Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí324

MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất cơng nghiệp khí, với phát tri ển công nghệ gia công thi ết bị điều khiển số CNC có khả chế tạo chi tiết khí với hình dạng phức tạp Do vậy, nhu cầu kiểm tra kích thước biên ng 3D chi tiết khí trình sản xuất nghiên c ứu khoa học đặt ngày nhiều Phương pháp đo lường kiể m tra biên dạng 3D bề mặt chi ti ết khí giới hi ện chủ yếu dựa vào phương pháp thi ết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám đầu dị… Phương pháp đo tiếp xúc có độ xác cao đòi hỏi thao tác đo phức tạp tốc độ đo thấp, đạt vài phép đo giây, không đáp ứng việc đo lường kiểm tra nhiều điể m toàn biên dạng bề mặt chi tiết Để giải khó khăn hướng nghiên c ứu ứng dụng phương pháp không tiếp xúc mà ch ủ yếu phương pháp quang học Với ưu điểm lớn ánh sáng truyền với tốc độ cao tạo nên phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo đạt đến hàng triệu phép đo giây Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học nghiên c ứu, phát triển thường sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser ánh sáng cấu trúc Trong đó, phương pháp qt tia laser có độ cao song t ốc độ đo không cao điểu khiển trình đo phức tạp Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao độ xác th ấp phương pháp quét tia laser Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường gọi ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) mã hóa theo hàm cường độ màu sắc theo không gian th ời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo Ảnh mẫu ánh sáng chiếu b ề mặt 3D chi ti ết đo thu lại b ằng máy ảnh Do thay đổi độ cao điểm bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng vân ảnh mẫu ánh sáng Sự biến dạng ảnh mẫu ánh sáng chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định tọa độ điểm bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation) Với tiến khoa học k ỹ thuật quang điện tử cơng nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang h ọc ngày trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo độ xác ngày cao, đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18] Nhược điể m t ồn hi ện c phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc có độ xác cịn hạn chế so với phương pháp quét tia laser Do chịu nhiều ảnh hưởng c môi trường đặc điể m cấu t ạo hoạt động hệ th ống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Điều cản trở ứng dụ ng phương pháp đo vào đo lường chi tiết khí Do vậy, với việc nâng cao tốc độ tính linh ho ạt nhiều hướng nghiên c ứu gần giới tập trung vào nghiên cứu phương pháp để đảm bảo nâng cao độ xác phương pháp đo đo lường kiểm tra chi tiết khí [20 ], [61], [62] Trong phương pháp đo sử dụng ánh sáng c ấu trúc mã hóa theo th ời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường phương pháp kết hợp phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn độ phân giải cao sở cho phép đo tạo nên độ xác cao Vì vậy, phương pháp đo dịch pha t ỏ phù hợp để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết khí vừa có độ phức tạp cao hình dạng vừa địi hỏi độ xác đo cao Trong phương pháp d ịch pha sử dụ ng ảnh mẫu ánh sáng chi ếu điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép n ội suy giá trị pha nhấ t cho điểm ảnh máy chiếu chu k ỳ sin, cho k ết đo biên dạng bề mặt với độ phân gi ải cao Tuy nhiên phương pháp sử dụng k ỹ thuật nội suy lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưở ng nhiều b ởi nhiễu trình gỡ pha c phương pháp phức t ạp dễ gây l ỗi gỡ pha làm phát sinh sai s ố đo lớn Vì vậ y cần thiết phải kết hợp phương pháp khác để khử nhiễu đồng th ời giúp đơn giản hóa q trình gỡ pha Trong phương pháp phương pháp dịch pha kế t hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha hướng nghiên cứu có nhiều triển v ọng thích hợp với đặc điể m chung c chi tiết khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn vừa có độ phân gi ải cao vừa có khả chống nhiễu cao Tuy nhiên, phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn đo chi tiết có b ề mặt nhẵn bóng cao biến đổi lớn độ phản xạ bề mặt [46], [93] kết đo khơng có sai số đo lớn mà nhiề u không thực phép đo Đây vấn đề nhà khoa h ọc giới tậ p trung nghiên cứu để nâng cao độ xác hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D chi tiết khí Hiện nay, Việt Nam lo ại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường công nghiệp hầu hế t thiết bị nhập số lượng hạ n chế chi phí đầu tư cao Ngồi ra, trình s d ụng thiết bị sở chưa làm chủ thiết bị hoàn toàn đặc tính k ỹ thuật thi ết bị Do vậ y, trình bảo trì bảo dưỡng nâng cấp thiết bị yêu c ầu chuyên gia nên không ch ủ động công nghệ chi phí Việc nghiên c ứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết khí điều kiện thực tế Việt Nam cho hiệ u cao kinh tế kỹ thuật Như vậy, v ấn đề quan tâm lĩnh vực đo lường 3D biên dạng ánh sáng c ấu trúc đảm b ảo độ xác, cải thiệ n hạ n chế phương pháp đo đo chi tiết khí Với mục đích nghiên cứu phương pháp k ỹ thuật để góp phần nâng cao độ xác đảm bảo chất lượng sản phẩm sản xuất khí, tăng tính ch ủ động cơng nghệ đo lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật cơng nghệ, phần mềm giả m chi phí nh ập từ nước Đây lý để lựa chọn nội dung nghiên cứu luận án: ti Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích lu ận án nghiên cứu nâng cao độ xác phép đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dị ch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên dạng 3D chi tiết khí gia công công nghệ CNC Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng máy ảnh máy chiếu số để đo lường chi tiết gia công công nghệ phay CNC Cụ thể nghiên cứu phương pháp làm tăng độ xác tích h ợp hiệu chuẩ n hệ thống máy đo PSGC Đo lường chi tiết khí có độ phản xạ cao Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp làm giả m yếu tố ảnh hưởng đến độ xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ Nghiên cứu phương pháp giảm ảnh hưởng ánh sáng phản xạ bề mặt đo chi tiết hợp kim nhôm phay tinh bằ ng máy phay CNC Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học - Đã nghiên cứu xác lập số vấn đề sở lý thuyết xây d ựng quy trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo chi tiết khí gia cơng cơng nghệ CNC Với khả lựa chọn thông số cấu hình hợ p lý, yêu cầu phạm vi đo độ phân giải đảm bảo nâng cao độ xác phép đo - Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng độ phản xạ bề mặt phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp ghép đám mây điểm bù vùng bóng cho b ề mặt chi tiết khí có phản x bề mặt cao hình dáng bi ến đổi nhiều - Xây dựng quy trình đánh giá độ xác h ệ thống đo bề mặt 3D thông qua tiêu chuẩn quốc tế Ý nghĩa thực tiễn - Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết ứng dụng trực tiếp phép đo mà không cần phương pháp xử lý bề mặt đo nào, không cần thiết lập thêm hệ thống phần cứng phụ trợ phức tạp - Quy trình đánh giá độ xác hệ thống giúp cho việc nghiên cứu hoàn thi ện độ xác hệ thống đo ánh sáng cấu trúc - Kết đạt đề tài sở xây dựng lựa chọn, tích hợp thơng số hợp lý cho hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo độ phân giải xác định giúp q trình tính tốn thiết kế hệ thống đo đạt độ xác cao Phƣơng pháp nghiên cứu Để đạt kết qu ả đáp ứng mục tiêu nghiên cứu, luận án sử d ụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết k ết hợp với thực nghiệ m, sử dụng công c ụ toán h ọc kết hợp tin học k ết thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Kh ảo sát phân tích, tổng h ợp cơng trình nghiên cứu tác giả nước quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu c luận án để xác định mục tiêu nội dung nghiên cứu Sử dụng phương pháp diễn dịch lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan h ệ thông số làm việc hệ thống đo PSGC Xây dựng thuật toán chương trình x lý tín hiệu đo Phương pháp nghiên cứu thực nghiệ m: Xây d ựng hệ thống thực nghiệm phương pháp PSGC phù h ợp với nội dung nghiên cứu luận án, cho phép th ực nghiệ m xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo hệ thống đo PSGC Thu thập, phân tích số liệu xử lý kết thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng, kết thực nghiệm với lý thuyết phần mềm xử lý kết thực nghiệm Kết cấu luận án Lu n án bao g T ng quan v ng b m t 3D chi ti d sáng c u trúc N xác hi u chu n h th m ng c a ph n x Xây d b xác h m t chi ti th Các kết Luận án nghiên cứu xác định số thơng số ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo PSGC: thơng số cấu trúc hệ thống, độ xác phương pháp hiệu chuẩn, đặc tính phả n xạ bề mặt phương pháp xử lý liệu 3D Để nâng cao độ xác hiệu chuẩn xác định thơng s ố hợp lý về: kích thước vng bàn cờ, độ xác vng bàn c ờ, giớ i hạn góc nghiêng cho phép hiệu chuẩn ảnh hưở ng ánh sáng môi trường Nghiên cứu xây d ựng phương pháp giảm ảnh hưởng c phản xạ b ề mặt chi tiết b ằng cách ghép đám mây điểm th ời gian phơi sáng phù hợp Nghiên cứu xây d ựng phương pháp giảm ảnh hưởng c phản xạ b ề mặt chi tiết b ằng cách ghép đám mây điểm bù vùng bóng Xây dựng quy trình đánh giá sai số hệ thống đo PSGC dựa tiêu chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ xác hệ thống đo nghiên cứu chế tạo sử d ụng Chƣơng ĐO LƢỜNG BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong th ập kỷ qua, với tiến k ỹ thuật hình ảnh số, máy chiếu k ỹ thuật số công nghệ thông tin, k ỹ thuật đo hình dạng 3D ánh sáng cấu trúc phát triển nhanh chóng ứng dụng vào nhiều ngành như: công nghiệp, an ninh, th ời trang, giải trí Trong cơng nghiệp, máy đo 3D ánh sáng cấu trúc số hố nhanh chóng hình dáng c chi tiết công nghiệp khác Vi ệc cho phép cải ti ến tốc độ chất lượng trình sản xuất cách rõ rệt đặc biệt ngành khí Các ứng dụng đo lường ánh sáng c ấu trúc tận dụng số ưu điểm phương pháp đo lường quang học [69]: - Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt phương pháp cao so với phương pháp đo tiếp xúc Do phương pháp đo vùng bề mặt mã hóa vùng bề mặt chi tiết lần đo Tốc độ đo phương pháp phụ thuộc vào t ốc độ chiếu mẫu ánh sáng nguồn chiếu, tốc đ ộ thu ảnh phần tử thu đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo - Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực đo bề mặt 3D không tiếp xúc, khơng ảnh hưởng đến biên dạng tính chất bề mặt chi tiết đo Phương pháp khơng làm mài mịn hay phá h ủy đầu đo tuổi thọ vận hành không 1.2 Phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray 1.2.1 Phương pháp dịch pha 1.2.2 Phương pháp mã Gray 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ xác cao chống nhiễu t ốt, phương pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) phương pháp quan tâm nhiều Đặ c biệt để ứng dụng đo chi tiết khí Trong q trình g ỡ pha, k(x, y) xác định cho vân chiếu, t(x, y) coi pha tuyệt đối xác định công thức: (1.17) t (x, y) = 2k(x, y)π + w(x, y) Thông tin pha tuyệt đối thu xây dựng đồ pha tuyệt đối từ xác định tọa độ 3D điểm đo 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ xác đo chi tiết khí Độ xác hệ thống đo sử dụng PSGC ph ụ thu ộc vào độ xác c hệ thống quang học đặ c tính ph ản xạ bề mặt Hơn q trình đo thực, hình dạng sóng hình ảnh thu khơng phù h ợp với hình dạng sóng lý tưởng nhi ễu giao thoa, ánh sáng môi trường, phi tuyến Gama máy chi ếu [62, 16] hay hi ệu chuẩn hệ thống khơng xác [2], nhiễu gây phản xạ bề mặt hay độ phản xạ không đồng bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, lệch tiêu điể m hệ thống quang học [56], gây sai số trình phân tích pha k ết dẫn đến sai lệch đồ pha tuyệt đối gây nên sai số dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo Phi tuyến Gamma lệch tiêu máy chiếu Dựng hình ghép đám mây điểm Phương pháp xử lý đám mây điểm 1.3.1 Độ xác hiệu chuẩn hệ thống Đặc điể m lớn c hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cần phải hiệu chuẩn trước l ần đo để đả m bảo thu kết đo tốt nh ất Việ c hiệu chuẩn độ xác hệ thống bao gồ m: hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiế u mối quan hệ hình học hai thiết bị Hiệu chuẩn hệ thống đo quan trọng phép đo sử dụng máy ả nh liên quan t ới phép đo tọa độ thực ba chiều từ không gian tọa độ hai chiều máy ảnh Tuy nhiên, mơ hình tính tốn khơng tính đến tất thông tin c hệ thống quang học biến dạng th ấu kính, sai lệch cường độ máy ảnh máy chi ếu, độ tuyến tính ánh sáng chiếu máy chiế u máy ảnh Hơn thơng số hình học vị trí gi ữa máy ả nh máy chiếu vật đo xác lập h ệ thống đo có sai số so với mơ hình tính tốn Vì v ậy việc hiệ u chuẩn hệ thống góp phần hi ệu chỉnh sai số yếu tố gây nên 1.3.2 Ảnh hƣởng phản xạ bề mặt đến độ xác đo chi tiết khí Việc sử dụng hệ thống đo 3D bằ ng ánh sáng c ấu trúc gặp khó khăn xử lý bề mặt không tán xạ đồng đề u b ởi tín hiệ u quang học khơng thu cách xác Do chiếu ánh sáng vào bề mặt s ẽ gây tượng phản xạ với cường độ ánh sáng lớn vùng phản xạ thông tin bề mặt chi tiết thu trực tiếp Đối với chi tiết đo có vật liệu kim lo ại chiếu với cường độ thời gian phơi sáng xác định vân mẫu chi ếu vùng có phản xạ bề mặt trung bình s ẽ trở nên rõ ràng vùng có phản xạ bề mặt lớn trở nên sáng đến mức bão hòa ảnh máy ả nh tức mức cường độ điểm ảnh thu vượt mức 255 mức xám Do đó, ảnh chụp ph ản xạ sáng gây nên bão hịa hình ảnh tố i q khơng thể thu ảnh rõ nét Điều có nghĩa mơ hình mẫu chiếu khơng giải mã cách xác Các vùng tương ứng bề mặt v ật thể không thu được, đủ thơng tin để xây dựng bề mặt 3D chi tiết đo làm kim loại 1.3.2.1 Mô hình phản xạ bề mặt 1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 1.3.3 Đánh giá độ xác hệ thống PSGC Một hệ thống đo lường cần phải có tiêu chuẩn để đánh giá độ xác Để đánh giá độ xác hệ thống, thi ết b ị đo ánh sáng cấu trúc nói chung chưa có hệ thống hay quy trình tiêu chu ẩn đo cụ thể Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc phương pháp đo biên dạng 3D b ề mặt, độ xác hệ thống có th ể hiệu chuẩn đánh giá cách sử dụng số bề mặt chuẩn với khả đo khác Các bề mặt chuẩn cần xây dựng để phù hợp với thiết bị đo cụ thể 1.4 Kết luận chƣơng Qua phân tích tình hình nghiên cứu giới nước đo chi tiết khí sử dụng ánh sáng c ấu trúc yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đưa số kết luận sau: Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng c ấu trúc đo biên dạng chi tiết khí địi hỏi độ xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấ y phù hợp để đo chi tiết khí Tuy nhiên chi ti ết khí gia cơng CNC có nhiều đặc điể m tính ch ất gây khó khăn làm giảm độ xác kết đo Như vậ y, với độ xác chi tiế t c ần nâng cao độ xác phương pháp đo làm giảm ảnh hưởng c phản xạ bề mặt để đo chi tiết khí cách tốt Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo chi tiết khí nghiên cứu như: ánh sáng mã hóa thu từ cảm biến bị sai lệch so với ánh sáng mã hóa chiếu từ máy chiếu, nhiễu giao thoa, ánh sáng môi trường, phản xạ bề mặt thơng số hiệu chuẩn hệ thống Trong hai yếu tố độ xác hiệu chuẩn phản xạ bề mặt chi tiết ảnh hưởng lớn đến độ xác hệ thống đo Phản xạ bề mặt chi tiết làm tăng sai số phép đo thậ m chí khơng thể thực phép đo bề mặt Qua phân tích nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt cho thấy phương pháp thay đổi thời gian phơi sáng khả thi thực mà khơng cần thiết bị phần cứng phụ trợ Việc cần thiết phải xây dựng quy trình đánh giá độ xác chưa có cơng trình nghiên cứu đưa quy trình đánh giá độ xác c hệ thống đo ánh sáng cấu trúc cụ thể 1.5 Hƣớng nghiên cứu luận án Với kết luận tác giả đề xuất nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray xây dựng thuật toán, phần mềm đo lường đám mây điểm 3D sử dụng phương pháp Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo biên dạng 3D chi tiết khí, với hai tham số độ xác phép hiệu chuẩn độ phản x bề mặt chi tiết Nghiên cứu phương pháp để tăng độ xác hệ thống đo Đề xuất quy trình đánh giá độ xác hệ thống d ựa vào tiêu chuẩn quốc tế ISO đo lườ ng phân tích biên dạng bề mặt Xây dựng hệ thống thực nghiệm theo phương pháp PSGC để nghiên c ứu thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Chƣơng NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐO PSGC 2.1 Cơ sở phƣơng pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) Hình Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp PSGC thể hình 2.1 sau: Các mẫu ánh sáng mã hóa chiếu lên khung hình máy chiế u theo chuỗi gồm ảnh mã Gray ảnh dịch pha Bản đồ pha mã Gray dịch pha xây dựng thông qua ảnh vân mẫu c ảm biế n máy chiếu, đồ pha gọi đồ pha mặt phẳng chuẩn r Hình ảnh chi tiết đo máy ảnh thu nhận theo trình t ự chiếu máy chi ếu Thông qua ảnh cảm biến máy ảnh, thu đồ pha thực chi tiết đo Các giá trị pha thực so sánh với giá trị pha chuẩn máy chiếu tương ứng với điể m chung máy ảnh máy chiếu hệ tọa độ th ực Ngoài thông s ố hiệu chuẩn cho máy ảnh máy chiếu xác định thông qua bước hiệu chuẩn hệ thống Khi thông s ố hiệu chuẩn hệ thống xác đị nh, b ản đồ pha tuyệt đối xây d ựng thông qua phương pháp tam giác lượng Với hệ thống sử dụng phương pháp PSGC sai số xuấ t trình đo Ảnh mẫu chiếu từ máy chiếu ả nh chụp từ máy ảnh chịu ảnh hưởng biên dạng bề mặt tính chất phản xạ bề mặt chi tiết đo Khi dựng lại đồ độ sâu điểm bề mặt chi ti ết, thông s ố hiệu chuẩn sử dụng, độ xác hiệ u chuẩn thơng số ảnh hưởng đến độ xác dựng lại đồ độ sâu bề mặt chi tiết đo Các thông số đo lường biên dạng 3D chịu ảnh hưởng trực tiếp sai số trình dựng hình ghép đám mây điểm Phương pháp mã hóa Gray dựa biên c vân thông qua giá tr ị mã xám điểm biên ảnh dạng cường độ tương ứng v ới điể m ảnh mã hóa Bất k ỳ điểm ảnh máy ảnh máy chiếu nhận dạng b ởi chuỗi cường độ nhị phân mà nhận chiếu tương ứng Đối với phương pháp PSGC cần phải xá c định độ rộng chu kỳ sin tương ứng với vân mã Gray Với máy chiếu có độ phân giải Np Mp, ảnh sin dịch pha với số lượng điểm ảnh chu k ỳ tương ứng theo phương ngang phương dọc lầ n lượt Tu , Tv có số chu kỳ tồn vùng đo theo hai phương nu nv xác định thông qua độ phân giải củ a máy chiếu: nu Np Tu , Mp nv Tv (2.1) Các mẫu Gray đượ c tạ o theo chiều rộng chu k ỳ sin chi ều rộng vân mẫu Gray chu k ỳ sin Số mẫu chiếu chiếu theo phương ngang phương dọc tương ứng mã Gray phải tương ứng với số chu k ỳ sin nu nv là: Gu log2 nu , Gv log2 nv Theo công thức (2.2), để Gu Gv số nguyên phả i thỏa mãn điều kiện nu nv (2.2) 2i j với i, j phải số ngun Để tính tốn tương ứng đường với đường điểm ảnh máy ả nh máy chi ếu cần phải chiếu mã Gray theo phương ngang phương dọc c mặt phẳng chuẩn Thuật toán phương pháp đo ánh sáng cấu trúc d ịch pha kết hợp mã Gray trình bày hình 2.5 Với việc khai báo d ữ liệu đầu vào số ả nh chiếu mã Gray theo hai phương Gu Gv tính theo cơng thức (2.2) Máy tính tạo vân chiếu dạng sin theo cơng thức (1.1) mơ tả tốn học theo công thức sau: Ii u ,v u, v 255 cos Tu ,v (2.3) Trong đó: Tu,v bước vân hay số điểm ảnh chu k ỳ vân xác định theo công thức (2.1) u, v số điểm ảnh mặt phẳng ảnh pha ban đầu, v ới ảnh mẫu dịch pha bước pha pha tương ứng = (0, /2, , /2) 2.2 Nâng cao độ xác hiệu chuẩn vng bàn cờ Như phân tích hình 2.2 độ xác dựng lại đồ độ sâu bị ảnh hưởng trực tiếp thông s ố hiệu chuẩn hệ thống Để thiế t k ế hệ th ống quang h ọc t ốt đòi hỏi phải xem xét thông s ố chuỗi quang để hiểu ảnh hưởng thành phần Các thông s ố cần xem xét vi ệc phân tích b ất k ỳ hệ thống quang học bao gồm sai lệch thông số hệ thống, phân cực ánh sáng, tần số không gian tổn thất lượng trình chiếu thu ánh sáng Tác động thành phần chuỗi quang lên thông s ố cuối tích lũy tổng c ộng lớn bất k ỳ yếu tố tạo nên sai số Hình 2.3 Sơ đồ khối trình hiệu chuẩn hệ thống Quá trình hiệ u chuẩn hệ thống sơ đồ hóa hình 2.3 Máy ảnh hiệu chuẩn thông qua vi ệc ch ụp ảnh mẫu hiệu chuẩn 2D vớ i góc vị trí khác chiếu ánh sáng mẫu máy chiếu Các n ội thông số Ac hệ số méo ảnh xác định sau hiệu chuẩn máy ảnh Trong toán hiệ u chuẩn máy ả nh có bốn nội thơng s ố (fx, fy, cx, cy ) năm thông số méo: ba hướng tâm (k1, k2, k3) hai tiếp tuyến (p1, p2 ) Các nội thông số gắn trực tiếp với hình học 3D vị trí bảng hiệu chuẩn đặt không gian Phép chiếu biểu thị hàm vector thành ph ần phi tuyến tính tốn nội thông số ngo ại thông số hệ thống Cho mộ t tập hợp điểm tương ứng với tọa độ điểm ảnh thu từ nhiều hướng nhìn xác định thơng s ố pha Đầu tiên ứng dụng thuật toán hi ệu chuẩn Zhang [102] để xác định thơng số tuyến tính ( Thay k ết vào mơ hình tuyến tính tính tốn hàm bình phương tối thiểu lỗi với hệ số méo phép chiếu nghiên cứu tài liệu [77], sai lệch phép chiếu theo phương ngang Eu phương thẳng đứng Ev xác định riêng sau: (2.4) Áp dụng thu ật tốn Levenberg -Marquardt [55] để xác định thơng s ố phù hợp cho hệ phương trình Ngồi thay đổi bước sóng làm thay đổi mức độ biến dạng khoảng cách làm việc thay đổ i mức độ bi ến dạng thay đổi Điều quan trọng phải xem xét riêng ống kính sử d ụng hệ thống đo cụ thể để đảm bảo mức độ xác cao nh ất làm việc cách điều chỉnh loại bỏ méo khỏi hệ thống Trong nghiên c ứu này, sử dụng phương pháp hiệu chuẩn đề xuấ t Zhang phần mô tả OpenCV [55] Tuy nhiên, tác giả khơng cơng bố chi tiết thuật tốn ngoại trừ mơ t ả cách tiếp cân dựa mơ hình máy ảnh l ỗ nhỏ Do vậ y c ần phải hiểu đầy đủ thuật toán hiệu chu ẩn hiệu thông số hiệu chuẩ n độ xác xây dựng lại bề mặt 3D cách thực thuật toán cho đầu vào thuật tốn thay đổi 10 2.2.1 Lựa chọn kích thƣớc vng bàn cờ tối ƣu Độ xác xác định góc vng bàn cờ dùng hi ệu chuẩn, ph ụ thuộc vào kích thước vng bàn cờ, kích thước ô vuông ảnh hưởng đáng kể đến độ xác thơng số ước tính nội thơng số ngoại thông số hệ thống theo công thức (1.18) Như để đảm b ảo độ xác hiệu chu ẩn cần phải lựa chọn kích thước vng bàn cờ phù hợp với kích thước vùng đo hệ thống đo 2.2.2 Ảnh hƣởng góc bảng hiệu chuẩn Trong nghiên cứu [102] bảng hiệu chuẩn sử dụng để hiệu chu ẩn hệ thống với góc vị trí tùy ý Tuy nhiên để đạt độ xác cao q trình hiệu chuẩn v ị trí góc vng bàn c phải đặt giới hạn cho phép Sơ đồ nguyên lý để xác định góc quay xây dựng hình 2.7 Bảng hiệu chuẩn gá lên bàn quay quay theo hai phương: Góc nghiêng thứ nh ất bảng hiệu chu ẩn so với tr ục y tương ứng góc , góc nghiêng th ứ hai bảng hiệ u chuẩn tương ứng với góc hợp b ởi bảng hiệu chuẩn bàn quay Vi ệc xác định góc quay theo hai trục thơng qua đo góc quay 2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực Tọa độ 2D vật đo xác định thông qua tọa độ điểm ả nh với hiệu số pha theo công th ức (1.15) Việc xác đị nh tọa độ z thực thông qua nguyên tắc tam giác lượng sau hiệu chuẩ n hệ số h0 theo công thức (1.16) Để xây dựng lại biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo, cần phả i thu pha tuyệt đối t (x, y) Pha tuyệt đối chi tiết đo xác định điểm ảnh máy ảnh tương ứng với điể m ảnh có giá trị pha tuyệt đối ảnh vân chiếu máy chiếu 2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w h d) Hệ thống đo xây d ựng với số thông số ban đầu đề xuất vùng đo (w h) mặt phẳng tham chi ếu thiết bị vùng khơng gian nhìn thấ y c ả từ máy chiếu máy ảnh hình 2.9 Thơng thường vùng chiếu máy chiếu nhỏ vùng thu máy ả nh Do v ậy, xác định vùng đo dựa vào vùng chiếu máy chiếu Vùng phụ thuộc ch ủ yếu vào thông số hệ thống như: khoảng cách máy ảnh máy chi ếu b, góc trục quang máy ảnh trục quang máy chiếu , khoảng cách L để đạt kích thước vùng đo theo phương ngang phương dọc w h Thơng thường kích thước vùng chiếu máy chi ếu theo phương dọc nh ỏ kích thước theo phương ngang v ậy trình thực nghiệ m tính tốn tối ưu lấy theo kích thước vùng chi ếu nhỏ h 11 Hình 2.9 nh gi i h ah Giả sử mối quan hệ L w, h tuyến tính xác định đượ c vùng không gian chiếu h w sau: h 2Ltg , w Ltg (2.4) Độ sâu trường khoảng cách dọc theo quang trục thấu kính máy ảnh điểm đo gần xa vùng đo qua thấu kính máy ảnh mà chi tiết đo tạo ảnh cảm biến ảnh Hình 2.10 t o nh qua th u kính máy nh Theo cơng thức (2.20) (2.21), giới hạn độ sâu trường đo xác định [25] d L Lmax Lmin 2.N.c L2 f2 (2.5) Theo cơng thức (2.5), kích thước vùng đo (w h) xác định độ sâu vùng đo xác định yếu tố: Tiêu cự ống kính máy ảnh f, độ ống kính D khoảng cách từ máy ảnh đến chi tiết đo L Trong hệ thống quang h ọc kích thước vịng tán xạ c tùy ý Khi đường kính vịng tán xạ tăng lên kích thước mờ cho phép s ẽ tăng lên dẫ n đến phạm vi độ sâu d tăng lên Khi c có giá trị nhỏ vừa đủ mối quan hệ d c tuyến tính Khi c lớn q mối quan hệ trở nên phi tuyến công thức (2.5) khơng cịn xác Để lựa chọn hợp lý cho kích thước đường kính vịng tán xạ kích thước điể m ả nh Pc 12 2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm máy đo 3D sử dụng phương pháp PSGC gồ m máy chiếu InFocus N104 công nghệ DLP với độ phân giải (1024 ) máy ảnh lỗ nh ỏ DFK 41BU02 có độ phân gi ải (1280 960) Các thi ết bị b ố trí thành c ụm đầu đo kết nối với máy tính Máy tính u cầu c ấu hình cao để xử lý liệu đám mây điể m cách nhanh chóng Thực nghiệ m với máy tính: Ram 8GB, Core i5-4460, tố c độ xử lý 3.20 GHz, card VGA rời, hình 2.11 Bàn quay thiết kế quay theo hai phương x y với góc nghiêng xác định b ằng encoder đo góc Cụm đầu đo gá lên đế gá thay đổi góc nghiêng kho ảng cách tới mặt phẳng chuẩn Bàn gá chi tiết đo thiết kế quay trịn đảm bảo diện tích quét vật đo tối đa với chuyển động quay trịn mặt phẳng chứa vật Hình 2.11 Mơ hình thi t b Xác định chu kỳ vân dịch pha Gray th c nghi m Với hệ thống sử dụng máy chi ếu có độ phân giải theo phương ngang phương dọc (1024 ) cần số mẫu chiếu Gray theo công thức (2.2) Lựa chọn số mẫu chiế u Gray theo phương ngang phương dọc thỏa mãn điều kiện theo công thức để i j s ố nguyên nu log 1024 Tu log 2 , nv i log 768 Tv log 2 , vậ y ch ọn chu k ỳ sin theo j phương ngang phương dọc tính theo công thức (2.1) Tu Tv 32 (điểm ảnh) 24 (điểm ảnh) sử dụng mã hóa Gray 5bit theo phương ngang phương dọc Xác định độ sâu giới hạn vùng đo (d) Thực nghiệm thay đổi khoảng cách từ máy chiếu tới mặt phẳng chu ẩn L điều chỉnh tiêu c ự máy chiếu cho ảnh rõ nét mặt phẳng (R) để xác định vùng chiế u gi ới hạn theo phương ngang phương dọc w h mặt phẳng tham chiếu Qua xác định mối hệ khoảng cách từ máy ảnh đến L kích thước vùng chiếu h Trong hệ thống thực nghiệ m chọn D=f/8 tức N=8 Độ lớn c đường kính vịng tán x c để đạt độ sắc nét chấp nhận phụ thuộc vào kích thước cảm biến ảnh Trong trường h ợp l đường kính vịng tán xạ chấp nhận có kích thước điểm ảnh CCD c= Pc=4,65 µm Như độ sâu trườ ng xác định theo công thức (2.5) với khoảng cách L=500mm, tiêu cự f= 12 mm 13 d 2.N c.L2 f2 2.8.4,65.5002 122 130 mm (2.6) Như vậy, vùng không gian đo giới hạn hệ thống xác định xác (w h d) = 245 181 130 (mm) với tiêu cự thấu kính f =12 mm, khoả ng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo L=500 mm, chi tiết đo đặt vùng thu độ xác cao 2.4 Khảo sát nâng cao độ xác hi ệu chuẩn vng bàn cờ 2.4.1 Ảnh hƣởng kích thƣớc vng bàn cờ Vùng làm việc củ a bả ng hiệu chuẩn nằm vùng đo (245 181 130) (mm) Trong thực nghiệ m sử dụng 15 kích thước vng bàn c khác Kích thước làm việc củ a vuông bàn xác định nhỏ vùng làm việc hệ thống cho thay đổi góc khác diện tích bảng hiệu chuẩn nằm vùng đo, chọn vùng kích thước vng bàn cờ thực nghiệ m B B= 180 180 (mm) Mối quan hệ kích thước vng bàn cờ sai số hiệu chuẩn Ec E p E s thể hình 2.18 Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ kích thước vng bàn cờ sai số hiệu chuẩn Vì kích thước bao bảng hiệu chuẩn chọn cố định: Khi kích thước vng S tăng từ 16 đến 30 mm, số góc vng s ẽ giảm từ 100 xuống 36 Tuy nhiên, kích thước vng S gi ảm từ 15 xuống mm, s ố góc ô vuông tăng từ 144 lên 1225 Như thể hình 2.18, kích thước góc vng lớn nhỏ dẫn đến hi ệu chuẩn xác xác, gây thiếu điểm đặc trưng để xác định góc vng quang sai ống kính Do đó, tồn cực tiểu mà hai yếu tốEu Ev tổng hợp nhỏ theo công thức tính E (2.4) hay l ỗi hiệu chuẩn nhỏ Khi bảng hiệu chuẩn có kích thước bàn cờ 15 mm 121 góc, thấ y l ỗi hiệu chu ẩn C đạt được: E = 0.190 (điểm ảnh), E P = 0.057 (điểm ảnh), E S = 0.298 (điểm ảnh) Kết cho thấy kích thước tối ưu bàn cờ vùng làm việc xác định để hiệu chuẩn hệ thống đạt độ xác cao 14 2.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng góc bảng hiệu chuẩn Mục đích việc hiệu chu ẩn với góc b ảng hiệu chuẩn khác để kiểm chứng ảnh hưởng góc đến độ xác kết hiệu chuẩn Từ lựa ch ọn góc bảng hiệu chuẩn gi ới hạn để đạt kết hiệu chuẩn mong muốn Thực hiệu chu ẩn với góc quay củ a bảng hi ệu chuẩn thay đổi vùng từ 50 đến 1300 Giá trị góc bảng hiệu chuẩn giới hạn để bảng hiệu chuẩn với kích thước BxB gá nghiêng v ẫn nằm vùng đo cho phép (245 181 130) (mm) Với lần thay đổi bảng hi ệu chuẩn quanh trục x với ∆ = 10o quy trình hiệ u chuẩn s ẽ thực với 10 vị trí khác bảng hiệu chuẩn quay quanh trục y giới hạn ∆ = 10o o Như đồ thị ta thấ y khoảng góc vng bàn cờ ∆ = 30 sai s ố nhỏ 0,4 mm Với độ xác hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm xác định chương sai số F nhỏ 0,4 mm đạt yêu cầu Như xác định góc giới hạn cho phép ô vuông bàn cờ ∆ = 30o Hình 2.21 Quan hệ F 2.4.3 Ảnh hƣởng ánh sáng môi trƣờng đến độ xác hiệu chuẩn Kết thực nghiệm hiệu chuẩn với giá trị độ rọi thu nội thông số, ngoại thông số hệ số méo ảnh hệ thốngThông số CE, PE, SE tương ứng biểu thị sai số hiệu chuẩn trung bình máy ảnh, máy chiếu hệ thống Từ đồ thị hình 2.23 nhận thấ y thay đổi độ rọi từ đến 100 lux t 200 đế n 360 lux độ xác hiệu chuẩn biế n thiên lớn: CE từ 0.202 đến 0.354 (điểm ảnh); PE từ 0.071 đến 0.132 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.345 (điểm ảnh); Với độ rọi khoảng 100 lux đến 200 lux sai số hiệu chuẩn biến thiên nhỏ: CE từ 0.202 đến 0.215 (điểm ảnh); PE từ 0.070 đến 0.087 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.244 (điểm ảnh); 15 Hình 2.23 th m i quan h gi r xác hi u chu n 2.5 Kết luận chƣơng Phương pháp đo bề mặt 3D sử dụng PSGC với nhiều ưu điểm độ phân giải khả chống nhiễu tốt Đã xây dựng thuật tốn chương trình đo o 3D sử dụng PSGC nhằm phân tích đánh giá, kiểm chứng lý thuyết nghiên cứu Một thiết bị thực nghi ệm ph ần mềm đo biên dạng 3D sử dụng PSGC xây dựng nhằm thực nghiệm đánh giá yếu tố ảnh hưởng hệ thống đo đề xuất Với kế t trực quan bảng liệu, đồ thị, hình ảnh để đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số đến độ xác hệ thống miền hay toàn vùng đo củ a hệ thống Các phương pháp kỹ thuật phần mềm công nghệ nghiên cứu nhằm làm giảm ảnh hưởng thông số đến độ xác hiệu chuẩn như: Áp dụng phương pháp thuật toán nghiên cứu nhằm xác định tối đa thông số hiệu chuẩn hệ thống gồm có thơng số tuyến tính thơng số phi tuyến Dùng thuật tốn Levanberg -Marquardt để tinh chỉnh nội thông số hệ thống, từ bù loại trừ sai số hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ xác hiệu chuẩn Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm xác định với góc vng bàn c 15 mm góc giới hạn bả ng hi ệu chuẩn = 30 độ sai số hiệu chuẩn hệ thống đạt E< 0,4 (điểm ảnh) Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm chứng minh độ rọi ánh sáng môi trường có ảnh hưởng tới kết hiệu chuẩn thơng qua sai số hiệu chuẩn hệ số méo ảnh Với độ rọi ánh sáng môi trường nằm khoảng 100 lux đến 200 lux độ xác hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu, hệ thống biến thiên nhỏ khoảng 0.017 (điểm ảnh) Độ rọi ánh sáng môi trường nhỏ 100 lux lớn 200 lux kết hiệu chuẩn xác độ biến thiên lớn 0.062 điểm ảnh Chƣơng PHƢƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT 3.1 Các thơng số ảnh hƣởng đến độ bão hịa CCD máy ảnh Để xác định mối quan hệ cường độ sáng thu bằ ng máy ảnh cI(u, v) cường độ sáng chiếu từ máy chiếu Ip(u, v) cần phải hiểu hình ảnh vật thể hình thành cảm biến máy ảnh Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành vân c ảnh 16 điểm ảnh có phản xạ bề mặt RA bao gồm: (1) thời gian phơi sáng thời gian mà cảm biến cần để thu đủ lượn g ánh sáng để tạo ảnh (2) độ nhạ y máy ảnh (3) ánh sáng mã hóa v ới cường độ Ip chiếu từ máy chiếu phản xạ từ điểm có phản xạ bề mặt RA là, RAIp, (4) ánh sáng môi trường xung quanh Im ánh sáng chiếu từ phầ n bề mặt khác RB tới điểm có phản xạ bề mặt RA là, RA(Im + RBIp)= R A(I m + I B), (5) ánh sáng môi trường xung quanh chi ếu trực tiếp đến cảm biến ảnh với cường độ Im (6) nhi ễu cảm biến In [44] Hình 3.2 ng c a thông s ph n x b Ảnh hưởng ngu ồn chiếu sáng khác vi ệc thu hình ảnh vân mẫu máy ảnh mơ tả hình 3.2 cường độ ảnh sáng c điểm có h ệ số phản xạ R A biểu diễn công thức sau: I c u, v tc RA I p u, v IB Im Im In (3.1) Do vậy, ước lượng củ a điểm ả nh R , ước lượng cường độ ánh sáng môi trường ánh sáng ph ản xạ từ bề mặt xung quanh cường độ sáng thu c máy ảnh là: Ic tc b1 I p b2 (3.2) Phương trình (3.2) chi tiết đo mơi trường đo độ nhạ y cường độ ánh sáng thu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu cảm biến ảnh , thời gian phơi sáng 3.2 Phƣơng pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp Để đảm bảo thu ảnh vân mẫu v ới chất lượng tốt giá tr ị ba thông số theo độ nhạ y m biến phương trình (3.2) phụ thu ộc vào cường độ ánh sáng chiếu ảnh , thời gian phơi sáng Ic t c RAI p (3.10) có mối quan h ệ tuyến tính với Theo nghiên cứu [108] cường độ ả nh hệ số phản xạ Khi độ nhạy m biến ảnh không đổi Coi bề mặt chi tiết đo I 0c (u ,v ) s t có v ật liệu có tính phản xạ đồng Đặt c với t0 thời RA I p gian phơi sáng xác định thông qua thực nghiệm để với đối tượng có đặc tính phản 17 xạ mà hệ thống thu giá trị cường độ thỏa mãn nhỏ ngưỡng giới h ạn cảm biến ảnh 255, thay vào phương trình (3.11) được: (3.3) Theo công thức (3.3), điểm ảnh tương ứng với thời gian phơi sáng phù hợp thu I0 t0 xác định Thời gian phơi sáng máy ảnh cụ thể xác định ph ần giây vớ i tc = (1/smax 1/smin) mẫu số lớn tốc độ nhanh Biểu đồ Histogram mô t ả phân bố giá trị mức điểm ảnh vùng ảnh số Giá tr ị mức xác gán giá trị nguyên tương ứng với thang đo độ xám trải từ (0 đến 255) xác đ ịnh: (3.4) Thông qua hàm công thức sau: mô tả tỷ lệ tổng số điểm ảnh có mức xám I vùng theo (3.14) Với nI số điểm ảnh có giá trị cường độ vùng , n tổng số điểm ảnh ả nh Như ảnh đối tượng chụp có độ tương phản cao tránh ảnh hưởng phản xạ bề mặt thời gian phơi sáng phù hợp biểu đồ biểu diễn đường cong có chân trải hai phía vùng S1 S5 phần đỉnh tập trung vùng S2 , S3 S4 hình 3.6, thỏa mãn điều kiện sau: (3.5) Với ảnh thô chụp với thời gian phơi sáng lấy mẫu kho ảng tc = (1/smax 1/smin), ảnh thỏa mãn điều kiện biể u thức (3.5) giá trị thời gian phơi sáng chọn t0 tương ứng Bi ểu đồ Histogram với t0 phân tích xác định thời gian phơi sáng phù hợp Thời gian phơi sáng phù hợp vùng hai vùng s ẽ xác định với cường độ tương ứng với đáy bên phải đỉnh mức cường độ D1, D2, D3, D4, D5 đáy hai đỉnh hai vùng liền kề I0i (i=1, 2, 3, 4) Thời gian phơi sáng t0i (i=1, 2, 3, 4) tương ứng với cường độ xác định theo công thức (3.3) thời gian s dụng để đo với mã d ịch pha kết hợp mã Gray Các đám mây điểm 18 dựng lên với thời gian phơi sáng phù hợp, sau ghép tạo thành đám mây điểm hoàn nh 3.3 Phƣơng pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ Có th ể nhận thấ y phản xạ bề mặt phụ thuộc vào ánh sáng góc chiếu chụp chi tiết đo Hơn nữa, chi tiết đo quay b ằng bàn xoay chi tiết, thu vùng khác củ a chi tiết đo Máy ả nh chụp vùng khác c chi tiết đo dựng tọa độ thành phần sau tổng hợp thành tọa độ hệ thống Các đám mây điểm chi tiết ghép, vùng bị bóng đám mây điểm bù với vùng khơng bị bóng đám mây điểm khác Độ xác phương pháp ghép ảnh yêu c ầu phải nhỏ độ xác c hệ thống 3.4 Khảo sát đánh giá hiệu gi ảm ảnh hƣởng phản xạ bề mặt Mục đích việc khảo sát Điều kiện thiết bị thực Đối tượng thực nghiệm 3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp 3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm Biểu đồ Histogram ảnh với mã Gray 20 với thời gian phơi sáng tc=16ms để tính cường độ tương ứng Hình 3.13 I 0i c ac Trong hình 3.13, I0i xác định th ể hình với chi tiết nhôm I01=38, I02=108, I03=215, cường độ sử dụng để tính tốn th ời gian phơi sáng tương ứng với t0=16ms, 54 theo công thức (3.12) 01 t =106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99 msCác thời gian phơi sáng s dụng để đo phương pháp PSGC Sau tổng hợp hình ảnh cường độ dựng lại đám mây điểm hình 3.14 19 Hình 3.14 m 3D c a thép k t h p th Đám mây điểm thu có số lượng điể m ảnh 3D đám mây điể m thể bề mặt 13135 điểm Bề mặt đám mây điểm v ới đám mây điể m bố trí tồn vùng b ề mặt không bị thông tin 3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 Thực nghiệm đo với phương pháp đo đề xuất Đầu tiên, chiếu ảnh thô với cường độ ánh sáng chiếu Ip (255, 255, 255) với thời gian phơi sáng ban đầu đặt 0t =12,5 (ms) thu ảnh dùng bi ểu đồ Histogram để tính cường độ tương ứng Hình 3.17 I 0i c a Trong hình 3.17, I0i xác định thể hình v ới chi tiết nhơm I01=19, I 02=87, I03=233, cường độ sử dụng để tính tốn thời gian phơi sáng tương ứng với t0=12,5ms, 54 theo công th ức (3.12) 01 t =167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms thời gian phơi sáng sử dụng để đo phương pháp PSGC Sau tổng hợp hình ảnh cường độ dựng lại đám mây điểm 3D hình 3.18 Hình 3.18 a, a, b, m 3D c a nhôm k t h p th m sau gi m thi u s 20 m Đám mây điểm thu sau ghép đám mây điể m với th ời gian phơi sáng phù hợp cho th điể m ảnh thể bền mặt rấ t dày không bị thông tin đám mây điểm chi ti ết nhôm đo với thời gian phơi sáng Tổng số điể m ảnh thể bề mặt 3D 87719 số điểm ả nh sau dùng thu ật toán Downsampcloud 29419 điểm ảnh 3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn 3.4.2.1 khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp Với chi tiết nhơm đo với góc nghiêng +100 -100 so với mặt phẳng tham chi ếu thu hai đám mây điểm có vùng trống khơng có liệu đo bù cho 3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc Qua thực nghiệ m lựa ch ọn với góc nghiêng +120 -120 so với mặt phẳng tham chiếu thu hai đám mây điể m có vùng trống khơng có liệu đo bù cho 3.5 Kết luận chƣơng Với mục đích làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết khí đo sử dụng phương pháp PSGC, hai phương pháp đề xuất là: xác định thời gian phơi sáng phù hợp vùng xám chi tiết đo sau ghép đám mây điểm thời gian phơi sáng để thu đám mây điểm đầy đủ xác thơng tin bề mặt, tránh vùng bão hịa CCD Ngồi ra, phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn đề xuất nhằm giảm bớt vùng có cường độ phản xạ mà phương pháp ghép thời gian phơi sáng phù hợp chưa thu tuyệt đối Kết khảo sát hai phương pháp giảm yếu t ố ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết khí cho thấy: Ghép đám mây điể m v ới thời gian phơi sáng phù hợp đạt kết qu ả tốt Đối với chi tiết nhôm dạng bậc xác định thời gian phơi sáng phù hợp 01 t =167,1 ms, t02=36,49 ms, t03 =13,62 ms Đối với chi ti ết nhôm bề mặt phức tạp xác định thời gian phơi sáng phù hợp t01=106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99 Ghép đám mây bù vùng bóng cho thấy tùy thuộc vào mức độ phả n xạ hình d ạng phức tạp bề mặt chi tiết đo mà chọ n góc nghiêng nhỏ hợp lý để bù cho o thu hiệu qu ả tốt Đối với chi ti ết nhơm bề mặt phức tạ p với góc nghiêng 10 đạt kết ghép đám mây điểm bù vùng ph ản xạ tốt Đối với chi ti ết nhơm bề mặt bậc với góc nghiêng 12o đạt kết ghép đám mây điểm bù vùng ph ản xạ tốt Có thể thấ y rằ ng với kết phân tích lý thuyết thực nghiệ m ki ểm chứng hệ thống, hai phương pháp đề xuất phù hợp với hệ thống có mức độ đáp ứng mức xám máy chi ếu, cường độ ảnh chụp thời gian phơi sáng tuyến tính 21 Chƣơng 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC 4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ xác Dựa vào bảng 1.2 xác định tiêu chuẩn A E để đánh giá độ xác hệ thống đo 4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 Với việc sử dụng mẫu chuẩn đo A1 cho hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC, theo mục 1.3.3 mẫu chuẩn đo mặt ph ẳng b ậc cần xác định kho ảng cách bậc Do việc xây dựng thuật toán ph ần mềm để đánh giá so sánh kết qu ả đo phương pháp cần thiếtMột mặt phẳng có độ xác xác định đo phương pháp PSGC, dựng hình mặt phẳng phù hợp mặt phẳng thực thơng qua thuật tốn RANSAC 4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 Cần xây dựng thuật tốn chương trình phần mềm để xác định chuẩn kiểu E1 Như cần xác định bán kính đám mây điểm cầu chuẩn Đề xác định bán kính R mặt cầu đám mây để m 3D thuật toán phù h ợp mặt cầu ứng dựng thuật toán RANSAC xây dựng 4.1.3 Đánh giá độ xác theo mặt phẳng chuẩn Độ xác vùng đo xác định mặt phẳng chu ẩn có kích thước A B (mm) đo vớ i vị trí hướng khác vùng đo phù hợp với mặt phẳng chuẩn Đối v ới phép đo phân tích, tính tốn thu độ lệch chuẩn khoảng cách trung bình từ điểm đo đến mặt phẳng phù hợp 4.2 Thực nghiệm xác định độ xác hệ thống Thực nghiệm xác định độ xác hệ thống thực v ới phép đo chi tiết mẫu: chi tiết mẫu dạng bậc, chi tiết cầu, mặt phẳng Số lần đo lặp lặp lại điều kiện mơi trường nhiệt độ phịng 250C, ánh sáng mơi trường giả m tối đa để giả m tham số không đả m bảo đo phép đo 4.2.1 Đo biên dạng bề mặt mẫu bƣớc chuẩn 4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu Thực nghi ệm đo biên dạng mặt cầu với bán kính mặt cầu R1=25 mm R2 =36.3 mm Kết đo bán kính chi tiết dạng cầu với số lượng điểm ảnh 3D 5572, khoảng cách trung bình t mặt cầu chuẩn tới mặt cầu thực 030 mm, bán kính qu ả cầu đo R1 = 25.069 mm, độ lệch chuẩn 068 mm Kết đo bán kính chi tiết dạng cầu với s ố lượng điểm ảnh 3D 8426, khoảng cách trung bình từ mặt c ầu chuẩn tới mặt c ầu thực 073 mm, bán kính cầu đo R = 36 354 mm, độ lệch chuẩn 054 mm 4.2.3 Đo mặt phẳng toàn vùng đo Bảng kết phù hợp mặt phẳng hướng vị trí khác cho thấ y tương quan sai số góc v ị trí mặt phẳng chuẩn bảng sai số không nhạ y với 22 vị trí mặt phẳng chuẩn nhiên sai số thay đổi góc quay c mặt phẳng quanh trục x thay đổi 4.3 Đo chi tiết máy khn khí 4.4 Kết luận chƣơng Đã xây dựng tiêu chí đánh giá độ xác hệ thống đo sử dụng PSGC Với tiêu chuẩn A1 xây dựng thuật tốn chương trình phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng để xác định kích thước b ậc Thực nghiệm xác định với chi tiết nhôm bậc M2 mẫu nhôm Với tiêu chu ẩn E1 tiêu chu ẩn đo mặt cầu xây dựng thuật toán phù h ợp mặt cầu Đo mẫu chi tiết mặt cầu xác định được, bán kính cầu đo R1 = 25 069 mm, độ lệch chuẩn 068 mm, bán kính c ầu đo R2 = 36 354 mm, độ l ệch chuẩn 054 mm Với tiêu chuẩn đánh giá độ xác theo mặt phẳng chuẩn với vị trí góc để xác định độ xác tồn vùng đo KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Với mục đích nghiên cứu phương pháp để giảm ảnh hưởng số yếu tố đến độ xác đo chi tiết khí phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp Gray (PSGC), luận án thực số kết nghiên cứu sau: Xây d ựng thuật tốn phần mềm đo sử dụng PSGC để đo chi ti ết khí có phản xạ bề mặt cao Áp dụng thuật toán nh ằm xác định tối đa thơng số hiệu chuẩn tuyến tính phi tuyến Xây dựng phần mề m xử lý liệu phù h ợp đám mây để xác định kích thước sai lệch thơng số kích thước chi tiết đo Nghiên cứu ảnh hưởng số thơng số đến độ xác hiệ u chuẩn độ xác hệ thống, xác định vùng kích thước vng bàn cờ phù hợp kích thước bảng hiệu chuẩn xác định Góc nghiêng c bảng hiệu chuẩ n so với mặt phẳng m biến ảnh CCD xác định giới hạ n o 30 độ xác hiệ u chuẩn đạt nhỏ điể m ảnh Độ rọi ánh sáng môi trường ổn định vùng 100 đến 200 lux độ xác hi ệu chuẩn đạt đượ c tốt Trên hệ thống thực nghiệ m với vùng không gian đo giới hạn (w h d) = 245 181 130 mm v ới tiêu cự thấu kính f =12 mm, khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo L=500 mm, chi tiết đo đặt vùng thu độ xác cao Đã nghiên cứu xây d ựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt chi tiết khí cách ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp mà không cần phương pháp xử lý bề mặt đo nào, không cần thiết lập thêm hệ thống phần cứng phụ trợ phức tạp Từ khảo sát, nghiên cứu thực nghiệ m cho biết, thơng qua biểu đồ Histogram xác định số lượng thời gian phơi sáng phù hợp bề mặ t chi tiết đo có đặc tính phản xạ bề mặt cao Kết thực nghiệm v ới chi ti ết nhôm với 23 biên dạng bề mặt khác cho thấy đề xuất xác định thời gian phơi sáng ghép đám mây điểm thời gian phơi sáng phù hợ p có hi ệu chi ti ết nhơm Kết nghiên cứu làm sở cho nghiên cứu đo 3D ánh sáng c ấu trúc đặc biệt ứng dụng đo lường 3D khí Đã nghiên cứu xây d ựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt chi tiết khí cách phương pháp ghép đám mây điể m bù vùng phản xạ Các góc nghiên để ghép đám mây điể m bù vùng ph ản xạ phụ thuộc vào hình d ạng đặc tính ph ản xạ chi tiết đo Trong hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt phương pháp ghép đám mây điể m với thời gian phơi sáng phù hợp chủ yếu làm giả m lớn ảnh hưởng phản xạ bề mặt Tuy nhiên, phương pháp yêu cầu thời gian đo lớn quy trình phải tuân thủ Nghiên cứu đề xuất quy trình xác định độ xác hệ thống đo dựa vào tiêu chuẩn ISO A1 E1 Xây d ựng thuật toán phần mềm xử lý đám mây điểm đo với tiêu chuẩn đo Với tiêu chuẩn đo A1 xây d ựng phần mềm phù h ợp mặt phẳng để đo khoảng cách bậc Với tiêu chuẩ n E1 xây d ựng thuật toán ph ần mềm phù hợp mặt cầu để xác định bán kính mặt cầu Độ xác đo hệ thống thực nghiệm với sai số tương đối lớn 1.46% HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu giảm th ời gian xử lý ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng khác nhau, để tăng tốc độ phép đo đo chi tiết có độ phản xạ bề mặt cao Nghiên cứu phương pháp giả m nhi ễu đám mây điểm đo bề mặt có phản xạ lớn Tiếp tục nghiên cứu đo chi tiết có độ bóng có dầu mỡ Tiếp tục nghiên cứu độ không đảm bảo đo hệ thống thực nghiệ m 24 ... sau: Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng c ấu trúc đo biên dạng chi tiết khí địi hỏi độ xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấ y phù hợp để đo chi tiết khí Tuy nhiên chi. .. sử d ụng Chƣơng ĐO LƢỜNG BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong th ập kỷ qua, với tiến k ỹ thuật hình ảnh số, máy chi? ??u k ỹ thuật... trình ? ?ánh giá độ xác c hệ thống đo ánh sáng cấu trúc cụ thể 1.5 Hƣớng nghiên cứu luận án Với kết luận tác giả đề xuất nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch