Nghiên cứu hệ thống đo 3d chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp mã gray và dịch đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG” cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tôi, thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn Những nội dung, số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa có tác giả cơng bố nghiên cứu khác Hà Nội, ngày 07 tháng 06 năm 2022 Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS TS i LỜI CẢM ƠN Lời xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo -bộ phận sau Đại học, trường Cơ khí, nhóm chun mơn Cơ khí Chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin cảm ơn PGS TS hướng dẫn, bảo cho ý kiến vô quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho mặt chuyên môn suốt q trình học tập, thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy cô Bộ mơn Cơ khí xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đóng góp cho tơi ý kiến bổ ích tạo điều kiện thuận lợi thời gian cho suốt q trình làm luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Trung Tâm Quang Điện tử Viện Ứng dụng Công nghệ tạo điều kiện tốt sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm, xếp cơng việc q trình nghiên cứu cơng tác để tơi có điều kiện thực nhiệm vụ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè động viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU vi viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT 3D CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 11 Các hệ thống đo quang học dựa phương pháp tam giác đạc 12 Phương pháp thu nhận ảnh ba chiều dựa ánh sáng cấu trúc 13 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 12 131 Tình hình nghiên cứu giới 12 132 Tình hình nghiên cứu nước 24 14 Mục tiêu, khó khăn nghiên cứu luận án 26 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 21 Phương pháp mã hóa vân cho ánh sáng cấu trúc 28 28 211 Mã hóa vân Graycode 28 212 Mã Large-Gap Graycode 31 213 Vân dịch chuyển đường 34 22 Định nghĩa vùng chiếu vân 35 23 Giải mã vân Graycode dịch đường 36 231 Giải mã vân Gray 36 232 Bộ dị đỉnh vạch chiếu 37 24 Cơ sở tốn học mơ hình hệ thu ảnh máy ảnh 42 241 Cơ sở toán học tam giác đạc ánh sáng cấu trúc 42 242 Mơ hình lỗ nhỏ máy ảnh 50 243 Mơ hình khử méo ảnh cho hệ thu ảnh 53 244 Hiệu chuẩn máy ảnh 54 25 Cơ sở tốn học sử dụng mơ hình hệ máy ảnh 56 251 Tam giác đạc hệ máy ảnh 56 252 Hình học Epipolar 58 iii 253 Hiệu chuẩn hệ máy ảnh ảnh 26 Cơ sở tính tốn thơng số hệ thống 261 60 62 Tính tốn độ phân giải máy chiếu, tiêu cự hệ quang máy 62 ảnh 262 27 Tính tốn khoảng cách đường sở máy ảnh Kết luận 64 66 Chương 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 31 Nghiên cứu nâng cao độ xác đo 3D chi tiết khí 67 67 311 Nghiên cứu kỹ thuật ảnh động dải rộng cho ánh sáng cấu trúc 67 312 Kỹ thuật HDR mã Gray dịch chuyển đường 67 313 Phương pháp hiệu chuẩn cho hệ thống đo 3D 71 314 Xác định ma trận chuyển vị bàn máy với đầu đo 79 32 Tính tốn lựa chọn cấu hình hệ thống thu nhận ảnh 3D ánh sáng cấu trúc 84 321 Lựa chọn thiết bị chiếu vân 84 322 Lựa chọn máy ảnh 86 323 Tính tốn lựa chọn thấu kính cho máy ảnh đường sở 86 33 Kết luận 90 Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY DỰNG 91 41 Xây dựng thiết bị quét 3D 91 411 Thông số cấu tạo thiết bị quét 91 412 Đồng tín hiệu máy ảnh máy chiếu 94 413 Xây dựng phần mềm xử lý thu nhận ảnh 3D chi tiết khí 96 42 Xác định thông số hệ thống 98 43 Thực nghiệm xác định ma trận chuyển vị vị trí bàn máy 101 431 Bàn máy theo trục U 104 432 Bàn máy theo trục W 104 433 Bàn máy theo trục Z 105 44 Thực nghiệm thu ảnh 3D chi tiết khí iv 106 441 442 443 444 45 Tạo ảnh chiếu mã Large-Gap Graycode dịch đường 106 Thông số thiết lập cho hệ thống 107 Chiếu thu nhận ảnh vân 107 Tính tốn ảnh 3D sử dụng ảnh độ sâu 109 Thực nghiệm phương pháp ảnh động dải rộng vân graycode dịch đường 113 451 Thí nghiệm 1: Thay đổi giá trị cường độ dòng điện LED máy chiếu 114 452 Thí nghiệm 2: Thay đổi giá trị phơi sáng vân máy chiếu 115 453 Thí nghiệm 3: Thay đổi giá trị khuếch đại số máy ảnh 116 454 Thí nghiệm 4: Thay đổi giá trị tốc độ cửa trập máy ảnh 117 46 Hiệu chuẩn liệu quét 3D hệ thống 461 47 Hiệu chuẩn với cầu chuẩn 120 120 Đánh giá độ xác đo hệ thống xây dựng sử dụng mẫu chuẩn 127 48 Thực nghiệm quét đo với số chi tiết khí 129 481 Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly 129 482 Thực nghiệm đo chi tiết piston 131 483 Quét số chi tiết khác 134 49 Kết luận 136 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 137 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 148 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Thuật ngữ tiếng Anh Giải thích SL Structured Light : Ánh sáng cấu trúc 3D Three-dimensional CMM Coordinates Measuring : Không gian ba chiều mơ hình hình học có ba thơng số chiều dài, chiều rộng, chiều cao : Máy đo tọa độ LCD Machine Liquid Crystal Display DLP Digital Crystal Display BNF Bilateral Normal Filter GMNF Guided Mesh Normal Filtering ICP Iteractive Closest Point CAD Computer-aided design 10 SICP Sparse Iteractive Closest Point 11 PS-R Point-Set Registration 12 RPMS Reference Point Markers 13 HDR High Dynamic Range 14 Unwrap Phase : Màn hiển thị tinh thể lỏng : Công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số, dùng gương nhỏ để phản chiếu ánh sáng : Bộ lọc dựa giá trị trung bình chuẩn lân cận theo cách khơng đẳng hướng : Bộ lọc sử dụng chiến lược lọc lưới điểm theo pháp tuyến hướng dẫn : Thuật toán sử dụng để giảm thiểu khác biệt hai đám mây điểm không gian 3D : Thiết kế hỗ trợ máy tính : Thuật tốn tối ưu hóa ICP sử dụng tiêu gây phân tán : Đăng ký tập hợp điểm, gọi đăng ký đám mây điểm đối sánh quét, trình tìm kiếm biến đổi không gian giúp chỉnh hai đám mây điểm : Các điểm đánh dấu tham chiếu sử dụng với tính quét 3D để đảm bảo độ xác cao phép đo Các điểm đánh dấu dán lên chi tiết trước quét : Ảnh động dải động : Mở pha vi 15 16 17 18 Pin Hole : Lỗ nhỏ Epipolar : Ảnh tâm chiếu máy ảnh Scroll Shutter : Màn trập dạng cuộn Global Shutter : Màn trập dạng tồn cục : Cảm biến chuyển đổi hình ảnh quang học sang tín hiệu điện máy thu nhận hình ảnh dạng nhị phân : Cảm biến máy ảnh sử dụng lọc màu RGB sau chuyển sang liệu dạng số : “Tầm nhìn nổi”, Phương pháp sử dụng hai máy ảnh để tái cấu trúc vật thể dạng 3D : Vấn đề xác định phần hình ảnh tương ứng với phần hình ảnh khác : Ảnh độ sâu 19 CCD Charge Coupled Device 20 CMOS Complementary MetalOxide-Semiconductor 21 Stereo Vision 22 Correspondence Problem 23 Depth Map 25 PS Phase Shifting : Kỹ thuật lai sử dụng hai máy ảnh máy chiếu vân ánh sáng cấu trúc : Dịch pha 26 GC Graycode : Mã hóa mức xám 27 Structured Pattern : Mẫu vân cấu trúc 28 Mask-Image : Ảnh mặt nạ, giá trị không xác định giá trị giá trị xác định 255 24 SLS Structured-light Stereo vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Các phương pháp đo ánh sáng cấu trúc Slavi 2010 (nguồn: [19]) 12 Bảng 1-2 Ưu nhược điểm loại kỹ thuật HDR (nguồn [53]) 22 Bảng 2-1 Bảng mã Gray cho 16 bit 29 Bảng 2-2 Bảng mã Graycode mã hóa cho vân chiếu 29 Bảng 2-3 Độ phân giải hệ thống với giá trị 2n 31 Bảng 3-1 Thơng số tính tốn FOV độ phân giải theo khoảng cách T 86 Bảng 3-2 Bảng thông số FOV độ phân giải máy ảnh theo chiếu sâu Z 89 Bảng 4-1 Thông số hiệu chuẩn máy ảnh hệ máy ảnh 101 Bảng 4-2 Bảng thông số thiết lập PWM cho LED 115 Bảng 4-3 Thông số thiết lập giá trị phơi sáng vân khác 116 Bảng 4-4 Thiết lập giá trị khuếc đại số khác cho máy ảnh 116 Bảng 4-5 Thiết lập giá trị Shutter speed khác cho camera 117 Bảng 4-6 Bảng so sánh số ảnh lấy mẫu thời gian thực phương pháp HDR 120 Bảng 4-7 Sai số phép đo cho liệu hình cầu áp dụng phương pháp bình phương nhỏ 123 Bảng 4-8 Bảng giá trị phương trình hiệu chuẩn cho trục tọa độ 125 Bảng 4-9 Sai số phép đo cho liệu hình cầu áp dụng phương trình hiệu chuẩn 126 Bảng 4-11 Bảng kết đo chi tiết Puly (các số liệu đo thể bảng PHỤ LỤC 2) 131 Bảng 4-12 Bảng kết đo đường kính piston 134 viii Θ = × ×‡g{�"1 |– ln E" − ln∆�1 ˆ + ℷ ... PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG Phương pháp mã hóa vân cho ánh sáng cấu trúc 1 Mã hóa vân GraycoDe Mã Gray định nghĩa dạng mã hóa số nhị... CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 31 Nghiên cứu nâng cao độ xác đo 3D chi tiết khí 67 67 311 Nghiên cứu kỹ thuật ảnh động dải rộng cho ánh sáng cấu trúc 67 312... THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP Mà GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG”