(Luận văn thạc sĩ) 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

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu thành lên thiết bị

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 và các ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng quá trình sản xuất, công nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng tái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thước, góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau… Những thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp 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 không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc 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 xác định 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 bề mặt không xác định Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao do các bộ phận cảm biến 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 sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc) Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa 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 bề mặt 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 làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ gia 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 khuôn mẫu đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D khá 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 của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu quả Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước 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 trong nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến 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 biên dạng 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 gia công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho việc 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 trên các chi tiết có độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

 Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và dụng cụ đo loại này

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

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 dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị khi đo

 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

b) Ý nghĩa thực tiễn

 Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị

đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

 Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

 Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường biên dạng 3D các chi tiết và là thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội

 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 lĩnh vực 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 chi tiết cơ khí Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn

đề xuất nghiên cứu sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo

độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha

Mã hóa Gray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm nhiễu do bề mặt chi tiết đo và môi trường đo đem lại Để nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm các mẫu chiếu đảo bit và mẫu 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 mây điểm đo: dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có

kể đến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mô hình kỹ thuật xây dựng nguyên lý tam giác 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 đường giao đường dựa trên các thông số xác định được từ quá trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chính xác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo: với mô hình toán học áp dụng cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định được vị trí tương 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 cho việc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính xác cao Với đặc thù là phương pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo

và đặc điểm bề mặt 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 mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi

đo 200x200x200 mm Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu của đề tài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử dụng các phần mềm và các thiết bị có sẵn của nước ngoài không thể thực hiện được, bởi khi đó chỉ có thể 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 nên một thiết bị đo Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí Cuối chương trình bày các 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 phương pháp 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 xây dựng 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 thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống Xây dựng các giải

thuật xử lý tín hiệu đo Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo biên 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 so sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu được đo trên các thiết bị CMM Khảo sát sự ảnh hưởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị Thực nghiệm đo biên dạng một số chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị Kết quả thực nghiệm là cơ sở đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp theo

6 Phương pháp nghiên cứu

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

Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình 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 sản phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng nghiên cứu phát 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, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực 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 biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc và các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án Mục 1.1 trình bày tổng quan về vai trò, ứng dụng và đặc điểm của phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Mục 1.2 trình bày nguyên lý đo, khái niệm ánh sáng cấu trúc và các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án Mục 1.3 nghiên cứu các mô hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố trí thiết bị và mô hình toán học cho từng loại sơ đồ Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu trong 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 rất quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm Hình dáng và kích thước của chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không thể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp Nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc được 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 giác lượng trong quang học Mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị 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 nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và

Chi tiết đo

Mẫu ảnh chiếu

Mặt phẳng tham chiếu

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 đo chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay… Trên hình 1.2 là hình ảnh thiết bị quét biên dạng SLS – 1 sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng cánh tuốc bin của các động cơ máy bay Đây là dạng sản phẩm khó đo do biên dạng cánh phức tạp, sử dụng phương pháp đo tiếp 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 trúc trong 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 trong ngành công nghiệp khuôn mẫu Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng với hình dáng phức tạp, độ bóng cao… Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đo rất lâu và khó đo Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệu quả 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 kế CAD

(a) (b)

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

(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa

Một ngành công nghiệp ứng dụng rất nhiều các thiết bị đo biên dạng chi tiết là công nghiệp sản xuất ô tô, xe máy Các thiết bị đo quét có mặt trong rất nhiều khâu của quá trình sản xuất từ việc thiết kế tạo mẫu ban đầu cho đến các công đoạn sản xuất khuôn và thành phẩm cũng như kiểm tra khung vỏ ô tô sau khi hàn ghép, sau khi sơn… Việc đo kiểm so sánh thành phẩm với bản thiết kế giúp các nhà sản xuất nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất Trên hình 1.4 là ứng dụng phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vào việc 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 phương pháp truyền thống khi may quần áo phải đo các thông số riêng lẻ cho từng người bằng thước 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 dữ liệu 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 kế khác nhau như: quần áo, giầy dép và các phụ kiện khác

(a) (b) (c)

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 mạnh trong lĩnh vực y tế có thể quét các bộ phận của cơ thể trong quá trình giải phẫu, ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa, ngoài ra còn các lĩnh vực như an ninh và trị liệu thẩm mỹ… Hình 1.5 thể hiện một số ứng dụng của thiết bị đo ánh sáng cấu trúc: hình 1.5a là hình dạng cơ thể người được mô phỏng sau khi quét ứng dụng trong các lĩnh vực thời trang; hình 1.5b là hình ảnh mô phỏng hàm răng thể hiện ứng dụng đo 3D trong nha khoa; hình 1.5c là ứng dụng đo 3D trong lĩnh vực an ninh với việc quét lại hình dạng vân tay

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 máy chiếu Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau Một số thiết 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

 Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

ATOS Triple Scan  Vùng đo: 38 x 29 - 2000 x

 Có thể lắp dặt trên các hệ thống dịch chuyển để tăng linh hoạt của thiết bị quét ARTEC EVA  Vùng đo: 300x500 mm

 Độ phân giải: 0,5 mm

 Độ chính xác: 0,1 mm

 Hãng sản xuất: ARTEC GROUP

 Thiết bị quét cầm tay tăng tính linh hoạt khi quét

 Quét các dạng chi tiết, tượng, đồ mỹ nghệ, cơ thể người…

 Ứng dụng trong sản xuất tượng sáp

LMI Advance R3x  Vùng đo: 200x200 –

600x600 mm

 Độ phân giải: 0,25 mm

 Độ chính xác: 0,05 mm

 Hãng sản xuất: LMI technology

 Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

 Quét các dạng chi tiết có kích thước trung bình Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3 Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích thước trung bình Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét các chi tiết lớn hơn Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến 0,05mm Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02mm trong phạm vi

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

mm

Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước lớn, các bề mặt không xác định Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn, có thể đo được hơn một triệu điểm trong một vài 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 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 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 phân giải 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 giác lượng trong quang học Thiết bị chiếu các mẫu ảnh 2D được thiết kế mà mỗi điểm ảnh được mã hóa về màu sắc hoặc cường độ Khi chiếu các mẫu ảnh 2D lên bề mặt chi tiết thì biên 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 lượng quang học Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo tính toán tọa độ các 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 trúc quang cơ phức tạp Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộ phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo 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 trên vật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc 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 cung cấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng 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 biệt nhằm 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 đối tượng có thể xác định qua biểu thức

ℎ = 𝑑 𝑠𝑖𝑛(𝛼1)

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 “structured light” (Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển Wikipedia: 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 allows vision systems to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, as used in structured light 3D scanners ” [108]

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

Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh

3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong

không gian Hilbert [114]

Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61]

Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khi nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệm ánh 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 định

theo 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 hai hoặc ba phương chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc với mục đích mã hóa các điểm đo trong không 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 định bằng 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

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

Mẫu chiếu cấp độ xám được nghiên cứu để giảm

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

giá trị khác nhau Nếu N = 3, và M = 4 thì tổng

số vạch là 64 (43) tương đương 6 bit trong

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

Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61]

Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132]

Trên hình 1.8 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng được xác định 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

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 ít thay 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

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

Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách

sử dụng màu sắc [61]

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 biến đổi liên tục với mỗi màu khác nhau Khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho ta một ảnh phổ biết rõ thông tin mã hóa Chiếu mẫu chiếu kết hợp lên vật thể có thể xác định thông tin 3D của dựa vào nguyên tắc tam giác lượng như phương pháp camera cầu vồng 3D 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 đổi cường độ cho ba màu cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc như cầu vồng Phương pháp có thể giảm số ảnh chiếu để tăng tốc độ đo, tuy nhiên khó đo các chi tiết 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 giảm các lỗi khi gỡ pha Đây là hệ thống mã màu có thể đạt được khả năng chụp ảnh bề mặt 3D

theo thời gian thực Để giảm tỷ lệ lỗi giải mã, có thể thiết lập hệ màu sắc, trong đó mỗi màu có một khoảng cách tới màu khác trong mẫu chiếu Số lượng tối đa của màu sắc trong mẫu 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 giải không 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 biên dạng 3D để nhận biết các đường dựa trên sự mã hóa gián đoạn (hình 1.13) Phương pháp chỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng không quá phức tạp vì đặc điểm của bề mặt có thể 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 của các đường thành các nhóm đường tạo ra các nhóm đường mà không giới hạn số đường trong đó [82] Nếu sử dụng ba cấp độ màu mã xám (màu đen, màu xám và trắng), mô hình chiếu có thể được thiết kế như hình 1.14: BGWGBGWBGBWBGW Phương pháp sử dụng một mẫu chiếu nhằm tăng tốc độ đo Khi mã hóa các vạch, kích thước nhỏ nhất bằng một điểm 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 mỗi chu 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 các vạch không lặp lại [32, 33, 109]

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 đánh dấu dựa trên chuỗi De Bruijn Xây dựng một chuỗi De Bruijn với k = 7, n= 3 Điều này dẫn đến một chuỗi với 343 đường Nếu số sọc quá nhiều, người ta có thể sử dụng một chuỗi De Bruijn bằng cách thiết lập k =5, n = 3 [65] Số lượng sọc trong trường hợp này còn 125 Có một 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 lần chiều rộng vạch sẽ xảy ra gây nhầm lẫn các thuật toán tái tạo 3D Hình 1.16 thể hiện một tập hợp các sọc màu sắc được đánh dấu theo chuỗi De Brụiin với các vạch cạnh nhau có màu 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 các vạch là cơ sở xác định độ cao các điểm đo Tuy nhiên, phương pháp khó đo các chi tiết có màu 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 vùng lưới có thể được đánh dấu bằng dấu chấm Mô hình mã hóa của bất kỳ cửa sổ nhỏ làm mặt nạ nhận dạng là duy nhất Một PRBA được xác định bởi mảng mã hóa n1xn2 bằng cách sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên, như vậy bất kỳ cửa sổ phụ có kích thước k1xk2 trượt trên toàn bộ mảng là duy nhất và hoàn toàn xác định tọa độ tuyệt đối của của sổ phụ (i, j) trong mảng Mô hình mã hóa của mảng nhị phân được tạo ra dựa trên một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên bằng cách sử dụng đa thức modulo 2n, trong đó 2n -1= 2k1k2 - 1, n1 = 2k1 - 1,

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 giả ngẫu nhiên đa giá trị Cũng giống phương pháp tạo mảng ở trên có thể tạo ra các mẫu mã đặc biệt nhỏ hơn tương ứng chứa đầy đủ các giá trị tồn tại trong mảng chính, các cửa sổ phụ thể hiện mã nhị phân cũng được xác định tương tự [84] Hình 1.18 mô tả ba giá trị mảng giả ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng mô hình nhỏ cũng như cửa sổ phụ để xác định vị trí các điểm lưới mã hóa Phương pháp đo được áp dụng cho các chi tiết có biên dạng không phức tạp, bề mặt phản xạ đồng đều Tuy nhiên, độ phân giải không cao, tạo mẫu 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 và chiều ngang có thể là giống hoặc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình 1.19) Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng Tuy nhiên, nếu bề

rộng các đường quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến sự tin cậy khi xác định các điểm cần đo làm giảm 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 tương đối trực quan để thực hiện trong các thuật toán máy tính Ví dụ hình 1.20 (bên trái) cho thấy mảng 6x6 với kích thước cửa số phụ 3x3 sử dụng ba màu (R, G, B) Các quá trình tạo mảng như sau: đầu tiên lấp đầy trên góc bên trái của mảng 6 x 6 với một mẫu được chọn ngẫu nhiên Sau đó thêm một cột ba yếu tố trên vào bên phải ngẫu nhiên Tiếp tục bổ sung các cột cho đến khi tất cả các cột được làm đầy với mã ngẫu nhiên và mặt nạ cửa sổ phụ được 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 trình cho đến khi tất cả các dấu chấm được điền đầy màu sắc Hình 1.20 (bên phải) thể hiện một mảng 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 cần đảm bảo mỗi điểm trên lưới đo có sự phân biệt với toàn bộ các điểm khác Tốc độ đo phụ thuộc số mẫu chiếu trong phương pháp sử dụng Một số phương pháp sử dụng nhiều mẫu chiếu 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 độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến phương 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 gian lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các phương 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 chi tiết đo Độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của vân chiếu được tạo ra Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm 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 động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh là: DLP (Digital Light Processing) và LCD (Liquid Crystal Display)

a) Công nghệ LCD

Máy chiếu LCD (liquid crystal display - hiển thị tinh thể lỏng) tổng hợp hình ảnh màu 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 thành phần 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 thái đóng, ánh sáng không thể xuyên qua thì điểm ảnh biểu diễn trên màn hình là đen Tương

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 sắc theo hệ màu RGB Sau đó ba ảnh được tổng hợp qua lăng kính chiếu đến hệ quang của máy 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 Micromirror Device hay DMD để tái tạo dữ liệu nguồn Trái ngược với phương pháp truyền qua của LCD, công nghệ DLP do Texas Instruments phát triển độc quyền vào năm 1997 sử dụng gương để phản chiếu ánh sáng

(a) (b)

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) được tích hợp ma trận vi gương, mỗi vi gương tương ứng một điểm ảnh Tần số dao động của gương 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

Bo mạch Chip DMD

Kính lọc màu

Nguồn sáng

Hệ quang

 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 trên máy tính được số hóa và truyền tín hiệu điều khiển xuống máy chiếu đơn giản và cho độ chính 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 nhạy sáng 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 𝑑𝑖𝑢× 𝑑𝑖𝑣 và khoảng cách giữa các điểm ảnh theo chiều dọc và ngang tương ứng là 𝑑𝑠𝑢𝑣à⁡𝑑𝑠𝑣 Khoảng cách tâm giữa hai điểm ảnh theo chiều dọc và ngang sẽ là:

𝑑𝑢 = 𝑑𝑖𝑢 + 𝑑𝑠𝑢𝑣à⁡𝑑𝑣 = 𝑑𝑖𝑣+ 𝑑𝑠𝑣

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 pixel𝛾 =

sin 𝑥 = 𝑥 −𝑥3!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 định tọa độ lưới điểm trong không gian 3 chiều XYZ Để xác định độ cao điểm đo Z sử dụng phương pháp tam giác lượng trong quang học Các thiết bị đo sử dụng hệ camera và máy chiếu có thể bố trí theo dạng tổng quát như hình 1.27

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

Xét các tam giác OO3OC, O2O3OC, OPFOC ta 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 hơn trong quá trình tính toán một số tác giả đã nghiên cứu và đưa ra các điều kiện biên cho mô hình 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 tiên dựa 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 hình 1.28(a) Thiết bị chiếu vân chiếu dạng sin là các vân giao thoa laser chiếu qua ống chuẩn trực lên bề mặt chi tiết đo, do đó vân chiếu không phụ thuộc vào khoảng cách từ bộ phận chiếu tới vật cần đo Mảng cảm biến ánh sáng về cơ bản là một camera kỹ thuật số, có trục thẳng hàng và đồng phẳng với trục ống chuẩn trực tạo với nhau một góc (900 - θ0) Tọa độ cho hệ thống xác định như hình 1.28(b)

(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 phẳng song song với mặt phẳng của cảm biến ảnh đi qua trục quang của ống chuẩn trực và trục quang 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 bằng phương trình:

I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos(2 πx/p 0 ) (1.20) 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/p0) là giá trị pha tham chiếu tại điểm (x, y, 0) ký hiệu là

ФR(x, y),

Xét điểm D trên bề mặt của đối tượng được đo Theo phương chiếu giá trị pha của điểm D ký hiệu Ф(D) bằng giá trị pha của điểm A trên mặt phẳng tham chiếu Cảm biến hình 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:

Bộ phận chiếu

dịch pha

Hệ thấu kính

Bề mặt chi tiết đo

Chiếu cách tử

Mặt phẳng tham chiếu

Mặt phẳng ảnh cảm biến sáng

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:

𝑧𝐷 = 𝑝0𝑡𝑎𝑛𝜃0∆Ф(𝐷𝐼)

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

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 dạng:

𝐼′(𝑠, 𝑦) = ⁡ 𝑎′(𝑠, 𝑦) +⁡𝑏′(𝑠, 𝑦)𝑐𝑜𝑠 (2⁡𝜋𝑠

𝑝′ 0

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

Mặt phẳng tham chiếu R

Mặt phẳng ảnh của camera

Bề mặt chi tiết đo

Mặt phẳng ảnh của máy chiếu

Mặt phẳng Q

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:

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:

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

Tương tự như mô hình Toyooka, mô hình của Hu sử dụng mô hình camera lỗ nhỏ để

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:

[

𝑥𝑦𝑧1] = [

𝑐𝑜𝑠𝜃

0 −10

𝑠𝑖𝑛𝜃 −(𝐷𝐶+ 𝑑𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃

0 ⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡0𝑠𝑖𝑛𝜃 0 −𝑐𝑜𝑠𝜃 −(𝐷𝐶+ 𝑑𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃

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:

𝛷(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 2𝜋𝑥𝑧𝑅

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:

𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝑝0

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:

𝑧𝐻 =(𝑧𝑆− 𝑧𝑄)[(𝑥𝑅− 𝑥𝑄)𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑧𝑅𝑠𝑖𝑛𝛼] + 𝑧𝑄(𝑥𝑆− 𝑥𝑄)𝑐𝑜𝑠𝛼

(𝑥𝑆− 𝑥𝑄)𝑐𝑜𝑠𝛼 + (𝑧𝑆− 𝑧𝑄)𝑠𝑖𝑛𝛼 (1.34) Tọa độ xH và yH được xác định theo:

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

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 chứa thông 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 vân chiếu như: Biến đổi Fourier, phương pháp dịch pha, phương pháp xác định không gian pha… Sau đó sử dụng giải thuật gỡ pha phù hợp nhằm xác định sự phân bố pha liên tục tương 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 đối tượng đo Nhìn chung, việc đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp chiếu vân có thể xác định thông qua 4 bước theo sơ đồ hình 1.31 Trong khoảng 30 năm trở lại đây việc sử dụng ánh sáng cấu trúc trong đo lường được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các công trình nghiên cứu tập trung vào những vấn đề tồn tại trong các bước và một số nghiên cứu đối tượng áp dụng của phương pháp

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 hoặc màu 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 có sẵn 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 dụng máy tính cho phép có thể tạo ra các dạng mẫu chiếu rất đa dạng, phương pháp chiếu đơn giản và có hiệu quả cao

Hiệu chuẩn Dựng pha

tuyệt đối Phân tích vân

Chiếu vân và chụp

ảnh vân chiếu

Trong thực tế nghiên cứu cũng như sản xuất các đối tượng đo rất đa dạng, để đáp ứng yêu 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 thoa Michelson [21, 50], phần tử nhiễu xạ quang [30], hệ thống chiếu Grating [51, 115], sợi quang đa lõi [67], màn hình LCD có thể lập trình [70], hệ thống giao thoa laser bán dẫn sử dụng 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 chiếu trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn, các mẫu chiếu được tạo ra không chỉ là các mẫu chiếu dạng sin mà còn có nhiều biến thể khác như có thể tạo ra các mẫu chiếu thích nghi với vùng chiếu [7, 70], mẫu chiếu mã hóa Gray [29], mẫu chiếu có biên độ điều biến dạng tam giác [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], sự phát 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 kỹ thuật số sẽ giúp cho khả năng mã hóa mẫu chiếu đa dạng, đạt độ chính xác cao và khả năng điều khiển cũng như sử dụng đơn giản hơn

Các mẫu chiếu khi chiếu lên đối tượng đo được chụp lại bởi hệ thống camera kỹ thuật số, sự phát triển của công nghiệp chế tạo camera đã tạo ra các dòng camera công nghiệp 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 phương pháp chiếu vân

Bước 2: Phân tích vân

Hình ảnh thu được từ camera được lưu trữ vào máy tính để xử lý Thuật toán phân tích vân ảnh hưởng đến tốc độ đo, độ phân giải đo, độ chính xác đo cũng như yêu cầu phần cứng thiết bị đo Trải qua thời gian phát triển đã có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp phân tích vân Tuy nhiên có thể phân thành 2 loại là phân tích vân theo thời gian và

phân 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 đó phân tích vân theo thời gian liên quan đền tần số mang còn phân tích vân theo không gian xác định theo số mẫu chiếu được chiếu lên đối tượng đo Một số phương pháp phân tích dùng 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], biến đổi 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 sổ biến 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 yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đo Các phương pháp phân tích vân theo thời gian thường được áp dụng trong nghiên cứu y học do đòi hỏi đo ở tốc độ cao và độ chính xác trung bình Phương pháp phân tích vân không gian được sử dụng nhiều hơn trong các thiết bị đo lường công nghiệp hiện nay do có thể đảm bảo độ chính xác cao hơn tuy nhiên thời gian đo thường 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 lý thuyết thì giá trị pha được xác định và có phân bố liên tục Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bị giới hạn bởi mức độ xám, nhiễu xuất hiện trên ảnh, bóng vật thể và các điểm không xác định khi giá trị pha có bước nhảy lớn hơn 2π Một số các công trình nghiên cứu phát triển thuật 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 [- π; +π] do hầu hết các giá trị pha được tính qua hàm arctan Quá trình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha tuyệt đối là bước quan trọng quyết định độ chính xác phép đo sử dụng phương pháp dịch pha Có nhiều phương pháp gỡ pha được nghiên cứu và có thể chia làm hai phương pháp chính là phương pháp gỡ pha không gian và phương pháp gỡ pha thời gian Một số thuật toán tiên tiến gỡ pha đã được phát triển như: gỡ pha theo phát triển vùng [4], giải thuật dựa trên biến đổi Fourier [10], giải thuật 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 tích vân, hầu hết các phương pháp gỡ pha được nghiên cứu phát triển dựa trên hệ thống hoặc

đối tượng đo xác định Việc áp dụng phương pháp gỡ pha nào tùy thuộc vào chất lượng phân tích pha khi đó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm chi tiết đo Với các chi tiết cơ khí thường có hình dạng phức tạp, đa dạng về đặc điểm bề mặt do đó xuất hiện nhiều nhiễu trên 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 chuẩn nhằm xác định được các thông số của hệ thống để xây dựng đám mây điểm đo Ngoài ra phương pháp hiệu chuẩn còn cung cấp độ chính xác của thiết bị đo và các yếu tố cần điều chỉnh để tăng độ chính xác khi đo và phù hợp với đối tượng đo Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học Việc xác định các điểm đo phụ thuộc vào vị trí điểm mã hóa trên ảnh chiếu và điểm ảnh thu được trên cảm biến của camera Để xác định chính xác tọa độ điểm ảnh sử dụng mô hình toán học cho camera và máy chiếu sử dụng mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ thống ống kính quang học Đây là phương pháp được áp dụng cho hầu hết các nghiên 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 độ như 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 được xác định như sau:

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

[𝑥𝑃(𝐶), 𝑦𝑃(𝐶), 𝑧𝑃(𝐶)] = 𝑅⁡[𝑥𝑃, 𝑦𝑃, 𝑧𝑃] + ⁡𝑇 (1.36) 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:

Với (uP(d), vP(d))⁡là tọa độ điểm ảnh thực tế; (𝑢𝑃, 𝑣𝑃) là tọa độ ảnh khi không có méo ảnh

Méo ảnh lệch tâm: Nguyên nhân do quá trình lắp ráp, các trục quang không trùng nhau

Thông thường trong hệ quang, quang sai méo ảnh gồm cả méo ảnh hướng tâm và méo ảnh lệch tâm

[

𝑢𝑃(𝑝)

𝑣𝑃(𝑝)1] = 𝐴 [

𝑢𝑃(𝑑)

𝑣𝑃(𝑑)1] ,⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡𝐴 = ⁡ [

Như vậy, khi biết được tọa độ điểm ảnh trên cảm biến ảnh và các nội thông số của camera trong ma trận A có thể xác định tọa độ điểm P trên hệ tọa độ camera Để chuyển đổi tọa độ điểm quy ước trên camera sang hệ tọa độ máy cần xác định ma trận quay R và ma trận tịnh tiến T Việc xác định các đại lượng của ma trận A, R, T được thực hiện thông qua các bước hiệu chuẩn Một số nghiên cứu các kỹ thuật hiệu chuẩn cho thiết bị đo như: [11, 16, 22, 37,

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 pháp hiệu chuẩn có thể hiệu chuẩn riêng lẻ camera, máy chiếu thông qua các phương pháp hiệu chuẩn hoặc có thể xác định đồng thời cả hệ thống Một số phương pháp hiệu chuẩn đã

được trình bày trong các nghiên cứu [116, 37, 35, 125, 68, 95, 22, 126] và gần đây là các phương pháp hiệu chuẩn cả hệ thống [39, 11, 16] với các phương pháp hiệu chuẩn tổng hợp 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 việc tính toán xác định tọa độ điểm đo Tuy nhiên các hướng nghiên cứu áp dụng cho các chi tiết đo thuộc lĩnh vực cơ khí rất ít Mặt khác đặc điểm bề mặt vật đo và điều kiện môi trường đo cũng ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác khi đo do đó cần xây dựng các quy trình 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 hướng nghiên 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 sáng cấu trúc như GOM, FARO, ARTEC và cho ra đời các dòng sản phẩm phục vụ công nghiệp 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 can thiệp, các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ công mỹ nghệ, các chi tiết có biên dạng bề mặt không đòi hỏi độ chính xác cao Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo này trong lĩnh vực cơ khí làm chủ về kỹ thuật và công nghệ, hiểu rõ phương pháp đo của lĩnh vực này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đã có đồng thời tạo khả năng tự chế tạo Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất cơ khí tại Việt 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 được chú 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 nghiệp khác 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 của nền công nghiệp, ngoài việc đầu tư các thiết bị gia công, hệ thống nhà xưởng, hệ thống quản 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 gia công 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 biên dạng 3D

Để đo biên dạng 3D có thế sử dụng các thiết bị đo tiếp xúc như: tay máy đo, máy đo tọa độ hoặc các thiết bị đo không tiếp xúc như máy quét laser, máy đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một thiết bị đo biên dạng 3D khá khó khăn do các thiết bị đo được nhập khẩu có giá thành rất cao, 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, tính năng kĩ thuật không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia 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 dụng ánh sáng cấu trúc rất mạnh mẽ do phương pháp có nhiều ưu điểm về tốc độ đo, độ chính xác, khả năng đo các bề mặt phức tạp Tuy nhiên, phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước 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 trong nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên 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 khá mới mẻ Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có công trình nào nghiên cứu về vấn đề này thậm chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nào trong nước đề cập đến Một số đề tài nghiên cứu của sinh viên và học viên cao học ngành Máy chính 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 khai thác lĩnh vực đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí

Do đặc điểm tính chất bề mặt về hình dáng, màu sắc, độ bóng, yêu cầu về độ chính xác… của các chi tiết cơ khí mà đối tượng này luôn là thách thức cho các phương pháp đo, thiết bị đo Phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc chiếu các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo trên không gian 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 độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera Qua việc nghiên cứu các dạng ánh sáng cấu trúc trên mục 1.2.2.2, phần lớn 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 gian lớn thông qua hệ phóng hình sẽ cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Với các chi tiết cơ khí có độ chính xác cao và được đo trong trạng thái tĩnh do đó dạng ánh sáng cấu trúc cần đáp ứng cho độ chính xác cao, độ phân giải cao, việc tạo ra dạng ánh sáng cấu trúc không quá phức tạp Phương pháp dịch pha sử dụng các mẫu chiếu dạng sin có độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đáp ứng độ phân giải để đo các chi tiết cơ khí

Trong phương pháp dịch pha có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo như: độ chính xác ảnh chiếu, ảnh hưởng do mô hình bố trí cụm cảm biến, ảnh hưởng bề mặt đo… Đám mây điểm đo được xác định trong phương pháp dịch pha thông qua ảnh pha tuyệt đối được tạo ra sau khi gỡ pha, đây là bước gây ra nhiều sai số nhất cho phép đo

Do đặc thù của các chi tiết cơ khí có biên dạng phức tạp, đặc tính quang bề mặt đa dạng nên việc gỡ pha trở nên khó khăn Để khắc phục nhược điểm đó cần những phương pháp kết hợp, giải pháp được đưa ra là sử dụng mã hóa Gray để nâng cao độ chính xác gỡ pha

Để nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo kết hợp này vào đo lường các chi tiết cơ khí, các nội dung nghiên cứu được xác định như mục 1.5

1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

Với mục tiêu nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào

đo lường biên dạng 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 Luận án nghiên cứu tập trung vào các vấn đề chính sau:

 Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: tìm hiểu nguyên lý phương pháp đo, các thành phần cấu tạo nên thiết bị đo, cách xác định tọa

độ điểm đo Phân tích các dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo là các chi tiết cơ khí

 Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha tìm hiểu các thuật toán dịch pha, các thuật toán gỡ pha từ đó nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha Phương pháp dịch pha cho độ phân giải cao nhất

trong các phương pháp đo lường ánh sáng cấu trúc đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Tuy nhiên, trong quá trình đo cần xác định ảnh pha tuyệt đối đây là bước chịu ảnh hưởng của đặc điểm quang học bề mặt đo làm giảm độ chính xác của phương pháp Để khắc phục nhược điểm này cần sử dụng phương pháp kết hợp nâng cao độ chính xác gỡ pha Giải pháp được nghiên cứu là sử dụng kết hợp với phương pháp mã hóa Gray, đây là một phương pháp ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng cao độ chính xác

gỡ pha đồng thời nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo

 Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo trên bề mặt vật đo

 Nghiên cứu xác định phương pháp hiệu chuẩn cho thiết bị đo, để xác định tọa độ điểm đo cần xác định các thông số kỹ thuật cũng như các đại lượng đặc trưng cho sơ đồ bố trí hệ thống của camera và máy chiếu Luận án sử dụng mẫu in ô vuông bàn cờ kết hợp lý thuyết hiệu chuẩn camera của Zhang để xây dựng phương pháp hiệu chuẩn cụm cảm biến xác định các thông số của camera và cả máy chiếu

 Nghiên cứu xác lập cơ sở cho việc tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, xây dựng các thuật toán điều khiển và xử lý dữ liệu đo

 Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo, xác định độ chính xác thiết

bị đo, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo, đưa ra các giải pháp nhằm tăng độ chính xác khi đo đồng thời kiểm chứng khả năng chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ

TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA

Trong các dạng ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Quá trình đo của phương pháp dịch pha cần dựng lại bản đồ pha tuyệt đối thông qua bước gỡ pha, độ chính xác gỡ pha chịu ảnh hưởng của điều kiện đo như môi trường đo, đặc điểm bề mặt vật đo… Phương pháp kết hợp dịch pha với mã hóa Gray giúp cho việc gỡ pha đạt độ chính xác cao đồng thời cung cấp các giá trị cao độ của điểm đo Hướng nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray như một giải pháp cho quá trình gỡ pha nhằm nâng cao độ chính xác của thiết bị đo đáp ứng yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Trong chương này trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp dịch pha trong mục 2.1 Mục 2.2 trình bày cơ sở kết hợp dịch pha và mã hóa Gray Mục 2.3 trình bày cấu trúc và mô hình toán xác định tọa độ điểm đo của phương pháp kết hợp Mục 2.4 trình bày nghiên cứu xây dựng phương pháp hiệu chuẩn xác định các thông số của hệ thống nhằm tăng độ chính xác khi đo biên dạng 3D các chi tiết đo

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha

Phương pháp dịch pha là một phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực đo lường sử dụng laser với nghiên cứu được công bố sớm nhất bởi Carré năm 1966 [8] Cùng với sự phát triển của công nghệ quang khắc, những năm 80, phương pháp dịch pha được nâng cao độ chính xác nhờ các nghiên cứu tập trung vào các thuật toán nâng cao độ chính xác và giảm nhiễu của hệ thống Sau những năm 90 các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ứng dụng của phương pháp dịch pha Các hướng nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biên dạng sử dụng phương pháp dịch pha thực sự bùng nổ sau những năm 2000 cùng với sự phát triển trong công nghệ chế tạo các hệ thống máy chiếu kĩ thuật số

2.1.1 Cơ sở phương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường quang học như giao thoa vân Moi - rơ và chụp ảnh giao thoa laser kĩ thuật số Trong phương pháp này thu được giá trị pha của các điểm trên bề mặt vật cần đo, từ đó xác định vị trí 3D của điểm đo Trên hình 2.1 thể hiện phương pháp dịch pha sử dụng giao thoa Twyman – Green để kiểm tra bề mặt đối tượng đo, nguồn laser chiếu tới hệ thống giao thoa, chùm tia sáng được tách thành hai phần chiếu tới bề mặt tham chiếu (Reference Surface) và đối tượng đo (Test Surface) Ảnh giao thoa được chụp lại bằng camera Khi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu, sự biến thiên ảnh pha thu được là cơ sở phân tích xác định bề mặt đối tượng đo

Hình 2.1 Phương pháp dịch pha trong giao thoa Twyman – Green [17]

Xét quá trình quang sóng với phương trình sóng của nguồn sáng được xác định bởi:

(2.1) Trong đó:

 x, y là tọa độ không gian

 a(x,y) là biên độ sóng

 Ø(x,y) = 4πh(x, y)/ λ là pha của sóng

 là bước sóng

 h (x, y) khoảng cách từ nguồn đến điểm khảo sát

Xét hai nguồn sáng giao thoa kết hợp tạo bởi nguồn tham chiếu 𝜔𝑟(𝑥, 𝑦, 𝑡) và nguồn trên đối tượng đo 𝜔𝑡(𝑥, 𝑦, 𝑡)⁡với và là biên độ sóng, và

là pha dao động của nguồn tham chiếu và nguồn trên đối tượng đo, (t) pha biến thiên theo thời gian khi đó:

{𝜔𝑟(𝑥, 𝑦, 𝑡) = 𝑎𝑟(𝑥, 𝑦)𝑒𝑖(∅𝑟(𝑥,𝑦)−𝜎(𝑡))

(2.2) Cường độ khi giao thoa xác định bởi:

I(x, y, t) = | ω r (x, y,r) + ω t (x, y, t) | 2 (2.3) Đặt : I′ (x, y) = a r 2 (x, y) + a t 2 (x, y)

I″(x, y) = 2a r (x, y) a t (x, y)

Phương trình 2.3 được viết lại dưới dạng

I(x, y, t) = I′(x, y) + I″(x, y) cos [φ t (x, y) – φ r (x, y) + δ(t)] (2.4)

Độ biến thiên pha , biểu thức cường độ sáng tại một điểm trên trường giao thoa là:

I (x, y, t) = I′ (x, y) + I″ (x, y) cos [ (x, y) + δ(t)] (2.5)

( ( , ))( , , )x y t a x y e( , ) i x y