پيشگفتار:

با ساخت وسايل الکترو مغنا طيسي نظير انواع الکتروموتورها، بوبين ها ،رله ها وغيريه ،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 وغيره به‌وجودآمد.

پيشرفت ها 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 دستگاهها ورباتها سپرده شده است.همچنين با پيشرفت الکترونيک در زمينه ساخت سنسورها .بالا رفتن دقت آن ها، امروزه انواع گوناگوني از حس گرها در دنيا توليد مي شود که در ساخت رباتها ودر زمينه اتوماسيون نقش مهمي را ايفا مي‌کنند.
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.

در خاتمه از استاد گرانقدر جناب آقاي همايون موتمني و نيز تمام کساني که در اين امر مرا ياري دادند، از جمله مهندس فيض ا... خاکپور و نيز دوست عزيزم مهدي جعفري ، تشکر وقدرداني مي نمايم.

 

 

 

 

 

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 موج قرمز 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