặc tính sứt Phương pháp xử lý hình ảnh và tính toán góc của một góc. các véc-tơ đặc tính gạch ceramic trình bày trong 4. Các chiều từ 13 đến 16 là đặc tính vuông góc bài báo đã cho phép xác định véc tơ đặc tính của đối tượng. Bắt đầu từ chiều thứ 13 ứng với của ảnh đầu vào đối tượng nhận dạng là gạch đặc tính vuông góc của góc thứ nhất, chiều 16 ceramic. Các véc-tơ này cho phép chúng ta sử ứng với đặc tính vuông góc của góc thứ 4. dụng để xây dựng các mô hình nhận dạng đạt hiệu quả cao. Thực tế đã được kiểm nghiệm với Tập số liệu vào bao gồm hai tập số liệu mô hình mạng nơ ron TSK [8] với 340 mẫu được chia ngẫu nhiên từ tập 340 mẫu gạch ban gạch Nhà máy gạch Sao Đỏ - Hải Dương cho đầu: 225 mẫu gạch cho quá trình học, số còn lại kết quả tốt. Tỷ lệ chính xác trong phân loại đạt được dùng cho quá trình kiểm tra. Ứng với mỗi 97,8% TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thế Thủy; Nhập môn xử lý ảnh số; NXBKHKT, 2003 2. Nguyễn Phùng Quang; Matlab & Simulink; NXBKHKT, 2003 3. 4. Tổng quan xử lý ảnh 5. Nuovafima 6. Images Processing Toolbox for Use with Matlab, www.mathworks.com 7. Trần Hoài Linh, Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Thành Trung; Mô hình tạo đặc tính phân loại chất lượng gạch ceramic bằng xử lý hình ảnh; Hội nghị KH lần thứ 20, ĐHBK Hà Nội, 2006 8. Đinh Văn Nhượng, Phạm Thị Ngọc Yến, Trần Hoài Linh; Phương pháp ước lượng cấu hình mạng TSK và ứng dụng trong bài toán nhận dạng; Tạp chí KHCN các trường ĐHKT, 67/2008, trang 30 – 35, 2008 Địa chỉ liên hệ: Đinh Văn Nhượng - Tel: 0912.246.513, email: dvnhuongsd@yahoo.com.vn Trường Cao đẳng Công nghiệp Sao Đỏ 23