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 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 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 tơi, 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 tơi 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 08 tháng 08 năm 2022 Tập thể hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS TS Nguyễn Thị Phương Mai TS Phạm Hồng Tuấn NCS Nguyễn Ngọc Tú 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 Nguyễn Thị Phương Mai, TS Phạm Hồng Tuấn hướng dẫn, bảo cho ý kiến vô quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi mặt chun mơn suốt q trình học tập, thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy 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 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, tơi 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 hoàn thành luận án Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Tú ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU 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 1.1 Các hệ thống đo quang học dựa phương pháp tam giác đạc 1.2 Phương pháp thu nhận ảnh 3D dựa ánh sáng cấu trúc 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 12 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 12 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 23 1.4 Mục tiêu, khó khăn nghiên cứu luận án 25 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG 27 2.1 Phương pháp mã hóa vân cho ánh sáng cấu trúc 27 2.1.1 Mã hóa vân Graycode 27 2.1.2 Mã Large-Gap Graycode 30 2.1.3 Vân dịch chuyển đường 33 2.2 Định nghĩa vùng chiếu vân 33 2.3 Giải mã vân Graycode dịch đường 35 2.3.1 Giải mã vân Gray 35 2.3.2 Bộ dò đỉnh vạch chiếu 36 2.4 Cơ sở tốn học mơ hình hệ thu ảnh máy ảnh 40 2.4.1 Cơ sở toán học tam giác đạc ánh sáng cấu trúc 40 2.4.2 Mơ hình lỗ nhỏ máy ảnh 47 2.4.3 Mơ hình khử méo ảnh cho hệ thu ảnh 50 2.4.4 Hiệu chuẩn máy ảnh 51 2.5 Cơ sở toán học sử dụng mơ hình hệ máy ảnh 53 2.5.1 Tam giác đạc hệ máy ảnh 53 2.5.2 Hình học Epipolar 55 iii 2.5.3 Hiệu chuẩn hệ máy ảnh ảnh 56 2.6 Cơ sở tính tốn thơng số hệ thống 59 2.6.1 Tính tốn độ phân giải máy chiếu, tiêu cự hệ quang máy 2.6.2 59 Tính tốn khoảng cách đường sở máy ảnh 60 ảnh 2.7 Kết luận 62 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 63 3.1 Nghiên cứu nâng cao độ xác đo 3D chi tiết khí 63 3.1.1 Nghiên cứu kỹ thuật ảnh động dải rộng cho ánh sáng cấu trúc 63 3.1.2 Kỹ thuật HDR mã Gray dịch chuyển đường 63 3.1.3 Phương pháp hiệu chuẩn cho hệ thống đo 3D 67 3.1.4 Xác định ma trận chuyển vị bàn máy với đầu đo 74 3.2 Tính tốn lựa chọn cấu hình hệ thống thu nhận ảnh 3D ánh sáng cấu trúc 79 3.2.1 Lựa chọn thiết bị chiếu vân 79 3.2.2 Lựa chọn máy ảnh 81 3.2.3 Tính tốn lựa chọn thấu kính cho máy ảnh đường sở 81 3.3 Kết luận 85 Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY 86 Xây dựng thiết bị quét 3D 86 DỰNG 4.1 4.1.1 Thông số cấu tạo thiết bị quét 86 4.1.2 Đồng tín hiệu máy ảnh máy chiếu 89 4.1.3 Xây dựng phần mềm xử lý thu nhận ảnh 3D chi tiết khí 91 4.2 Xác định thơng số hệ thống 93 4.3 Thực nghiệm xác định ma trận chuyển vị vị trí bàn máy 96 4.3.1 Bàn máy theo trục U 99 4.3.2 Bàn máy theo trục W 99 4.3.3 Bàn máy theo trục Z 100 4.4 Thực nghiệm thu ảnh 3D chi tiết khí 101 iv 4.4.1 4.4.2 Tạo ảnh chiếu mã Large-Gap Graycode dịch đường 101 Thông số thiết lập cho hệ thống 102 4.4.3 Chiếu thu nhận ảnh vân 102 4.4.4 Tính tốn ảnh 3D sử dụng ảnh độ sâu 104 4.5 Thực nghiệm phương pháp ảnh động dải rộng vân graycode dịch đường 108 4.5.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi giá trị cường độ dòng điện LED máy chiếu 4.5.2 108 Thí nghiệm 2: Thay đổi giá trị phơi sáng vân máy chiếu 109 4.5.3 Thí nghiệm 3: Thay đổi giá trị khuếch đại số máy ảnh 110 4.5.4 Thí nghiệm 4: Thay đổi giá trị tốc độ cửa trập máy ảnh 111 4.6 Hiệu chuẩn liệu quét 3D hệ thống với cầu chuẩn 114 4.7 Đánh giá độ xác đo hệ thống xây dựng sử dụng mẫu chuẩn 120 4.8 Thực nghiệm quét đo với số chi tiết khí 122 4.8.1 Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly 122 4.8.2 Thực nghiệm đo chi tiết piston 124 4.8.3 Quét số chi tiết khác 127 4.9 Kết luận 129 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 130 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 141 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Thuật ngữ tiếng Anh SL 3D Structured Light Three-dimensional CMM LCD Coordinates Measuring Machine Liquid Crystal Display DLP Digital Light Processing BNF Bilateral Normal Filter GMNF Guided Mesh Normal Filtering ICP Iterative Closest Point CAD Computer-aided design 10 SICP Sparse Iterative Closest Point 11 PS-R Point-Set Registration 12 RPMS Reference Point Markers 13 14 HDR High Dynamic Range Unwrap Phase vi Giải thích : Ánh sáng cấu trúc : Không gian 3D mô hình hình học có ba thơng số chiều dài, chiều rộng, chiều cao : Máy đo tọa độ : 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 không 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 khơng 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 rộng : Mở pha 15 16 17 18 19 CCD 20 CMOS Pin Hole Epipolar Scroll Shutter Global Shutter Charge Coupled Device Complementary MetalOxide-Semiconductor Stereo Vision 21 22 Correspondence Problem 23 : Lỗ nhỏ : Ảnh tâm chiếu máy ảnh : Màn trập dạng cuộn : Màn trập dạng toàn 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 Depth Map : Ảnh độ sâu 24 SLS Structured-light Stereo : Kỹ thuật lai sử dụng hai máy ảnh máy chiếu vân ánh sáng cấu trúc 25 PS Phase Shifting : 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 Field of View : Trường nhìn 29 30 FOV : Độ bóng xác định cách chiếu chùm ánh sáng có cường độ với góc cố định lên bề mặt đo lượng ánh sáng phản xạ góc đối diện ngược chiều Đơn vị đo GU Gloss 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 28 Bảng 2.2 Bảng mã Graycode mã hóa cho vân chiếu 28 n Bảng 2.3 Độ phân giải hệ thống với giá trị 29 Bảng 3.1 Thông số tính tốn FOV độ phân giải theo khoảng cách T .80 Bảng 3.2 Bảng thông số FOV độ phân giải máy ảnh theo chiếu sâu Z 84 Bảng 4.1 Thông số hiệu chuẩn máy ảnh hệ máy ảnh 96 Bảng 4.2 Bảng thông số thiết lập PWM cho LED 109 Bảng 4.3 Thông số thiết lập giá trị phơi sáng vân khác 110 Bảng 4.4 Thiết lập giá trị khuếch đại số khác cho máy ảnh 110 Bảng 4.5 Thiết lập giá trị tốc độ cửa trập khác cho máy ảnh 111 Bảng 4.6 Bảng so sánh số ảnh mẫu thời gian thực phương pháp HDR 114 Bảng 4.7 Sai số phép đo liệu hình cầu áp dụng phương pháp bình phương nhỏ 117 Bảng 4.8 Bảng giá trị phương trình hiệu chuẩn cho trục tọa độ 118 Bảng 4.9 Sai số phép đo cho liệu hình cầu áp dụng phương trình hiệu chuẩn 120 Bảng 4.11 Bảng kết đo chi tiết Puly (các số liệu đo thể bảng PHỤ LỤC 2) 124 Bảng 4.12 Bảng kết đo đường kính piston (các số liệu đo thể bảng PHỤ LỤC 2) 127 viii