Tiến Sĩ Ứng dụng xử lý ảnh và mạng nơron trong phân loại gạo trắng thành phẩm

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN











1.1 GIỚI THIỆU
Trên thế giới có 5 loại lương thực được sản xuất và tiêu thụ chính bao gồm: Lúa gạo, lúa mì, ngô, hạt kê và lúa mạch. Trong số 5 loại lương thực trên, lúa mì và lúa gạo là hai loại lương thực được tiêu thụ nhiều nhất. Khoảng 40% dân số thế giới xem lúa gạo là nguồn lương thực chính, 25% sử dụng lúa gạo trên 50% khẩu phần lương thực hàng ngày, vì vậy lúa gạo có ảnh hưởng đến ít nhất 65% dân số thế giới [1].
Theo cơ cấu phân bố các loại lương thực được sử dụng trên thế giới, lúa gạo được tiêu thụ nhiều nhất ở các nước Châu Á, chiếm tới 90% sản lượng lúa gạo trên toàn thế giới, phần còn lại chủ yếu phân bố ở các quốc gia Châu Phi và Châu Mỹ Latin. Để đánh giá vị trí của lúa gạo trong ngành sản xuất lương thực thế giới một cách khái quát và rõ ràng hơn, tổ chức FAO đã đưa ra bảng số liệu tỷ trọng sản lượng thóc trong tổng sản lượng lương thực thế giới ( thống kê vào năm 1997) [2].
Quốc gia, khu vực Sản lượng lương thực (triệu tấn) Sản lượng thóc ( triệu tấn) Tỷ trọng thóc trên sản lượng lương thực (%)
Thế giới 2096.43 573.26 27.34
Châu Á 991.23 523.89 52.86
Ấn Độ 223.01 123.01 55.16
Trung Quốc 443.82 198.47 4.48
Thái Lan 26.1 21.28 81.61
Indonesia 59.96 50.63 84.47
Việt Nam 27.94 26.4 94.62
Philippine
15.6 11.27 72.43
Myanma 19.42 18.9 97.42
Nhật 13.33 12.53 93.98
Châu Âu 438.46 3.08 0.71
Châu Phi 109.24 16.55 15.2
Châu Mỹ 527.96 28.37 5.38
Brazil 47.35 9.33 19.62
Mỹ 342.65 8.12 2.36
Châu Úc 29.63 1.35 4.89
Bảng 1 : Tỷ trọng sản lượng lương thực trong tổng sản lượng lương thực thế giới. (Nguồn : FAO, Food Out look Statistical Supplement 1996)
















1.1.1 Gạo thuật ngữ và định nghĩa
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5643: 1999 quy định thuật ngữ và định nghĩa chính liên quan đến khái niệm chung, kích thước, mức xát, và chỉ tiêu chất lượng của gạo [5].
1.1.2 Gạo phân loại theo kích thước
a) Gạo hạt rất dài: là hạt có chiều dài lớn hơn 7mm.






b) Gạo hạt dài: là hạt có chiều dài từ 6mm đến 7mm







c) Gạo hạt ngắn: Hạt có chiều dài nhỏ hơn 6mm







d) Tấm và tấm nhỏ: kích thước tấm được quy định tùy theo vào từng loại gạo.







1.1.3 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng gạo
Gạo là hạt được tiêu thụ toàn bộ, vì vậy những tính chất vật lý như kích thước, hình dạng, sự đồng đều và diện mạo chung là vô cùng quan trọng. Gạo có vô số kiểu chiều dài hạt khác nhau. Hình dưới đây trình bày các kiểu hạt dài, trung bình và ngắn điển hình của Mỹ. Mỗi loại bao gồm cả dạng hạt dài, trung bình và ngắn.









Ở Việt Nam, dựa theo các yêu cầu kỹ thuật về kích thước, hình dạng hạt gạo, tỷ lệ hạt và tỷ lệ tấm, gạo được phân chia thành những loại cơ bản trong TCVN 5644:1999 (Gạo trắng - Yêu cầu kỹ thuật) [5].
BẢNG CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG GẠO TRẮNG TCVN 5644 : 1999
Loại gạo
% khối lượng Tỉ lệ hạt Thành phần của hạt
Rất dài
L>7.0 mm Dài
L: 6.0-7.0 mm Ngắn
L<6.0 mm Hạt nguyên
(%) Tấm
Kích thước quy định cho tấm
(mm) Tấm và
tấm nhỏ % Trong đó
tấm nhỏ %




Gạo hạt dài

100% loại A ≥ 10 ≤ 10 > 60 (0.5-0.8)L < 4.0 ≤ 0.1
100% loại B ≥ 10 ≤ 10 ≥ 60 (0.5-0.8)L < 4.5 ≤ 0.1
5 % ≥ 5 ≤ 15 ≥ 60 (0.35-0.75)L 5.0 ± 2 ≤ 0.2
10 % ≥ 5 ≤ 15 ≥ 55 (0.35-0.7)L 10 ± 2 ≤ 0.3
15 % < 30 ≥ 50 (0.35-0.65)L 15 ± 2 ≤ 0.5
20 % < 50 ≥ 45 (0.25-0.6)L 20 ± 2 ≤ 1.0
25 % < 50 ≥ 40 (0.25-0.5)L 25 ± 2 ≤ 2.0
35 % < 50 ≥ 32 (0.25-0.5)L 35 ± 2 ≤ 2.0
45 % < 50 ≥ 28 (0.25-0.5)L 45 ± 2 ≤ 3.0
Gạo hạt ngắn 5 % > 75 ≥ 60 (0.35-0.75)L 5.0 ± 2 ≤ 0.2
10 % > 70 ≥ 55 (0.35-0.7)L 10 ± 2 ≤ 0.3
15 % > 70 ≥ 50 (0.35-0.65)L 15 ± 2 ≤ 0.5
20 % > 70 ≥ 45 (0.25-0.6)L 20 ± 2 ≤ 1.0
25 % > 70 ≥ 40 (0.25-0.5)L 25 ± 2 ≤ 2.0
35 % > 70 ≥ 32 (0.25-0.5)L 35 ± 2 ≤ 2.0
45 % > 70 ≥ 28 (0.25-0.5)L 45 ± 2 ≤ 3.0
Chú thích: L – Chiều dài trung bình của hạt gạo.
1.1.4 Phương pháp đánh giá chất lượng gạo
Gạo được chấp nhận bởi tiêu chuẩn chất lượng và được đánh giá chủ yếu dựa vào sở thích của người tiêu dùng. Hiện nay, tại Việt Nam quy trình kiểm định gạo được thực hiện theo TCVN 1643-1992 [6] gồm các quy trình sau:
1. Chuẩn bị các thiết bị và dụng cụ chính: máy tách mẫu, máy đếm hạt, trống phân hạt, dụng cụ đo kích thước hạt, dụng cụ kiểm tra hình dạng hạt, cân phân tích có độ chính xác đến 1mg, dụng cụ kiểm tra độ xay xát, độ ẩm hạt
2. Chuẩn bị mẫu phân tích
3. Tiến hành thử
3.1 Xác định hạt nguyên vẹn, kích thước hạt, tấm, hạt lẫn loại.
3.2 Thử cảm quan, xác định mùi, vị.
3.3 Xác định độ ẩm.
3.4 Xác định tạp chất, thóc lẫn, tấm mẳn.
3.5 Xác định hạt vàng, bạc phấn, hạt đỏ, sọc đỏ, hạt hư hỏng, xanh non, gạo nếp và gạo lật.
3.6 Xác định mức xát.
3.7 Xác định sâu mọt có trong gạo.
Trong quy trình 3.1 - xác định hạt nguyên vẹn, kích thước hạt, tấm, hạt lẫn loại cần nhiều trang thiết bị chuyên ngành hiện đại, tiên tiến như: máy tách mẫu, máy đếm hạt, trống phân hạt, dụng cụ đo kích thước hạt, dụng cụ kiểm tra hình dạng hạt và mất nhiều thời gian thực hiện. Dưới đây là một số thiết bị phục vụ quy trình kiểm định hình dạng hạt đang được sử dụng hiện nay.






















1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Với mục đích mong muốn rút ngắn quy trình, thời gian kiểm định, giảm thiết bị, giảm nhân công phân tích dữ liệu, vận hành thiết bị và đưa ra kết quả kiểm định nhanh hơn, chính xác hơn nhờ máy tính hóa các giai đoạn, đề tài ” ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH VÀ MẠNG NƠRON NHÂN TẠO TRONG PHÂN LOẠI GẠO TRẮNG THÀNH PHẨM” bước đầu ứng dụng công nghệ thông tin, quang học, kỹ thuật điều khiển thông minh vào quy trình kiểm định kích thước, hình dạng hạt gạo, tỷ lệ hạt và tỷ lệ tấm của gạo.
Phương pháp thực hiện được đề nghị trong đề tài là ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh và kỹ thuật điều khiển thông minh - mạng nơron nhân tạo - để xác định loại gạo. Chỉ tiêu xác định gạo dựa vào Bảng chỉ tiêu chất lượng về hình dáng, kích thước, tỷ lệ và thành phần hạt gạo được quy định trong TCVN 5644:1999 (Gạo trắng - Yêu cầu kỹ thuật).
1.2.1 Xử lý ảnh
Gạo thành phẩm sẽ được lấy mẫu thông qua việc chụp ảnh mẫu gạo bằng camera (CCD), ảnh gạo mẫu sẽ được xử lý để đưa ra đặc trưng của các hạt gạo:
 Chiều dài các hạt gạo.
 Chiều dài trung bình (L) của mẫu gạo.
 Tỉ lệ hạt gạo rất dài (L > 7.0mm).
 Tỉ lệ hạt gạo dài (0.6mm < L < 7.0mm).
 Tỉ lệ hạt gạo ngắn (L < 0.6mm).
 Tỉ lệ % hạt nguyên.
 Tỉ lệ % tấm ( tấm lớn: 0.5L < chiều dài hạt tấm < 0.8L; tấm trung bình: 0.25L < chiều dài hạt tấm < 0.5L).
 Tỉ lệ % tấm nhỏ (chiều dài hạt tấm < 0.25L).
Đầu tiên mẫu gạo được chụp bằng camera CCD, sau đó ảnh gạo sẽ được chuyển đổi A-D và truyền đến máy tính thông qua card giao tiếp TV. Ảnh gạo được xử lý và cho ra chiều dài của tất cả các hạt gạo trong mẫu. Các thông số chiều dài này được dùng để tạo ra các đặc trưng cơ bản của mẫu gạo (chiều dài trung bình gạo, tỉ lệ hạt rất dài, tỉ lệ hạt ngắn, tỉ lệ tấm và tỉ lệ tấm nhỏ ) Các loại gạo khác nhau được lấy ảnh nhiều lần và xử lý ảnh để có được các tập đặc trưng khác nhau về mẫu gạo. Các tập đặc trưng này phải có số lượng ảnh đủ lớn để đảm bảo việc huấn luyện mạng nơron đạt yêu cầu về độ chính xác khi nhận dạng.










1.2.2 Mạng nơron
Một mạng nơron được xây dựng và huấn luyện để nhận dạng thông số của các đặc trưng, phân loại và đưa ra kết luận loại gạo đang phân tích. Kết quả ngõ ra của mạng nơron là các loại gạo trắng thành phẩm theo phần trăm khối lượng tấm có trong gạo, được quy định theo tiêu chuẩn phân loại gạo TCVN 5643:1999.
Mạng nơron được xây dựng với đầu vào là các đặc trưng cơ bản của hạt gạo và đầu ra là các loại gạo theo TCVN 5644:1999. Trước tiên các tập đặc trưng của các mẫu gạo lần lượt được đưa vào mạng nơron để học huấn luyện. Sau khi huấn luyện, mạng sẽ được kiểm tra, đánh giá chất lượng bằng cách đưa các mẫu gạo chuẩn ngoài tập huấn luyện để nhận dạng. Nếu kết quả nhận dạng chưa chính xác, các thông số của mạng sẽ được điều chỉnh và huấn luyện lại. Quá trình điều chỉnh này sẽ lặp lại cho đến khi mạng phân loại cho kết luận đúng loại gạo mẫu đã đưa vào.
Các phương pháp huấn luyện và các thông số yêu cầu của mạng sẽ được thay đổi và so sánh kết quả (thời gian huấn luyện, độ chính xác của kết quả nhận dạng, .). Các kết quả huấn luyện đạt chuẩn được lưu lại tạo thành các cơ sở dữ liệu mạng huấn luyện. Mạng nơron sẽ sử dụng các sơ sở dữ liệu này thay cho quá trình học khi thực hiện các yêu cầu nhận dạng về sau.










1.2.3 Mô hình, thiết bị thực hiện