طراحي سيستم هوشمند سورتينگ تخم مرغ

 

مقدمه :................................................................................................. 3

 

فصل اول............................................................................................... 5

 

1 -1 آشنايي با ماشين بينايي و پيشينه استفاده از آن............................................ 5

 

1-1-1 بينايي و اتوماسيون کارخانه............................................................... 6

 

2-1-1 بينايي انسان در مقابل بينايي ماشين...................................................... 8

 

3-1-1 پارامترهاي مقايسه اي..................................................................... 8

 

4-1- 1 ملاحظات اقتصادي...................................................................... 10

 

2-1 کاربرد هاي ماشين بينايي در کشاورزي................................................. 10

 

1-2-1 کاربرد در تشخيص کيفيت ميوه ها :.................................................. 11

 

2-2-1 کاربرد در کنترل کيفيت سبزيجات..................................................... 13

 

3-2 -1 طبقه بندي و ارزيابي کيفيت حبوبات................................................. 15

 

4-2 -1 کاربرد در ساير توليدات غذايي........................................................ 15

 

5-2-1 تکنيکهاي سه بعدي (3-D).............................................................. 15

 

6-2-1 نتيجه استفاده از سيستم هاي بينايي ماشين در کشاورزي........................... 16

 

3-1 طرح يک خط مکانيزه توليد تخم مرغ.................................................... 16

 

1-3 -1 اجزاء يک مرغداري مکانيزه به همراه بخش بسته بندي.......................... 17

 

1-1-3-1مرحله توليد شامل دو قسمت است:................................................. 17

 

2-1-3 -1 مرحله شستشو........................................................................ 18

 

3-1-3-1 مرحله درجه بندي.................................................................... 18

 

4-1-3-1 مرحله بسته بندي...................................................................... 19

 

فصل دوم............................................................................................. 21

 

مواد و روشها....................................................................................... 21

 

1-2 مفاهيم اوليه پردازش تصوير............................................................... 21

 

1-1-2 پيکسل...................................................................................... 21

 

2-1-2 پنجره....................................................................................... 22

 

3-1-2 مکان پيکسل............................................................................... 22

 

4-1-2 سطح خاکستري........................................................................... 24

 

5-1-2 خطاي کوآنتايز کردن.................................................................... 28

 

1-5-1-2 خطاي اندازه گيري.................................................................... 31

 

6-1-2 هيستوگرام................................................................................. 32

 

1-6-1-2 ايجاد هيستوگرام....................................................................... 33

 

2-6-1-2 مشخصات.............................................................................. 35

 

7-1-2 سيستم هاي رنگي RGBو CMYB....................................................... 36

 

2-2 پردازش هاي اوليه ماشين بينايي........................................................... 37

 

1-2-2تبديل تک متغيره.......................................................................... 38

 

1-1-2-2 عملگر هماني.......................................................................... 39

 

2-1-2-2 عملگر معکوس....................................................................... 40

 

3-1-2-2 عملگر حد آستانه...................................................................... 40

 

4-1-2-2 ساير اپراتورها......................................................................... 41

 

2-2-2تبديل دو متغيره (جفتي).................................................................. 46

 

1-2-2-2 جمع تصاوير........................................................................... 48

 

2-2-2-2 تفريق تصاوير......................................................................... 49

 

3-2-2-2 ضرب تصاوير........................................................................ 51

 

3-2-2 کونولوشن: تبديل ناحيه اي.............................................................. 52

 

3-2 طراحي سيستم................................................................................ 52

 

1-3-2 سيستم ماشين بينايي...................................................................... 53

 

2-3-2پردازش تصوير............................................................................ 55

 

1-2-3-2 مرحله پروجكشن كردن تصوير(محدود کردن تصوير به محدوده تخم مرغ):57

 

2-2-3-2 پيدا كردن ناحيه مورد علاقه Region of interest......................... 58

 

3-2-3-2 پيدا كردن مرز تخم مرغ............................................................. 59

 

4-2-3-2 حذف نويز.............................................................................. 60

 

5-2-3-2 تشخيص تميز يا آلوده بودن تخم مرغ.............................................. 61

 

6-2-3-2 تخمين وزن و حجم تخم مرغ........................................................ 62

 

الگوريتم هاي پردازش تصوير :................................................................. 63

 

فصل سوم............................................................................................ 72

 

نتایج و بحث......................................................................................... 72

 

1-3 نتايج آزمايش سيستم......................................................................... 72

 

2-3 پيشنهادات..................................................................................... 73

 

نتيجه گيري:......................................................................................... 73

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه :

 

درآمد حاصل از فروش سيستم هاي ماشين بينايي و متعلقات وابسته در سال 1986 بيش از 400 ميليون دلار بوده و اين رقم تا سال 1991 بالغ بر 2 ميليارد دلار شده است. کاربرد ماشين بينايي در مواردي مثل مونتاژ محصولات ، بازرسي و انتقال مواد ، باعث بهبود کارايي اين فرايندها خواهد گرديد.

 

عدم اطلاع کافي مهندسين از تکنولوژي ماشين بينايي و عدم آشنايي با توجيه اقتصادي بکارگيري آن موجب شده است که در استفاده از اين تکنولوژي ترديد و بعضي مواقع واکنش منفي وجود داشته باشد. عليرغم اين موضوع ، ماشين بينايي روز به روز کاربرد بيشتري پيدا کرده و روند رشد آن چشمگير بوده است.

 

تعداد سيستم هاي ماشين بينايي نصب شده و در حال استفاده نسبت به تعداد مواردي که مي توانند از اين تکنولوژي بهره گيرند ، بسيار کمتر است. سازندگان و فروشندگان سيستم هاي ماشين بينايي بر اين عقيده هستند که بجز موارد معدود ، اطلاعات کاربران اين سيستم ها بسيار محدود مي باشد. در حالي که مفاهيم کلي براي کاربران شناخته شده است ، اطلاع کاربردي کافي در اختيار کاربران نيست تا بتوانند نيازهاي خودشان را با تواناييهاي ماشين مرتبط و بررسي نمايند.

 

نظر به اينکه کاربرد ماشين بينايي روز به روز گسترده تر مي شود و هم اکنون در برخي از صنايع مونتاژ الکترونيک ، صنايع اتوموبيل سازي و صنايع نساجي اين تکنولوژي متداول شده است. لازم مي نمايد تا صنعت کشاورزي و صنايع غذايي کشور نيز در خصوص بکارگيري اين تکنولوژي آشنايي لازم را پيدا کند. استفاده از ماشين بينايي بعنوان يک ابزار کارآمد و انعطاف پذير در سيستم هاي اتوماسيون کارخانه هاي صنايع غذايي اجتناب ناپذير خواهد بود.

 

اين پژوهش سعي خواهد کرد ضمن معرفي سيستم هاي ماشين بينايي و پردازش ديجيتالي تصوير و کاربردهاي آن در صنايع مربوط به کشاورزي ، به طور اخص به کاربرد آن در سورتينگ تخم مرغ و طراحي سيستم هاي مربوط به آن (نرم افزار و ...) بپردازد.

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

پيشينه پژوهش

فصل اول

 

1 -1 آشنايي با ماشين بينايي و پيشينه استفاده از آن

 

تکنولوژي ماشين بينايي و تصوير برداري ديجيتالي شامل فرايندهايي است که نيازمند بکارگيري علوم مختلف مهندسي و نرم افزار کامپيوتر مي باشد. اين فرايند را مي توان به چند دسته اصلي تقسيم نمود:

 

1- ايجاد تصوير به شکل ديجيتالي

 

2- بکارگيري تکنيکهاي کامپيوتري جهت پردازش و يا اصلاح داده هاي تصويري

 

3- بررسي و استفاده از نتايج پردازش شده براي اهدافي چون هدايت ربات و کنترل نمودن تجهيزات خودکار ، کنترل کيفيت يک فرايند توليدي يا فراهم نمودن اطلاعات جهت تجزيه و تحليل آماري در يک سيستم توليدي کامپيوتري

 

در طي سه دهه گذشته تکنولوژي بينايي کامپيوتري بطور پراکنده در صنايع فضايي و بطور محدود در صنعت بکاربرده شده است. جديد بودن تکنولوژي ، نبودن سيستم مقرون به صرفه در بازار و نبودن متخصصين اين رشته باعث شده است تا اين تکنولوژي بطور گسترده استفاده نشود. تا مدتي قبل دوربين ها و سنسورهاي استفاده شده معمولا بطور سفارشي و مخصوص ساخته مي شدند تا بتوانند براي منظور خاصي مورد استفاده قرار گيرند. همچنين فرآيند ساخت مدارهاي مجتمع بسيار بزرگ (VLSI) آنقدر پيشرفت نکرده بود تا سنسورهاي حالت جامد بارزولشن بالا ساخته شود.

 

استفاده از سنسورهاي ذکر شده مستلزم اين بود که نرم افزار ويژه اي براي آن تهيه شود و معمولا اين نرم افزارها نيز نياز به کامپيوترهاي با توان پردازش بالا داشتند ، علاوه بر همه اين مطالب مهندسين مجبور بودند که آموزشهاي لازم را پس از فراغت از تحصيل فراگيرند ، زيرا درس ماشين بينايي در سطح آموزشهاي متداول مهندسي (ليسانس) در دانشگاهها و به شکل کلاسيک ارائه نمي شد.

 

تکنولوژي ماشين بينايي در دهه آينده تاثير مهمي بر تمامي کارهاي صنعتي خواهد گذاشت که دليل آن پيشرفتهاي تکنولوژي اخير در زمينه هاي مرتبط با ماشين بينايي است و اين پيشرفت ها در حدي است که استفاده از اين تکنولوژي هم اکنون حياتي مي باشد.

 

امروزه تمامي شرايط براي فراگير شدن تکنولوژي ماشين بينايي فراهم شده است. سنسورهاي حالت جامد و کامپيوترهاي شخصي امروزي به عنوان ابزارهاي کارآمد ، مطمئن و ارزان براي پردازش تصوير و تصميم گيري درباره آن موجود مي باشد. دانشگاهها (در آمريکا ) به تعداد کافي مهندسيني را تربيت مي کنند که دانش و مهارت کافي در زمينه ماشين بينايي را دارند و بالاخره به دليل حفظ استانداردها در سطح ملي نياز به افزايش بهره وري و بهبود کيفيت وجود دارد. علاوه بر اين، به دليل مسائلي از قبيل نياز به بررسي و دعاوي صنعتي و نياز به داشتن اطلاعات کامل از محصول در مراحل مختلف بطوري که دسترسي به آن مقدور باشد صنايع توليدي را وادار مي کند تا فرآيند جمع آوري و ذخيره اطلاعات مربوط به محصول در مراحل مختلف توليد را خودکار نمايد.

 

در گذشته بسياري از فرآيندهاي توليد براساس بکارگيري نيروي انساني و بينايي طراحي شده بودند. در اين سيستم ها بينايي انسان به عنوان جزء لاينفک تواناييهاي فرآيند بوده است. ورود رباتها به کارخانجات و حذف نيروي انساني ضرورت اضافه نمودن بينايي مصنوعي به سيستم را ايجاب مي نمايد. جهت بررسي موضوع نياز به بکارگيري ماشين بينايي بجاي بينايي انسان لازم است تا مطالعه دقيق تري صورت گيرد و توانايي اين دو با هم مقايسه گردند.

 

 

 

1-1-1 بينايي و اتوماسيون کارخانه

 

وظايف اساسي که مي تواند توسط سيستم هاي ماشين بينايي انجام گيرد شامل سه دسته اصلي است:

 

1- کنترل

 

2- بازرسي

 

3- ورود داده

 

کنترل در ساده ترين شکل آن مرتبط با تعيين موقعيت و ايجاد دستورات مناسب مي باشد تا يک مکانيزم را تحريک نموده و يا عمل خاصي صورت گيرد. هدايت نقاله هاي هدايت شونده خودکار (AGVS) در عمليات انتقال مواد در يک کارخانه ، هدايت مشعل جوشکاري در امتداد يک شيار يا لبه يا انتخاب يک سطح بخصوص براي انجام عمليات رنگ پاشي توسط ربات مثالهايي از بکارگيري ماشين بينايي در کنترل مي باشند.

 

کاربردهاي ماشين بينايي در بازرسي مرتبط با تعيين برخي پارامترها مي باشد. ابعاد مکانيکي و همچنين شکل آن ، کيفيت سطوح ، تعداد سوراخها در يک قطعه ، وجود و يا عدم وجود يک ويژگي يا يک قطعه در محل خاص از جمله پارامترهايي هستند که توسط ماشين بينايي ممکن است بازرسي شود. موضوع اصلي اين پروژه که دسته بندي گوجه فرنگي مي باشد نيز با کمک همين وظيفه ماشين بينايي انجام مي شود. عمل اندازه گيري توسط ماشين بينايي کم و بيش مشابه بکارگيري روشهاي سنتي استفاده از قيدها و سنجه هاي مخصوص و مقايسه ابعاد مي باشد. ساير عمليات بازرسي به جز موارد اندازه گيري شامل مواردي چون کنترل وجود برچسب بر روي محصول (داروئي، غذايي ، ...) بررسي رنگ قطعه وجود مواد خارجي در محصولات غذايي نيز با تکنيک هاي خاص انجام مي گيرد.

 

اطلاعات مربوط به کيفيت محصول و يا مواد و همچنين تعقيب فرآيند توليد را مي توان توسط ماشين بينايي گرفته و در بانک اطلاعاتي سيستم توليد کامپيوتري جامع بطور خودکار وارد نمود. اين روش ورود اطلاعات بسيار دقيق و قابل اعتماد است که دليل آن حذف نيروي انساني از چرخه مزبور مي باشد. علاوه بر اين ، ورود اطلاعات بسيار مقرون به صرفه خواهد بود ، چرا که اطلاعات بلافاصله پس از بازرسي و به عنوان بخشي از آن جمع آوري و منتقل مي شوند. ميزان پيچيدگي سيستم هاي بينايي متفاوت مي باشد. اين سيستم ها ممکن است منحصر به يک سيستم بارکدينگ معمولي که براي مشخص نمودن نوع محصول جهت کنترل موجودي بکار مي رود، باشد يا ممکن است متشکل از يک سيستم بينايي صنعتي کامل براي اهدافي چون کنترل کيفيت محصول باشد.

2-1-1 بينايي انسان در مقابل بينايي ماشين

 

نقش بينايي انسان در يک سيستم اتوماسيون صنعتي بسيار پيچيده بوده و نمي توان آن را به عنوان يک سيستم جدا که داراي نقش جداگانه اي است ، در نظر گرفت. سيستم بينايي انسان به عنوان جزئي از يک مجموعه بوده و داراي تاثيرات متقابل بر روي ساير سنسورها مي باشد . ميزان وابستگي بينايي به ساير سنسورهاي بدن مختلف بوده و بستگي به هوشمندي فرد و همچنين سيگنالهاي دريافت شده از ساير سنسورهاي بدن دارد.

 

علاوه بر اين ، حلقه هاي بازخور پيچيده ، پاسخ هاي تطبيقي ، و پردازش سيگنالهاي در سطوح مختلف در بخش هاي مختلف بدن وجود دارد. به عنوان مثال مردمک چشم انسان در مقابل ورود پرتوهايي با مشخصات ويژه حساس مي باشد.

 

خستگي در افراد ، بيماري ، ميزان آموزش و دانش آنها در ميزان کارايي بينايي انسان تاثير مي گذارند. اين تاثير معمولا بگونه اي است که مقدار آن براحتي قابل اندازه گيري نيست. لذا معمولا اندازه گيري مقايسه اي بر اساس ميزان دستيابي به هدف تعيين شود صورت مي گيرد.

 

3-1-1 پارامترهاي مقايسه اي

 

در اين قسمت ماشين بينايي بر اساس وظايفي که انجام مي دهد و پارامترهاي وابسته به آن در ارتباط با فرآيندهاي صنعتي يا توليدي با بينايي انسان مقايسه شده و به بررسي بخش محدودي از نقش هايي که اهميت بيشترس در کابردهاي صنعتي دارند پرداخته مي شود.

 

پارامتر	انسان	ماشين
انعطاف پذيري	بسيار تطبيق پذير و انعطاف پذير در مقابل نوع کار و ورود اطلاعات	محدود به تنظيمات اوليه ، نيازمند داده هاي عددي (پيکسلها)
توانايي	قادر به تخمين نسبتا دقيق موارد توصيفي مثل تشخيص ميوه بد از روي رنگ آن	قادر به اندازه گيري ابعاد مي باشد مثلا اندازه يک ميوه از روي تعداد پيسکهاي محيط
رنگ	بيان توصيفي از رنگ	اندازه گيري هر يک ازمولفه هاي رنگ(R.G.B)
حساسيت	قابليت تطبيق با شرايط نوري ، خواص فيزيکي سطح اجسام و فاصله تا جسم ، محدوديت در توانايي تشخيص تعداد سطوح خاکستري ، بستگي به بيننده دارد و ممکن است در يک زمان ، متفاوت از زمان ديگر باشد. تعداد سطوح خاکستري قابل تشخيص بين 7تا10مي باشد.	حساس به فرکانس و سطح روشنايي حساس به خواص فيزيکي سطح جسم و همچنين فاصله جسم ، قابليت بيان سطح خاکستري بصورت عددي دقيق و مشخص ، براحتي قادر به تشخيص 256 سطح خاکستري مي باشد.
واکنش	سرعت واکنش کند و حداکثر در حدود ثانيه مي باشد.	بسيار بالا که البته بستگي به پردازشگر مورد استفاده و پهناي باند دارد. سرعت واکنش در حد 001/0 ثانيه بوده و سرعت هاي بالاتر نيز از نظر تکنيکي قابل دسترسي است.
دو و سه بعدي	صحنه هاي سه بعدي به راحتي قابل درک مي باشند		صحنه هاي دو بعدي براحتي قابل تشخيص مي باشد ولي صحنه هاي سه بعدي براحتي مقدور نيست و نيازمند به 2 دوربين بوده و سرعت نيز کم است.
خروج داده ها	اطلاعات اخذ شده مي بايستي بطور دستي انتقال داده شود. هزينه انتقال ورود اطلاعات زياد بوده و ميزان خطا زياد مي باشد.		اطلاعات اخذ شده بطور خودکار و مداوم وارد بانک اطلاعاتي مي شود، انتقال و ورود اطلاعات دقيق و کم هزينه مي باشد.
دريافت داده ها	براساس مقياس لگاريتمي است و متاثر از رنگ زمينه مي باشد.		مي تواند به هر دو صورت خطي و لگاريتمي دريافت نمايد.
طول موج	محدود به طيف قابل رويت از 300 تا700 ميلي ميکرون		محدوده طيف از طول موجها پايين پرتو x تا طول موج هاي بالاي مادون قرمز مي باشد.

 

 

 

عامل مهم در استفاده از ماشين بينايي در مقايسه با بکارگيري نيروي انساني افزايش توانمندي و بهبود کارايي مي باشد. توجه خاص به آن دسته از کاراييهاي ماشين بينايي که خارج از توانايي انسان مي باشد، مي تواند بيانگر توجيه استفاده از ماشين بينايي در فرآيند هاي توليدي مي باشد.

 

4-1- 1 ملاحظات اقتصادي

 

هر گونه پيشنهاد مبني بر استفاده ماشين بينايي براي منظور خاص مي بايستي بر اساس تاثير اقتصادي آن در کاربرد مورد نظر باشد. توجيه اقتصادي بکارگيري ماشين بينايي شامل دو جنبه مي باشد: اولا تاثير آن بر روي بهبود دهي فرايند و ثانيا هزينه هاي مستقيم توليد . امکان بهبود کيفيت محصول از طريق انجام بازرسي 100 درصد محصول و کنترل پارامترهاي مورد بازرسي در مورد تک تک محصولات مي تواند نقش مهمي در توجيه اقتصادي کاربرد ماشين بينايي داشته باشد. در همين حال ممکن است با بکارگيري ماشين بينايي هزينه واحد محصول ، کاهش پيدا کرده و بهره وري افزايش يابد.

 

 

 

2-1 کاربرد هاي ماشين بينايي در کشاورزي

 

کامپيوتري کردن توليد (CIM) يک موضوع با اهميت در پيشرفت صنايع کشاورزي و غذايي محسوب مي شود. ماشين بينايي به عنوان يک ربات در اين پيشرفت نقشي موفقيت آميز داشته و مهندسين کشاورزي و صنايع غذايي را در بهبود عمليات توليد دلگرم کرده است. به همين دليل بيش از 20 سال است که تحقيقات گسترده اي پيرامون کاربردهاي ماشين بينايي در کشاورزي و صنايع غذايي انجام شده است....

 

 

شامل ورد 73ص بهمراه فهرست مطالب و تصاویر