Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí

MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một giây. Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính xác thấp hơn phương pháp quét tia laser. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18]. Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí [20], [61], [62]. Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính xác đo cao. Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao. Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống nhiễu cao. Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí. Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ KIM CÚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐO CHI TIẾT CƠ KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà nội - 2018

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Kết cấu của luận án 4

6 Các kết quả mới 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 6

1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 6

1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray 11

1.2.1 Phương pháp dịch pha 11

1.2.2 Phương pháp mã Gray 13

1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray 14

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí 20

1.3.1 Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống 23

1.3.2 Ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí 31

1.3.2.1 Mô hình phản xạ bề mặt 31

1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt 37

1.3.3 Đánh giá độ chính xác hệ thống PSGC 41

1.4 Kết luận chương 1 48

1.5 Hướng nghiên cứu của luận án 48

Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PSGC 49

2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) 49

2.2 Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ 53

2.2.1 Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu 58

2.2.2 Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn 59

2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực 59

2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w  h  d) 62

2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm 66

2.4 Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ 72

2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ 72

2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn 77

2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn 82

2.5 Kết luận chương 2 86

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT 87

3.1 Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa của CCD máy ảnh 87

3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp 91

3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ 96

3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 100

3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp 103

3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm 103

3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 108

3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn 113

3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp 113

3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc 115

3.5 Kết luận chương 3 117

Chương 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC 118

4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác 118

4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 118

4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 122

4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn 125

4.2 Khảo sát độ chính xác hệ thống 126

4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn 126

4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu 130

4.2.3 Khảo sát độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn 131

4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí 131

4.4 Kết luận chương 4 134

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 135

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 143

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các chữ viết tắt

CNC Computer numerical control Điều khiển số bằng máy tính

DMD Digital micromirror device Thiết bị vi gương kỹ thuật số DLP Digital light processing Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

PSGC Phase shift combined with Gray

code

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp

mã Gray

BRDF Bidirectional reflectance

distribution function

chức năng phân bố phản xạ hai chiều khác nhau

ngẫu nhiên

SVD Singular value decomposition

Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Đơn vị Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

t

( O ; x y zw, w, w) - World-coordinate system Hệ tọa độ hệ thống

( O x y zc; ,c c, )c - Camera-coordinate system Hệ tọa độ máy ảnh

( O xp; p, y zp, p) - Projector coordinate system Hệ tọa độ máy chiếu

(O; u, v) - Image-coordinate system Tọa độ mặt phẳng ảnh

N p M p Điểm ảnh Projector resolution Độ phân giải máy chiếu

N c M c Điểm ảnh Camera resolution Độ phân giải máy ảnh

f f Điểm ảnh Tiêu cự máy chiếu theo hai trục u, v của cảm biến ảnh

T T Điểm ảnh Chu kỳ vân chiếu theo phương ngang và phương dọc

và máy chiếu

0

t c ms Exposure time Thời gian phơi sáng của máy ảnh

n

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất của vật liệu màu sắc đặc trưng với các hệ số phản xạ bề mặt 33

Bảng 1.2 Các loại tiêu chuẩn đo 42

Bảng 2.1 Kết quả hiệu chuẩn trong hai trường hợp (a) và (b) 82

Bảng 4.1 Dữ liệu đo chiều cao bậc ở các vị trí cắt khác nhau 1289

Bảng 4.2 Kết quả đo chi tiết bậc………131

Bảng 4.3 Dữ liệu đo phù hợp mặt phẳng ở các vị trí và hướng khác nhau 131

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc 7

Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; [95] 11

Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14] 13

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC 15

Hình 1.5 Mã hóa các mặt phẳng ánh sáng với n=3 trên bản đồ pha 15

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo 16

Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân 19

Hình 1.8 Giải mã bản đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98] 20

Hình 1.9 Thuật toán RANSAC phù hợp dữ liệu đám mây điểm [86] 22

Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống bằng cách di chuyển chính xác mẫu hiệu chuẩn [95] 24

Hình 1.11 Mô hình máy ảnh lỗ nhỏ [102] 25

Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch khi có méo ảnh 27

Hình 1.13 Biến dạng pha trên các điểm góc của bảng hiệu chuẩn [98] 30

Hình 1.14 Mô hình quang học hệ thống đo [42] 31

Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn ảnh mối quan hệ của góc chiếu vật liệu và phản xạ bề mặt của các vật liệu khác nhau [60] 32

Hình 1.16 Mô hình phản xạ với hai thành phần phản xạ và tán xạ [60] 34

Hình 1.17 Bề mặt phản xạ với các độ nhám khác nhau [60] 35

Hình 1.18 Ảnh chi tiết đo khi đo bằng ánh sáng cấu trúc 36

Hình 1.19 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A1 [28] 42

Hình 1.20 Đánh giá các giá trị được định chuẩn cho loại A1 [28] 43

Hình 1.21 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A2 [28] 43

Hình 1.22 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B2 [28] 44

Hình 1.23 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B3 [28] 44

Hình 1.24 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu C3 45

Hình 1.25 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D1 45

Hình 1.26 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D2 46

Hình 1.27 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu E2 46

Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray 49

Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán phương pháp đo sử dụng phương pháp PSGC 52

Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống 53

Hình 2.4 Sai lệch phép chiếu ảnh 54

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn hệ thống 57

Hình 2.6 Bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ 58

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm thiết lập góc ô vuông bàn cờ 59

Hình 2.8 Khoảng cách từ các điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp 60

Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống 62

Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh 63

Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm 66

Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo 68

Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h 69

Hình 2.14 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương ngang 71

Hình 2.15 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương dọc 71

Hình 2.16 Xác định góc ô vuông bàn cờ 72

Hình 2.17 Kết quả hiệu chuẩn bàn cờ kích thước (NxS)=(12 x 15) 74

Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn 76

Hình 2.19 Kết quả phù hợp mặt phẳng của các đám mây điểm 3D 80

Hình 2.20 Đồ thị mối quan hệ giữa góc ô vuông bàn cờ và lỗi phù hợp mặt phẳng 81

Hình 2.21 Quan hệ giữa  và F trong ∆ 82

Hình 2.22 Đồ thị mối quan hệ giữa ánh sáng môi trường xung quanh và các hệ số méo ảnh của máy ảnh a, và máy chiếu b, 84

Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn 85

Hình 3.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng của một bề mặt 88

Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số phản xạ bề mặt 89

Hình 3.3 Biểu đồ Histogram đánh giá chất lượng ảnh và mức phơi sáng 93

Hình 3.4 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng nhỏ hoặc mức độ phản xạ bề mặt thấp 94

Hình 3.5 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng lớn hoặc mức độ phản xạ lớn 94

Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp 95

Hình 3.7 Ghép hai đám mây điểm bằng phương pháp ICP [72] 98

Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ giữa cường độ chiếu ảnh và độ rọi 101

Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian phơi sáng và cường độ ảnh thu 102

Hình 3.10 Đo độ nhám bề mặt của các chi tiết nhôm 103

Hình 3.11 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết khuôn với các độ phơi sáng khác nhau 106

Hình 3.12 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =16ms 106

Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm 107

Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu 107

Hình 3.15 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết nhôm với các độ phơi sáng khác nhau 110

Hình 3.16 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =12,5 ms 111

Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm 111

Hình 3.18 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu a, 112

Hình 3.19 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng 114

Hình 3.20 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng 116

Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định nhiều mặt phẳng 121

Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang xác định bán kính cầu theo tiêu chuẩn E1 122

Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán xác định mặt cầu 124

Hình 4.4 Sơ đồ mô tả vị trí và hướng của mặt phẳng mẫu đo 126

Hình 4.5 Giao diện phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng 127

Hình 4.6 Giao diện chức năng Create Cross Section a, 127

Hình 4.7 Chi tiết mẫu dạng bậc và mặt cắt ngang 128

Hình 4.8 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả cầu bán kính R1=25 (mm) 130

Hình 4.9 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả quả cầu bán kính R2=36.50 (mm) 130

Hình 4.10 Dựng lại biên dạng của chi tiết khuôn trong hai trường hợp (a) và (b) 132

Hình 4.11 Hình ảnh đo chi tiết khuôn trên máy đo 3 tọa độ (a) 132

Hình 4.12 Ảnh xây dựng biên dạng 3D của chi tiết cơ khí 134

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án

Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng phức tạp Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều Phương pháp

đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn

bộ biên dạng bề mặt chi tiết Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một giây

Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển

và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc Trong đó, phương pháp quét tia laser có

độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp hơn Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính xác thấp hơn phương pháp quét tia laser

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation) Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao,

có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18]

Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là

có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser Do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh

sáng cấu trúc Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí [20], [61], [62]

Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên

độ chính xác cao Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính xác đo cao Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn Vì vậy cần thiết phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá trình gỡ pha Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống nhiễu cao

Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn

về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không thực hiện được phép đo Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí

Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do chi phí đầu tư cao Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị Do vậy, quá trình bảo trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về công nghệ cũng như chi phí Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao

về kinh tế và kỹ thuật

Như vậy, một trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực

đo lường 3D biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc là đảm bảo độ chính xác, cải thiện những hạn chế của phương pháp đo này khi đo chi tiết cơ khí Với mục đích nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất cơ khí, tăng được tính chủ động trong công nghệ đo lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật công nghệ, phần mềm và giảm chi phí nhập khẩu

từ nước ngoài Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án:

Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của luận án là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phép đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí được gia công bằng công nghệ CNC

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu luận án là hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng máy ảnh và máy chiếu số để đo lường các chi tiết được gia công bằng công nghệ phay CNC

Cụ thể là nghiên cứu các phương pháp làm tăng độ chính xác tích hợp và hiệu chuẩn hệ thống máy đo PSGC Đo lường các chi tiết cơ khí có độ phản xạ cao

- Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt bằng phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp và ghép đám mây điểm bù vùng bóng cho các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao và hình

dáng biến đổi nhiều

- Xây dựng được một quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo bề mặt 3D

thông qua các tiêu chuẩn quốc tế

Ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết có thể ứng dụng trực tiếp trong phép đo mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp

- Quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống sẽ giúp cho việc nghiên cứu hoàn thiện độ chính xác các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc

- Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở xây dựng lựa chọn, tích hợp các thông số hợp lý cho một hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo và độ phân giải xác định giúp quá trình tính toán thiết kế hệ thống đo đạt độ chính xác cao nhất

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công

cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp các công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án để xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu Sử dụng các phương pháp diễn dịch trong lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số làm việc của hệ thống đo PSGC Xây dựng các thuật toán và chương trình xử lý tín hiệu đo

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm của phương pháp PSGC phù hợp với các nội dung nghiên cứu của luận án, cho phép thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo của hệ thống đo PSGC Thu thập, phân tích số liệu và xử lý các kết quả thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng, giữa các kết quả thực nghiệm với lý thuyết bằng các phần mềm xử lý kết quả thực nghiệm

5 Kết cấu của luận án

Luận án bao gồm 4 chương:

Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc

Chương 2: Phương pháp nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí Chương 4: Xây dựng quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo PSGC

6 Các kết quả mới

Luận án đã nghiên cứu xác định một số thông số chính ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo PSGC: các thông số cấu trúc hệ thống, độ chính xác phương pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt và phương pháp xử lý dữ liệu 3D

Xây dựng thuật toán và phần mềm chương trình đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn đã xác định được các thông số hợp lý về: kích thước ô vuông bàn cờ, độ chính xác ô vuông bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép trong hiệu chuẩn và ảnh hưởng của ánh sáng môi trường

Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp

Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách đo chi tiết ở các hướng khác nhau và ghép đám mây điểm bù vùng bóng Xây dựng quy trình đánh giá sai số của hệ thống đo PSGC dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ chính xác hệ thống đo trong nghiên cứu và chế tạo

sử dụng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT

CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

Chương này trình bày tổng quan về phương pháp đo biên dạng bề mặt 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc với phương pháp PSGC, làm rõ các ưu nhược điểm của phương pháp khi đo các chi tiết cơ khí Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hệ thống cũng được đề cập đến nhằm phân tích các vấn đề đã được giải quyết và các vấn đề còn tồn tại Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này như: thông

số hình học của hệ thống, đặc tính bề mặt, vật liệu của chi tiết đo, phương pháp xử lý

dữ liệu 3D, thông số kĩ thuật của thiết bị Khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đặc biệt tập trung hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác là độ chính xác hiệu chuẩn và đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo Thông qua việc trình bày tình hình nghiên cứu, phần kết luận chương 1 tổng quát hóa về các vấn đề được trình bày và đề xuất phương án nghiên cứu

1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc

Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh số, máy chiếu kỹ thuật số và công nghệ thông tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào rất nhiều ngành như: công nghiệp, an ninh, thời trang và giải trí Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn đoán bệnh trong y tế, bảo tồn di sản trong khảo cổ học hay đo lường kích thước cơ thể người trong công nghệ thời trang và giải trí Với phép đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh 3D chi tiết đo nhanh chóng có thể thực hiện theo thời gian thực [21] Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho con người trong việc thiết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các kích thước đo trên sản phẩm Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể số hoá nhanh chóng hình dáng của các chi tiết khác nhau Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏng một cách chính xác biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo và được thể hiện trên màn hình máy tính, có thể tạo tùy biến phù hợp cho bất kỳ số lượng chi tiết đo Bằng cách so sánh dữ liệu đo với dữ liệu thiết kế sử dụng phần mềm ứng dụng, có thể đưa ra các báo cáo đo kiểm một cách nhanh chóng và nhất quán, dựa trên phân tích sai số tổng thể, kích thước hình học, sai lệch hình dáng chi tiết đo Việc này cho phép cải tiến tốc độ và chất lượng trong quá trình sản xuất một cách rõ rệt đặc biệt là trong ngành cơ khí Các ứng dụng

đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được một số ưu điểm của phương pháp

đo lường quang học như [69]:

- Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn so với các phương pháp đo tiếp xúc Do phương pháp này đo được nhiều điểm của một vùng bề

mặt chi tiết trong một lần đo Tốc độ đo của phương pháp này phụ thuộc vào tốc độ chiếu mẫu ánh sáng của nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh của phần tử thu và đặc tính phản

xạ bề mặt của chi tiết đo

- Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc, không ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo Phương pháp này cũng không làm mài mòn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành không đúng

Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, thông thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình ảnh và một

bộ xử lý, phân tích ảnh Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thu ảnh có thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biến ảnh Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn Mặt phẳng chuẩn là mặt phẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và máy chiếu và song song với đường nối giữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu

Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo vùng bề mặt có khả năng thu được toàn bộ bề mặt 3D tốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và

dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường [19], [69] Với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser được điều biến theo dạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo Để đo toàn

bộ bề mặt 3D phải kết hợp cả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo lường dịch chuyển phức tạp Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc

tọa độ theo điểm hoặc đường, do vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [29] Hiện nay, có rất nhiều mô hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa chọn công cụ và phương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là rất quan trọng Trong luận án này, phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựa chọn để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển động của đầu đo hay chi tiết đo trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ

bề mặt cao

Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mô hình mẫu chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là: dùng giao thoa ánh sáng và dùng phương pháp chiếu

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa

Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [66], [76]hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng) [13] Tạo ra các mô hình giao thoa với các mẫu chiếu là các vân cách đều nhau Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia Phương pháp này cho phép thu được chính xác các mô hình mẫu với vùng có độ sâu không hạn chế Tuy nhiên, để xây dựng

hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí lớn

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử

Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn sáng qua cách tử nhiễu xạ [8], [84] Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc

- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP- Digital

Fringer Project)

Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình bên trong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc DLP [22] Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, công nghệ này liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh, phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu DLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh Kỹ thuật chiếu ảnh DLP

có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơn không lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD

Những lợi thế của kỹ thuật DFP so với các kỹ thuật khác trong việc đo hình dạng 3D chính là việc tạo ra các vân mẫu dạng số một cách tự nhiên Về nguyên tắc, các

đường vạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới điểm ảnh trên màn hình Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được

bỏ qua So với các phương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua cách tử thì phương pháp DFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn,

so sánh với phương pháp tạo vân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP không

bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu và lỗi dịch pha Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo

ra chất lượng vân chiếu không cao, vì vậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiên cứu kỹ Do vậy cấu hình phần cứng của thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnh hưởng của thiết bị Độ phân giải quang học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộng của vân được sử dụng, chất lượng của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng Độ phân giải của

hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnh trên diện tích bề mặt cảm biến ảnh [38] Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùng nhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm) nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ

Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và phát triển giải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể Trong đó phương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống nhiễu tốt khi đo các bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ phân giải không gian hoặc thời gian cao [100] Một số tác giả [7], đã đánh giá chi tiết các kỹ thuật khác nhau như: phương pháp mã nhị phân Gray code [22] phương pháp

mã dịch pha [33], [58], phương pháp mã hóa màu [51], phương pháp kết hợp mã dịch pha và Gray [63], [94]

Trong các phương pháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời gian thì phương pháp kết hợp được coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn nhất [90], [103] cho phép đo các bề mặt 3D không liên tục và phức tạp Gần đây việc kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thành một xu hướng phát triển và điểm nóng nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc [10] Phương pháp kết hợp này tận dụng lợi thế và hạn chế các nhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất đo để đo các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn hoặc bề mặt không liên tục

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thu ảnh chi tiết đo thông qua hệ thống quang nên độ chính xác phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hiệu chuẩn hệ thống, quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết đo, cường độ ánh sáng nền, nhiễu Trong phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được

mô hình hóa khi tính toán các tọa độ điểm đo và các thông số của mô hình được xác định qua quá trình hiệu chuẩn Các thông số hình học của các thiết bị quang học cần được tính toán xác định như: vị trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu

Để hiệu chuẩn chính xác yêu cầu hiệu chuẩn các thông số của thiết bị thu phát tín hiệu

và mối quan hệ hình học giữa hai thiết bị này Tuy nhiên các mô hình chưa tính đến tất cả các thông tin của hệ thống quang học như: quang sai của hệ quang, sai lệch của

cường độ phát so với cường độ thu, độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu

và máy ảnh Như vậy, việc hiệu chuẩn chính xác càng nhiều thông số của hệ quang thì

độ chính xác của hệ thống càng cao Việc hiệu chuẩn hệ thống để đạt được kết quả dựng hình 3D với độ chính xác cao cũng như việc nghiên cứu các quy trình hiệu chuẩn đơn giản đạt được độ chính xác cao đã được nghiên cứu đề cập trong nhiều năm qua [34], [50]

Đối với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, đặc tính bề mặt cũng như ánh sáng mẫu chiếu tới bề mặt chi tiết đo ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được [30],[52] Dữ liệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn không thể thu được một cách chính xác Do hiệu ứng phản xạ bề mặt có thể làm thay đổi giá trị cường độ các vân mẫu chiếu trong ảnh giải mã chúng làm nhiễu mô hình giải mã Những đoạn mã bị nhiễu sau khi được giải mã sẽ bị sai lệch Vì vậy dữ liệu được phân tích sẽ không chính xác Một phương pháp hiện thường dùng để giải quyết vấn đề phản

xạ bề mặt là sử dụng phương pháp phun phủ bề mặt chi tiết đo làm giảm phản xạ bề mặt khi đo bằng các phương pháp quang học [57] Sử dụng phương pháp phun phủ bề mặt cần có công đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trước và sau khi đo làm tăng chi phí khi đo Như vậy, khi nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc để đo các chi tiết có phản xạ bề mặt cao vấn đề về ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cần được nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chính xác của hệ thống Đặc điểm của chi tiết cơ khí với vật liệu kim loại thành phần truyền qua là rất nhỏ coi như bằng không, thành phần phản xạ bề mặt là rất lớn Do bề mặt vật liệu kim loại có mức biến đổi cường độ cao hơn rất nhiều so với bức xạ thông thường Mức độ phản xạ và tán xạ của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào nhám và biên dạng bề mặt, đặc tính vật liệu của bề mặt Cường độ phản xạ bề mặt thu được phụ thuộc vào hướng chiếu và thu ánh sáng

Có thể thấy rằng, phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đang được nghiên cứu sâu và ngày càng phát triển, vì vậy vấn đề nghiên cứu và phương pháp đo 3D là cấp thiết để phục vụ phát triển công nghiệp nói riêng và hiện đại hóa đất nước nói chung Với phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray này tận dụng được khả năng chống nhiễu tốt của mã Gray, và có thể gỡ pha tuyệt đối của mã hóa tương tự mà không có sự tích lũy lỗi Hơn nữa sử dụng kỹ thuật dịch pha để thực hiện phép đo với mật độ lấy mẫu cao, độ phân giải cao và độ chính xác cao

Để giải quyết vấn đề đo các chi tiết cơ khí gia công CNC với bề mặt phức tạp có phản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray

là phương pháp phù hợp nhất Muốn vậy cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu các phương pháp đảm bảo và nâng cao độ chính xác lên hơn nữa cũng như giải quyết vấn đề giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt

1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray

Trong các phương pháp đo bằng ánh sáng cầu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất nhờ việc, xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong một chu kỳ sin Tuy nhiên đối với bề mặt có độ dốc lớn hoặc không liên tục thì sẽ khó phân biệt được từng chu kỳ sin Mặc dù phương pháp Gray có độ phân giải thấp song có giá trị mã hóa mỗi vân mẫu là duy nhất Do vậy, dùng phương pháp

mã hóa Gray để xác định duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm lỗi gỡ pha Phương pháp kết hợp cho mối quan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh của máy chiếu sao cho mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép chiếu 2D của cùng 1 điểm trong tọa độ thực 3D

1.2.1 Phương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha là phương pháp tiêu biểu trong đo lường không tiếp xúc

sử dụng ánh sáng cấu trúc do có ưu điểm lớn nhất đem lại độ phân giải cao, độ chính xác cao do việc xử lý tín hiệu có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến

Bề mặt 3D của chi tiết đo được xác định một cách chính xác và nhanh chóng [27],[87]

Hình 1.2a, biểu diễn hình dạng của một sóng ánh sáng được điều biến dạng sin theo mặt cắt ngang vuông góc với mặt phẳng tham chiếu và ảnh của vân dạng sin được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu Hình 1.2b là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóa theo chu

kỳ sin được chiếu lần lượt và lệch pha nhau Ảnh mẫu thu được từ bề mặt chi tiết đo với sự biến đổi pha của cường độ điều biến chứa thông tin chiều cao của các điểm trên

bề mặt của đối tượng đo Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào giá trị pha theo biểu thức sau [85]: Equation Chapter (Next) Section 1

I i (x, y, t) = I’(x, y) + I’’(x, y) cos [ (𝑥, 𝑦) +(𝑡)] (1.1)

Trong đó: I i (x, y, t) là cường độ ánh sáng của các ảnh mẫu chiếu được chiếu

bằng máy chiếu I’(x, y) là cường độ ánh sáng nền, I’’(x, y) là cường độ ánh sáng điều

biến, (x, y) là thành phần pha lý tưởng, (𝑡) =2𝜋

nhau Các thuật toán dịch pha đã được phát triển như: Dịch pha 3 bước [27], [11], dịch pha 4 bước, dịch pha 5 bước [96].Số bước dịch pha sử dụng càng nhiều thì ảnh hưởng của nhiễu càng nhỏ Tuy nhiên, dùng nhiều bước vân mẫu dịch pha thì quá trình gỡ pha sẽ rất phức tạp

Ảnh mẫu dịch pha 4 bước với pha là [107]:

2

I x y =I x y +I x y  x y + 

Trong đó I 1 (x, y), I 2 (x, y), I 3 (x, y), I 4 (x, y) tương ứng là cường độ sáng phân

bố tại tọa độ (x, y) của 4 ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Từ phương trình (1.2), (1.3), (1.4), (1.5) sẽ xác định được các giá trị pha tương đối 𝑤(𝑥, 𝑦) của các điểm đo:

( , ) ( , y)( , ) arctan

đi một số lượng k G (x, y) modul pha 2 để nối tiếp các pha tương đối thành pha tuyệt đối liên tục trên toàn bộ vùng không gian đo

Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu ứng dụng [73]: gỡ pha không gian và gỡ pha thời gian Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha thời gian không đòi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ pha Gỡ pha không gian quayquanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận

và do đó đòi hỏi bề mặt liên tục (Ví dụ, bề mặt hình học không thể gây ra những thay đổi pha 2π) Thuật toán gỡ pha không gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng

và không có vùng bị gián đoạn Ngược lại phương pháp gỡ pha thời gian là phù hợp

để đo chi tiết đo có bề mặt hình học tùy ý Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua một

số phương pháp gỡ pha thời gian đã được nghiên cứu: thêm các dấu trên ảnh liên tục,

sử dụng thuật toán dịch pha nhiều tần số hoặc một thuật toán mã hóa nhị phân và dịch pha [96], mã hóa Gray kết hợp dịch pha [105], mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha [81]

1.2.2 Phương pháp mã Gray

Phương pháp mã Gray cho phép mô tả 2 n vùng chiếu khác nhau của máy chiếu

Số chỉ thị của hướng chiếu có thể được xác định rõ ràng bằng số lượng từ mã sử dụng hai mức xám (trắng và đen) với ưu điểm thiết lập hệ thống đơn giản và chống nhiễu tốt và có thể đo các bề mặt gián đoạn hoặc các bề mặt đơn độc Tuy nhiên phương pháp này lại có nhược điểm: độ phân giải thấp và dải động thấp Tùy thuộc vào độ phân giải của phép đo mà số lượng mẫu chiếu được sử dụng khác nhau [59] Độ phân giải càng cao thì càng yêu cầu nhiều ảnh mẫu chiếu Để tăng độ phân giải theo các phương, phải tăng số ảnh mẫu chiếu, tuy nhiên việc tăng số mẫu chiếu bị giới hạn bởi phần cứng hệ thống chiếu cũng như khả năng phân biệt vùng đen trắng trên nền chiếu của máy ảnh sử dụng

Hình 1.3 các ảnh mẫu chiếu mã Gray được chiếu tuần tự theo thời gian Sau khi tất cả các mẫu được chụp bằng máy ảnh, một từ mã nhị phân tại mỗi điểm ảnh được tính toán dựa trên cường độ chiếu tới điểm ảnh đó trong toàn bộ thời gian chiếu Ảnh mẫu cuối cùng là ảnh được phối hợp với một bit bằng mã của tất cả các điểm ảnh trên CCD Danh giới của hai từ mã được xác định thông qua việc tìm kiến biên hay tâm của vân mẫu Trong kỹ thuật tìm kiếm biên của vân, một số thuật toán được sử dụng là: thuật toán xác định ngưỡng và thuật toán chiếu ảnh mẫu thuận nghịch Thuật toán xác định ngưỡng phù hợp với từng điểm ảnh được nghiên cứu với điều kiện vùng

mã trên vật quét phải tồn tại giá trị nhị phân tức là có thể mang bit 0 ở mẫu chiếu này thì phải mang bit 1 ở mẫu chiếu bên cạnh Mỗi vạch trên mẫu chiếu cuối cùng tương ứng một mã nhị phân riêng biệt và duy nhất Các điểm ảnh trên cùng một vạch có cùng

mã nhị phân do đó khi tính toán bằng phương pháp tam giác lượng xác định tọa độ các điểm đo cần xác định vị trí tâm vạch hoặc biên của vạch trên vật để dựng lại lưới điểm quét [23] Việc mã hóa và giải mã ánh sáng cấu trúc dựa trên biên của vân chiếu để có

Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14]

được số thứ tự vân trong mô hình mã hóa hoặc sự tương ứng giữa biên của vân với cường độ trong hình ảnh mã hóa Quá trình này có thể gặp phải sai số do hình ảnh vân

mã hóa Gray không sắc nét trong các đường biên của vân chuyển đổi từ đen sang trắng

Do ảnh hưởng của ánh sáng môi trường và sự phản xạ của các bề mặt chi tiết đo làm cho cường độ tỉ lệ xám của vân sáng và vân tối trong ảnh có thể thay đổi trên các vùng khác nhau của hình ảnh Vì vậy, một giá trị ngưỡng cố định để xác định biên của vân cho toàn bộ hình ảnh có thể không đáp ứng được yêu cầu Do vậy phương pháp chiếu mã Gray thuận nghịch được áp dụng để giảm thiểu sai số xác định biên của vân [83] Phương pháp Gray sử dụng hệ thống vân có tính chất thuận nghịch để làm giảm bớt sự sai lệch của các bít và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng Sau đó tìm giao điểm của hai ảnh chiếu thuận và ảnh chiếu nghịch để tìm vị trí của biên Vì ranh giới giữa mã 0 và mã 1 khi chiếu lên bề mặt sẽ có biên dạng phi tuyến nên việc nội suy tuyến tính sẽ được sử dụng giữa các điểm lấy mẫu gần nhất (mức xám của các điểm ảnh gần đó) Phương pháp mã hóa Gray dựa trên biên của vân thông qua giá trị

mã xám của điểm biên trong ảnh dạng cường độ tương ứng với các điểm trong ảnh mã hóa Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự của vân trong ảnh cường độ Khi xác định số thứ tự vân trong các ảnh mẫu được chiếu mã Gray xác định bởi giá trị mức xám 0 hoặc 1 ở vị trí tương ứng với biên của vân sau khi nhị phân hóa trong ảnh cường độ

1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray

Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code)

là phương pháp được quan tâm nhiều nhất Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí Nguyên lý đo 3D của phương pháp PSGC là chiếu tuần tự các ảnh mẫu dịch pha và

mã Gray lên chi tiết đo (như hình 1.4), vân mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh, sự biến dạng của vân mẫu ánh sáng trên chi tiết so với vân mẫu ánh sáng được chiếu phụ thuộc vào hình dạng bề mặt chi tiết đo [22].Thông qua các quan hệ hình học giữa vị trí máy chiếu và máy ảnh, giữa cường

độ các điểm ảnh và mẫu chiếu thu được có thể xác định được độ sâu của các điểm bề mặt chi tiết đo dựa vào phương pháp tam giác lượng

Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thứ tự vân k G (x, y) tương ứng

với mỗi chu kỳ pha 2π, với k G (x, y) là số nguyên đại diện cho thứ tự vân Mục tiêu của

thuật toán gỡ pha là tìm được thứ tự mỗi chu kỳ sin một cách chính xác cho mỗi điểm ảnh Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gỡ bằng thuật toán dịch pha để thu được bản đồ pha tương đối, còn giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác định bằng thuật toán Gray Nhờ đó thuật toán dịch pha kết hợp mã Gray có khả năng

đo biên dạng bề mặt 3D của các chi tiết phức tạp có bề mặt không liên tục và độ dốc lớn mà không cần sử dụng thuật toán gỡ pha phức tạp Ngoài ra, phương pháp kết hợp này còn có thể giảm thiểu được nhiễu khi gỡ pha tuyệt đối

15

Trong thuật toán xác định thứ vân k G (x, y) cần xác định được biên của các vân

Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu Trong hình 1.5 mô tả cách tìm biên vân của 3 ảnh mẫu mã Gray được chiếu trong không gian chiếu và tạo ra 23-1 biên

Mặt phẳng tham chiếu được chia làm 8 phần là các vân có độ rộng nhất định có trình tự chiếu với mã cường độ là duy nhất, được biểu diễn bởi một từ mã Các ảnh

mẫu được chiếu theo thứ tự G 1 , G 2 , và G 3, cường độ chiếu ở vân thứ nhất từ trái sang

là trắng- đen-đen, do đó đoạn mã duy nhất tương ứng là 100

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC

a, b, c,

Hình 1.5 Mã hóa các mặt phẳng ánh sáng với n=3 trên bản đồ pha

a, Ảnh chiếu mã Gray thuận; b, Ảnh chiếu mã Gray nghịch;

c, Biểu diễn bản đồ pha trên mặt phẳng chuẩn và bản đồ pha trên chi tiết đo

Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự vân của

ảnh chiếu mã Gray theo hàng và cột, lưu vào một ma trận với hai thông số hàng và cột

tương ứng với số vân mỗi hàng và cột Khi đó chỉ số k G sẽ tương ứng với chỉ số của

Trong đó: k uv là các chuỗi mã Gray biểu diễn ở dạng nhị phân tương ứng với

hàng u và cột v, k uv sẽ có giá trị từ mã tương ứng với cường độ mỗi vân chiếu được

chiếu tuần tự Thông quan ma trận hệ số k G các chu kì sin sẽ được xác định một cách

tuyệt đối

Như hình 1.6, kích thước của CCD là C u × C v được gọi là mặt phẳng ảnh Mỗi

điểm ảnh trên cảm biến máy ảnh CCD được xác định bằng giá trị hàng u và cột v

Quang tâm của máy chiếu là OO'', quang tâm của máy ảnh OO' cắt nhau tạo O Mặt

phẳng tham chiếu (R0) là mặt phẳng đi qua tâm O và song song với đường cơ sở O'O''

là đường nối giữa pupin vào của máy ảnh và pupin ra của máy chiếu O'O''=b Khoảng

cách giữa pupin vào của máy ảnh và mặt phẳng (R0) là L Thuật toán xác định tọa độ

3D của vật thể dựa trên phương pháp tam giác lượng quang học Tọa độ của một điểm

nằm trên mặt phẳng (R0) được xác định bởi tọa độ điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh của

máy ảnh với các thông số: tọa độ điểm ảnh và từ mã dịch pha và mã Gray thu được

khi chiếu một loạt ảnh mẫu mã hóa lên (R0)

Khi ánh sáng dịch pha và mã Gray được chiếu lên (R0), dựng được bản đồ pha

mặt phẳng tham chiếu (RP) Khi chi tiết đo được đặt trong vùng đo, dựng được bản đồ

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo

pha khi có vật (OP) Chiều cao của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha giữa điểm ảnh trên bản đồ pha (RP) và bản đồ pha (OP)

Điểm A nằm trên mặt phẳng (R0) khi không có vật thì điểm A có ảnh là điểm B'

(u, v') trên CCD và có từ mã trùng với từ mã của điểm B'' trên DMD của máy chiếu

Từ điểm nhìn của máy chiếu là điểm C trên bề mặt của vật có giá trị pha tương đương với điểm A trên mặt phẳng tham chiếu C = r

A, điểm C trên bề mặt vật và điểm B trên (R0) có cùng giá trị điểm ảnh A' (u, v) trên CCD

Ví dụ trong hình 1.5 với n=3, từ mã Gray của điểm A trùng điểm B' là (0 1 0) trên CCD Khi đặt vật lên (R0), tia O''A cắt vật tại đểm C (x, y) ảnh của nó là điểm A'(u,

v) trên CCD, lúc này điểm A'(u, v) cũng có từ mã là (0 1 0) Tia O''E xuất phát từ máy

chiếu có từ mã là điểm A''(0 0 0) Tia này cắt vật tại điểm D Điểm D trên chi tiết đo

có ảnh là điểm B'(u, v') trên CCD và có từ mã là (0 0 0)

Xác định độ cao z (x, y) của điểm C trên vật là khoảng cách 𝐶𝐻̅̅̅̅ thông qua việc xác định khoảng cách 𝐴′𝐵′̅̅̅̅̅̅ Trong trường hợp vân chiếu song song với trục x thì

khoảng cách 𝐴̅̅̅̅̅̅= Δv = v - v' Khoảng cách 𝐴𝐵′𝐵′ ̅̅̅̅ = Δy = y - y' trên mặt phẳng (R0) được xác định thông qua công thức [63]:

Trong đó h 0 là hằng số có thể được xác định thông qua hiệu chuẩn và z0 thường

đặt bằng 0 Để xác định h 0, có thể thực hiện hiệu chuẩn với căn mẫu dạng bậc Phương pháp dịch pha được sử dụng để đo căn mẫu dạng bậc với kích thước đã biết, để có được bản đồ gỡ pha (OP) 0 bằng cách sử dụng phương pháp gỡ pha bằng mã Gray Đồng thời, có thể thu được bản đồ pha (RP) r và độ lệch pha là:

0 r

Sau khi thu được độ lệch pha, xây dựng được bản đồ pha tuyệt đối khi đo căn mẫu bậc Tại một mặt cắt ngang của bản đồ pha, khoảng cách của mặt trên và mặt dưới của căn mẫu bậc có thể xác định thông qua các bước sau:

1 Phù hợp các điểm của mặt trên bằng một đường thẳng y t = ax b+ 1

2 Phù hợp các điểm của mặt dưới bằng một đường thẳng y b= ax b+ 2

3 Tính toán khoảng cách giữa hai đường thẳng 2 1

21

d h d

Tuy nhiên, khi đo các chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao, hình dạng phức tạp hoặc các bề mặt không liên tục có độ dốc lớn sẽ tạo nên nhiều nhiễu và gây nên sai lệch trong quá trình gỡ pha Tổng cộng các sai lệch do lỗi mã dạng sin và sai lệch vị trí mã sin sẽ dẫn đến việc nhảy mã dạng sin từ chu kỳ này sang chu kỳ khác, lỗi này được gọi là lỗi nhảy chu kỳ [85].Sai số này sẽ dẫn đến sai số đo rất lớn trong kết quả

đo Các sai số do nhiễu sẽ được giảm thiểu nếu các thuật toán gỡ pha được sử dụng phù hợp để dựng lại bản đồ pha tuyệt đối một cách chính xác Việc kết hợp mã Gray dùng để xác định bản đồ pha tuyệt đối, từ đó xác định được giá trị chính xác của các chu kỳ sin Do đó, tránh được lỗi nhảy chu kỳ khi dùng mã dịch pha

Giải mã bản đồ pha của Gray có thể xác định được số thứ tự của chu kỳ vân k G (x, y) Trong quá trình gỡ pha, nếu k G (x, y) có thể được xác định duy nhất cho mỗi vân

chiếu, thì t(x, y) có thể được coi là pha tuyệt đối được xác định bằng công thức [91]:

( , ) 2 ( , ) ( , )

Thông tin pha tuyệt đối thu được có thể xây dựng được bản đồ pha tuyệt đối

t(x, y), từ đó xác định tọa độ 3D của điểm đo Bản đồ pha tuyệt đối t(x, y) được tính toán sử dụng thông tin của bản đồ pha tương đối w(x, y) của mã sin và thứ tự vân

Gray k G (x, y)

Hình 1.7 biểu thị sơ đồ giải mã pha tuyết đối t Pha tương đối w được xác định

trong mỗi chu kỳ 2π, thể hiện bằng đường chấm gạch màu tím Mã Gray với các thứ

tự vân k G được xác định duy nhất trong một chu kỳ sin, thể hiện bằng đường nét đứt màu xanh dương Các pha tương đối được di chuyển thêm hoặc bớt với số nguyên chu

kỳ để thu được pha tuyệt đối liên tục trên toàn bộ vùng đo theo phương X, thể hiện

bằng đường liền màu đỏ

Quá trình gỡ pha không làm thay đổi ảnh mẫu trong quá trình chiếu và thu ảnh mẫu, với giả sử ảnh hưởng của nhiễu là không đáng kể Nếu chỉ sử dụng một hướng vân mẫu, sự tương ứng không phải là duy nhất: giá trị pha tuyệt đối chỉ cung cấp tương ứng với một đường pha ngang, H thay vì điểm Bản đồ pha thu được sẽ là sự tương ứng từ một tới nhiều điểm ảnh: một điểm ảnh trên máy ảnh tương ứng với nhiều điểm trên máy chiếu Để thiết lập sự tương ứng điểm với điểm, sử dụng một tập hợp các mẫu vân thứ hai có phương chiếu vuông góc với vân mẫu thứ nhất để tạo ra một đường pha khác vuông góc với đường thứ nhất, tức là đường pha dọc v Giao điểm của hai đường này là một điểm, đó là điểm tương ứng giữa máy ảnh và máy chiếu Bằng cách này, có thể thiết lập bản đồ một-một giữa điểm ảnh máy ảnh và điểm ảnh máy chiếu Nói cách khác, một hình ảnh máy ảnh có thể được chuyển đổi sang máy chiếu theo từng điểm ảnh để tạo thành một ảnh "ảo" (tiếng ảnh), được gọi là hình ảnh của máy chiếu và được coi là hình ảnh "chụp" được bởi máy chiếu

Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân

Hình 1.8 mô tả quá trình giải mã pha tuyệt đối của hai phương chiếu để tổng hợp thành bản đồ điểm ảnh trên máy ảnh và máy chiếu Pha tuyệt đối được xác định bằng cách sử dụng thuật toán dịch pha ba bước, có thể thiết lập ánh xạ một-một giữa hình ảnh máy ảnh và máy chiếu bằng cách chiếu các vân ngang và vân dọc Đối với các vân ngang, mỗi điểm trên hình ảnh máy ảnh tương ứng với một đường ngang (h) trên bản

đồ pha tuyệt đối Đối với các vân dọc, cùng một điểm trên hình ảnh máy ảnh tương ứng với một đường pha dọc (v) trên bản đồ pha tuyệt đối Giao điểm giữa (h) và (v) trên mặt phẳng ảnh máy ảnh là một điểm duy nhất, điểm này tương ứng với một điểm ảnh trên máy chiếu Nếu quá trình này được thực hiện từng điểm thì hình ảnh máy chiếu có thể được tạo nên bằng cách lấy thông tin cường độ của hình ảnh máy ảnh cho điểm tương ứng

Tọa độ thực của chi tiết đo có thể thu được dựa trên hiệu chuẩn các thông số bên trong và bên ngoài của máy ảnh và máy chiếu Các ảnh vân dịch pha có thể được sử dụng để dựng lại biên dạng hình học của bề mặt Để dựng lại biên dạng bề mặt 3D, cần phải có thông tin pha tuyệt đối  t (x, y) Nếu thu được pha tuyệt đối, mỗi điểm

trên máy ảnh tương ứng với một điểm trên pha tuyệt đối của ảnh vân chiếu [33] Trong thực tế thì việc dựng lại tọa độ điểm 3D bị ảnh hưởng bởi rất nhiều thông số như lượng

tử hóa mức xám, đặc điểm bề mặt chi tiết đo và nhiễu

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết

cơ khí

Độ chính xác của hệ thống đo sử dụng PSGC phụ thuộc vào độ chính xác của

hệ thống quang học và đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo Hơn nữa trong quá trình đo thực, hình dạng sóng sin của hình ảnh thu được bị sai lệch so với hình dạng sóng sin

lý tưởng và các nhiễu do giao thoa, ánh sáng môi trường, sự phi tuyến Gamma máy chiếu [12], [48]; hay do hiệu chuẩn hệ thống không chính xác [2]; nhiễu gây ra bởi phản xạ bề mặt hay độ phản xạ không đồng đều trên bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, sự lệch tiêu điểm của hệ thống quang học [42]; gây sai số trong quá trình phân tích pha và kết quả dẫn đến sai lệch bản đồ pha tuyệt đối gây nên sai số dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo Độ chính xác của phương pháp đo hình dạng 3D sử dụng

Hình 1.8 Giải mã bản đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98]

phương pháp chiếu vân kỹ thuật số phụ thuộc vào chất lượng pha dựng lại nếu dùng một máy chiếu và một máy ảnh Mà hệ thống này dựng lại hình ảnh trực tiếp từ pha

và giá trị độ sâu theo phương z là hàm của pha [99] Ngoài ra, độ chính xác của hệ

thống đo PSGC còn phụ thuộc vào thuật toán xử lý đám mây điểm đo 3D và các thuật toán ghép ảnh, hoàn thiện bề mặt chi tiết đo

Phi tuyến Gamma và lệch tiêu máy chiếu

Hệ thống PSGC tạo ảnh vân chiếu mẫu dạng sin từ pha nên hiệu ứng phi tuyến gamma của máy chiếu sẽ làm thay đổi đầu vào mô hình dạng sin lý tưởng, có chứa các tần số tín hiệu điều hòa bậc cao [66] Ngoài ra, những tín hiệu sin còn bị thay đổi bởi

sự lệch tiêu máy chiếu với các vị trí lệch tiêu khác nhau, sẽ ảnh hưởng khác nhau đến tín hiệu đầu ra Do đó, việc xác định hiệu ứng phi tuyến gamma sẽ xác định lượng lệch tiêu Nếu máy chiếu được điều chỉnh lệch tiêu đến một mức độ phù hợp, mô hình không sin trở thành hình sin, làm cho toàn bộ hệ thống là tuyến tính Do vậy đặc trưng phi tuyến hình ảnh đầu vào là một nguồn lỗi cần xử lý nếu sử dụng một máy chiếu thương mại hiện có trên thị trường Ở đây đáp ứng hệ thống bao gồm sự phi tuyến gamma của máy chiếu và sự lệch tiêu của ống kính máy chiếu [97] Trong các thập kỷ qua, có rất nhiều mô hình máy chiếu đã được sử dụng để xây dựng thiết bị đo 3D không tiếp xúc Độ phi tuyến máy chiếu thay đổi theo từng loại cụ thể, tuy nhiên các hệ máy chiếu mới hiện nay, các đường cong phi tuyến gamma máy chiếu có xu hướng tuyến tính hơn so với các loại máy chiếu cũ Lỗi phi tuyến này có thể được giảm bớt bằng cách chiếu nhiều mẫu chiếu để giảm các sai số điều hòa bậc cao, do vậy cải thiện được chất lượng đo, mặc dù chiếu nhiều mẫu chiếu làm giảm tốc độ đo

Dựng hình ghép đám mây điểm

Một điểm trên bề mặt 3D của vật thể chỉ có thể được xây dựng lại khi được chiếu sáng bởi máy chiếu và thu ảnh được bằng máy ảnh Vì vậy, thường thì chỉ các điểm ở phía mặt trước của các chi tiết đo cùng phía so với máy chiếu và máy ảnh có thể được tái tạo Để đo một bề mặt vật thể hoàn chỉnh, cần quét nhiều lần từ nhiều vị trí và góc nhìn khác nhau, thu được nhiều đám mây điểm bề mặt để tích hợp tạo ra một đám mây điểm trên toàn bộ bề mặt chi tiết đo Khó khăn chính gặp phải là việc ghép nhiều phần dữ liệu thu được sau mỗi lần quét với mỗi hệ tọa độ khác nhau Hiện nay các phương pháp ghép đám mây điểm đã được nghiên cứu dựa trên sự tương đồng điểm ảnh giữa hai đám mây điểm bằng thuật toán ICP Về lý thuyết khoảng cách giữa các điểm tương đồng càng nhỏ thì khả năng các đám mây điểm càng trùng khớp với nhau càng lớn Như vậy độ chính xác ghép đám mây điểm cũng ảnh hưởng đến độ chính xác dựng hình đám mây điểm 3D

Phương pháp xử lý đám mây điểm

Sau khi thi được đám mây điểm 3D bề mặt cần phải được xử lý bằng phương pháp thích hợp để có thể đo được kích thước của chi tiết đo từ tọa độ của đám mây điểm Một số phương pháp phù hợp các mặt cơ bản như mặt phẳng và mặt cầu đang

được nghiên cứu như: bình phương tối thiểu, SVD, RANSAC…Tuy nhiên mỗi phương pháp có thuận lợi và khó khăn riêng cho từng dạng bề mặt cụ thể

Phương pháp bình phương tối thiểu được áp dụng để phù hợp với một mặt phẳng, mặt cầu, elip…với đám mây điểm đã được xử lý nhiễu [3].Nếu đám mây có các điểm nhiễu thì kết quả phù hợp sẽ không còn chính xác Bởi vì phương pháp bình phương tối thiểu tối ưu theo phân bố điểm, do đó nếu có một vài điểm cô lập nằm xa bề mặt lý tưởng thì kết quả của việc phù hợp sẽ bị sai lệch nhiều so với các bề mặt lý tưởng Thuật toán RANSAC dùng phát hiện mặt phẳng là thuật toán lặp với mục đích ước lượng các thông số của một mô hình tổng quát (mô hình) từ một bộ dữ liệu thu thập được bao gồm cả các điểm trong tập và điểm ngoài tập [85] Các điểm trong tập (inlier) là các điểm nằm trong tập dữ liệu phù hợp với mô hình, còn những điểm ngoài tập (outlier) là những điểm không nằm trong tập dữ liệu phù hợp với mô hình Phương pháp RANSAC được sử dụng để phù hợp với mô hình có nguyên lý như hình 1.9 Từ tập dữ liệu ban đầu có hai loại dữ liệu là dữ liệu trong tập và dữ liệu ngoài tập, vì thế cần phải tính toán để tìm ra mô hình tốt nhất cho tập dữ liệu Việc tính toán

và chọn ra mô hình tốt nhất sẽ được lặp đi lặp lại với giá trị được chọn sao cho đủ lớn

để đảm bảo xác suất của tập dữ liệu mẫu ngẫu nhiên không chứa dữ liệu ngoài tập Với

số lần lặp tối đa cho phép trong thuật toán là k, ngưỡng sai số  để xác định điểm nào

đó phù hợp với mô hình và m là số lượng tối thiểu của các điểm dữ liệu cần thiết để

phù hợp với mô hình Kết quả đạt được là hàm trả về các thông số phù hợp nhất với

dữ liệu hoặc bằng 0 nếu không có mô hình được tìm thấy Sau khi xác định được nhóm các điểm nằm trong tập, khoảng cách trung bình giữa các điểm trong tập với mô hình được xác định lại, giá trị này cũng chính là sai số phù hợp mô hình của các đám mây điểm tìm được

Hình 1.9 Thuật toán RANSAC phù hợp dữ liệu đám mây điểm [86]

Phù hợp mặt phẳng

Để phù hợp mặt phẳng tác giả Yang và Förstner [87] đã chọn ngẫu nhiên ba điểm

và tính toán các thông số của mặt phẳng đi qua các điểm này Số lượng các điểm trong tập được xác định bằng cách so sánh khoảng cách từ mỗi điểm trong đám mây điểm đến mặt phẳng đã được tính với một ngưỡng xác định Nếu khoảng cách nhỏ hơn

ngưỡng xác định đó, điểm được xem như là điểm trong tập Quá trình này được lặp lại cho đến khi số lượng điểm trong tập đủ lớn hoặc số lần lặp đã đạt đến một ngưỡng xác định trước

Tương tự, tác giả Schnabel và các cộng sự [65] đã chọn các xác định một mặt

phẳng dựa trên ba điểm p 1 , p 2 , và p 3 Tuy nhiên, họ đã sử dụng độ lệch của véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng từ các các vec tơ pháp tuyến sấp sỉ bề mặt tương ứng n1, n2 và n3

để xác nhận tính hợp lệ của mặt phẳng đã được tạo ra Nếu tất cả các độ lệch nhỏ hơn góc được xác định trước, mặt phẳng được chấp nhận

Phù hợp mặt cầu

Mô hình tổng quát của một mặt cầu được xác định bằng hai điểm p 1 , p 2 và véc

tơ pháp tuyến tương ứng n 1 và n 2 được định nghĩa trong mô hình xác định mặt cầu

Tâm C của mặt cầu là trung điểm của đường vuông góc trung của hai đường thẳng: đường thứ nhất đi qua điểm p 1 và có véc tơ chỉ phương là n 1 và đường thứ hai đi qua

điểm p 2 và có véc tơ chỉ phương là n 2 Bán kính của mặt cầu được xác định là 𝑟 =

|𝑝1−𝐶|+|𝑝 2 −𝐶|

2 nếu khoảng cách từ tất cả các điểm tới mặt cầu nhỏ hơn một ngưỡng t

được đưa ra

Trong công nghiệp, để ứng dụng phương pháp đo này các nghiên cứu trên thế giới gần đây đã tập trung vào hai vấn đề chính: độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống và giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết đo Việc nghiên cứu đánh giá các thông

số ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống đo giúp loại bỏ và giảm thiểu ảnh hưởng

của chúng đến kết quả đo, nâng cao độ chính xác của phép đo

1.3.1 Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống

Đặc điểm lớn nhất của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là cần phải được hiệu chuẩn trước mỗi lần đo để đảm bảo thu được kết quả đo tốt nhất Việc hiệu chuẩn độ chính xác của hệ thống bao gồm: hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu và mối quan hệ hình học giữa hai thiết bị này Hiệu chuẩn hệ thống đo rất quan trọng đối với các phép đo khi sử dụng máy ảnh vì nó liên quan tới phép đo trong tọa độ thực ba chiều từ không gian tọa độ hai chiều của máy ảnh

Các hệ thống quang học được mô hình hóa và các tham số của mô hình thu được với một quá trình hiệu chuẩn bằng cách tính toán các thông số hình học của các thiết

bị quang học như: vị trí tâm của ống kính máy ảnh và máy chiếu, độ dài tiêu cự thấu kính, ma trận quay và ma trận tịnh tiến của hệ thống Tuy nhiên, các mô hình tính toán không tính đến tất cả các thông tin của hệ thống quang học như biến dạng thấu kính, sai lệch cường độ của máy ảnh và máy chiếu, độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu và máy ảnh Hơn nữa các thông số hình học vị trí giữa máy ảnh máy chiếu

và vật đo khi xác lập hệ thống đo cũng có những sai số so với mô hình tính toán Vì vậy việc hiệu chuẩn hệ thống sẽ góp phần hiệu chỉnh các sai số do các yếu tố này gây nên

Khi hiệu chuẩn máy ảnh sẽ thu được mô hình hình học của máy ảnh và mô hình méo của ống kính máy ảnh Hai mô hình này xác định các nội thông số của máy ảnh Hiệu chuẩn máy ảnh đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng các mẫu hiệu chuẩn 3D [67] Bằng cách xác định trước một tập hợp các điểm 3D, ma trận chuyển đổi từ không gian 3D và không gian 2D có thể được thiết lập Mặc dù đạt được độ chính xác cao, nhưng phương pháp này yêu cầu chế tạo mẫu hiệu chuẩn có độ chính xác cao và các phép đo chính xác hơn so với mẫu hiệu chuẩn, do đó rất tốn kém và có khả năng không đạt được

Để đơn giản hóa việc chế tạo mẫu hiệu chuẩn, cũng như quá trình hiệu chuẩn, một số hướng nghiên cứu đã thực hiện việc hiệu chuẩn bằng cách di chuyển chính xác mặt phẳng hiệu chuẩn 2D theo hướng vuông góc với mặt phẳng hiệu chuẩn (như hình 1.10) vẫn đủ để đạt được độ chính xác cao [75],[78] Phương pháp này, mặc dù đạt được độ chính xác cao và được chấp nhận rộng rãi, nhưng thường đòi hỏi quá trình dịch chuyển tuyến tính của mẫu hiệu chuẩn với độ chính xác cao, chi phí xây dựng hệ thống khá cao

Một nghiên cứu khác để hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc với tiêu cự bất

kỳ của máy chiếu là phương pháp lai [53] Trong hướng nghiên cứu này, sai số theo

độ sâu phương z được hiệu chuẩn khi điều chỉnh các giá trị điểm ảnh bằng cách di

chuyển mặt phẳng hiệu chuẩn tiến và lùi theo phương vuông góc với mặt phẳng chuẩn

Việc hiệu chuẩn tọa độ (x, y) sử dụng cách hiệu chuẩn máy ảnh thông thường Phương

pháp này đã đạt được độ chính xác về độ sâu ± 50 μm, tuy nhiên độ chính xác theo

phương x và y thấp cỡ vài milimets

Để đơn giản hóa yêu cầu hiệu chuẩn, tác giả Zhang [102] đã đề xuất một phương pháp hiệu chuẩn máy ảnh có độ linh hoạt cao mà không yêu cầu di chuyển chính xác

vị trí của mặt phẳng hiệu chuẩn 2D, cho phép chúng di chuyển theo các vị trí và hướng tùy ý Dù vậy phương pháp này vẫn đòi hỏi phải xây dựng trước về hình học và các điểm góc đặc trưng của bảng hiệu chuẩn như góc ô vuông bàn cờ hoặc tâm chấm tròn

Hiệu chuẩn nội thông số máy ảnh

Một máy ảnh thường được mô tả bởi mô hình lỗ nhỏ là mô hình đơn giản nhất của máy ảnh Các nội thông số của máy ảnh bao gồm: độ dài tiêu cự, điểm gốc, yếu tố

Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống bằng cách di chuyển chính xác mẫu hiệu chuẩn [95]

độ nghiêng điểm ản hvà kích thước điểm ảnh Các ngoại thông số bao gồm ma trận quay và tịnh tiến hệ tọa độ hệ thống đến hệ tọa độ máy ảnh Hình 1.11 biểu diễn một

sơ đồ điển hình của hệ thống máy ảnh lỗ nhỏ, trong đó P là một điểm bất kỳ với tọa

độ (x w , y w , z w ) và (x c , y c , z c ) trong hệ tọa độ hệ thống {o w ; x w , y w , z w } và hệ tọa độ của

máy ảnh {o c ; x c , y c , z c }, tương ứng Hệ tọa độ hệ thống {o w ; x w , y w , z w } được định nghĩa

là hệ tọa độ thực được sử dụng để xác định vị trí của vật trong không gian Hệ tọa độ

máy ảnh {o c ; x c , y c , z c } là hệ tọa độ 3D tham chiếu bên trong máy ảnh, có điểm gốc o c

là tâm chiếu của máy ảnh Hệ tọa độ ảnh là hệ tọa độ 2D tham chiếu cho các chỉ số trong hình ảnh thực, có giá trị thực như tọa độ chỉ rõ các điểm trong chiếu phối cảnh

của hệ tọa độ 3D Một điểm P trên vật chỉ một tia sáng đi vào máy ảnh, điểm này sau

đó được chiếu lên bề mặt hình ảnh Kết quả là hình ảnh trên mặt phẳng ảnh hay còn gọi là mặt phẳng chiếu CCD luôn được lấy nét và kích thước của hình ảnh có liên quan đến kích thước vật được cho bởi tham số duy nhất của máy ảnh là độ dài tiêu cự Đối với mô hình lỗ nhỏ khoảng cách từ tâm quang của thấu kính đến mặt phẳng ảnh chính

xác định bằng độ dài tiêu cự f c Phép chiếu của nó trong mặt phẳng ảnh {o; u c , v c } là (u, v)

Mối quan hệ giữa một điểm trên vật thể và sự chiếu của nó trên cảm biến ảnh có thể được mô tả như sau dựa trên một mô hình chiếu:

w, T

Trong đó I c = [u c , v c , 1] T là tọa độ thuần nhất của điểm ảnh trong hệ tọa độ hình

ảnh, Xw = [x w , y w , z w , 1] T tọa độ thuần nhất của điểm trong hệ toạ độ hệ thống và s c hệ

số tỷ lệ Ma trận [R c , t c ] T là các ma trận ngoại tham số, đại diện cho phép quay và tịnh tiến giữa hệ tọa độ hệ thống và hệ tọa độ của máy ảnh và được thể hiện như bên dưới:

Hình 1.11 Mô hình máy ảnh lỗ nhỏ [102]

u c

ảnh theo đơn vị điểm ảnh; và γlà thông số biểu thị độ nghiêng của hai trục hình ảnh

Để xác định tọa độ điểm ảnh trên tạo độ máy ảnh cần chuyển đổi phối cảnh từ tọa độ ảnh thực sang tọa độ máy ảnh Trong bước này, chi tiết đo 3D như được nhìn

từ gốc tọa độ máy ảnh {o c ; x c , y c , z c }, sẽ được chiếu lên mặt phẳng ảnh Do đó sự

chuyển đổi 3D thành 2D dẫn đến mất tọa độ chiều sâu z vì nhiều điểm được chiếu lên

cùng một điểm trong mặt phẳng ảnh Phương trình sau mô tả quá trình này:

Một số quang sai hệ quang cơ bản có thể kể đến là: quang sai sắc sai, quang sai

cầu sai, quang sai coma, quang sai loạn thị, cong trường, méo ảnh… Quang sai sắc sai

xảy ra khi các bước sóng khác nhau không tập trung vào cùng một điểm Sắc sai thường

đi kèm với sự chênh lệch độ phóng đại ảnh xuất hiện như là một hệ quả của sự thay đổi tiêu diện đối với mỗi nhóm màu, một hiệu ứng thường được gọi là sự lệch sắc phóng đại Quang sai thuộc loại này có thể được làm giảm đáng kể, hoặc loại trừ, bằng

cách chế tạo các thấu kính ghép Cầu sai có nguyên nhân do sử dụng các thấu kính có

bề mặt hình cầu, hiện tại thì đó là phương pháp thực tiễn duy nhất để chế tạo thấu kính Cầu sai xảy ra khi sóng ánh sáng truyền qua vùng ngoài rìa của thấu kính không được hội tụ chính xác với sóng ánh sáng truyền qua vùng chính giữa Kết quả là ảnh vật không thể được hội tụ chính xác Quang sai này có thể được giảm bớt bằng cách hạn chế phơi sáng đối với vùng rìa của thấu kính bằng màn chắn, hoặc có thể sử dụng các thấu kính không có dạng cầu trong quang hệ Các thấu kính hiện đại chất lượng cao,

các kĩ thuật mài thấu kính đặc biệt, các công thức thủy tinh cải tiến, và điều khiển tốt

hơn đường đi của ánh sáng làm giảm ảnh hưởng của cầu sai Quang sai coma xảy ra

với các tia sáng ngoài trục Mức độ quang sai càng lớn với những thấu kính khẩu độ

càng rộng có thể hiệu chỉnh bằng cách giảm kích thước khẩu độ Quang sai loạn thị

tương tự như coma Tuy nhiên, hiện tượng này không nhạy với kích thước khẩu độ và phụ thuộc nhiều vào góc xiên của chùm tia sáng Quang sai loại thị biểu hiện bởi ảnh ngoài trục của một vật điểm xuất hiện dưới dạng một đoạn thẳng hoặc elip thay vì là

một điểm riêng biệt Quang sai cong trường là kết quả của việc sử dụng thấu kính có

các bề mặt cong Khi ánh sáng hội tụ qua một thấu kính cong, thì mặt phẳng ảnh tạo bởi thấu kính đó sẽ bị cong Ảnh có thể hội tụ trên một vùng nằm giữa các điểm nằm giữa cảm biến ảnh, tạo ra một sự hội tụ sắc nét hoặc lên rìa hoặc lên vùng chính giữa

Sự cong trường tạo ra mặt phẳng ảnh có hình dạng một mặt cầu lõm giống như một mặt thấu kính lồi khi nhìn từ phía vật kính Toàn bộ ảnh không thể hội tụ đồng thời lên một mặt phẳng như mặt phẳng phim hoặc bề mặt của bộ cảm biến ảnh CCD hoặc CMOS Với các quang sai kể trên trong các hệ quang điện tử như máy ảnh và máy chiếu, các vật liệu chế tạo thấu kính hiện đại và phủ chống phản xạ, cùng với kỹ thuật mài và chế tạo tiên tiến, đã loại trừ đa số các quang sai trên Tuy nhiên, đối với hệ quang điện tử thì quang sai méo ảnh là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến tỉ lệ tạo ảnh và

độ chính xác tạo ảnh trong máy ảnh

Các ống kính máy ảnh có thể tạo ra méo ảnh và mô hình máy ảnh lỗ nhỏ sẽ không đại điện đủ được cho hệ thống đo chính xác nếu không tính đến quang sai méo ảnh của ống kính Méo ảnh trong một số trường hợp nhất định có thể ảnh hưởng lớn đến hình học của ảnh mà không làm giảm chất lượng và thông tin của ảnh Hình 1.12

mô tả sai lệch do quang sai méo ảnh gây ra Quang sai máy ảnh có thể chia làm hai loại: biến dạng hướng tâm và biến dạng hướng trục [56]

Hệ số méo ảnh hướng tâm có thể được chia làm 2 loại: méo dương và méo âm Méo dương xảy ra khi các điểm ảnh trong trường nhìn quá gần tâm quang Méo âm xảy ra khi các điểm ảnh trong trường nhìn quá xa so với tâm quang Thông thường biến dạng hướng tâm phát sinh do hình dạng của thấu kính Biến dạng hướng tâm chủ yếu được xem xét trong quá trình hiệu chuẩn Hệ số méo ảnh hướng trục xảy ra khi

Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch khi có méo ảnh

thấu kính và mặt phẳng cảm biến ảnh không song song Biến dạng này phát sinh từ quá trình lắp ráp máy ảnh [4] Hệ số méo ống kính máy ảnh thường được mô hình hóa như một véc tơ 5 phần tử:

√(𝑢 − 𝑢0)2+ (𝑣 − 𝑣0)2 biểu thị cho khoảng cách tuyệt đối giữa điểm ảnh trên máy ảnh và điểm gốc của cảm biến ảnh

Hiệu chuẩn nội thông số máy chiếu

Trong hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc còn phải hiệu chuẩn máy chiếu Việc hiệu chuẩn máy chiếu thường khó khăn hơn do máy chiếu không thể chụp ảnh như máy ảnh Phương pháp hiệu chuẩn của Huang [26] có thể hiệu chuẩn chính xác các thông số hệ thống như vị trí và hướng của máy ảnh và máy chiếu, song đòi hỏi quả trình hiệu chuẩn phức tạp và tốn thời gian Một nghiên cứu khác là ước tính mối quan

hệ giữa độ sâu và giá trị pha thông qua việc tối ưu có thể đạt độ chính xác cao với phương pháp hiệu chuẩn đơn giản hóa

Hiện tại, phương pháp hiệu chuẩn thường được dùng nhiều là coi máy chiếu như

là một máy ảnh ngược Khi đó việc hiệu chuẩn máy chiếu theo cách tương tự như hiệu chuẩn máy ảnh Đây là một cách tiếp cận khả thi bởi vì máy ảnh và máy chiếu có cùng

sơ đồ quang học gồm một ống kính và một cảm biến ảnh 2D Một nghiên cứu của Legadar-Sa [39] đề xuất sử dụng pha như là sự trợ giúp để thiết lập các điểm tương ứng giữa máy chiếu và máy ảnh do đó có thể sử dụng các thông số được hiệu chuẩn bằng máy ảnh để hiệu chuẩn máy chiếu Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng một máy ảnh được hiệu chuẩn để hiệu chuẩn máy chiếu, do vậy các lỗi hiệu chuẩn máy ảnh được kết hợp vào hiệu chuẩn máy chiếu Để giải quyết vấn đề này, một nghiên cứu khác của Zhang [68] đã phát triển một phương pháp làm cho máy chiếu chụp hình ảnh giống như một máy ảnh Về cơ bản hiệu chuẩn sẽ thiết lập được bản đồ một - một giữa máy chiếu và máy ảnh với sự hỗ trợ của pha tuyệt đối Bằng cách này, hiệu chuẩn máy chiếu không phụ thuộc vào hiệu chuẩn máy ảnh và do đó sai lệch do hiệu chuẩn máy ảnh sẽ không ảnh hưởng đến độ chính xác của máy chiếu Sau công trình nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn bằng cách sử dụng nội suy tuyến tính [43],[89] hoặc bằng bồi thường lỗi dư với các ràng buộc về mặt phẳng

Tất cả các nghiên cứu về hiệu chuẩn trên đều chứng minh được sự thành công trong việc hiệu chuẩn hệ thống Tuy nhiên, tất cả đều giả sử rằng máy chiếu phải được điều tiêu chính xác vào vùng đo nếu không sẽ gây ra sai số hiệu chuẩn

Nếu máy chiếu có thể thu ảnh giống như một máy ảnh, việc hiệu chuẩn nó sẽ đơn giản như hiệu chuẩn một máy ảnh Sử dụng một máy ảnh để chụp ảnh cho máy chiếu bằng cách chuyển đổi cường độ điểm ảnh của máy ảnh vào các điểm ảnh của máy chiếu Điểm cơ bản để thực hiện hiệu chuẩn này là thiết lập sự tương ứng chính xác giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm ảnh máy chiếu, có thể thực hiện được thông qua phương pháp PSGC Mô hình hóa một máy chiếu tương tự như mô hình hóa một máy ảnh

Một vấn đề khác của việc sử dụng bảng ô vuông bàn cờ là giá trị pha xung quanh góc có thể bị thay đổi, như minh họa trong hình 1.13