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

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 o

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

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

Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bằng bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi đo các chi tiết hợp kim nhôm khi phay tinh bằng máy phay CNC

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

- Đã nghiên cứu xác lập được một số vấn đề về cơ sở lý thuyết xây dựng quy trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo các chi tiết cơ khí gia công bằng công nghệ CNC Với khả năng lựa chọn các thông số cấu hình hợp lý, yêu cầu phạm vi đo và độ phân giải đảm bảo nâng cao độ chính xác phép đo

- 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

- 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 và 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

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 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 ĐO LƯỜNG BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH

SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc

Trong thập kỷ qua, với những tiến bộ kỹ thuật trong 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 Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể số hoá nhanh chóng hình dáng của các chi tiết công nghiệp khác nhau 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 vùng bề mặt mã hóa được 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

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

1.2.1 Phương pháp dịch pha

1.2.2 Phương pháp mã Gray

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

Trong quá trình gỡ pha, nếu k(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:

t (x, y) = 2k(x, y)π + w(x, y) (1.17) Thông tin pha tuyệt đối thu được có thể xây dựng được bản đồ pha tuyệt đối từ đó xác định tọa độ 3D của điểm đo

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 Hơn nữa trong quá trình đo thực, hình dạng sóng của hình ảnh thu được không phù hợp với hình dạng sóng lý tưởng và các nhiễu do

đều trên bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, sự lệch tiêu điểm của hệ thống quang học [56], 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

Phi tuyến Gamma và lệch tiêu máy chiếu

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

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

Việc sử dụng hệ thống đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc vẫn gặp khó khăn khi xử lý các

bề mặt không tán xạ đồng đều bởi vì tín hiệu quang học không được thu một cách chính xác Do khi chiếu ánh sáng vào bề mặt này sẽ gây ra hiện tượng phản xạ với cường độ ánh sáng lớn tại vùng phản xạ và thông tin của bề mặt chi tiết không thể thu trực tiếp được Đối với một chi tiết đo có vật liệu bằng kim loại được chiếu với cường độ và thời gian phơi sáng xác định các vân mẫu chiếu ở vùng có phản xạ bề mặt trung bình sẽ trở nên rõ ràng trong khi vùng có phản xạ bề mặt lớn sẽ trở nên sáng đến mức bão hòa ảnh trên máy ảnh tức là mức cường độ điểm ảnh thu được vượt quá mức 255 mức xác Do đó, các ảnh chụp phản xạ quá sáng gây nên bão hòa hình ảnh hoặc tối quá không thể thu được ảnh rõ nét Điều này có nghĩa là các mô hình mẫu chiếu không được giải mã một cách chính xác Các vùng tương ứng trên bề mặt vật thể không thu được, hoặc không có đủ thông tin để xây dựng bề mặt 3D của chi tiết đo làm bằng kim loại

được hiệu chuẩn và đánh giá bằng cách sử dụng một số bề mặt chuẩn với các khả năng đo khác nhau Các bề mặt chuẩn này cần được xây dựng để phù hợp với từng thiết bị đo cụ thể

1.4 Kết luận chương 1

Qua phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đo các chi tiết cơ khí

sử dụng ánh sáng cấu trúc cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này có thể đưa ra một số kết luận như sau:

1 Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng chi tiết cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấy sự phù hợp nhất để đo chi tiết cơ khí Tuy nhiên đối với các chi tiết cơ khí gia công bằng CNC có nhiều đặc điểm và tính chất gây khó khăn làm giảm độ chính xác kết quả đo Như vậy, với

độ chính xác của các chi tiết này cần nâng cao độ chính xác của phương pháp đo và làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt để có thể đo được các chi tiết cơ khí này một cách tốt nhất

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí được nghiên cứu như: ánh sáng mã hóa thu được từ cảm biến bị sai lệch so với ánh sáng mã hóa được chiếu từ máy chiếu, nhiễu do giao thoa, ánh sáng môi trường, phản xạ bề mặt và các thông số hiệu chuẩn hệ thống Trong đó hai yếu tố độ chính xác hiệu chuẩn và phản xạ bề mặt chi tiết ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của hệ thống đo

3 Phản xạ bề mặt chi tiết làm tăng sai số phép đo thậm chí không thể thực hiện được phép đo bề mặt Qua phân tích các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cho thấy phương pháp thay đổi thời gian phơi sáng là rất khả thi và có thể thực hiện được mà không cần thiết bị phần cứng phụ trợ

4 Việc cần thiết phải xây dựng một quy trình đánh giá độ chính xác do hiện nay chưa

có một công trình nghiên cứu nào đưa ra quy trình đánh giá độ chính xác của hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc cụ thể

1.5 Hướng nghiên cứu của luận án

Với các kết luận trên tác giả đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray và xây dựng thuật toán, phần mềm đo lường đám mây điểm 3D sử dụng phương pháp này

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo biên dạng 3D chi tiết cơ khí, với hai tham số là độ chính xác phép hiệu chuẩn và độ phản xạ bề mặt chi tiết

Nghiên cứu phương pháp để tăng độ chính xác hệ thống đo Đề xuất quy trình đánh giá

độ chính xác hệ thống dựa vào các tiêu chuẩn quốc tế ISO về đo lường phân tích biên dạng

bề mặt

Xây dựng hệ thống thực nghiệm theo phương pháp PSGC để nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất

Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG

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

Hình 2 1Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray.

Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp PSGC được thể hiện như hình 2.1 như sau: Các mẫu ánh sáng mã hóa được chiếu lên khung hình của máy chiếu theo một chuỗi gồm các ảnh mã Gray và ảnh dịch pha Bản đồ pha của mã Gray và dịch pha được xây dựng thông qua ảnh vân mẫu trên cảm biến máy chiếu, bản đồ pha này được gọi là bản đồ pha trên mặt phẳng chuẩn r Hình ảnh chi tiết đo được máy ảnh thu nhận theo trình tự chiếu của máy chiếu Thông qua ảnh trên cảm biến máy ảnh, thu được bản đồ pha thực  của chi tiết đo Các giá trị pha thực được so sánh với giá trị pha chuẩn trên máy chiếu tương ứng với các điểm chung của máy ảnh và máy chiếu trên hệ tọa độ thực Ngoài ra các thông số hiệu chuẩn cho máy ảnh và máy chiếu được xác định thông qua bước hiệu chuẩn hệ thống Khi các thông số hiệu chuẩn hệ thống được xác định, bản đồ pha tuyệt đối được xây dựng thông qua phương pháp tam giác lượng Với một hệ thống sử dụng phương pháp PSGC thì sai số

sẽ xuất hiện trong quá trình đo Ảnh mẫu chiếu từ máy chiếu và ảnh chụp từ máy ảnh sẽ chịu ảnh hưởng của biên dạng bề mặt và tính chất phản xạ bề mặt chi tiết đo Khi dựng lại bản đồ độ sâu các điểm trên bề mặt chi tiết, các thông số hiệu chuẩn được sử dụng, do vậy

độ chính xác hiệu chuẩn các thông số này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác dựng lại bản đồ độ sâu bề mặt chi tiết đo Các thông số đo lường biên dạng 3D sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của sai số trong quá trình dựng hình và ghép đám mây điểm

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 Bất kỳ điểm ảnh nào trong máy ảnh và máy chiếu đều được nhận dạng bởi chuỗi các cường độ nhị phân mà

nó nhận được hoặc các chiếu tương ứng

Đối với phương pháp PSGC cần phải xác định độ rộng của một chu kỳ sin tương ứng

với một vân của mã Gray Với một máy chiếu có độ phân giải N p  M p , 4 ảnh sin dịch pha

với số lượng điểm ảnh trên một chu kỳ tương ứng theo phương ngang và phương dọc lần

lượt là T u , T v có số chu kỳ trên toàn vùng đo theo hai phương là n uvàn vđược xác định thông qua độ phân giải của máy chiếu:

u

N n T

v v

M n T

Các mẫu Gray được tạo ra theo chiều rộng của một chu kỳ sin vì vậy chiều rộng của một vân mẫu Gray bằng một chu kỳ sin Số mẫu chiếu chiếu theo phương ngang và phương dọc tương ứng của mã Gray là phải tương ứng với số chu kỳ sin n uvàn vlà:

( )2

Thuật toán phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray được trình bày như hình 2.5 Với việc khai báo các dữ liệu đầu vào là số ảnh chiếu mã Gray theo hai

phương là G u và G v đượctính theo công thức (2.2) Máy tính tạo vân chiếu dạng sin theo

công thức Error! Reference source not found có thể được mô tả toán học theo công thức

i u v

u v

u v I

Trong đó: T u,v là bước vân hay số điểm ảnh trên một chu kỳ vân được xác định theo

công thức (2.1) u, v là chỉ số điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh  là pha ban đầu, với ảnh mẫu dịch pha 4 bước và pha bằng nhau thì pha sẽ tương ứng là  = (0, /2, , 3/2)

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

Như phân tích ở hình 2.2 độ chính xác dựng lại bản đồ độ sâu sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các thông số hiệu chuẩn hệ thống

Để thiết kế đúng hệ thống quang học tốt nhất đòi hỏi phải xem xét các thông số của chuỗi quang để hiểu được ảnh hưởng của mỗi thành phần Các thông số cần được xem xét trong việc phân tích bất kỳ hệ thống quang học nào bao gồm các sai lệch của thông số hệ thống, phân cực ánh sáng, tần số không gian và tổn thất năng lượng trong quá trình chiếu và thu ánh sáng Tác động của mỗi thành phần trong chuỗi quang lên các thông số này cuối cùng sẽ tích lũy tổng cộng lớn hơn bất kỳ một yếu tố tạo nên sai số nào

Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống

Quá trình hiệu chuẩn hệ thống được sơ đồ hóa như hình 2.3 Máy ảnh sẽ được hiệu chuẩn đầu tiên thông qua việc chụp ảnh các mẫu hiệu chuẩn 2D với các góc và vị trí khác

nhau được chiếu ánh sáng mẫu bằng máy chiếu Các nội thông số A c và các hệ số méo ảnh

sẽ được xác định sau khi hiệu chuẩn máy ảnh Trong bài toán hiệu chuẩn máy ảnh có bốn

nội thông số (f x , f y , c x , c y ) và năm thông số méo: ba hướng tâm (k 1 , k 2 , k 3 ) và hai tiếp tuyến (p 1 , p 2 ) Các nội thông số được gắn trực tiếp với hình học 3D vị trí bảng hiệu chuẩn đặt

trong không gian

Phép chiếu được biểu thị bằng một hàm 2 vector thành phần phi tuyến (𝑥, 𝑦, 𝑧) =(𝑢,𝑣) tính toán các nội thông số và ngoại thông số của hệ thống Cho một tập hợp điểm tương ứng với tọa độ điểm ảnh thu được từ nhiều hướng nhìn (𝑥, 𝑦, 𝑧) → 𝑢, 𝑣) có thể xác định được thông số pha  Đầu tiên ứng dụng thuật toán hiệu chuẩn của Zhang [102] để xác định các thông số tuyến tính (𝑓𝑢,𝑓𝑣,𝑢0, 𝑣0, 𝑅, 𝑇) Thay kết quả vào mô hình tuyến tính với các hệ số méo (𝑘1 ,𝑘2 ,𝑝1,𝑝2, 𝑘3) tính toán bằng hàm bình phương tối thiểu trong lỗi các

phép chiếu được nghiên cứu trong tài liệu [77], sai lệch phép chiếu theo phương ngang E u

và phương thẳng đứng E v được xác định riêng như sau:

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp hiệu chuẩn được đề xuất bởi Zhang phần này đã được mô tả trong OpenCV [55] Tuy nhiên, tác giả đã không công bố chi tiết thuật toán ngoại trừ mô tả cách tiếp cân dựa trên mô hình máy ảnh lỗ nhỏ Do vậy cần phải hiểu được đầy đủ các thuật toán hiệu chuẩn và hiệu quả của từng thông số hiệu chuẩn

về độ chính xác xây dựng lại bề mặt 3D bằng cách thực hiện thuật toán sao cho mọi đầu vào của thuật toán có thể thay đổi được

2.2.1 Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu

Độ chính xác xác định góc ô vuông bàn cờ dùng hiệu chuẩn, phụ thuộc vào kích thước của ô vuông bàn cờ, do kích thước của ô vuông ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của các thông số ước tính như nội thông số và ngoại thông số của hệ thống theo công thức

Error! Reference source not found Như vậy để đảm bảo độ chính xác hiệu chuẩn cần

phải lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ phù hợp với kích thước vùng đo của hệ thống đo

2.2.2 Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn

Trong nghiên cứu [102] bảng hiệu chuẩn được sử dụng để hiệu chuẩn hệ thống với các góc và vị trí tùy ý Tuy nhiên để đạt được độ chính xác cao trong quá trình hiệu chuẩn thì vị trí và góc ô vuông bàn cờ phải được đặt trong một giới hạn cho phép Sơ đồ nguyên lý để xác định các góc quay được xây dựng như hình 2.7 Bảng hiệu chuẩn được gá lên bàn quay

được quay theo hai phương: Góc nghiêng thứ nhất của bảng hiệu chuẩn so với trục y tướng

ứng là góc , góc nghiêng thứ hai của bảng hiệu chuẩn là  tương ứng với góc hợp bởi bảng hiệu chuẩn và bàn quay Việc xác định được góc quay theo hai trục thông qua bộ đo góc quay

2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực

Tọa độ 2D của vật đo sẽ được xác định thông qua tọa độ điểm ảnh với hiệu số pha

bằng 0 theo công thức Error! Reference source not found Việc xác định tọa độ z sẽ được

thực hiện thông qua nguyên tắc tam giác lượng và sau khi đã hiệu chuẩn hệ số h 0 theo công

thức Error! Reference source not found

Để xây dựng lại biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo, cần phải thu được pha tuyệt đối

Hệ thống đo được xây dựng với một số thông số ban đầu được đề xuất như vùng đo (w

 h) tại mặt phẳng tham chiếu của thiết bị là vùng không gian có thể nhìn thấy cả từ máy chiếu và máy ảnh như hình 2.9 Thông thường thì vùng chiếu của máy chiếu nhỏ hơn vùng thu của máy ảnh Do vậy, khi xác định vùng đo có thể dựa vào vùng chiếu của máy chiếu Vùng này phụ thuộc chủ yếu vào các thông số của hệ thống như: khoảng cách giữa máy ảnh

và máy chiếu là b, góc giữa trục quang máy ảnh và trục quang máy chiếu là , khoảng cách

L để đạt kích thước vùng đo theo phương ngang và phương dọc w và h Thông thường thì

kích thước vùng chiếu của máy chiếu theo phương dọc nhỏ hơn kích thước theo phương ngang do vậy trong quá trình thực nghiệm tính toán tối ưu sẽ lấy theo kích thước vùng chiếu

nhỏ hơn h

Giả sử mối quan hệ giữa L và w, h là tuyến tính có thể xác định được vùng không gian chiếu h và w như sau:

22

Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh

Theo công thức (2.20) và (2.21), giới hạn độ sâu trường đo được xác định [25]

2 max min 2

c là tùy ý Khi đường kính vòng tán xạ tăng lên thì kích thước mờ cho phép sẽ tăng lên dẫn đến phạm vi độ sâu d sẽ tăng lên Khi c có giá trị nhỏ vừa đủ thì mối quan hệ giữa d và c là tuyến tính Khi c lớn quá thì mối quan hệ này trở nên phi tuyến và công thức (2.5) sẽ không còn chính xác nữa Để lựa chọn hợp lý thì cho kích thước đường kính của vòng tán xạ bằng kích thước một điểm ảnh Pc

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