(Luận án tiến sĩ) 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 NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai TS Phạm Hồng Tuấn HÀ NỘI - 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 MÃ 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 Nguyễn Thị Phương Mai TS Phạm Hồng Tuấn i NCS Nguyễn Ngọc Tú 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 Nguyễn Thị Phương Mai, TS Phạm Hồng Tuấn hướng dẫn, bảo cho ý kiến vô quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho mặt chuyên môn suốt trình học tập, thực luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy cô Bộ môn 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 tơi suốt q trình làm luận án Tôi 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 trình nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Tú ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT 3D CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Các hệ thốn 1.2 Phương ph 1.3 Tình hình n 1.4 Mục tiêu, k Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 2.1 Phương ph 2.2 Định nghĩa 2.3 Giải mã vâ 2.4 Cơ sở toán 2.5 Cơ sở toán iii 2.6 ảnh 2.7 Chương 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 3.1 3.2 cấu trúc 3.3 Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY 4.1 4.2 4.3 4.4 iv 4.4.1 Tạo ảnh chiếu mã Large-Gap Graycode dịch đường 106 4.4.2 Thông số thiết lập cho hệ thống 107 4.4.3 Chiếu thu nhận ảnh vân 107 4.4.4 Tính tốn ảnh 3D sử dụng ảnh độ sâu 109 4.5 Thực nghiệm phương pháp ảnh động dải rộng vân graycode dịch đường 113 4.5.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi giá trị cường độ dòng điện LED máy chiếu 114 4.5.2 Thí nghiệm 2: Thay đổi giá trị phơi sáng vân máy chiếu 115 4.5.3 Thí nghiệm 3: Thay đổi giá trị khuếch đại số máy ảnh .116 4.5.4 Thí nghiệm 4: Thay đổi giá trị tốc độ cửa trập máy ảnh 117 4.6 Hiệu chuẩn liệu quét 3D hệ thống 120 4.6.1 Hiệu chuẩn với cầu chuẩn 120 4.7 Đánh giá độ xác đo hệ thống xây dựng sử dụng mẫu chuẩn 127 4.8 Thực nghiệm quét đo với số chi tiết khí 129 4.8.1 Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly 129 4.8.2 Thực nghiệm đo chi tiết piston 131 4.8.3 Quét số chi tiết khác 134 4.9 Kết luận 136 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 137 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 148 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾ STT Ký hiệu SL 3D CMM LCD DLP BNF GMNF ICP CAD 10 SICP 11 PS-R 12 RPMS 13 14 HDR vi 15 16 17 18 19 CCD 20 CMOS 21 22 23 24 SLS 25 PS 26 GC : Lỗ nhỏ : Ảnh tâm chiếu máy ảnh : Màn trập dạng cuộn : 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 : Kỹ thuật lai sử dụng hai máy ảnh máy chiếu vân ánh sáng cấu trúc : Dịch pha : Mã hóa mức xám : Mẫu vân cấu trúc : Ảnh mặt nạ, giá trị không xác định giá trị giá trị xác định 255 vii [99] W Gander, G H Golub, R Strebel (1994), “Least-squares fitting of circles and ellipses,” BIT Numer Math., vol 34, no 4, pp 558–578 [100] J Garcia-Lopez, P A Ramos, J Snoeyink (1998), “Fitting a set of points by a circle,” Discrete Comput Geom., vol 20, no 3, pp 389–402 [101] I Kasa (1976), “A circle fitting procedure and its error analysis,” IEEE Trans.Instrum Meas., vol IM-25, no 1, pp 8–14 Y Nievergelt (1994), “Computing circles and spheres of arithmetic leastsquares,” Comput Phys Commun., vol 81, no 3, pp 343–350 [102] [103] M Renault, Fitting Circles and Ellipses to Data Using the Least-Squares Method [Online] Available: http://www.math.temple.edu/~renault/ellipses.html C M Shakarji (1998), “Least-squares fitting algorithms of the NIST algorithmtesting system,” J Res NIST, vol 103, pp 633–640 [104] [105] H Spath (1998), “Least-square fitting with spheres,” J Optim Theory Appl., vol 96, no 1, pp 191–199 [106] C Witzgall, G S Cheok, A J Kearsley (2006), “Recovering circles and spheres from point data,” in Perspectives in Operations Research, F B Alt, M C Fu, and B L Golden, Eds New York: Springer-Verlag, pp 393–413 [107] Franaszek, M., Cheok, G S., Saidi, K S., & Witzgall, C (2009) “Fitting spheres to range data from 3-D imaging systems” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58(10), 3544-3553 [108] Chen, Ping, et al (2014) "Rotation axis calibration of a turntable using constrained global optimization." Optik 125.17: 4831-4836 [109] Sorkine-Hornung, Olga, Michael Rabinovich "Least-squares rigid motion using svd." Computing 1.1 (2017): 1-5 [110] Yang, Lei, et al (2018) "A high-speed seam extraction method based on the novel structured-light sensor for arc welding robot: A review." IEEE Sensors Journal 18.21: 8631-8641 [111] Yang, Lei, et al (2018) "A novel 3-D path extraction method for arc welding robot based on stereo structured light sensor." IEEE Sensors Journal 19.2: 763-773 [112]Tang, Yubo, Jennifer Carns, and Rebecca R Richards-Kortum (2017) "Linescanning confocal microendoscope for nuclear morphometry imaging." Journal of Biomedical Optics 22.11: 116005 [113]Suresh, Vignesh, et al (2021) "High-resolution structured light 3D vision for fine-scale characterization to assist robotic assembly." Dimensional Optical Metrology and Inspection for Practical Applications X Vol 11732 International Society for Optics and Photonics 146 Wen, Xin, and Ke-Chen Song (2019) "Three-Dimensional Shape Information Acquisition Using Binocular Stereo Vision for Reflective Steel Plate." Proceedings of the 2019 3rd International Conference on Graphics and Signal Processing [114] [115] Muglikar, Manasi, Guillermo Gallego, and Davide Scaramuzza (2021) "ESL: Event-based Structured Light." 2021 International Conference on 3D Vision (3DV) IEEE 147 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Tu Nguyen, Truong Tran, Mai Nguyen and Tuan Pham (2017), “A High Dynamic Range, High Precision Framework for Measuring Machinery Part using Structured Light”, Proc IEEE International Conference on System Science and Engineering (ICSSE 2017), HUTE - HCM city Thang Duong Nhat, Binh Nguyen Duc, Phuong Le Khac, Ngoc Tu Nguyen, Mai Nguyen Thi Phuong (2019), “Deep regression for precise geometric dimension measurement”, J Korean Soc Precis Eng., Vol.36, No.8 683-690 Luu Thi Hong Nhung, Nguyen Ngoc Tu, Nguyen Nhat Trinh, Pham Minh Hieu, Nguyen Thi Le, Nguyen Thi Dieu Linh (2021), “Development of 3D Breast Measurement System Using Structured Light for Bra Design” Intelligent Systems and Networks (ICISN 2021), held at Hanoi, Vietnam Nguyen Ngoc Tu, Nguyen Thi Phuong Mai, Nguyen Van Thuong, Doan Van Tuan (2021), “Improving 3d surface measurement of mechanical details by structured light using high dynamic range”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng Nghệ Quân Sự ISSN 1859-1043, Số 74, trang 145-153 148 PHỤ LỤC Thông số kỹ th Bảng Bảng thông STT Thông số Cảm biến hình ảnh Kiểu Định dạng cảm biến hình ản Kiểu mã hóa điểm ảnh (bit) Kiểu shutter Độ phân giải (Megapixels) Tốc độ khn hình Kích thước điểm ảnh H 10 Số điểm ảnh H Kích thước cảm biến H 11 Dải tần nhạy 12 13 14 Kiểu ngàm gắn ống kính Giao tiếp GPIO Bảng Thông số kỹ thuật kit LightC Thông số kỹ thuật STT Độ sáng (lumen) Công suất nguồn LED (W) Độ tương phản (bật toàn ON-OFF) Độ đồng (%) Khẩu độ Giải hội tụ (m) Độ bù (%) Kích thước đường chéo ảnh (inch) Độ dài tiêu cự (mm) Bảng STT 2 Thơng s Kích thước ả Kiểu ngàm Chiều dài tiêu Góc quan sát Dải hội tụ (m) Méo ảnh (%) Bật 2b đảo 2b 3b đảo 3b 4b đảo 4b 5b đảo 5b 6b đảo 6b 7b đảo 7b 8b đảo 8b 10b 9b đảo 9b đảo 10b Bảng Ảnh dịch đường cho máy chiếu bước 7) 8) Bảng Ảnh kênh lưu nhớ flash máy chiếu Light crafter 4500 Bảng Vân thu từ máy ảnh trái máy ảnh phải Ảnh thu từ máy ảnh bên Trái Ảnh thu từ máy ảnh bên phải STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ∅ 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 Bảng Giá trị đo mẫu 10 11 ... ánh sáng cáu trúc mã Gray dịch đường Chương 3: Nâng cao độ xác đo 3D chi tiết khí ánh sáng cấu trúc kết hợp mã gray dịch đường Trong phần chương 3: Trình bày nâng cao độ xác hệ thống đo ánh sáng. .. PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 2.1 Phương pháp mã hóa vân cho ánh sáng cấu trúc 2.1.1 Mã hóa vân Graycode Mã Gray định nghĩa dạng mã hóa số... bị đo nhanh mục tiêu mà khoa học Việt Nam cần nghiên cứu để thực Luận án “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG” với mục tiêu nghiên cứu