Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đến một số cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan ở việt nam

 Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trêncác chi tiế

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống vàcác ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng quátrình sản xuất, công nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựngtái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biêndạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biêndạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thước, gócquan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau… Những thông tin thu được từ hình ảnh 3Dgiúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn

Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và khôngtiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đonhư các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếpxúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với

bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xácđịnh mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu Phép đo

có các sai số do kích thước đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bềmặt không xác định Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao do các bộ phận cảmbiến đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao

Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sửdụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạngphương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động Phương pháp đo không tiếp xúc chủđộng chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặtchi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tamgiác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc) Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sửdụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lậpthể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương phápdựa vào bóng của vật Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết

có kích thước rất lớn như: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bềmặt vô định hình Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp

đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làmcảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, sốđiểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đoquét các chi tiết trực tuyến Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúccho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trongnhiều lĩnh vực

Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệgia công trên máy CNC nên việc gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ

nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuônmẫu đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D Với các doanhnghiệp trong nước việc đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3Dkhá khó khăn, các sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm

đo lường dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất Mặt khác, thiết bị

đo nhập khẩu tính năng kĩ thuật không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm củahãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ độngkhai thác thiết bị đạt hiệu quả Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sửdụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộngrãi, nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí Phương pháp đo lườngbiên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trongnước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D

sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trongnước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiêntiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất

phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”.

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

a) Mục đích của đề tài

Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biêndạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế,chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được giacông trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịchpha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở choviệc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo

 Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết

bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trêncác chi tiết có độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo

 Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phương pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong

10

phương pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của phương pháp này.

 Xây dựng được mô hình toán học cũng như các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựngphương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị khiđo

 Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha

 Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân phục

vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnhvực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường

4 Các đóng góp mới của luận án

 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chitiết cơ khí Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn đềxuất nghiên cứu sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo độphân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha Mã hóaGray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm nhiễu do bề mặtchi tiết đo và môi trường đo đem lại Để nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương phápdịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm các mẫu chiếu đảo bit vàmẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương, với giải pháp kỹ thuật này giúp cho quá trình giải

mã có độ chính xác cao hơn từ đó nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha

 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo để xây dựng đám mâyđiểm đo: dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kểđến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mô hình kỹ thuật xây dựng nguyên lý tamgiác lượng theo phương pháp hình học cho hệ thống đo không đề cập đến các yếu tố

ảnh hưởng của quang sai hệ quang đến chất lượng ảnh chiếu và ảnh thu được từ camera.Luận án đã xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đườnggiao đường dựa trên các thông số xác định được từ quá trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chínhxác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo

11

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phươngpháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấuthành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo: với mô hình toán học áp dụng chocamera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định được vị trítương quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định được các nội tham số và ngoại tham

số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phương pháp hiệu chuẩn camera sử dụng

ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phương pháp chiếu kết hợp dịch pha và mã hóa Gray choviệc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính xác cao Vớiđặc thù là phương pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo và đặc điểm bềmặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định

được các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh phù hợp để nâng cao chất lượng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo

 Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mãhóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi đo200x200x200 mm Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu của đềtài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử dụng cácphần mềm và các thiết bị có sẵn của nước ngoài không thể thực hiện được, bởi khi đó chỉ cóthể thực hiện các phép đo theo các khuôn mẫu thuận tiện cho công nghiệp mà các nhà chế tạo

đã định sẵn

5 Nội dung luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:

nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nênmột thiết bị đo Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sángcấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đóxác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằmtăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí Cuối chương trình bàycác nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch

pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha Phân tích các thuật toán dịch pha, các phươngpháp gỡ pha từ đó xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ

độ chính xác gỡ pha Xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phương

án hiệu chuẩn hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu

và camera Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng như xâydựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra

Chương 3: Xác lập cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu

trúc theo nguyên lý dịch pha Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏamãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống Xây dựng các giải

12

thuật xử lý tín hiệu đo Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị Nghiên cứu đánh giácác yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đobiên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1.

Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1.

Tiến hành hiệu chuẩn đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi

đo Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo sosánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu được đo trên các thiết bị CMM Khảo sát sự ảnhhưởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị Thực nghiệm đo biên dạng một sốchi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị Kết quả thực nghiệm là cơ sởđánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếptheo

6 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sửdụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hìnhthiết bị đo được chế tạo

Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụngtrong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệthống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quátrình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo

Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sảnphẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường ViệtNam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng nghiên cứuphát triển cho thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã nghiên cứu

Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phântích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab đểthực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG

CẤU TRÚC

Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biêndạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc và các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án Mục1.1 trình bày tổng quan về vai trò, ứng dụng và đặc điểm của phương pháp đo lường biêndạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Mục 1.2 trình bày nguyên lý đo, khái niệm ánh sáng cấutrúc và các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu ứng dụng vào đo lường biên dạng3D Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sángnghiên cứu của luận án Mục 1.3 nghiên cứu các mô hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố tríthiết bị và mô hình toán học cho từng loại sơ đồ Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứutrong và ngoài nước Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rấtquan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm Hình dáng và kích thướccủa chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc khôngthể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp Nhằm đáp ứngnhững yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúcđược nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ

Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giáclượng trong quang học Mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với việcthay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu

Mẫu ảnh chiếu

Chi tiết đo

Mặt phẳng

tham chiếu

Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.

Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình 1.1.Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo một phương pháp mã hóa nhấtđịnh lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và

14

được nhận biết thông qua hệ thống camera Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp

mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo

Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đochi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kíchthước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay… Trên hình 1.2 là hình ảnh thiết bị quét biêndạng SLS – 1 sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng cánh tuốc bin của các động cơ máybay Đây là dạng sản phẩm khó đo do biên dạng cánh phức tạp, sử dụng phương pháp đotiếp xúc rất khó khăn khi hệ thống đã được lắp đặt

Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18]

Trên hình 1.3 thể hiện ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúctrong công nghiệp chế tạo cơ khí Hình 1.3a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ô

tô Hình 1.3b là ứng dụng phương pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trongngành công nghiệp khuôn mẫu Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng vớihình dáng phức tạp, độ bóng cao… Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đorất lâu và khó đo Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệuquả rất cao trong lĩnh vực này Với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm

đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm được chế tạo ra so với bản thiết kếCAD

Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5]

Một ngành công nghiệp ứng dụng rất nhiều các thiết bị đo biên dạng chi tiết là côngnghiệp sản xuất ô tô, xe máy Các thiết bị đo quét có mặt trong rất nhiều khâu của quá trìnhsản xuất từ việc thiết kế tạo mẫu ban đầu cho đến các công đoạn sản xuất khuôn và thànhphẩm cũng như kiểm tra khung vỏ ô tô sau khi hàn ghép, sau khi sơn… Việc đo kiểm sosánh thành phẩm với bản thiết kế giúp các nhà sản xuất nâng cao chất lượng và hiệu quảsản xuất Trên hình 1.4 là ứng dụng phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vàoviệc thiết kế mẫu xe mới Sau khi xe được chế tạo có thể đo quét để so sánh với mẫu.

Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44]

Một lĩnh vực công nghiệp đang rất phát triển là may mặc thời trang Với phươngpháp truyền thống khi may quần áo phải đo các thông số riêng lẻ cho từng người bằngthước dây, thông số đo chưa biểu hiện hết các yếu tố về biên dạng cơ thể Với công nghệ

đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc giúp cho việc thiết kế, tạo mẫu khi có dữliệu quét đem lại tính thẩm mỹ cao hơn đặc biệt lợi thế trong việc may mặc tạo mẫu riêng

lẻ Từ thông số biên dạng của cơ thể người có thể ứng dụng trong nhiều ngành thiết kếkhác nhau như: quần áo, giầy dép và các phụ kiện khác

Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc

(a) Quét biên dạng cơ thể người [24] , (b) quét biên dạng răng [19] , (c) quét vân tay 3D [6]

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển rất mạnhtrong lĩnh vực y tế có thể quét các bộ phận của cơ thể trong quá trình giải phẫu, ứng dụngtrong lĩnh vực nha khoa, ngoài ra còn các lĩnh vực như an ninh và trị liệu thẩm mỹ… Hình1.5 thể hiện một số ứng dụng của thiết bị đo ánh sáng cấu trúc: hình 1.5a là hình dạng cơthể người được mô phỏng sau khi quét ứng dụng trong các lĩnh vực thời trang; hình 1.5b làhình ảnh mô phỏng hàm răng thể hiện ứng dụng đo 3D trong nha khoa; hình 1.5c là ứngdụng đo 3D trong lĩnh vực an ninh với việc quét lại hình dạng vân tay

16

Các hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp thực

sự bùng nổ và được thương mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ máychiếu Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau Một sốthiết bị được giới thiệu như trong bảng 1

Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

ATOS Triple Scan  Vùng đo: 38 x 29 - 2000 x  Quét biên dạng 3D các

1500 mm² dạng sản phẩm: chi tiết cơ

 Độ phân giải: 0,5 mm tính linh hoạt khi quét

 Độ chính xác: 0,1 mm  Quét các dạng chi tiết,

 Hãng sản xuất: ARTEC tượng, đồ mỹ nghệ, cơ thể

 Ứng dụng trong sản xuấttượng sáp

LMI Advance R3x  Vùng đo: 200x200 –  Quét biên dạng 3D các

600x600 mm dạng sản phẩm: chi tiết cơ

 Độ phân giải: 0,25 mm khí, đồ mỹ nghệ, các chi

 Độ chính xác: 0,05 mm tiết nhựa…

 Hãng sản xuất: LMI  Quét các dạng chi tiết cótechnology kích thước trung bình.Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu vàphát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3

thước trung bình Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quétcác chi tiết lớn hơn Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến0,05mm Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02mm trong phạm vi

17

đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5mm.

Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưuđiểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thướclớn, các bề mặt không xác định Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thểquét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mangkhác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn, có thể đo được hơn một triệu điểm trong mộtvài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng Để hướng tới nghiên cứu chế tạo một thiết bị

đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làmchủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điềukiện chế tạo tại Việt Nam đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới,luận án đặt mục tiêu thiết bị đo được nghiên cứu chế tạo đạt độ chính xác 0,05mm, độ phângiải 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200 x200mm

1.2 Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D

1.2.1 Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giáclượng trong quang học Thiết bị chiếu các mẫu ảnh 2D được thiết kế mà mỗi điểm ảnhđược mã hóa về màu sắc hoặc cường độ Khi chiếu các mẫu ảnh 2D lên bề mặt chi tiết thìbiên dạng 3D của bề mặt chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được thu nhận bằng

hệ thống camera Trên cơ sở các thông số hệ quang cơ thiết bị, dạng mã hóa ảnh mẫu 2D

để tính toán xác định các điểm đo trên bề mặt chi tiết theo phương pháp tam giác lượngquang học Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phậnchính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo tính toán tọa độcác điểm đo trên bề mặt vật đo

Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề mặt chi tiết cần đo Ảnh

mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên bộ phận chiếu ảnh có cấu trúcquang cơ phức tạp Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thốnggiao thoa hoặc hệ thống chiếu hình Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộphận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số Máy chiếu kỹ thuật số ngày càngđược nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chếtạo thiết bị đo

Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được

chiếu lên bề mặt chi tiết đo Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trênvật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đomang lại Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăngtốc độ cũng như độ chính xác khi đo Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống

cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc Các camera hiện nay cungcấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnhcũng như giá thành ngày càng giảm.

Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình

chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định được đám mây điểm bề mặt chi tiết

đo Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệtnhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61]

Hình 1.6 minh họa một trường hợp xác định độ cao điểm đo khi đó điểm P trên đốitượng có thể xác định qua biểu thức

Trong đó:

 h là khoảng cách từ camera đến điểm đo

 d là khoảng cách của camera và máy chiếu

 α1 và α2 là góc tạo bởi phương nối tâm của camera và máy chiếu đối với điểm đo P

1.2.2 Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc

1.2.2.1 Khái niệm

Thuật ngữ “ánh sáng cấu trúc” được Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh “structuredlight” (Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điểnWikipedia: structured light được miêu tả như sau:

“Structured light is the process of projecting a known pattern (often grids or

horizontal bars) on to a scene The way that these deform when striking surfaces allowsvision systems to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, asused in structured light 3D scanners ” [108]

Có thể dịch khái niệm như sau: “Structured light” là một quá trình chiếu các ảnh mẫulên vật đo, những biến dạng mẫu chiếu trên bề mặt vật được hệ thống quan sát thu được vàxác định được độ sâu và thông tin bề mặt của vật Do đó “structured light” được sử dụngtrong quét 3D

19

Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khinghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệmánh sáng cấu trúc như sau:

“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc màu sắc.”

Mã hóa về cường độ là sự điều biến biên độ cường độ sáng theo dạng sin, tam giác,nhị phân….trong không gian chiếu Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác địnhtheo các quy luật định trước như: dải màu như cầu vồng, các vạch màu xen kẽ nhau…

1.2.2.2 Các dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D

Có nhiều dạng ánh sáng cấu trúc khác nhau, có thể được cấu trúc cường độ theo haihoặc ba phương chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc với mục đích mã hóa các điểm đo trongkhông gian chiếu để có thể xây dựng hệ lưới điểm của bề mặt vật đo

a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân

Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49] sử dụng các sọc

đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu chiếu Độ

phân giải của phương pháp được xác định bằng khoảng

trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu chiếu Với mẫu chiếu

thứ n có 2n sọc Hình 1.7 thể hiện một mô hình chiếu

5-bit Khi chuỗi này được chiếu lên một khung hình có

32 (25) khoảng được xác định theo phương ngang Tọa độ 3D của một điểm được xác địnhbằng nguyên tắc

tam giác lượng Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy

và ít nhạy cảm với bề mặt vật quét (vì chỉ có một giá Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61]

trị nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh) Tuy nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần

số lượng lớn các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo được các chi tiết theo thời gian thực

b) Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám

số lượng mẫu chiếu so với phương pháp mã hóa nhị

phân mà vẫn đo được chi tiết với độ phân giải cao hơn

Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt về cường độ

để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai như trong mã

nhị phân) Với N mẫu có thể có MN vạch Mỗi mã

vạch có thể hình dung như là một điểm trong một

không gian cơ bản N chiều và mỗi chiều có M

Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh

giá trị khác nhau Nếu N = 3, và M = 4 thì tổng 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong

số vạch là 64 (43) tương đương 6 bit trong không gian Hilbert [114]

phương pháp nhị phân Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mô hình mã hóa nhịphân và mức xám để có thể phân biệt được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo

Trên hình 1.8 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng được xácđịnh Đây là phương pháp cho tốc độ cao hơn phương pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ

bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định

c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.

Phương pháp dịch pha [83] là

phương pháp chiếu vân được nghiên cứu

nhiều nhất để thu được hình ảnh 3D của

một vật thể Các mẫu chiếu có cường độ

điểm ảnh được mã hóa dạng sin được

chiếu lên bề mặt đối tượng đo Trường

hợp đơn giản nhất là phương pháp dịch

pha 3 bước, cường độ sáng cho mỗi

điểm ảnh của mẫu chiếu được mô tả trên

hình 1.9 Phương pháp dịch pha xác định

được giá trị pha tương ứng với biên dạng

3D của chi tiết đo do đó tọa độ 3D thực

tế cần phải xác định thông qua quá trình

hiệu chuẩn Đây là phương pháp có độ

phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ

thuộc vào độ chính xác gỡ pha Các

phương pháp gỡ pha chịu nhiều ảnh Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61]

hưởng môi trường đo, bề mặt chi tiết đo, bóng của chi tiết khi chiếu sáng gây ra các sai

số đo Do đó, phương pháp đo thường được áp dụng cho các bề mặt 3D trơn, màu sắc ítthay đổi

d) Mẫu ảnh chiếu cầu vồng 3D

Hình 1.10 thể hiện nguyên lý

thiết bị quét 3D cầu vồng [132] Không

giống phương pháp quang trắc cần xác

định vùng đo trong nhiều ảnh khác

nhau, thiết bị quét 3D cầu vồng cho

phép chiếu dải ánh sáng có màu như

màu cầu vồng trên không gian chứa vật

thể đo Mối quan hệ hình học giữa

camera cố định và quang phổ của vùng

chiếu sáng tương ứng với các góc khác

nhau giúp cho xác định được vị trí từng Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132]

điểm cần quét theo nguyên tắc tam giác lượng Phương pháp cho tốc độ quét cao do tốc độcamera cao và chỉ cần một ảnh cung cấp đầy đủ thông tin 3D của không gian cần quét Tuynhiên, phương pháp gặp khó khăn khi đo các vật thể có màu sắc

21

e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục

Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau được ghép lại để mã hóa các

vị trí không gian [47] Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cường độ biếnđổi liên tục với mỗi màu khác nhau Khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho tamột ảnh phổ biết rõ thông tin mã hóa Chiếu mẫu chiếu kết hợp lên vật thể có thể xác địnhthông tin 3D của dựa vào nguyên tắc tam giác lượng như phương pháp camera cầu vồng3D Việc mã hóa từng mẫu chiếu riêng rẽ không nhất thiết chuẩn màu sắc cũng như cường

độ chiếu không nhất thiết tuyến tính Hình 1.11 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổicường độ cho ba màu cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc như cầuvồng Phương pháp có thể giảm số ảnh chiếu để tăng tốc độ đo, tuy nhiên khó đo các chitiết có màu sắc hoặc bề mặt có độ phản xạ không đồng đều

Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc Với mục đích làm tăng tốc độ

quét cũng như

độ phân giải của ảnh quét thiết bị sử dụng cảm biến

hình ảnh thường có ba dải màu độc lập, mỗi dải

tương ứng với một băng tần Sự kết hợp tuyến tính

giá trị của các thành phần màu sắc có thể tạo ra một

số lượng vô hạn màu sắc trên một ảnh chiếu Ba

kênh 8-bit cho 224 màu sắc khác nhau Trên hình

1.12 là một hình ảnh minh họa về sử dụng mẫu

chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc, sử dụng

mẫu chiếu này kết hợp với các mẫu chiếu theo

phương pháp dịch pha hoặc mẫu chiếu màu đơn sắc như trong nghiên cứu [62] có thể giảmcác lỗi khi gỡ pha Đây là hệ thống mã màu có thể đạt được khả năng chụp ảnh bề mặt 3D

Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách

sử dụng màu sắc [61]

theo thời gian thực Để giảm tỷ lệ lỗi giải mã, có thể thiết lập hệ màu sắc, trong đó mỗimàu có một khoảng cách tới màu khác trong mẫu chiếu Số lượng tối đa của màu sắc trongmẫu được giới hạn trong khoảng cách giữa màu sắc tạo ra và bề rộng tối thiểu của vạch.Phương pháp đo cho tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc và độ phân giảikhông cao.

g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn

Để phân biệt các đường quét có thể tạo ra các đường gián đoạn khi xây dựng lại biêndạng 3D để nhận biết các đường dựa trên sự mã hóa gián đoạn (hình 1.13) Phương phápchỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng không quá phức tạp vì đặc điểm của bề mặt cóthể là nguyên nhân khó xác định được các đường đã mã hóa

Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69]

h) Mẫu chiếu các đường được đánh dấu bằng cách lặp đi lặp lại mẫu mức xám

Nếu có nhiều hơn hai mức cường độ được sử dụng có thể sắp xếp mức cường độ củacác đường thành các nhóm đường tạo ra các nhóm đường mà không giới hạn số đườngtrong đó [82] Nếu sử dụng ba cấp độ màu mã xám (màu đen, màu xám và trắng), mô hìnhchiếu có thể được thiết kế như hình 1.14: BGWGBGWBGBWBGW Phương pháp sử dụngmột mẫu chiếu nhằm tăng tốc độ đo Khi mã hóa các vạch, kích thước nhỏ nhất bằng mộtđiểm ảnh Do đó độ phân giải của phương pháp không cao, khó đo các bề mặt có độ phản

xạ không đồng nhất, có màu sắc

Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61]

i) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn

Một chuỗi tuần tự De Bruijn [27] cấp bậc n, kích thước k có kn phần tử: trong đó mỗichu kì của độ dài n xuất hiện đúng một lần trong chu kì Vòng tròn De Bruijn với n = 3 và

k = 2 (hai số 0, 1) có 23 = 8 phần tử ba chữ số mã hóa: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110,

111 Chuỗi tuần tự De Bruijn có thể được sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu có cácvạch không lặp lại [32, 33, 109]

23

Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110]

Việc sử dụng kết hợp mã nhị phân với màu R, G, B để tạo ra một dải màu được đánhdấu dựa trên chuỗi De Bruijn Xây dựng một chuỗi De Bruijn với k = 7, n= 3 Điều này dẫnđến một chuỗi với 343 đường Nếu số sọc quá nhiều, người ta có thể sử dụng một chuỗi DeBruijn bằng cách thiết lập k =5, n = 3 [65] Số lượng sọc trong trường hợp này còn 125 Cómột hạn chế trong việc xây dựng một chuỗi chỉ số đường sử dụng kỹ thuật De Bruijn là tất

cả các sọc cạnh nhau phải có màu sắc khác nhau Nếu một số sọc bằng hai hoặc ba lầnchiều rộng vạch sẽ xảy ra gây nhầm lẫn các thuật toán tái tạo 3D Hình 1.16 thể hiện mộttập hợp các sọc màu sắc được đánh dấu theo chuỗi De Brụiin với các vạch cạnh nhau cómàu sắc khác nhau

Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65]

Phương pháp đo tạo ra mẫu chiếu duy nhất để chiếu lên chi tiết đo Sự biến dạng cácvạch là cơ sở xác định độ cao các điểm đo Tuy nhiên, phương pháp khó đo các chi tiết cómàu sắc, độ phân giải không cao

k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa mảng giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBA)

Một lưới chỉ số sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBA) để tạo ra các vùnglưới có thể được đánh dấu bằng dấu chấm Mô hình mã hóa của bất kỳ cửa sổ nhỏ làm mặt nạ

duy nhất và hoàn toàn xác định tọa độ tuyệt đối của của sổ phụ (i, j) trong mảng Mô hình mãhóa của mảng nhị phân được tạo ra dựa trên một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên bằng cách sử

n2= 2n – 1/ n1 Hình 1.17 cho thấy một ví dụ về một PRBA tạo ra với k1 = 5, k2 = 2, và n1=

31, n2 = 33

Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48]

l) Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã nhỏ

Thay vì sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên như trên có sử dụng mảng giảngẫu nhiên đa giá trị Cũng giống phương pháp tạo mảng ở trên có thể tạo ra các mẫu mãđặc biệt nhỏ hơn tương ứng chứa đầy đủ các giá trị tồn tại trong mảng chính, các cửa sổphụ thể hiện mã nhị phân cũng được xác định tương tự [84] Hình 1.18 mô tả ba giá trịmảng giả ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng mô hình nhỏ cũng như cửa sổ phụ để xácđịnh vị trí các điểm lưới mã hóa Phương pháp đo được áp dụng cho các chi tiết có biêndạng không phức tạp, bề mặt phản xạ đồng đều Tuy nhiên, độ phân giải không cao, tạomẫu ảnh chiếu và chiếu lên vật đo phức tạp

Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84]

m) Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu

Một lưới chỉ số mã hóa màu sắc cả hai chiều [2], các sọc mã hóa theo chiều dọc vàchiều ngang có thể là giống hoặc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình1.19) Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng Tuy nhiên, nếu bề

25

rộng các đường quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến sự tin cậy khi xác định các điểm cần đo làmgiảm độ phân giải của phương pháp đo.

Hình 1.19 Mô hình lưới màu sắc [2]

n) Mẫu ảnh chiếu 2 chiều mã hóa đốm màu

Có nhiều phương pháp khác tạo ra các mảng giả ngẫu nhiên [85] đề xuất một thuật

toán để tạo ra một mảng giữ được sự duy nhất của cửa sổ phụ Phương pháp này là tươngđối trực quan để thực hiện trong các thuật toán máy tính Ví dụ hình 1.20 (bên trái) chothấy mảng 6x6 với kích thước cửa số phụ 3x3 sử dụng ba màu (R, G, B) Các quá trình tạomảng như sau: đầu tiên lấp đầy trên góc bên trái của mảng 6 x 6 với một mẫu được chọnngẫu nhiên Sau đó thêm một cột ba yếu tố trên vào bên phải ngẫu nhiên Tiếp tục bổ sungcác cột cho đến khi tất cả các cột được làm đầy với mã ngẫu nhiên và mặt nạ cửa sổ phụđược xác định Tương tự như vậy, thêm ngẫu nhiên hàng theo hướng đi xuống từ vị trí mặt

nạ ban đầu Sau đó, thêm mã ngẫu nhiên mới theo hướng đường chéo Lặp lại các quá trìnhcho đến khi tất cả các dấu chấm được điền đầy màu sắc Hình 1.20 (bên phải) thể hiện mộtmảng giả ngẫu nhiên với kích thước 20 x 18

Hình 1.20 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85]

Nhận xét: Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm

đo trên không gian chiếu Để thuận tiện cho quá trình xử lý dữ liệu đo các mẫu chiếu cầnđảm bảo mỗi điểm trên lưới đo có sự phân biệt với toàn bộ các điểm khác Tốc độ đo phụthuộc số mẫu chiếu trong phương pháp sử dụng Một số phương pháp sử dụng nhiều mẫuchiếu và một số phương pháp chỉ cần một mẫu chiếu Độ phân giải của phương pháp đo(khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độphân giải của hệ thống chiếu vân và camera Xét trường hợp độ phân giải liên quan đếnphương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ

thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gianlớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nútlưới lớn (độ phân giải thấp) Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong cácphương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc.

1.2.3 Hệ chiếu mẫu vân sáng

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc cần phải chiếu mẫu vân sáng lên bề mặt chitiết đo Độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của vân chiếu đượctạo ra Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tửnhiễu xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạphù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sángchiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xácrất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sảnphẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số

Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ dựa trên cơ chế hoạt độngbên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh là: DLP (Digital Light Processing) vàLCD (Liquid Crystal Display)

a) Công nghệ LCD

Máy chiếu LCD (liquid crystal display - hiển thị tinh thể lỏng) tổng hợp hình ảnhmàu dựa trên 3 màu cơ bản là đỏ, lục và xanh dương (RGB)

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD

Hình 1.21 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD trong đó các thànhphần gồm có: Nguồn sáng trắng ban đầu được tách thành 3 nguồn sáng đơn sắc là đỏ, lục,xanh dương và được dẫn đến 3 tấm LCD độc lập Nếu điểm ảnh trên LCD ở trạng tháiđóng, ánh sáng không thể xuyên qua thì điểm ảnh biểu diễn trên màn hình là đen Tương

27

tự, độ sáng của điểm ảnh cũng thay đổi tương ứng theo trạng thái mở của điểm ảnh LCD.Điều khiển 3 tấm LCD đóng mở điểm ảnh theo thông tin ảnh số thu được 3 ảnh đơn sắctheo hệ màu RGB Sau đó ba ảnh được tổng hợp qua lăng kính chiếu đến hệ quang củamáy chiếu.

 Ưu điểm của máy chiếu LCD là thể hiện phong phú sắc độ màu, sắc nét và độ sáng cao

 Nhược điểm của LCD:

+ Hiệu ứng "ca-rô" làm hình ảnh trông bị "vỡ hạt"

+ Kích thước máy chiếu lớn

+ Hiện tượng "điểm chết" - các ảnh điểm có thể luôn tắt hay luôn mở, được gọi là điểm chết

+ Các tấm kính LCD có thể bị hỏng và thay thế rất đắt tiền

b) Công nghệ DLP

Công nghệ Digital Light Processing là giải pháp hiển thị kỹ thuật số Công nghệ DLP

sử dụng một vi mạch bán dẫn quang học, gọi là thiết bị vi gương số Digital MicromirrorDevice hay DMD để tái tạo dữ liệu nguồn Trái ngược với phương pháp truyền qua củaLCD, công nghệ DLP do Texas Instruments phát triển độc quyền vào năm 1997 sử dụnggương để phản chiếu ánh sáng

Chip DMD

Kính lọc màu

Bo mạch

Hệ quangNguồn sáng

Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28]

Trên hình 1.22 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu DLP và cấu tạo của

vi gương dùng trong bộ cảm biến ảnh Một chip DMD (Direct Micromirror Device) đượctích hợp ma trận vi gương, mỗi vi gương tương ứng một điểm ảnh Tần số dao động củagương hàng ngàn lần/ giây và thể hiện được 1024 cấp độ xám Để thể hiện hình ảnh màu,một bánh quay màu (color wheel) được đặt giữa nguồn sáng và DMD Phổ biến hiện nay là

hệ thống sử dụng bánh quay 4 màu gồm đỏ, lục, xanh dương, trắng để lần lượt tạo và xuất

ra 4 ảnh đơn sắc trong một chu kỳ

Ưu điểm của DLP

 Hiệu ứng "ca-rô" (lưới) nhẹ hơn vì các ảnh điểm gần nhau hơn Điều này không cho nhiều khác biệt với dữ liệu, nhưng cho hình ảnh video mịn hơn

 Có thể đạt độ tương phản (contrast) cao hơn.

 Gọn nhẹ, dễ di động hơn do có ít thành phần hơn

 Máy chiếu DLP có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD

Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP

Nhược điểm của DLP

 Độ bão hoà màu thấp hơn

 Có hiệu ứng "vầng hào quang" do ánh sáng bị tán xạ khi chiếu tới cạnh rìa của các vi gương

 Điều khiển chính xác cường độ sáng của điểm ảnh: các mẫu chiếu được thiết kế trênmáy tính được số hóa và truyền tín hiệu điều khiển xuống máy chiếu đơn giản và cho độchính xác cao

 Giá thành các thiết bị chiếu theo công nghệ DLP ngày càng giảm

1.2.4 Hệ thu ảnh vân

Cấu tạo camera bao gồm hai bộ phận chính: hệ quang để tạo ảnh và một phần tử nhạysáng thu nhận hình ảnh từ hệ quang gọi là cảm biến ảnh

a) Cảm biến hình ảnh của camera

Trong các camera thông thường, tại vị trí mặt phẳng ảnh là một cảm biến ma trận ảnh Cảm biến này là thiết

bị lấy mẫu cho hàm cảm biến đầu vào và biến đổi nó thành tín hiệu điện Cảm biến ảnh cấu tạo bởi các lưới điểm nhạy với ánh sáng, nó có thể là CCD hoặc CMOS Cách sắp xếp các điểm ảnh này theo hệ trục tọa độ ảnh hình 1.24 Mỗi điểm ảnh có diện tích là × và khoảng cách giữa các điểm ảnh theo chiều dọc và ngang tương ứng là à Khoảng cách tâm giữa hai điểm ảnh theo chiều dọc và ngang sẽ là:

29

= + à = + .

Hình 1.24 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD

Biểu thức trên ở dạng đơn giản khi coi các phần tử của cảm biến là hình vuông (tỷ lệ

các cạnh là 1:1) và không bị xiên Tuy nhiên, giả định này không phải lúc nào cũng đúng,

ví dụ như hệ ảnh TV NTSC định nghĩa các điểm ảnh hình chữ nhật có tỉ lệ 10:11 Trong

thực tế, tỉ lệ này theo tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất Trong trường hợp thiết bị thu ảnh

theo từng khung hình riêng biệt (frame grabber), trong quá trình đồng bộ các khung hình

có hiện tượng các điểm ảnh bị xiên hình 1.25 Vì các lý do trên nên trong mô hình camera

người ta đưa thêm vào hai tham số là hệ số tỉ lệ pixel mu, mv và hệ số xiên pixel =

Hình 1.25 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng

b) Hệ quang học

Theo quy ước hệ quang học phân tích theo phương pháp quang hình Do sự ảnh

hưởng không đáng kể tới mục đích nghiên cứu nên ta không dùng quang sóng (như nhiễu

xạ) Coi thấu kính đối xứng trục, trục đó gọi là trục quang (hệ quang không có gương, lăng

kính …) Mọi hệ quang đều có quang sai ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được

(làm ảnh bị mờ, ảnh bị biến dạng) Xuất phát từ định luật khúc xạ (định luật Snell):

Khi góc tới rất nhỏ cho

quang được coi là hoàn hảo,

gần đúng sin≈ nghĩa là các tia tới rất gần trục quang hệ không có quang sai ở miền gần trục.

Khi góc tới tăng lên,

30

sin = − 3! , có quang học bậc 3, khi này các tia sáng không còn gần trục nữa và hệ quang xuất hiện quang sai bậc 3 Như vậy, việc thay thế hàm số sin bằng chuỗi gần

đúng

trong định luật khúc xạ cùng với sự phi tuyến của hàm số sin mô tả sai lệch của đường

truyền thực qua hệ quang học khỏi đường truyền cận trục, sai lệch này dẫn tới sự sai khác

vị trí điểm ảnh - tức là quang sai Quang sai làm hình ảnh thu được bị biến dạng như hình

1.26

Hình 1.26 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b)

1.3 Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng

cấu trúc.

Đo biên dạng 3D cần xác

xác định độ cao điểm đo Z sử

thiết bị đo sử dụng hệ camera

1.27

định tọa độ lưới điểm trong không gian 3 chiều XYZ Đểdụng phương pháp tam giác lượng trong quang học Các vàmáy chiếu có thể bố trí theo dạng tổng quát như hình

Hình 1.27 Mô hình toán học cho sơ đồ bố trí tổng quát[135].

Xét các tam giác OO3OC, O2O3OC, OPFOC ta có:

31

O2O3 = LC cosθ0 sinθ2

FO C = S 1 sinα 1

Mặt khác:

Xét tam giác AOCTO1 và KOOP có:

Như vậy, trong trường hợp trên để xác định được h(x, y) cần biết LC, r, f0, θ0, S1, α1,

θ2 các thông số này chỉ có thể xác định thông qua quá trình hiệu chuẩn Để đơn giản hơntrong quá trình tính toán một số tác giả đã nghiên cứu và đưa ra các điều kiện biên cho môhình bố trí thiết bị và tạo ra một số biến thể kỹ thuật như sau:

1.3.1 Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan

Srinivasan [113] đã phát triển một trong những hệ thống đo lường biên dạng đầu tiêndựa trên phương pháp chiếu vân Hệ thống bao gồm khối chiếu (sử dụng nguyên tắc dịch

pha) và một dãy cảm biến ánh sáng Sơ đồ phần cứng của hệ thống được thiết lập như hình1.28(a) Thiết bị chiếu vân chiếu dạng sin là các vân giao thoa laser chiếu qua ống chuẩntrực lên bề mặt chi tiết đo, do đó vân chiếu không phụ thuộc vào khoảng cách từ bộ phậnchiếu tới vật cần đo Mảng cảm biến ánh sáng về cơ bản là một camera kỹ thuật số, có trụcthẳng hàng và đồng phẳng với trục ống chuẩn trực tạo với nhau một góc (900 - θ0) Tọa độcho hệ thống xác định như hình 1.28(b).

Bộ phận chiếu Dãy cảm biến

Bề mặt chitiết đo

Mặt phẳng

ảnh cảm biến

sáng

(a) Sơ đồ phần cứng (b) Mô hình toán học của thiết bị Hình

1.28 Hệ thống SMFP và mô hình toán học của Srinivasan [113]

Trên mô hình toán học: OXYZ là hệ tọa độ thiết bị, mặt phẳng OXZ là mặt phẳngsong song với mặt phẳng của cảm biến ảnh đi qua trục quang của ống chuẩn trực và trụcquang của cảm biến ảnh OXY là mặt phẳng tham chiếu vuông góc với mặt phẳng OXZ và

đi qua giao điểm giữa trục quang của ống chuẩn trực và trục quang của cảm biến ảnh.Cường độ ảnh chiếu lên mặt phẳng tham chiếu có khoảng cách vân chiếu p0 xác định bằngphương trình:

I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos(2 πx/px/p 0 )

Trong đó: b(x, y) là sự tương phản của vân chiếu tại điểm (x, y, 0) và a(x, y) là

cường độ nền Biểu thức (2πx/px/p0) là giá trị pha tham chiếu tại điểm (x, y, 0) ký hiệu là

ФR(x, y),

Ф ( , ) = 2 / 0Xét điểm D trên bề mặt của đối tượng được đo Theo phương chiếu giá trị pha củađiểm D ký hiệu Ф(D) bằng giá trị pha của điểm A trên mặt phẳng tham chiếu Cảm biếnhình ảnh thu được ảnh DI của điểm D trùng với điểm C trên mặt phẳng tham chiếu

Khoảng cách giữa điểm A và điểm C xác định theo:

33

∆ ( )= ( )− ( )Ф ( ) − Ф ( )) Ф ( ) − Ф ( )) Ф ( ) − Ф ( )) (1.23)

Sử dụng các mối quan hệ hình học của các điểm A, B, C và D, tọa độ z điểm D có

thể được viết như sau:

=−| |=

−|| 0

(1.24)

1 + 0 /

θI là góc giữa đường DDI và mặt phẳng hình ảnh của dãy cảm biến ánh sáng

Từ công thức tọa độ z của điểm D được xác định bởi:

=

00 ∆ ( ) Ф ( ) − Ф ( ))

(1.25)

2 (1 + 0 / )

Qua đó có thể xác định được tọa độ D(X,Y,Z)

Với mô hình hệ được phát triển bởi Srinivasan do sử dụng ống chiếu chuẩn trực nên

mô hình toán học được đơn giản hóa Tuy nhiên, khi chiếu chuẩn trực chỉ có thể chiếu diện

tích bề mặt xấp xỉ kích thước ống kính dẫn đến không gian đo của hệ thống bị hạn chế

1.3.2 Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa

Toyooka và Iwaasa [106] phát triển một hệ thống SMFP với thiết bị bao gồm một

máy chiếu và một camera Máy chiếu thay cho ống chuẩn trực trong phương pháp của

Srinivasan Mô hình toán học của hệ thống được thể hiện trên hình 1.29 Trong mô hình

này tâm máy chiếu P và tâm camera I đặt cách nhau một khoảng d0 và có cùng khoảng

cách l0 tới mặt phẳng tham chiếu OXY

Mặt phẳng ảnhcủa camera

của máy chiếu

Mặt phẳng thamchiếu R

Bề mặt chitiết đo

Hình 1.29 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa

Gọi mặt phẳng Q là mặt phẳng song song với mặt phẳng chiếu đi qua gốc O Máy

chiếu sẽ chiếu vân sáng trên mặt phẳng Q có cường độ sáng của các điểm ảnh phân bố theo

0

Trong đó: s = PO là khoảng cách của điểm P tới trục Y, và p'0 là bước vân trên mặt

phẳng Q Do mặt phẳng tham chiếu và mặt phẳng Q tạo với nhau một góc θ0 do đó cường

độ ánh sáng phân phối trên mặt phẳng tham chiếu R được xác định theo công thức sau:

Trong đó p0 là bước vân tại điểm O

Xem xét điểm H trên bề mặt đối tượng được đo Điểm HI là hình ảnh của H trên mặt

phẳng ảnh của camera và điểm D là điểm tương ứng của nó trên mặt phẳng tham chiếu (R)

Điểm A, C tương ứng là giao điểm PH với mặt phẳng Q và R

Theo phương Z tọa độ H được xác định bởi:

Mô hình toán học của Toyooka và Iwaasa đề xuất có một số yêu cầu: trục quang của

máy chiếu và camera cần phải đồng phẳng (mặt phẳng OXZ), tâm máy chiếu và camera có

cùng một khoảng cách tới mặt phẳng tham chiếu, phương chiếu vân sáng phải vuông góc

với mặt phẳng X-Z và mặt phẳng tham chiếu song song với mặt phẳng ảnh của camera

Các điều kiện đó làm cho mô hình toán học đơn giản nhưng hạn chế sự linh hoạt của hệ

thống và làm tăng phức tạp khi hiệu chuẩn Một số thông số hệ thống như khoảng cách

giữa các tâm chiếu của máy chiếu và camera (d0), khoảng cách từ tâm chiếu đến mặt phẳng

tham chiếu (l0) không thể có được bằng cách đo trực tiếp Tuy nhiên, các phương pháp xác

định chính xác các thông số này không được đưa ra

1.3.3 Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu

Hu [80] đề xuất một mô hình cho các hệ thống SMFP có thể được xem xét như một

phần mở rộng của mô hình Toyooka và Iwaasa So với mô hình của Toyooka, mô hình của

Hu loại bỏ một số hạn chế trên cấu hình hệ thống như tâm chiếu của máy chiếu và camera

có cùng khoảng cách đến mặt phẳng ảnh của camera Tuy nhiên hệ thống có các yêu cầu

sau:

 Các trục quang học của máy chiếu và camera đồng phẳng

 Mặt phẳng tham chiếu OXY được xác định là mặt phẳng song song với mặt phẳng

ảnh của máy chiếu và đi qua giao điểm hai trục quang

 Tâm máy chiếu đi qua tâm mặt phẳng ảnh của máy chiếu

35

mô tả quang hình của máy chiếu và camera.

Hình 1.30 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP do Hu đề xuất

Trên hình 1.30, hệ tọa độ XYZ được xác định như sau: Trục Z trùng với trục quang

của máy chiếu; trục Y song song với hướng thẳng đứng của mặt phẳng ảnh chiếu; giao

điểm của các trục quang học của máy chiếu và camera là gốc O X (C)Y(C) Z(C) là hệ tọa độ

camera, trục Z(C) trùng với trục quang của camera và qua gốc O Trục Y(C) song song với

chiều dọc của mặt phẳng ảnh của camera, có nghĩa là nó cũng song song với trục Trục

X(C) nằm trên mặt phẳng ảnh của camera, điểm gốc của camera xác định gốc của khung

ảnh

Gọi S là tâm chiếu của camera, DC và dC biểu thị khoảng cách từ S đến điểm O và

gốc của hệ tọa độ X(C) Y( C) Z(C) Chuyển đổi tọa độ giữa tọa độ X(C) Y(C) Z(C) và tọa độ

XYZ có thể được diễn tả bởi phương trình sau:

[ ]=[ 0 −1 0 0 ] [ ( ) ] (1.30)

0 − −( + ) ( )

[x, y, z , 1] T là tọa độ đồng nhất trong hệ XYZ, [x(C), y(C), z(C) , 1] T là tọa độ đồng nhất

trong hệ X(C)Y(C) Z (C), và θ là góc giữa các trục quang học của máy chiếu và camera

Với phương pháp dịch pha 3 bước sử dụng vân hình sin, các giá trị pha tuyệt đối các

điểm trên mặt phẳng XY có thể được mô tả bởi:

( , , 0) = 2 / 0

p0 là khoảng vân chiếu trên mặt phẳng X-Y Giá trị pha tuyệt đối của một điểm tùy ý

trong trường chiếu của máy chiếu được xác định theo biểu thức:

( , , ) =

2

0 ( − )Điểm R là tâm chiếu của máy chiếu và ZR là tọa độ theo phương z Giá trị ZR có thể

được tính từ các thông số máy chiếu Q biểu thị hình ảnh của điểm H trên mặt phẳng ảnh

của camera và Ф(H) biểu thị giá trị pha tuyệt đối của điểm H thu được bằng cách sử dụng

phương pháp dịch pha Tọa độ của điểm Q được xác định dựa trên các nội tham số của

camera Tọa độ trong hệ XYZ được xác định bằng cách sử dụng công thức 1.30 Gọi α là

góc giữa đường thẳng RH và trục Z, α có thể được tính từ Ф(H) như sau:

=(

0

( ))

2

Từ các giá trị của α, vị trí của điểm Q (XQ,YQ,ZQ) cũng như vị trí của các điểm S và

R, tọa độ zH của điểm H xác định theo công thức:

=

( − )[( − ) + ] + ( − )

(1.34)( − ) + ( − )

Tọa độ xH và yH được xác định theo:

Bên cạnh mô hình toán học cho hệ thống SMFP và thuật toán xây dựng đám mây

điểm đại diện cho bề mặt đo, Hu cũng phát triển một cách tiếp cận để ước tính các thông số

trong mô hình toán học như θ, DC, dC và DP Bước đầu tiên của quá trình này là để có được

giá trị gần đúng của các thông số Sử dụng các tấm phẳng được in các đường thẳng hoặc

tâm tròn đặt trên một đường dẫn thẳng, cụm cảm biến chụp lại hình ảnh của tấm phẳng tại

các vị trí khác nhau khi dịch chuyển tấm phẳng dọc đường dẫn Phân tích vị trí các tâm

hoặc vị trí các đường thẳng được in trên tấm phẳng để xác định gần đúng các thông số kể

trên

Bước thứ hai của quá trình là để tinh chỉnh giá trị của các thông số hiệu chuẩn đo

lường bằng cách giảm thiểu các lỗi còn sót lại Các phép đo hiệu chuẩn được tiến hành trên

mẫu chuẩn có vị trí và kích thước chính xác cao hơn (đo bằng các phương tiện khác như

CMM) Bằng cách thay đổi các thông số xung quanh giá trị ban đầu thu được từ bước đầu

tiên, xác định lại đám mây điểm so với đám mây điểm thực tế có thể xác định được chính

xác các thông số cần thiết So với mô hình của Toyooka, mô hình đề xuất của Hu có nhiều

ưu điểm như cung cấp độ chính xác đo tốt hơn, phát triển quy trình ước lượng các tham số

hệ thống Tuy nhiên, phương pháp hiệu chuẩn đòi hỏi chính xác hơn và không tính đến các

dạng quang sai của ống kính camera và máy chiếu

37

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong quá trình đo các đối tượng sử dụng ánh sáng cấu trúc hình ảnh thu được chứathông tin chiều cao thông qua sự biến thiên về pha so với vân chiếu mẫu, do đó quá trình

xử lý cần tính toán các pha điều biến bằng phân tích ảnh với một kĩ thuật phân tích vânchiếu như: Biến đổi Fourier, phương pháp dịch pha, phương pháp xác định không gianpha… Sau đó sử dụng giải thuật gỡ pha phù hợp nhằm xác định sự phân bố pha liên tụctương ứng là độ cao của đối tượng cần đo Để xác định chính xác tọa độ thực của đối tượng

đo, các thiết bị đo cần hiệu chuẩn gỡ bỏ phân bố pha nhằm đưa ra tọa độ 3D thực của đốitượng đo Nhìn chung, việc đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp chiếu vân có thể xácđịnh thông qua 4 bước theo sơ đồ hình 1.31 Trong khoảng 30 năm trở lại đây việc sử dụngánh sáng cấu trúc trong đo lường được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các công trìnhnghiên cứu tập trung vào những vấn đề tồn tại trong các bước và một số nghiên cứu đốitượng áp dụng của phương pháp

Chiếu vân và chụp

ảnh vân chiếu Phân tích vân

Dựng pha

tuyệt đối Hiệu chuẩn

Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân

Bước 1: Chiếu vân và chụp ảnh vân chiếu

Đây là bước được xác định thông qua cụm cảm biến của thiết bị đo thường là hệ chiếu sáng mẫu và camera Hai hướng nghiên cứu chủ yếu là:

 Nghiên cứu thiết kế các mẫu ảnh chiếu [7, 9, 20, 29, 49, 63, 66, 70, 89, 128, 129 ]

 Phương pháp tạo ảnh chiếu và cách chiếu các ảnh mẫu lên đối tượng đo [21, 25, 30,

34, 50, 51, 67, 71, 111, 112, 115, 124 ]

Các mẫu vân chiếu được thiết kế rất đa dạng phụ thuộc vào sự mã hóa cường độ hoặcmàu sắc các điểm ảnh Ngoài các dạng ánh sáng cấu trúc đã trình bày trên mục 1.2.2, còn

có rất nhiều các nghiên cứu thiết kế chế tạo các mẫu chiếu sao cho phù hợp với đối tượng

đo và các yêu cầu về độ chính xác của phép đo Các mẫu chiếu cần có giải thuật xác định

và sử dụng được trên thiết bị chiếu phù hợp

Ngày nay, hầu hết các hệ thống đo lường 3D tự động sử dụng các thiết bị chiếu cósẵn như thiết bị chiếu vi gương kỹ thuật số (DMD) hoặc công nghệ màn hình tinh thể lỏng(CCD) như đã trình bày trên mục 1.2.3 Việc thiết kế điều khiển các mẫu chiếu sử dụngmáy tính cho phép có thể tạo ra các dạng mẫu chiếu rất đa dạng, phương pháp chiếu đơngiản và có hiệu quả cao

38

Trong thực tế nghiên cứu cũng như sản xuất các đối tượng đo rất đa dạng, để đáp ứngyêu cầu của phương pháp đo một số phương pháp tạo vân chiếu mã hóa cường độ dạng sin

và chiếu lên chi tiết đo như: tạo mẫu chiếu dạng sin tần số cao bằng phương pháp giao thoaMichelson [21, 50], phần tử nhiễu xạ quang [30], hệ thống chiếu Grating [51, 115], sợiquang đa lõi [67], màn hình LCD có thể lập trình [70], hệ thống giao thoa laser bán dẫn sửdụng cáp quang giúp cho hệ thống đo nhỏ gọn và linh hoạt hơn [111], Hầu

hết các phương pháp kể trên đều có thể tạo ra các mẫu chiếu cho phương pháp dịch pha[25, 34, 71] Với các nghiên cứu này thường áp dụng phương pháp đo cho các chi tiết nhỏ

có độ chính xác cao cỡ vài µm, không phù hợp đo các chi tiết trung bình và lớn

Sự phát triển của công nghệ chế tạo máy chiếu giúp cho việc mã hóa các mẫu chiếutrở nên dễ dàng và linh hoạt hơn, các mẫu chiếu được tạo ra không chỉ là các mẫu chiếudạng sin mà còn có nhiều biến thể khác như có thể tạo ra các mẫu chiếu thích nghi vớivùng chiếu [7, 70], mẫu chiếu mã hóa Gray [29], mẫu chiếu có biên độ điều biến dạng tamgiác [44], mẫu chiếu tùy biến phù hợp với biên dạng 3D bề mặt của đối tượng đo [49], một

số nghiên cứu sử dụng mẫu chiếu nhiễu xạ lục giác [63], mẫu chiếu hình răng cưa [66], sựphát triển của phân tích hàm nghịch đảo cho phép chiếu các mẫu chiếu được mã hóa bất kì[129],

Như vậy, trong đo lường các chi tiết cơ khí nói chung trong phạm vi 200x200x200

mm thì việc sử dụng thiết bị chiếu kỹ thuật số là phù hợp hơn cả Các thiết bị chiếu kỹthuật số sẽ giúp cho khả năng mã hóa mẫu chiếu đa dạng, đạt độ chính xác cao và khả năngđiều khiển cũng như sử dụng đơn giản hơn

Các mẫu chiếu khi chiếu lên đối tượng đo được chụp lại bởi hệ thống camera kỹthuật số, sự phát triển của công nghiệp chế tạo camera đã tạo ra các dòng camera côngnghiệp có độ phân giải cao, tốc độ chụp cao, giá thành phù hợp với việc chế tạo các thiết bị

đo 3D có độ chính xác cao đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống đo sử dụng phươngpháp chiếu vân

Bước 2: Phân tích vân

Hình ảnh thu được từ camera được lưu trữ vào máy tính để xử lý Thuật toán phântích vân ảnh hưởng đến tốc độ đo, độ phân giải đo, độ chính xác đo cũng như yêu cầu phầncứng thiết bị đo Trải qua thời gian phát triển đã có rất nhiều nghiên cứu về các phươngpháp phân tích vân Tuy nhiên có thể phân thành 2 loại là phân tích vân theo thời gian vàphân tích vân theo không gian Các công trình nghiên cứu phát triển theo hai hướng:

 Phát triển phương pháp phân tích ảnh chiếu để xác định cơ sở sự phân bố pha [3, 52,

53, 54, 60, 64, 72, 73, 90, 91, 97, 98, 99, 106, 128, 130]

 Phát triển các phương pháp phân tích vân cơ bản [15, 26, 55, 56, 57, 74, 75, 76, 77,

78, 79, 86, 100, 121, 122, 123, 124]

Việc áp dụng phương pháp phân tích vân nào phụ thuộc vào đối tượng đo, khi đóphân tích vân theo thời gian liên quan đền tần số mang còn phân tích vân theo không gianxác định theo số mẫu chiếu được chiếu lên đối tượng đo Một số phương pháp phân tíchdùng để đo biên dạng 3D của chi tiết như: biến đổi Wavelet một chiều và hai chiều [3, 56,77], khóa vòng lặp pha [15, 57, 77, 93], phương pháp biến đổi Fourier [26, 55, 72, 75, 76,

86, 100, 121], biến đổi Gabor mở rộng [60], phân tích sử dụng cosin nghịch đảo [64], biếnđổi Hilbert [73], phát hiện pha không gian[78, 106], các phương pháp dịch pha [79, 113,

122, 123, 124], biến đổi Fourier [91], nội suy biến đổi Fourier [97], cửa sổ nhiều cửa sổbiến đổi Fourier [60, 98], biến đổi S [99], biến đổi cosine rời rạc [128], mạng nơ ron[130]

Phương pháp phân tích vân áp dụng phụ thuộc vào đối tượng đo cũng như các yêucầu về độ chính xác và tốc độ đo Các phương pháp phân tích vân theo thời gian thườngđược áp dụng trong nghiên cứu y học do đòi hỏi đo ở tốc độ cao và độ chính xác trungbình Phương pháp phân tích vân không gian được sử dụng nhiều hơn trong các thiết bị đolường công nghiệp hiện nay do có thể đảm bảo độ chính xác cao hơn tuy nhiên thời gian đothường lâu hơn

Bước 3: Dựng pha tuyệt đối

Trong phương pháp dịch pha các điểm đo được mã hóa bởi các giá trị pha Theo lýthuyết thì giá trị pha được xác định và có phân bố liên tục Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bịgiới hạn bởi mức độ xám, nhiễu xuất hiện trên ảnh, bóng vật thể và các điểm không xácđịnh khi giá trị pha có bước nhảy lớn hơn 2πx/p Một số các công trình nghiên cứu phát triểnthuật toán gỡ pha như [4, 10, 36, 58, 80, 93, 94, 101, 102]

Khi sử dụng các phương pháp phân tích vân kể trên, giá trị pha xác định được thường

bị giới hạn trong khoảng [- πx/p; +πx/p] do hầu hết các giá trị pha được tính qua hàm arctan Quátrình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha tuyệt đối là bước quan trọng quyếtđịnh độ chính xác phép đo sử dụng phương pháp dịch pha Có nhiều phương pháp gỡ phađược nghiên cứu và có thể chia làm hai phương pháp chính là phương pháp gỡ pha khônggian và phương pháp gỡ pha thời gian Một số thuật toán tiên tiến gỡ pha đã được pháttriển như: gỡ pha theo phát triển vùng [4], giải thuật dựa trên biến đổi Fourier [10], giảithuật gỡ pha thời gian [36], giải thuật gỡ pha cục bộ [58], phương pháp giám sát pha [80],phương pháp gỡ pha dựa trên giảm nhiễu [94], giải thuật phân tích tần số vân [101],phương pháp gỡ pha dựa trên nhiều đường dẫn[102]

Phương pháp gỡ pha thông thường dựa trên đặc điểm của phương pháp phân tíchvân, hầu hết các phương pháp gỡ pha được nghiên cứu phát triển dựa trên hệ thống hoặc

40

đối tượng đo xác định Việc áp dụng phương pháp gỡ pha nào tùy thuộc vào chất lượngphân tích pha khi đó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm chi tiết đo Với các chi tiết cơ khíthường có hình dạng phức tạp, đa dạng về đặc điểm bề mặt do đó xuất hiện nhiều nhiễutrên các ảnh pha, để tăng độ chính xác gỡ pha cần áp dụng các biện pháp gỡ pha kết hợp.

Bước 4: Hiệu chuẩn

Quá trình hiệu chuẩn là bước bắt buộc với tất cả các thiết bị đo, việc hiệu chuẩnnhằm xác định được các thông số của hệ thống để xây dựng đám mây điểm đo Ngoài raphương pháp hiệu chuẩn còn cung cấp độ chính xác của thiết bị đo và các yếu tố cần điềuchỉnh để tăng độ chính xác khi đo và phù hợp với đối tượng đo Phương pháp đo biên dạng3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học Việcxác định các điểm đo phụ thuộc vào vị trí điểm mã hóa trên ảnh chiếu và điểm ảnh thuđược trên cảm biến của camera Để xác định chính xác tọa độ điểm ảnh sử dụng mô hìnhtoán học cho camera và máy chiếu sử dụng mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang saicủa hệ thống ống kính quang học Đây là phương pháp được áp dụng cho hầu hết cácnghiên cứu trong lĩnh vực quang trắc, quan sát máy hoặc đồ họa máy tính

Để xây dựng mô hình toán học cho camera cũng như máy chiếu, quy ước hệ tọa độnhư hình 1.32: O(C)X(C)Y(C)Z(C)là hệ tọa độ camera, O1uv là hệ tọa độ cảm biến ảnh,OXYZ là hệ tọa độ vật lý có thể quy ước là hệ tọa độ bàn máy khi dựng đám mây điểm.Khi đó O(C)Z(C) vuông góc và đi qua tâm cảm biến trên O1uv

Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ

Một điểm P (xP, yP, zP) trong trường camera được tạo ảnh trên cảm biến P’ và đượcxác định như sau:

Chuyển đổi hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác định được:

Trong đó: R, T là ma trận quay và ma trận chuyển vị

Ảnh của điểm P trên cảm biến ảnh là P’(u, v) khi đó theo tọa độ camera tọa độ P’ được xác định bởi:

3 ( + 2( ) ) + 2 4

quang học Chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ camera sang hệ tọa độ cảm biến ảnh:

( ) ( )

0

0 [ ( )] = [ ( )] , = [ 0 (1.41)

39, 43, 68, 95, 96, 105, 116, 125, 126]

Hầu hết các phương pháp hiệu chuẩn được nghiên cứu nhằm xác định các thông số

hệ thống của camera và máy chiếu cũng như vị trí tương quan giữa chúng Phương pháphiệu chuẩn có thể hiệu chuẩn riêng lẻ camera, máy chiếu thông qua các phương pháp hiệuchuẩn hoặc có thể xác định đồng thời cả hệ thống Một số phương pháp hiệu chuẩn đã

42

được trình bày trong các nghiên cứu [116, 37, 35, 125, 68, 95, 22, 126] và gần đây là cácphương pháp hiệu chuẩn cả hệ thống [39, 11, 16] với các phương pháp hiệu chuẩn tổnghợp có thể giảm bớt các điều kiện biên của mô hình bố trí hệ thống.

Với các phương pháp hiệu chuẩn kể trên có thể xác định các thông số giúp cho việctính toán xác định tọa độ điểm đo Tuy nhiên các hướng nghiên cứu áp dụng cho các chitiết đo thuộc lĩnh vực cơ khí rất ít Mặt khác đặc điểm bề mặt vật đo và điều kiện môitrường đo cũng ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác khi đo do đó cần xây dựng các quytrình hiệu chuẩn nhằm tăng độ chính xác khi đo

Ngoài các hướng nghiên cứu được phân chia theo 4 bước kể trên còn một số hướngnghiên cứu khác như:

 Nghiên cứu các nguyên nhân gây lỗi do mô hình thiết bị, các giải pháp khắc phục [35, 87, 88, 133]

 Nghiên cứu phạm vi đo của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc [12, 13, 81, 103,

Những nghiên cứu đã được các hãng ứng dụng chế tạo các thiết bị đo bằng ánh sángcấu trúc như GOM, FARO, ARTEC và cho ra đời các dòng sản phẩm phục vụ côngnghiệp Tuy nhiên, các thiết bị đo kể trên thường sử dụng hệ vân chiếu mã hóa Gray hoặc

mã hóa nhị phân do đó cho độ phân giải không cao, phần mềm đóng gói không thể canthiệp, các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ công mỹ nghệ, các chitiết có biên dạng bề mặt không đòi hỏi độ chính xác cao Do đó, cần nghiên cứu ứng dụngphương pháp đo này trong lĩnh vực cơ khí làm chủ về kỹ thuật và công nghệ, hiểu rõphương pháp đo của lĩnh vực này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đã có đồngthời tạo khả năng tự chế tạo Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất cơ khí tạiViệt Nam và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: y tế, thời trang, an ninh…

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nền sản xuất công nghiệp cơ khí trong nước trong những năm gần đây đang đượcchú trọng và đầu tư phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC

có thể gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ nhiều ngành công nghiệpkhác như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu Để đảm bảo

năng suất, chất lượng của các sản phẩm chế tạo ra đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao củanền công nghiệp, ngoài việc đầu tư các thiết bị gia công, hệ thống nhà xưởng, hệ thốngquản lý chất lượng thì một bộ phận không thể thiếu là đầu tư các thiết bị đo kiểm Các thiết

bị đo kiểm phải đảm bảo độ chính xác, đáp ứng được tốc độ đo phù hợp với trình độ giacông Điểm nổi bật khi gia công trên các thiết bị CNC là có khả năng chế tạo các sản phẩm

có biên dạng phức tạp, đạt độ chính xác cao đi liền với nó là yêu cầu về đo kiểm tra biêndạng 3D

Để đo biên dạng 3D có thế sử dụng các thiết bị đo tiếp xúc như: tay máy đo, máy đotọa độ hoặc các thiết bị đo không tiếp xúc như máy quét laser, máy đo sử dụng ánh sángcấu trúc Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một thiết bị đo biên dạng 3D khákhó khăn do các thiết bị đo được nhập khẩu có giá thành rất cao, các sản phẩm muốn kiểmtra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm đo lường dẫn đến làm giảm năng suất vàhiệu quả của quá trình sản xuất Mặt khác, tính năng kĩ thuật không được khai thác hết dophụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyêngia nên không thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu quả

Trong những năm gần đây trên thế giới nghiên cứu phát triển các thiết bị đo sử dụngánh sáng cấu trúc rất mạnh mẽ do phương pháp có nhiều ưu điểm về tốc độ đo, độ chínhxác, khả năng đo các bề mặt phức tạp Tuy nhiên, phương pháp đo lường biên dạng 3D sửdụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước Nghiêncứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánhsáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước giúp chocác doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đạitrên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường

Tại Việt Nam, lĩnh vực đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc vẫn còn khámới mẻ Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có công trình nàonghiên cứu về vấn đề này thậm chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nào trongnước đề cập đến Một số đề tài nghiên cứu của sinh viên và học viên cao học ngành Máychính xác, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà nội được bắt đầu từ năm 2012 Các

đề tài chủ yếu nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp và tính năng của các thiết bị đo này.Một đề tài luận văn thạc sỹ của học viên: Nguyễn Ngọc Tú năm 2015 đã nghiên cứu thiết

bị đo sử dụng phương pháp lineshift đã chế tạo được mô hình có thể đo được các chi tiết.Nhìn chung các hướng nghiên cứu tại Việt Nam chưa đáp ứng được yêu cầu tìm hiểu khaithác lĩnh vực đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Việc nghiên cứu tìm hiểu loạithiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạotại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự pháttriển của ngành cơ khí

44