Đếm thép cây tự động bằng xử lý ảnh

Phạm Đức Long<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 118(04): 119 - 124<br /> <br /> ĐẾM THÉP CÂY TỰ ĐỘNG BẰNG XỬ LÝ ẢNH<br /> Phạm Đức Long*<br /> Trường ĐH Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong bài báo này chúng tôi trình bày một ứng dụng xử lý ảnh trong công nghiệp. Nhiệm vụ cụ thể<br /> là đếm số cây thép trong một bó thép sản phẩm. Việc đếm tự động được thực hiện trong quá trình<br /> cân đóng bó. Ảnh của cây thép trên dây chuyền được thu bằng một camera tốc độ cao sau đó dùng<br /> chương trình xử lý nhận dạng và thực hiện đếm. Camera có liên hệ với một máy tính PC. Có thể<br /> thiết lập số cây thép trong một bó bằng chương trình quản lý trên máy tính. Số liệu của mỗi bó<br /> thép gồm chủng loại, số cây, trọng lượng, trưởng ca sản xuất,... được lưu trong cơ sở dữ liệu<br /> (CSDL) của máy tính và in ra mã vạch để treo móc trên bó thép giúp cho việc quản lý, bán hàng<br /> thuận tiện. Trong bài báo chúng tôi cũng trình bày một khả năng đếm số cây thép sau đóng bó<br /> dùng cho dây chuyền không có việc đếm và chia bó tự động.<br /> Từ khóa: Đếm thanh thép; xử lý ảnh trong công nghiệp.<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Trong các nhà máy cán thép xây dựng hiện<br /> nay tại Việt Nam thường có hai loại sản phẩm<br /> phổ biến là thép cuộn và thép cây. Các cuộn<br /> thép Φ5, Φ6 hoặc Φ8 được cuốn với đường<br /> kính 1m đến 1.2 m, trọng lượng khoảng 380420kg. Các cây thép (thường là loại có các<br /> gân xoắn) đường kính Φ10- Φ16 thường được<br /> cắt với kích thước chiều dài 11,7 m và bó<br /> thành các bó; mỗi bó khoảng 20 cây. Tuỳ theo<br /> đường kính của cây thép mỗi cây sẽ có trọng<br /> lượng dao động trong khoảng 7- trên 10 kg.<br /> Sản phẩm thép từ nhà máy được bán cho các<br /> đại lý lớn theo đơn vị trọng lượng (tấn hàng).<br /> Các đại lý bán lẻ cho các khách hàng thường<br /> bán theo cây thép. Để tránh thất thoát trong<br /> khi vận chuyển và tăng cường quản lý kho<br /> chặt thì việc đếm chính xác số cây thép cho<br /> mỗi bó và trọng lượng tương ứng của mỗi bó<br /> là rất quan trọng.<br /> ĐÓNG BÓ THÉP TRONG NHÀ MÁY<br /> CÁN THÉP<br /> Yêu cầu và thực trạng<br /> Trên dây chuyền cán thép cây, thép thành<br /> phẩm sau khi qua khuôn cán cuối cùng được<br /> đưa lên sàn nguội (nhiệt độ lúc này còn<br /> *<br /> <br /> Tel: 0912551589; Email: pdlong@ictu.edu.vn<br /> <br /> khoảng 7000-8000C), sau đó đưa đến máy cắt<br /> theo chiều dài yêu cầu rồi đến bộ phận đóng<br /> bó, cân sản phẩm (lúc này nhiệt độ còn<br /> khoảng 3500C - 4000C); cả quá trình này là tự<br /> động. Tại khâu đóng bó hiện nay ở các nhà<br /> máy số lượng cây thép chưa kiểm soát được<br /> chính xác 100% nên số lượng cây thép mỗi bó<br /> không giống nhau gây khó khăn trong quản lý<br /> như trên đã nói. Việc quản lý thực hiện bằng<br /> nhân công ngồi đếm thủ công, ghi chép bằng<br /> tay nên dễ gây sai lệch về dữ liệu nhập - xuất.<br /> Các hệ thống đếm cơ khí thường nhanh chóng<br /> hư hỏng và không kết nối chương trình quản<br /> lý trên máy tính. Cũng đã có 1 số nghiên cứu<br /> để xây dựng hệ thống đếm tự động này trên<br /> cơ sở dùng các thiết bị điện, tuy nhiên chưa<br /> đạt được độ chính xác 100% và rất bị ảnh<br /> hưởng của nhiễu công nghiệp trong nhà máy<br /> nên chưa áp dụng được trong sản xuất. Các hệ<br /> thống nghiên cứu trước cũng chỉ là đơn giản<br /> chưa có gắn kết với máy tính, mạng máy tính<br /> để thu thập số liệu tự động phục vụ cho nhậpxuất và quản lý của lãnh đạo. Hiện nay xu thế<br /> ứng dụng công nghệ thông tin với các chương<br /> trình xử lý ảnh trong công nghiệp đã có thể<br /> giải quyết nhiều nhiệm vụ kỹ thuật mà với các<br /> phương pháp thuần túy cơ khí, điện tử riêng<br /> rẽ trước đây khó có thể giải quyết tốt [6].<br /> 119<br /> <br /> Phạm Đức Long<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 118(04): 119 - 124<br /> <br /> Hình 1. Thép thanh trên băng tải a), b); Đóng bó c) và sản phẩm đeo nhãn mã vạch d)<br /> <br /> Đếm thép cây tự động trong quá trình thu<br /> hồi sản phẩm<br /> Sơ đồ công nghệ<br /> Chúng tôi đã nghiên cứu thực trạng tại một số<br /> nhà máy cán thép có sản lượng trung bình 200<br /> đến 300 nghìn tấn năm. Qua khảo sát đã đề<br /> xuất hướng sử dụng camera tốc độ cao để<br /> thực hiện khâu đếm tự động bằng xử lý ảnh<br /> trên băng tải xích trước khi đóng bó. Sơ đồ<br /> của hệ thống (hình 2).<br /> Hoạt động của hệ thống:<br /> Thép cây trên sàn cán sau khi qua sàn nguội,<br /> qua máy cắt để cắt chiều dài yêu cầu (11.7m)<br /> được chuyển đến băng xích tải cuối trước khi<br /> <br /> đóng bó. Tại đây các nhóm cây thép được đưa<br /> qua một cơ cấu dàn thép để tách rời các cây<br /> chồng lên nhau. Camera + máy tính Eye-RIS<br /> thu ảnh và tính ra số cây thép đang chạy qua<br /> ống kính. Khi đủ số cây thép trong một bó<br /> máy tính trên camera Eye-RIS sẽ điều khiển<br /> cơ cấu gạt số lượng cây thép theo yêu cầu<br /> xuống rãnh cân (hình 1 c), dừng băng tải để<br /> đóng bó. Số liệu về số cây truyền từ Eye-RIS<br /> về PC và số lượng cân trong bó truyền về PC<br /> từ “Cân và đóng bó” được sử dụng để in nhãn<br /> mã vạch treo vào mỗi bó thép. Số lượng cây<br /> thép trong một bó có thể được đặt qua phần<br /> mềm trên máy tính PC.<br /> <br /> Máy tính PC<br /> <br /> 2<br /> 1<br /> <br /> 3<br /> <br /> Camera + máy tính<br /> <br /> Cơ cấu chấp hành<br /> gạt số lượng cây thép<br /> theo yêu cầu<br /> <br /> 4<br /> <br /> Sản phẩm<br /> <br /> 5<br /> <br /> Đến đóng bó<br /> <br /> Cơ cấu dàn<br /> Cân và<br /> <br /> 6<br /> <br /> Băng tải<br /> <br /> Hình 2. Đếm thép cây bằng xử lý ảnh<br /> <br /> 120<br /> <br /> Phạm Đức Long<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Camera Eye-RIS<br /> <br /> 118(04): 119 - 124<br /> Bắt đầu<br /> <br /> Số thanh=0;<br /> Thiết lập số thanh trong 1 bó thép N;<br /> <br /> Thu ảnh<br /> <br /> Hình 3. Camera tốc độ cao Eye-RIS<br /> <br /> Đây là loại camera + máy tính xử lý song<br /> song ứng dụng công nghệ mạng nơ ron tế bào<br /> CNN (Cellular Neural Network) do hãng<br /> AnaFocus LTD thiết kế và chế tạo [7]. Máy<br /> tính bên trong Eye-RIS có mạng 25.344 bộ xử<br /> lý song song. Tốc độ bắt ảnh: 10000fps.<br /> Ngoài tính năng thu và xử lý ảnh, Eye-RIC có<br /> thể thu và xử lý video. Thiết bị có kích thước<br /> và công suất tiêu thụ nhỏ với các đặc điểm:<br /> + Kích thước: 47x47x26.53mm3, trọng<br /> lượng: 118g.<br /> + Điện áp nuôi 12VDC, công suất tiêu thụ:<br /> 2.7W.<br /> + Đi ều khi ển và xử lý hình ảnh: Sử dụng<br /> chip Altera Nios II 32bit RISC bộ vi xử lý<br /> chạy ở 100MHz, 16MB SDRAM cho<br /> chương trình và hình ảnh/ lưu trữ dữ liệu,<br /> EPC flash 8MB.<br /> + Các cổng vào/ra: USB 2.0, UART…<br /> camera + máy tính Eye-RIS có thể hoạt động<br /> độc lập thu và xử lý hình ảnh hoặc có thể<br /> ghép nối với máy tính (mạng máy tính) để thu<br /> thập số liệu và nhận các lệnh từ host PC. Để<br /> lập trình trên Eye-RIS có thể sử dụng ngôn<br /> ngữ C qua bộ phần mềm Eye-RIS ADK của<br /> hãng cung cấp.<br /> Thuật toán xử lý<br /> <br /> Hình 3. Ảnh thu được của vùng quan sát trên<br /> camera<br /> <br /> Tăng cường chất lượng ảnh<br /> <br /> Đọc trong vùng quan<br /> sát của Eye-RIS<br /> <br /> Có ảnh thanh<br /> thép?<br /> <br /> N<br /> <br /> Y<br /> Số thanh = Số thanh + 1;<br /> <br /> N<br /> Số thanh=N?<br /> <br /> Y<br /> Dừng băng tải;<br /> Ghi vào CSDL<br /> <br /> Y<br /> Tiếp tục ?<br /> <br /> N<br /> Kết thúc<br /> <br /> Hình 4. Thuật toán xử lý đếm thép cây<br /> <br /> ĐẾM SỐ CÂY THÉP TRONG BÓ THÉP<br /> NGẪU NHIÊN<br /> Việc đếm số cây thép trong quá trình đóng bó<br /> thu hồi sản phẩm ở mục 2 không phải được<br /> thực hiện trong mọi nhà máy cán thép. Do đặc<br /> điểm riêng về năng lực vốn và công suất với<br /> mỗi nhà máy khi xây dựng và phát triển khác<br /> nhau nên có thể tại đó nhà máy không đủ khả<br /> năng xây dựng hệ thống đếm thép tự động<br /> theo đề xuất của chúng tôi. Để có thể đếm số<br /> cây thép trong mỗi bó sau khi bó xong trong<br /> những trường hợp này chúng tôi đề xuất dùng<br /> <br /> 121<br /> <br /> Phạm Đức Long<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> giải pháp xử lý ảnh của đầu các bó thép sau<br /> khi đã bó xong. Đây là một nhiệm vụ khó<br /> khăn với yêu cầu đạt độ chính xác 100% do<br /> các đầu các bó thép không được cắt phẳng và<br /> do các bó thép khi bó có độ lỏng hoặc chặt<br /> khác nhau nên ảnh của chúng không phải lúc<br /> nào cũng tách rời như hình 5 b,c mà thực tế<br /> thường như hình 5 a,d. Hướng tiếp cận của<br /> một số tác giả đã thực hiện đếm qua ảnh đầu<br /> bó thép là tính toán khoảng cách Euclid, biến<br /> đổi Hough, sử dụng mạng nơron,... [1..5]<br /> nhưng các kết quả chưa đạt chính xác 100%.<br /> Việc thực hiện học và nhận dạng bằng mạng<br /> ron nhân tạo ảnh của đầu các cây thép sau đó<br /> đếm như một số tác giả đã thực hiện [1..5]<br /> mang tính hàn lâm hơn tính thực tế công<br /> nghiệp và cũng không cho kết quả chính xác.<br /> Chúng tôi đã thử nghiệm một phương pháp<br /> tính toán chính xác với sự thực hiện đơn giản<br /> hơn. Tất nhiên thời gian thực hiện cũng nhanh<br /> hơn (Dù yêu cầu cơ bản ở đây là độ chính xác<br /> 100% chứ không phải về thời gian thực hiện).<br /> Nội dung của phương pháp là thu ảnh từ các<br /> đầu bó thép sau đó thực hiện phân loại vùng<br /> ảnh theo diện tích là bội số diện tích đầu mỗi<br /> cây thép. Việc đếm số cây dựa trên số diện<br /> tích này với các bội số là 1, 2, .. i cây (trong<br /> thuật toán hình 7.). Để có thể thực hiện thuật<br /> toán trong hình 6, bước “Tăng cường chất<br /> lượng ảnh và thực hiện hình thái học” cần<br /> thực hiện tốt. Trong camera + máy tính EyeRIS đã có sẵn nhiều hàm hỗ trợ cho các xử lý<br /> này nên việc thực hiện rất thuận tiện.<br /> <br /> THỰC NGHIỆM<br /> <br /> Hình 6. Mô hình thực nghiệm<br /> <br /> Mô hình thực nghiệm gồm một băng tải 2<br /> xích do một mô tơ DC kéo có tốc độ chuyển<br /> động 5m/s tương ứng với tốc độ băng tải<br /> trong nhà máy. Các thanh thép đường kính<br /> Φ2.5 đặt trên băng xích. Khi băng tải quay<br /> các thanh thép di chuyển qua ống kính của<br /> camera. Camera Eye-RIS đặt ở chiều cao<br /> 500mm so với mặt băng tải. Camera được nối<br /> với một máy tính xách tay qua USB. Trên<br /> hình 8 là giao diện màn hình trên máy tính<br /> với 3 ảnh lần lượt qua xử lý. Ảnh cuối cùng<br /> sẽ được sử dụng để thực hiện đếm bằng thuật<br /> toán (theo hình 4).<br /> <br /> a<br /> <br /> b)<br /> <br /> c)<br /> <br /> d<br /> <br /> Hình 5. Ảnh đầu các bó thép<br /> <br /> 122<br /> <br /> 118(04): 119 - 124<br /> <br /> Phạm Đức Long<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 118(04): 119 - 124<br /> <br /> Bắt đầu<br /> Số thanh=0; M[i]=0;<br /> Thu ảnh<br /> <br /> Tăng cường chất lượng ảnh<br /> M[i] = số vùng có diện tích<br /> Si i={1..N};<br /> (N=số cây nhiều nhất trong 1 bó)<br /> <br /> Y<br /> <br /> N<br /> Si 0?<br /> <br /> Xóa M[i] vùng Si<br /> inc(i)<br /> <br /> N<br /> M[i] = 0 ?<br /> <br /> Y<br /> Số thanh = ΣM[i];<br /> <br /> Y<br /> TIẾP TỤC ?<br /> <br /> N<br /> Kết thúc<br /> <br /> Hình 7. Đếm thép qua ảnh đầu bó thép<br /> <br /> Chương trình xử lý đã xác định được chính xác số cây thép như trên hình 8.<br /> <br /> Số cây thép<br /> đếm được<br /> <br /> Hình 8. Kết quả đếm thép bằng xử lý ảnh trên mô hình thực nghiệm<br /> <br /> 123<br /> <br />