فهرست

 

پيشگفتار: .... 3

 

فصل 1

آشنايي با ماشين بينايي و تصوير برداري ديجيتالي .. . 6

 

فصل 2

ميكروكنترلر 8051 .... ... 38

 

فصل 3

موتور پله اي و مشخصه هاي اساسي آن ..... . 99

 

فصل 4

نمونه عملي از يك ربات مسير ياب ساده .... ... 112

 

 

 

 

 

پيشگفتار:

با ساخت وسايل الکترو مغنا طيسي نظير انواع الکتروموتورها، بوبين ها ،رله ها وغيره ،انسان قادر شد با بهره گيري از الکترونيک، کنترل ابزارهاي مکانيکي را در دست گيردو سر انجام با پيدايش ميکرو پروسسورها و با توجه به توانايي آنها در پردازش اطلاعات و اعمال کنترلي و همچنين قابليت مهم برنامه پذير بودن آنها تحول شگرفي در ساخت تجهيزات الکترونيکي و صنعتي و غيره به‌ وجود آمد.

پيشرفتها و تحولات اخير باعث پيدايش اتوماسيون صنعتي شده که در بسياري از موارد جايگزين نيروي انساني مي گردد.به عنوان نمونه انجام امور سخت در معادن و يا کارخانه ها و يا کارهايي که نيازمند دقت وسرعت بالا مي‌باشدو يا انجام آن براي نيروي انساني خطر آفرين است به انواع دستگاههاورباتها سپرده شده است.همچنين با پيشرفت الکترونيک در زمينه ساخت سنسورها.بالا رفتن دقت آن ها، امروزه انواع گوناگوني از حسگرها در دنيا توليد مي شود که در ساخت رباتها ودر زمينه اتوماسيون نقش مهمي راايفامي‌کنند.
در اين پايان نامه پس از مباحثي در مورد پردازش ديجيتالي تصوير ، معرفي ميکرو کنترلر 8051 بصورت مختصر و در حد نياز و بخش کوچکي در مورد استپ موتورها به طراحي وپياده سازي نمونه اي کوچک از يک ماشين مسير ياب پرداخته شده است .شايان ذکر است که مطالب مربوط به طراحي وساخت ماشين بگونه اي بيان شده که توسط هر فردي که آشنايي مختصري با ميکرو کنترلرهاداشته باشد، قابل پياده سازي است.

 

 

 

فصل اول

 

 

 

 

 

  

آشنايي با ماشين بينايي و تصوير برداري ديجيتالي

1-1كليات

تكنولوژي ماشين بينايي وتصوير بر داري ديجيتالي شامل فرايند هايي است كه نيازمند بكارگيري علوم مختلف مهندسي نرم افزار كامپيوتر مي باشد اين فرايند را مي توان به چند دسته اصلي تقسيم نمود :

1- ايجاد تصوير به شكل ديجيتالي

2- بكارگيري تكنيكهاي كامپيوتري جهت پردازش ويا اصلاح داده هاي تصويري

3- بررسي و استفاده از نتايج پردازش شده براي اهدافي چون هدايت ربات يا كنترل نمودن تجهيزات خود كار ، كنترل كيفيت يك فرايند توليدي ، يا فراهم آوردن اطلاعات جهت تجزيه و تحليل آماري در يك سيستم توليدي كامپيوتري (MAC)

ابتدا مي بايست آشنايي كلي ، با هر يك از اجزاء سيستم پيدا كرد و از اثرات هر بخش بر روي بخش ديگر مسطح بود . ماشين بينايي و تصوير بر داري ديجيتالي از موضوعاتي است كه در آينده نزديك تلاش و تحقيق بسياري از متخصصان را بخود اختصاص خواهد بود.

در طي سه دهه گذشته تكنولوژي بينايي يا كامپيوتري بطور پراكنده در صنايع فضايي نظامي و بطور محدود در صنعت بكار برده شده است . جديد بودن تكنولوژي ، نبودن سيستم مقرون به صرفه در بازار و نبودن متخصصين اين رشته باعث شده است تا اين تكنولوژي بطور گسترده استفاده نشود .

تا مدتي قبل دوربين ها و سنسورهاي استفاده شده معمولا بصورت سفارشي ومخصوص ساخته مي شدند تا بتوانند برا ي منظورخاصي مورد استفاده قرار گيرند همچنين فرايند ساخت مدارهاي مجتمع بسيار بزرگ آنقدر پيشرفت نكرده بود تا سنسورهاي حالت جامد با رزولوشن بالا ساخته شود .

استفاده از سنسورهاي ذكر شده مستلزم اين بود كه نرم افزار ويژه اي براي آن تهيه شود و معمولا اين نرم افزارها نيز نياز به كامپيوتر هايي با توان پردازش بالا داشتند. علاوه بر همه اين مطالب مهندسين مجبور بودند كه آموزشهاي لازم را پس از فراغت از تحصيل فرا گيرند . زيرا درس ماشين بينايي در سطح آموزشهاي متداول مهندسي در دانشگاهها وبه شكل كلاسيك ارائه نمي شد .

تكنولوژي ماشين بينايي در دهه آينده تاثير مهمي بر تمامي كارهاي صنعتي خواهد گذاشت كه دليل آن پيشرفتهاي تكنولوژي اخير در زمينه هاي مرتبط با ماشين بينايي است واين پيشرفتها در حدي است كه استفاده از اين تكنولوژي هم اكنون حياتي مي باشد .

 

2-1-بينايي واتوماسيون كارخانه

وظايف اساسي كه مي تواند توسط سيستمهاي ماشين بينايي انجام گيرد شامل سه دسته اصلي است.

1- كنترل

2- بازرسي

3- ورود داده

كنترل در ساده ترين شكل آن مرتبط با تعيين موقعيت و ايجاد دستورات مناسب مي باشد تا يك مكانيزم را تحريك نموده ويا عمل خاصي صورت گيرد . هدايت نقاله هاي هدايت شونده خود كار (AGVS) در عمليات انتقال مواد در يك كارخانه هدايت مشعل جوشكاري در امتداد يك شماير يا لبه يا انتخاب يك سطح بخصوص براي انجام عمليات رنگ پاشي توسط ربات ، مثلهايي از بكار گيري ، ماشين بينايي در كنترل مي باشند . كاربردهاي ماشين بينايي در بازرسي مرتبط با تعيين برخي پارامترها مي باشد . ابعاد مكانيكي وهمچنين شكل آن ، كيفيت سطوح ، تعداد سوراخها در يك قطعه ، وجود ياعدم وجود يك ويژگي يا يك قطعه در محل خاصي از جمله پارامترهايي هستند كه توسط ماشين بينايي ممكن است ، بازرسي مي شوند عمل اندازه گيري توسط ماشين بينايي كم و بيش مشابه بكار‌گيري روشهاي سنتي استفاده از قيدها و سنجه هاي مخصوص و مقايسه ابعاد مي باشد . ساير عمليات بازرسي بجز موارد اندازه گيري شامل مواردي چون كنترل وجود بر چسب بر روي محصول بررسي رنگ قطعه ، وجود مواد خارجي در محصولات غذايي نيز با تكنيكهاي خاصي انجام مي گيرد . كار بازرسي ممكن است حتي شامل مشخص نمودن خواص يا ويژگيهايي الكتريكي يك محصول گردد . با مشاهده خروجي اندازه گيرهاي الكتريكي مي توان صحت عملكرد محصولات الكتريكي را بازرسي نمود . هر چند كه در چنين مواردي چنانچه سيستم بينايي كار ديگري بجز مورد ذكر شده انجام ندهد معمولا روش ساده تر و مقرون به صرفه ترين بدين صورت خواهد بود كه كار بازرسي فوق توسط يك ريز پردازنده و ابزارهاي مربوط انجام گيرد .

اطلاعات مربوط به كيفيت محصول ويا مواد وهمچنين تعقيب فرايند توليد را مي توان توسط ماشين بينايي گرفته ودر بانك اطلاعاتي سيستم توليد كامپيوتري جامع بطور خود كار وارد نمود . اين روش ورود اطلاعات بسيار دقيق و قابل اعتماد است كه دليل آن حذف نيروي انساني از چرخه مزبور مي باشد . علاوه بر اين ورود اطلاعات بسيار مقرون به صرفه خواهد بود چرا كه اطلاعات بلافاصله پس از بازرسي وبه عنوان بخشي از آن جمع آوري و منتقل مي شوند .

ميزان پيچيدگي سيستم هاي بينايي متفاوت مي باشد اين سيستم ها ممكن است منحصر به يك سيستم باركدينگ معمولي كه براي مشخص نمودن محصول جهت كنترل موجودي بكار مي رود تشكيل شده باشد يا ممكن است متشكل از يك سيستم بينايي صنعتي كامل براي اهدافي چون كنترل كيفيت محصول باشد .

3-1 سرعت واكنش

زمان مورد نياز براي تصميم گيري توسط ماشين بينايي بستگي به اندازه ماتريس تصوير يا زمان پردازش لازم در كارت تصوير گير و نوع دوربين دارد . دوربيهايي نوع لاچكي كه با استاندارد Rs-170 كار مي كنند تعداد 30 تصوير در ثانيه توليد مي كنند كه اين تصاوير بر روي مونيتورهاي موجود در بازار قابل نمايش هستند . چنانچه از استاندارد Rs-170 استفاده نشود مي توان تعداد تصاوير در ثانيه را پنج تا ده برابر افزايش داد . دوربينهاي حالت جامد مي توانند در زمان بسيار كوتاه معادل ( ميكرو ثانيه تصوير گيري كنند زمان لازم جهت خواندن سيگنال تصوير از سنسور دوربين بستگي به اندازه ماتريس سنسور سرعت پردازش و پهناي باند سيستم دارد. با استفاده از تكنيكهاي پردازش موازي مي توان زمان پردازش را متناسب با تعداد پردازشگرهاي موازي كاهش داد .

زمان واكنش سيستم بينايي انسان در حدود 6% ثانيه يا 16/1 ثانيه مي باشد اين موضوع توسط اين حقيقت تائيد مي شود كه وقتي تصاوير ، با سرعت 30 عدد در ثانيه يك صحنه متحرك را نشان مي دهند چشم انسان قادر به تشخيص انقطاع بين تصاوير نيست .

سيستم هاي ماشين بينايي مورد استفاده در صنعت كه براي كنترل بر چسب روي بطريها بكار مي رود مي توانند با سرعتي معادل 900 بطري در دقيقه يا در صورت يك بطري در 7% ثانيه كار كنند . البته مي توان با گرفتن تصاويري كه بيش از يك بطري را در بر مي گيرد سرعت كنترل را بيش از اين نيز افزايش داد . سرعت چشم انسان براي انجام كار مشابه حداكثر 60 بطري در دقيقه مي باشد كه اين سرعت در اثر خستگي و شرايط نامساعد محيطي كاهش نيز مي يابد .

بطور خلاصه تصوير گيري توسط ماشين بينايي تقريبا 10 برابر سرعت بينايي انسان مي باشد اين نسبت با پيشرفت تكنولوژي در علوم الكترونيك رو به افزايش مي باشد در حاليكه سرعت چشم انسان مقدار مشخصي است سرعت انجام فرايند كامل توسط ماشين بينايي در حدود 15 برابر چشم انسان مي باشد .

 

4-1 واكنش طيف موج

چشم انسان فقط در مقابل نور قابل رويت كه طيف محدودي است مي تواند اشياء را ببيند . دامن ديد از طول موج بنفش در 390 ميكرون تا طول موجقرمز در 790 ميلي ميكرون مي باشد. واكنش سيستم ماشين بينايي در مقايسه با چشم انسان بسيار وسيع تر بوده و دامنه از پرتو گاما و X در منطقه طول موج كوتاه شروع شده وتا طول موج مادون قرمز در قسمت طول موجهاي طويلي ختم مي شود .

توانايي چشم انسان در تشخيص رنگها و پيچيده بوده ودر هنگام تشخيص رنگ مولفه هاي آن بطور مجزا در نظر گرفته نمي شوند . در عوض ميانگين ، انرژي در طول موجهاي مختلف مورد استفاده قرار گرفته ورنگ ديده شده يكي از طول موجهاي مابين آنها مي باشد .

ماشين بينايي براي شناسايي رنگها نيازمند سه دسته اطلاعات است كه همان مولفه هاي رنگ يعني طول موجهاي قرمز يا سبز و آبي مي باشد ايجاد رنگ بر روي مانيتور نيز با تحريك هر يك از مولفه ها به مقدار معين بوده بطوريكه نهايتا رنگ مورد نظر ايجاد شود .

ذخيره سازي تصاوير رنگي به حافظه اي معادل سه برابر تصاوير غير رنگي نياز دارد .

همچنين حجم پردازش تصاوير رنگي كه حاوي اجزاء B,G,R مي باشند در مقايسه با تصاوير يك رنگ بيشتر مي باشد .

بطور خلاصه طيف طول موج قابل رويت توسط ماشين بينايي بسياروسيعتر از طيف قابل رويت توسط چشم انسان مي باشد همچنين امكان تلفيق و استفاده از طول موجهاي مختلف يك تصوير توسط ماشين بينايي وجود دارد يكنواختي و دقت ماشين بينايي در مورد تصاوير رنگي بيش از چشم انسان مي باشد .

 

5-1مقايسه بينايي انسان و ماشين بينايي

ماشين	انسان
محدود به تنظيمات اوليه ،نيازمند داده هاي عددي	بسيار تطبيق پذير وانعطاف پذير در مقابل نوع كار و ورود اطلاعات	انعطاف پذيري
قادر به اندازه گيري ابعادي مي باشد مثال : طول يك قطعه برحسب تعداد پيكسل	قادر به تخمين نسبتا دقيق موارد توصيفي مثل : تشخيص ميوه بد از روي رنگ و شكل آن	توانايي
اندازه گيري مقدار هر يك از R,B	بيان توصيفي از رنگ	رنگ
حساس به فركانس و سطح روشنايي	قابليت تطبيق ، باشرايط نوري ،خواص فيزيكي	حالت

 

ماشين	انسان
حساس به خواص فيزيكي سطح جسم ، قابليت بيان سطح خاكستري به صورت عددي دقيق و مشخص ،براحتي قادر به تشخيص 256 سطح خاكستري مي باشد	سطح اجسام و فاصله تا جسم ، محدوديت در توانايي تشخيص مقدار سطوح خاكستري بستگي به بيننده دارد و ممكن است در يك زمان متفاوت از زمان ديگر باشد مقدار سطوح خاكستري قابل تشخيص بين 7 تا 10 مي باشد	حساسيت
بسيار بالا كه البته بستگي به پردازشگر مورد استفاده و پهناي بانددارد سرعت واكنش در حدود ثانيه بوده وسرعتهاي بالاتر نيز از نظر تكنيكي قابل دسترسي است.	سرعت واكنش كند و حداكثر در حدود 10/1ثانيه مي باشد	واكنش
صحنه هاي دو بعدي براحتي قابل تشخيص مي باشد ودر صحنه هاي سه بعدي براحتي مقدور نيست و نيازمند به 2 دوربين بوده وسرعت نيز كم است .	صحنه هاي سه بعدي براحتي قابل درك مي باشد	دو و سه بعدي
اطلاعات اخذ شده بطور خودكار و مداوم وارد بانك اطلاعاتي مي شود ، انتقال ورود و اطلاعات دقيق و كم هزينه مي باشد.	اطلاعات اخذ شده مي بايستي بطور دستي انتقال داده شود هزينه انتقال و ورود اطلاعات زياد بوده و ميزان خطا زياد مي باشد .	خروج داده ها
مي تواند به هر دو صورت خطي و لگاريتمي دريافت كند . محدوده طيف از طول موجهاي پائين پرتو تا طول موجهاي بالاي مادون قرمز مي باشد .	براساس مقياس لگاريتمي است و متاثر از رنگ زمينه مي باشد محدود به طيف قابل رويت از 300 تا 700ميلي ميكرون	دريافت داده ها   طول موج

 

6-1 سيستم بينايي چيست ؟

1-6-1 كليات سيستم

يك سيستم ماشين بينايي شامل تمام اجزاء لازم بمنظور تهيه ، تعريف ديجيتالي يك تصوير تغيير واصلاح داده ها وارائه نمايش داده هاي تصويري ديجيتالي به دنياي بيرون مي باشد چنين سيستمي چنانچه در يك محيط صنعتي بكار گرفته شود ، ممكن است به دليل اينكه متصل به ساير تجهيزات خط توليد مي باشد بسيار پيچيده بنظر مي رسد ولي اگر چنانچه با توجه به نقش و وظيفه سيستم بينايي اجزاء اصلي تشكيل دهنده آن بيان شوند ، مشخص خواهد شد كه پيچيدگي زيادي در سيستم وجود ندارد اجزاء اصلي سيستم شامل سه قسمت اصلي است :

1- قسمت تصوير برداري

2- پردازش

3- نمايش يا وسايل خروجي اطلاعات

2-6-1 تصوير گيري

تصوير گيري در ماشين بينايي يعني تبديل اطلاعات تصويري يك شئي فيزيكي و خواص ظاهري آن بصورت داده هاي عددي است بگونه اي كه اين تصوير مي تواند از توسط پردازشگر پردازش شود تصوير گيري ممكن است شامل چهار فرايند زير باشد :

1- نور پردازي

2- تشكيل تصوير يا متمركز كردن آن

3- تبديل تصوير به سيگنالهاي الكتريكي

4- قالب بندي كردن سيگنال خروجي تصوير

3-6-1 نور پردازي

نور پردازي يك عامل كليدي وتاثير گذ ار بر روي كيفيت تصوير تشكيل شده است كه به عنوان ورودي ماشين بينايي مورد استفاده قرار مي گيرد ممكن است تا 30 درصد حجم كار و تلاش طراحي اجزاء يك سيستم ماشين بينايي را بخود اختصاص دهد .

بسياري از سيستم هاي ماشين بينايي كه در گذشته در صنعت بكار رفته اند از نور قابل رويت استفاده كرده اند كه علت آن از يك طرف در دسترس بودن آن واز طرف ديگر خود كار نمودن عمل بازرسي كه قبلا توسط كارگر انجام مي شده است مي باشد بازرسي توسط كارگر براساس توانايي چشم ودر محدوده طول موج نور قابل رويت مي باشد چهار نوع لامپ از لامپهايي كه نور قابل رويت توليد مي كنند واغلب در صنعت استفاده شده اند عبارتند از : لامپهاي التهابي فلورسنت بخار جيوه وبخار سديم استفاده از نور غير قابل رويت شبيه اشعه ايكس ماوراء بنفش و مادون قرمز بدليل نياز به انجام بررسي هاي ويژه كه توسط نور قابل رويت انجام پذير نيست ، روبه افزايش است روشهاي نور پردازي جهت كار بردهاي صنعتي ماشين بينايي شامل چهار دسته زير است :

1- نور پردازي از پشت

2- نور پردازي از مقابل

3- نور پردازي داراي ساختار

4- نور پردازي لحظه اي

نور پيرامون محيط كار كه منابعي بجز منبع اصلي نور پردازي سيستم ماشين بينايي بر مجموع ميزان نور تابيده شده برجسم اثر گذاشته وبطور كلي بصورت نويز در داده هاي تصويري ظاهر مي شود .

براي كم كردن تاثير نور پيراموني مي توان از پرده نوري يا ديواره هاي محافظ استفاده نمود تا از ورود آن به لنز دوربين جلوگيري شود .

 

1-3-6-1 نور پردازي از پشت :

وقتيكه شي مورد بررسي بين دوربين و منبع نور قرار مي گيرد نور پردازي را اصطلاحا نور پردازي از پشت مي گويند در اين روش سايه اي از جسم تشكيل مي شود و مرز جسم كاملا مشخص مي باشد .(شکل 1-1)

 

مزيت نور پردازي از پشت ايجاد تصاوير با كنتر است بالاو تفكيك آسان مرز جسم مي باشد كنتر است بالاباعث كم شدن پردازش هاي بعدي شده همچنين از حساسيت سيستم به تغييرات نوردهي منبع نور مي كاهد در مورد نور پردازي اجسامي كه مسطح نيستند ممكن است لازم باشد تا با استفاده از عدسي هاي مناسب نور به جسم تابانده شود .

روش نور دهي از پشت براي اعمالي از قبيل تشخيص ترك ، مك و وجود اشياء خارجي در قطعات شفاف ايده آل مي باشد . تشخيص ترك الستخوان در تصاوير اشعه X واندازه گيري ميزان تنش انرژي و حرارتي از يك ساختمان توسط پرتو مادون قرمز از جمله مثالهاي اين روش نور پردازي مي باشند .

اساسا تصوير حاصل از روش نور دهي از پشت تك رنگ است با توجه به اينكه لب هاي تصوير بگونه اي بر روي صفحه سنسور تشكيل تصوير مي دهند كه ممكن است يك پيكسل كامل را پر نكنند .

بنابراين اين پيكسلها داراي مقادير حدود سطحي بين سياه و سفيد مطلق خواهند بود به عنوان مثال مقدار عددي پيكسل كه 50 درصد آن توسط جسم پوشيده شده است در يك سيستم داراي 16 سطح خاكستري معادل عدد 7 خواهد بود و بطور كلي مقدار عددي هر پيكسل كه نشانگر مرزهاي قطعه باشد متناسب با مقدار پوشش آن خواهد بود شي نشان داده شده در صفحه بعد در قسمت مرزها ، فقط بخشي از مساحت پيكسلها را پوششي مي دهد كه مقادير عددي پيكسلها يا همان سطح خاكستري بدست آمده براي پيكسلها در ماتريس تصوير نشان داده شده است شايان ذكر است كه مقدار عددي پيكسلها وهمچنين مقدار كاهش يافته آن نمي تواند هيچگونه اطلاعاتي در خصوص شكل قطعه ارادئه دهد و بايستي اطلاعات مربوط به اينكه چه شكلي در مقابل دوربين قرار گرفته است با مقاديعددي پيكسلها توام گردد.

(شکل2-1)

2-3-6-1نور پردازي از مقابل :

در روش نور پردازي از مقابل نور منعكس شده از سطح جسم به دوربين وارد مي شود . در اين روش دوربين ومنبع نور در يك طرف شئي قرار مي گيرند با استفاده از اين روش مي توان اطلاعاتي درباره سطح جسم يا برجستگي و فرورفتگيهاي آن و همچنين ابعاد جسم بدست آورد .

بسته به زاويه دوربين مي توان از تكنيكهاي اندازه گيري مات ويا نور پردازي Specular استفاده نمود . (شکل 3-1)

 

3-3-6-1نور پردازي لحظه اي :

درنور پردازي لحظه اي شي و براي مدت بسيار كوتاه ولي باشدت زياد ( 5 تا 500 ميكروثانيه ) نور دهي مي شود پالس كوتاه نور دهي ممكن است براي ايجاد يك تصوير ساكن از اجسام در حال حركت بكار رود ويا ممكن است براي كاهش اثر نامطلوب نور محيط استفاده شود .

در فرايند هاي توليد معمولا قطعات بر روي نوارنقاله متحرك بوده ويا قطعه طبعا در حال حركت مي باشد .

در اين نور پردازي لازم است تا دوربين و منبع نور براي ايجاد پالس كوتاه نور منكرون شوند .با توجه به اينكه لازم است تا تصوير ساكن از جسم تهيه شود ، لذا مدت پالس حائز اهميت فراوان مي باشد .

 

4-3-6-1نور پردازي داراي ساختار :

نور پردازي داراي ساختارعبارت است از نور دادن به شئي با پرتوهاي نوري داراي الگوهاي خاص يا بصورت الگوي مشبك 10 از تلاقي شئي با تصوير پرتوهاي نور داراي ساختار ، يك الگوي منحصر بفرد از شي حاصل مي شود كه اين الگو بستگي به شكل واندازه هاي جسم دارد يك جسم سه بعدي داراي تصويري خواهد بود كه طبعا وقتي در صفحه سنسور قرار مي گيرد داراي دو بعد بيشتر نخواهد بود با استفاده از تكنيك نور پردازي داراي ساختار ونه تنها مي توان فواصل افقي بلكه اندازه هاي عمودي را بر روي قطعه اندازه گيري نمود و شكل سه بعدي قطعه را مشخص كرد مشاهده مي شود كه خط نشان داده شده در شكل از حالت خط مستقيم خارج شده و بصورت منقطع در آمده است كه علت آن وجود برآمدگي بر روي قطعه است اندازه فاصله بين قسمت مقطع وسطي با امتداد اوليه مرتبط ، با ارتفاع برآمدگي مي باشد اطلاعات بيشتر تا شبيه فواصل بين اجزاء قطعه را مي توان با استفاده از گونه هاي مختلف ساختار نور بدست آورد .(شکل 4-1)

7-1مفاهيم اوليه پردازش تصوير

1-7-1 پيكسل

هر تصوير توسط يك ماتريس M ×N از مقاديرپيكسلها ( المانهاي P( I,j) با مقادير اسكالر منفي كه بيانگر شدت نور تابيده شده از جسم بر سطح پيكسل واقع درموقعيت ( x,y) مي باشد تعريف مي شود اين مطلب درشكل پائين نشان داده شده است در اين شكل ارتباط بين المان تصوير و پيكسلهاي ماتريس نشان داده شده است مبدا مختصات استفاده شده براي تصوير ماتريس با يكديگر فرق دارند مبدا مختصات تصوير درگوشه چپ پائين قرار دارد در حاليكه مبدا مختصات پيكسلها در گوشه چپ بالاي ماتريس قرار دارد .(شکل 5-1)

 

 

 

 

 

برخي از سيستم هابجاي نقطه شروع (1و1) از نقطه (0و0) استفاده مي كنند . تمامي ماتريسهاي استفاده شده در اين مبحث بصورت ربعي M ×Nخواهند بود ولي در عمل مقادير M ×N ممكن است متفاوت باشند .(شکل 6-1)

 

 

مقدار عددي پيكسل عبارت از ميانگين شدت نور تابيده شده برسطح پيكسل مي باشد مقدار هر پيكسل P(I,j) بين 0 و 1 مي باشد

 

2-7-1 پنجره

يك بخش يا ناحيه از تصوير از يك پنجره گويند پنجره توسط مختصات نقاط چهارگوشه آن بيان مي شود .

 

 

 

 

(شكل 7-1 )

 

3-7-1 مكان پيكسل

يك پيكسل متعلق به ماتريس M ×N در ساده ترين شكل توسط مختصاتش بيان مي شود پيكسل واقع در مكان n,m از يك ماتريس داراي مقدار عددي مي باشد كه اين مقدار بيانگر مقدار نور تابيده شده از بخشي ازسطح به پيكسل مربوطه مي‌باشد .

به عنوان مثال تصويري را در نظر بگيريد كه در قسمت با روي آن هيچگونه لوزي وجود ندارد ( سياه كامل ) وقسمت پائين آن بسيار روشن مي باشد ( سفيد كامل ) واين تصوير داراي ابعاد 10×10 مي باشد اگر از يك سيستم دو روئي براي نشان دادن تصوير استفاده شود آنگاه ناحيه اي كه در آن هيچ نوري وجود ندارد توسط عدد صفر و قسمت روشن با مقدار يك مشخص خواهد شد و شكل پائين چنانچه از يك ماتريس 4×5 يعني داراي 5 رديف و 4 ستون از پيكسلها استفاده شود هر المان 2× 5/2 ( پهنا در ارتفاع ) اينچي از تصوير توسط يك پيكسل بيان خواهد شد كه مقدار آن بستگي به ميانگين نور تابيده شده برسطح آن دارد . (شکل 8-1)

 

سطح 2×5/2 اينچي واقع در گوشه بالاي سمت چپ كه با موقعيت ( 1و1) در ماتريس 4×5 الماني مشخص مي شود با مقدار صفر بيان مي شود كه معني آن اين است كه هيچگونه نوري از اين قسمت دريافت نشده است سطح 2×5/2 اينچي واقع در گوشه پايين سمت راست تصوير يعني المان واقع در ستون چهارم و رديف پنجم ( مختصات (4×5)) با مقدار يك يعني حداكثر دريافت نور بيان مي شود .

بايستي توجه داشت كه چنانچه از يك سيستم كه داراي 16 سطح خاكستري است استفاده مي شد آنگاه مقدار پيكسل ( 1و1) برابر صفحه ومقدار پيكسل ( 4و 5) برابر 16 سي بود .

مشاهده مي شود كه هيچگونه اطلاعاتي در مورد مقادير مياني سطوح وجود ندارد و طراح سيستم بايستي يك حد آستانه را مشخص نمايد تا مقادير زير حد آستانه

توسط عدد صفحه ومقادير بالاي حد آستانه توسط يك عدد بيان شوند .

در مثال ذكر شده شكل المانها تصوير مستطيلي در نظر گرفته شدند ولي بسته به نوع سنسور ممكن است المانها بصورت مستطيلي يا دايره اي در نظر گرفته شوند در مورد دوربينهاي لابي با سطح سنسور دايره اي ممكن است المانها قدري همپوشاني داشته باشند.(شکل 9-1)

در هنگام استفاده از المانها مدور مجزا ( بدون همپوشاني ) نور انعكاسي از سطح تصوير كه در پيرامون دواير قرار مي گيرند اندازه گيري نمي شود در حاليكه وقتي از المانهاي با همپوشاني استفاده مي شود بخشهايي از تصوير دوبار اندازه گيري مي شود بايستي توجه داشت نمي توان هيچگونه اطلاعاتي در مورد شكل سطحي از تصوير كه توسط يك پيكسل نمايش داده مي شود بدست آورد وهمچنين نمي‌توان از مقدار يك پيكسل اطلاعاتي درباره توزيع نور بر سطح آن پيكسل بدست آورد .

 

4-7-1سطح خاكستري

براي اينكه بتوان مقادير مياني بين روشن وتاريك كامل را بيان نمود واطلاعات تصويري كاملتري بدست آورد لازم است تا تعداد بيتهايي كه مقدار پيكسل را نشان مي دهند افزايش داد به عنوان نمونه ، چنانچه قرار باشد شدت نور پردازي را با چهار شدت مختلف بيان نمود لازم است تا از دو بيت دودوئي استفاده نمود بهمين ترتيب براي 16 سطح نياز به 4 بيت و براي 256 سطح نياز به 8 بيت مي باشد تعداد مجموع سطوح خاكستري معمولا بصورت تواني از عدد 2 مي باشد كمترين مقدار پيكسل يعني صفر براي سياه كامل بكار مي رود و مقدار يك يا عددي برابر يكي كمتر از تعداد سطوح خاكستري سيستم براي سفيد كامل استفاده مي شود مثلا عدد 15 براي بيان سفيد كامل در يك سيستم سطحي بكار مي رود مقادير پيكسلها همواره مقادير صحيح مي باشند .

سطح خاكستري دامنه مقدار خاكستري

2¹ 2 مقدار 0 و 1

2³8 مقدار از 0 تا 7

2⁴ 16 مقدار از 0 تا 15

2⁵256 مقدار از 0 تا 255

سيستم هاي اوليه ماشين بينايي فقط دو دويي بودند به همين دليل سنسورهاي استفاده شده بسيار ساده بودند . علاوه بر آن جمع آوري داده ها ، پردازش وذخيره سازي تصوير ساده تر بود .

اغلب ريز پردازنده هاي امروزي حداقل 8 بيتي هستند لذا سيستم هاي 16 و 64 و 256 سطح خاكستري ، متداول مي باشند . استفاده از سيستم هايي با سطوح بيشتر از 256 چندان سفيد نبوده و براي اكثر كاربردهاي صنعتي فعلي سيستم هاي با 256 سطح كفايت مي كنند . سيستم هاي 64 و 256 سطحي تعداد سطوح بيشتري از آنچه توسط چشم انسان قابل تشخيص است را فراهم مي كنند چشم انسان قادر است درهنگام مقايسه بين رنگهاي مختلف خاكستري تا 40 سطح مختلف بين سفيد و سياه كامل را تشخيص دهد ولي بطور مطلق قادر به مشخص نمودن 10 تا 15 سطح بيشتر نيست . قدرت تمايز يك سيستم 16 سطحي قادر كمتر از چشم انسان مي باشد در حاليكه سيستم هاي 64 و 256 سطحي قدرت تمايز بيشتري از چشم انسان دارند .

اگر چه سيستم بينايي استفاده شده در يك كاربرد خاص ممكن است داراي 256 سطح باشد ولي بنا به دلايلي ممكن است لازم باشد تا تعداد سطوح متفاوت استفاده شود براي دستيابي به دقت باتلرانس مورد نياز از تكنيكهاي اعشار پيكسل با دقت 9/1 ، 13/1 يا 20/1 پيكسل ممكن است استفاده شود در اين صورت سيستمي با سطوح 9 ، 13 يا 20 بكار گرفته مي شود .

تعداد سطوح خاكستري با و اضح تر جلوه دادن بعضي از ويژگيهاي تصوير يا با حذف برخي از جزئيات بر روي كيفيت تصوير تاثير مي گذارند . در حالت كلي افزايش تعداد سطوح خاكستري باعث بهبود كيفيت تصوير شده واين امكان را بوجود مي آورد تا بتوان بخشهاي خاصي از تصوير را بهبود داد تصوير گيري بصورت تصاوير دو دويي نيازمند حافظه كمتري مي باشد .

اما امكان استفاده از تكنيكهاي بسط سطوح خاكستري در هنگام پردازش تصوير را محدود مي كند افزايش تعداد پيكسلهاي تصوير از مقادير كم شبيه 32×32 به 250×250 از روزلوشن سيستم را افزايش مي دهد وتصوير حاوي جزئيات بيشتري خواهد داد . افزايش روزلوشن متفاوت از بزرگ كردن تصوير توسط عدسي مي‌باشد . با بزرگ كردن تصوير توسط عدسي فقط اندازه پيكسل افزايش مي يابد .

سيستم هاي داراي سطوح بيشتر از 2 اولا اين امكان را فراهم مي كنند تا سطوح متفاوت شدت نور تابيده شده را تفكيك نموده ثانيا امكان بهره گيري از تكنيك اعشار پيكسل را فراهم آورده كه مي تواند در اندازه گيريدقيق ابعاد اجسام از آن بهره جست. (شکل10-1)

(aشي برروي ميزنور

(bنماي شئي از بالا

(cداد هاي تصويري متناظر نقاط سياه با صفر و نقاط سفيد با 15نشان داده شده است .

در يك تحليل سلول به سلول مشاهده مي شود كه سطح نشان داده شده توسط پيكسل ( 4و2) يك سطح تاريك بوده ولذا مقدار پيكسل بر1 و صفر خواهد بود . در حاليكه فقط صف سطح پيكسل ( 2و2) توسط جسم پوشانده شده است از اينرو ميانگين نور دريافت شده برابر 2 ( 15+0) يا 5/7 خواهد بود تمامي سطوح كناري روشن بوده لذ ا مقادير پيكسلهاي مربوطه برابر 15 خواهد بود .

با توجه به اينكه مقادير پيكسلها بايستي اعداد صحيح باشد عدد 5/7 بايستي تبديل به يك عدد صحيح گردد در هر سيستمي بايستي نحوه تبديل اعداد اعشاري به اعداد صحيح مشخص باشد به عنوان مثال يك قانون كلي مي تواند اين باشد كه از روش گرد كردن رياضي استفاده شود يعني اعداد اعشاري با جز صحيح كوچكتر گرد شوند از اينرو مقدار 5/7 در مثال فوق بايستي به عدد 8 گرد شود يا اگر مقدار پيكسل 6/6 باشد به عدد 7 گرد خواهد شد انتخاب حد آستانه براي گرد كردن مهم بوده و بر روي تلرانس اثر مي گذارد لذا اطلاع از اين مقدار نيز مهم مي باشد .

 

8-1 هيستو گرام

به نموداري كه تعداد تكرار سطوح مختلف خاكستري در يك تصوير را نشان دهد هيستو گرام گويند . در اين نمودار محور x ها را نشان دهنده هر يك ازسطوح خاكستري و محور y ها تعداد پيكسلهاي متناظره با سطوح خاكستري مختلف مي باشند .

هيستو گرام بدين گونه ساخته مي شود كه :

1- داده هاي تصويري بصورت ديجيتال در آورده شود .

2- تعداد پيكسلها در هر يك از سطوح خاكستري شمرده مي شوند .

3- نمودار تعداد تكرار پيكسلها در هر يك از سطوح خاكستري ترسيم مي گردد .

نمودار مي تواند بصورت ميله اي باشد كه ارتفاع هر يك از ميله ها بيانگر تعداد پيكسل در آن 32 سطح خاكستري خاص مي باشد مقدار هيستو گرام در يك مقدار مشخص از پيكسل بيانگر احتمال وضوح آن سطح خاكستري در هر يك از المانهاي تصوير مي باشد از اين گراف هيچ اطلاعي در خصوص مكان پيكسلها نمي توان بدست آورد احتمال اينكه يك پيكسل در مكاني مثل ( x,y) داراي مقداري مثل b باشد از شكل ( 1-3) مي تواند بدست آيد كه اين مقدار عبارت است از :

 

مقدار b = P(b) نقطه (y,x) از تصوير

مجموع تعداد پيكسل ها

 

اگر b=6 فرض شود با توجه به شكل صفحه قبل مقدار هيستو گرام به ازاي سطح خاكستري 6 برابر 7 مي باشد لذا :

شكل هيستو گرام اطلاعاتي را درباره خواص تصوير فراهم مي كند به عنوان مثال ، يك هيستو گرام باريك ( در امتداد محور x ها ) نشان دهنده اين واقعيت است كه كمتر است تصوير كم مي باشد يا يك مقدار پيكسل مشخص مي تواند نشان دهنده يك خاصيت منحصر بود از يك جزء تصويري مثل يك سوراخ باشد هيستو گرام مي تواند در مواردي از قبيل بدست آوردن مقدار حد آستانه 6 كه براي تبديل تصاوير سطح خاكستري به تصاوير دو دويي لازم است يا در تصحيح بخشي از طيف سطوح خاكستري سفيدباشد .

 

1-8-1 ايجاد هيستو گرام

هيستو گرام يك تصوير مي تواند طبق زير وهمانگونه كه در شكلهاي زير نشان داده شده است ايجاد گردد . (شکل11-1)

 

 

تعداد مجموع پيكسلهاي تشكيل دهنده تصوير مشخص گردد اين تعداد بستگي به تعداد المانها دارد . در مثال ذكر شده ماتريس با ابعاد M ×N استفاده شده است اگر 10 = N=M باشد تعداد مجموع پيكسلها برابر 100 = 10×10 خواهد بود .

1-لازم به ذكر است كه M الزاما برابر N نيست و مقادير آن بستگي به دوربين استفاده شد ه سرعت نمونه گيري در فرايند تبديل سنگنال آنالوگ به ديجيتال و گنجايش حافظه سيستم دارد

هر چه مقادير N,M بيشتر باشد دقت و زير سنجي سيستم افزايش مي يابد ولي لازم است تا محاسبات بيشتري انجام گيرد و زمان واكنش نيز افزايش مي يابد .

1- داده هاي تصويري بصورت ماتريسي در آ‎ورده شود در مثال از يك ماتريس 5×5 يعني مجموعا 25 مقدار استفاده شده است .

2- داده هاي تصويري بصورت جدول در آورده شده است يعني به ازاي هر سطح خاكستري چه تعداد پيكسل داراي آن مقدار مي باشد به عنوان مثال 6 پيكسل داراي مقدار صفر هستند و يك پيكسل داراي مقدار 3 است مجموع تعداد مقادير جدول بايستي مساوي M ×N باشد در مثالي كه ذكر شد اين مقدار برابر 25 خواهد بود .

3- نمودار ميله اي براساس جدول تهيه شده در مرحله 3 ترسيم گردد محور افقي از صفر شروع شده تا مقدار حداكثر يكي كمتر از تعداد سطوح خاكستري ادامه مي يابد درمثال ذكر شده چون از يك سيستم 16 سطحي استفاده شده حداكثر عدد افقي عدد 15 خواهد بود .

بايستي توجه داشت كه مقدار حداكثر پيكسل ها عامل تعيين كننده اي نيست هيستو گرام حاصل داراي ميله هايي با ارتفاع هاي مختلف به ازاي مقادير از 0 تا 15 خواهد بود .