báo cáo môn học kỹ thuật đo lường 3d đề tài dựng biên dạng 3d sử dụng smartphone

Với chỉ 3 bước đơn giản quét xung quanh đối tượng, xem trước và xử lý bản thô trên thiết bị sau đó bạn có thể tải hình ảnh 3D vừa quét về để sử dụng cho các mục đích riêng.. LỢI ÍCH KHI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học

BÁO CÁO MÔN HỌC

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 3D

Mục l c ụ

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D 2

1 GI ỚI THI U CHUNGỆ 2

1.1 XU HƯỚ NG VÀ ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG TRONG TƯƠNG LAI 3

1.2 LỢI ÍCH KHI ÁP DỤNG CÔNG NGH QUÉT 3DỆ 4

1.3 ỨNG DỤNG 3D SCANNING VÀO TH C TỰ Ế 5

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP VÀ 9

NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 9

1 LiDAR là gì? 9

2 C ẤU TẠO C M CỤ ẢM BI N LIDARẾ 10

CHƯƠNG 3:CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰNG BIÊN DẠNG SỬ DỤNG CAMERA SMARTPHONE 13

KẾT HỢP HỌC MÁY VÀ CH P NH C LY G N CHO TR Ụ Ả Ự Ầ Ẻ SƠ SINH ĐO ĐẦU 3D: MỘT GIẢI PHÁP DỰA TRÊN ĐIỆN THO ẠI THÔNG MINH 13

1 T ng quanổ 13

2 Công ngh phát hi n m c trên khuôn mệ ệ ố ặt 14

3 Phương pháp 15

4 K t quế ả 20

6 Ph n k t luầ ế ận 23

THIẾT K VÀ PHÁT TRIẾ ỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO SỨC M NH MẠ ỚI D A Ự TRÊN ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH VÀ MÁY VISION 25

1 Gi ới thiệ 25 u: 2 Tổng quan về cảm biế 26 n 3 Nguyên tắc và thuật toán đo lườ ng 27

4 Chi tiết thí nghiệ 29 m 5 Phân tích kết quả thực nghiệ 30 m 6 Sự ph thu c vào nhiụ ộ ệt độ 32

7 Kết luận 32

QUY TRÌNH QUÉT 3D DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP CHỤ ẢP NH DÀNH CHO NG Ứ D ỤNG THI T K Ế Ế NGƯỢ 34 C 1 T ng quanổ 34

2 Gi i thiớ ệu 35

3 Phương pháp thực hi ện 38

4 K t qu và mô phế ả ỏng 40

5 K t luế ận 43 OPTIFIT: NG DỨ ỤNG ĐIỆN THO I THÔNG MINH D A TRÊN TH GIÁC MÁY Ạ Ự Ị TÍNH ĐỂ ĐO BÀN CHÂN TỪ HÌNH ẢNH VÀ QUÉT 3D 45

1 Gi ới thiệ 45 u

2 Bối cả nh 46

3 Phương pháp 47

4 MÔ TẢ VÀ TRI N KHAI NG DỂ Ứ ỤNG 51

5 Đánh giá và thảo luận thử nghiệ 55 m

6 Kết luận 58

CHƯƠNG 4: TRẢ LỜI CÂU HỎI PHẢN BIỆN 59

1

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ và những cải tiến vượt bậc trong sản xuất, các công cụ đo ờng truyền thống không thể đáp ứng nhu lưcầu hiện tại của con người Chúng khó để đáp ứng các yêu cầu kiểm định khắt khe cho các bề mặt phức tạp, các biên dạng cong không đồng đều hay những vật liệu dễ biến dạng Ngay cả khi mất rất nhiều thời gian cho việc đo đạc thì độ chính xác cũng không cao, khó vận hành, kết quả đo lường không đáp ứng được tiêu chuẩn của nhà sản xuất

Vậy giải pháp để ắc phục điểm yếu đấy là gì ? Ngày nay với công nghệ Đo kiểkh m 3D không tiếp xúc hoặc tiếp xúc vớ ứng dụng công nghệ có thể dễ dàng giải quyếi t yếu điểm trên một cách dễ dàng, nó có thế thay thế hoàn toàn phương pháp truyền thống Một loạt các ngành công nghiệp đều đã và đang áp dụng phương pháp này trong việc sản xuất của mình Việc này giúp các nhà sản xuất tiết kiệm được rất nhiều tiền cũng như thời gian của mình trong quá trình sản xuất

Với môn học “Kỹ thuật đo lường 3D” này chúng em đã được tiếp cận, học hỏi rất nhiều thông tin cũng như kiến thức quý báu về phương pháp tiên tiến này Nhờ môn học này, chúng em đã có kiến thức cơ bản về phương pháp đo 3D để có thể làm nền tảng cho các nghiên cứu sau này

Qua bài báo cáo này do thời gian có hạn và giới hạn về mặt kiến thức chúng em sẽ trình bày một cách cơ bản và tập trung về DỰNG BIÊN DẠNG 3D VỚI

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3D

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Đo lường 3D là một phương pháp đo lường kích thước và hình dạng của các đối tượng trong không gian ba chiều Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, kiểm tra chất lượng, y tế và nhiều lĩnh vực khác Từ thời Ai Cập cổ đại, đo lường đã được sử dụng để hỗ trợ giao thương, xây dựng cơ sở

hạ tầng và ghi lại hoạt động của con người

BẢN CHẤT CỦA CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG 3D ?

Đôi khi chúng ta nhìn vào một vật thể có hình dáng vô cùng phức tạp và không biết làm thế nào để thu được tất cả các phép đo hình học của nó Việc đo lường này không thể sử dụng các dụng cụ đo bình thường hay được sử dụng Để làm được điều này, người ta đã sáng chế ra công nghệ đo lường 3D

Bản chất của công nghệ đo lường 3D là điều khiển ánh sáng hoặc bức xạ tại một vật thể và thu thập tất cả các phép đo cần thiết để tái tạo hoặc thiết kế lại vật thể đó một cách nhanh chóng Cùng một dữ liệu có thể sử dụng để thực hiện kiểm tra chất lượng hoặc phân tích kiểm tra cho một quyết định nhanh: đạt/không đạt trong sản xuất Đây là một công nghệ tuyệt vời giúp đánh giá lại chất lượng trong sản xuất và trở thành một công cụ ết yếu để đạt được và duy trì lợi thế cạnh tranh trong ngành thicông nghiệp

Máy đo 3D cầm tay Nhu cầu đo lường 3D sẽ tỉ lệ thuận với sự phức tạp của hình dạng đồ vật Khi đồ vật đơn giản, có thể chỉ cần các dụng cụ cầm tay để đo kích thước Nhưng khi hình dạng trở nên phức tạp hơn, các phương pháp quét tiếp xúc trở thành phương pháp đo lường

1.1 XU HƯỚNG VÀ ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG TRONG TƯƠNG

LAI

Không bao lâu nữa, con người có thể không cần phải can thiệp vào quá trình kiểm tra chất lượng, thay vào đó là hệ ống đo lường tự động 3D Các đội kiểm soát chấth t lượng có thể sử dụng hệ ống đó mà không cần xuống tận nơi điều khiển máy móc thTất cả đều được lập trình và tự động hóa giống, các hành động như được thực hiện bởi một con robot

Hiện nay, một số công ty đã sớm xây dựng bộ phần mềm hiện đại cho phép vận hành với nhiều hệ ống quét 3D khác nhau Trong tương lai, công nghệ đo lường 3D sẽ thtrở nên chính xác, nhẹ nhàng và dễ di chuyển hơn Phần mềm cũng đơn giản và dễ

sử dụng hơn, như sử dụng phần mềm trên điện thoại thông minh Ngoài ra, công nghệ định dạng 3D cũng sẽ ợc đưa vào trong mua sắm trực tuyến để người tiêu đưdùng có thể nhìn thấy được hình ảnh chân thực nhất của sản phẩm

Đo lường 3D đang đem lại rất nhiều lợi ích và liên tục được cải tiến, thông minh hơn, nhẹ nhàng hơn, nhanh nhạy hơn Việc lựa chọn các sản phẩm đo lường 3D còn phụ thuộc rất nhiều vào lĩnh vực kinh doanh, hoạt đột của mỗi doanh nghiệp

Hay là phần mềm mạnh mẽ itSeez3D cho phép bạn chụp, chia sẻ và áp dụng các mô hình 3D một cách dễ dàng, phần mềm có thể hoạt động tốt trên tất cả thiết bị di động được hỗ trợ cảm biến cấu trúc hoặc máy ảnh Intel RealSense 3D

Với chỉ 3 bước đơn giản quét xung quanh đối tượng, xem trước và xử lý bản thô trên thiết bị sau đó bạn có thể tải hình ảnh 3D vừa quét về để sử dụng cho các mục đích riêng

1.2 LỢI ÍCH KHI ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ QUÉT 3D

Sử dụng công nghệ quét 3D mang lại một số lợi ích cho người dùng như:

- Tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian

Với những chi tiết có tính phức tạp và cần đến độ chính xác cao thì công nghệ quét 3D sẽ cho ra kết quả nhanh và chính xác dù ở những góc khuất hoặc bề mặt phức tạp Dữ liệu quét 3D có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng sau đó tùy theo từng lĩnh vực cụ thể

- Cải tiến thiết kế

Cải tiến và sáng tạo dựa trên một thiết kế, sản phẩm có sẵn Sẽ giúp bạn tiết kiệm được rất nhiều về mặt chi phí và thời gian Công nghệ quét 3D có khả năng sao chép lại biên dạng, kích thước của vật mẫu Từ dữ liệu 3D này, bạn có thể sử dụng để làm chuẩn lắp ghép, chuẩn chức năng,… Sau đó, thực hiện cải tiến lại một số vị trí hoặc thiết kế thêm chức năng mới nhằm giảm chi phí sản xuất Bên

sử dụng công nghệ scan 3D hiện đại

- Kiểm tra chính xác

Với những sản phẩm có biên dạng phức tạp, nếu dùng máy đo kính phóng hay thước kẹp thì không thể đo hết được Nếu dùng máy đo CMM thì lại tốn rất nhiều chi phí, thời gian để thiết kế và chế tạo đồ gá mẫu đo Bên cạnh đó, gia công đồ

gá cũng dễ xảy ra sai số

Vậy nên, giải pháp hiệu quả bạn nên sử dụng đó là dùng công nghệ đo kiểm 3D inspection Dữ liệu quét 3D cho phép đo chính xác sai lệch bề cong phức tạp Và hiển thị 3D màu trực quan với thời gian nhanh chóng và chính xác mà vẫn đảm bảo tiết kiệm chi phí thiết kế và chế tạo đồ gá đo

1.3 ỨNG DỤNG 3D SCANNING VÀO THỰC TẾ

Nghiên cứu & Phát triển sản phẩm:

- Công nghệ scan 3D được nhiều doanh nghiệ ứng dụng trong sản xuất, kinh p doanh nhằm tối ưu chi phí và nâng cao lợi nhuận

- Với việc áp dụng quét 3D, doanh nghiệp sẽ rút ngắn được thời gian thiết kế, chế tạo mẫu thử hoặc tối ưu thời gian kiểm tra chất lượng sản phẩm

- Bên cạnh đó, trong bối cảnh nền kinh tế thị trường phát triển như hiện nay, việc các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ 3D vào trong sản xuất là điều vô cùng cần thiết Nó sẽ mang đến phương thức kinh doanh hoàn toàn mới Phát huy tối đa khả năng sáng tạo của người dùng và tạo ra sản phẩm chất lượng

KIM HOÀN :

Kim hoàn vốn là một nghề đòi hỏi sự tỉ mỉ và tính chính xác cao để tạo ra những sản phẩm chất lượng Điều này đã làm cho quá trình sản xuất theo phương thức truyền thống mất khá nhiều thời gian và công sức Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ ện đại Cụ ể là công nghệ quét 3D đã giúp cho quá trình chế tác diễn ra hi thnhanh chóng và thuận lợi hơn

Trong lĩnh vực kim hoàn, công nghệ 3D có tiềm năng ứng dụng rất lớn

Ứng dụng thiết kế

Các mẫu mã có thể ợc cải tiến để đáp ứđư ng các nhu cầu khác nhau của thị trường Việc số hóa các mẫu thiết kế có sẵn sẽ giúp quá trình thiết kế ợc đẩy nhanh hơn, đưgiúp rút ngắn thời gian chờ ạo lợi thế cạnh tranh cho doanh nghiệp kim hoàn., t

Quy trình thiết kế ngược điển hình:

Với quy trình thiết kế ngược, khả năng cải tiến thiết kế sẽ trở nên dễ dàng hơn và đa dạng hơn Khả năng thiết kế cá nhân hóa do đó cũng được đáp ứng tốt hơn

Số hóa 3D đang trở thành một công cụ hữu hiệu trong marketing và bán hàng khi những hạn chế của việc đi lại gia tăng do dịch bệnh Nhờ các hình ảnh số hóa 3D có tính trực quan cao, khách hàng có thể ải nghiệm sản phẩm thông qua AR/VR mộtr t cách an toàn và dễ dàng dù ở bất cứ đâu Các mẫu thiết kế cũng được lưu trữ một cách dễ dàng hơn bằng các dữ liệu số

7

Ứng dụng sản xuất chế tạo

Công nghệ in 3D đượ ứng dụng phổ ến trong lĩnh vực kim hoàn để sản xuất các c bimẫu sáp Với công nghệ in 3D SLA laser, độ chính xác mẫu sáp được đảm bảo Không những thế, công nghệ in 3D giúp các nhà thiết kế phát huy tối đa tính sáng tạo nhờ ả năng gia công không giới hạn của nó.kh

Y TẾ :

Công nghệ quét 3D đượ ứng dụng vào trong lĩnh vực y tế ủ yếu được các bác sĩ c chdùng để nghiên cứu về bộ ận cơ thể ph người Nhờ đó, rút ngắn thời gian hội chuẩn bệnh và đưa ra kết quả chính xác hơn

Không những ế, việc kết hợp quét và in 3D còn giúp nhanh chóng tạo ra các cơ thquan phù hợp để thay thế bộ ận cơ thể ph người có tính tương thích cao Hiện nay,

đã có nhiều bệnh viện đề ứng dụng công nghệ này trong nhiều chuẩn đoán và điều u trị bệnh

Ứng dụng scan quét 3D trong lĩnh vực y tế

KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SẢN XUẤT:

Trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, công nghệ quét 3D được sử dụng khá phổ biến Thông thường, sản phẩm sau khi sản xuất xong sẽ tới bước kiểm tra chất lượng theo đúng quy trình Nhằm đả bảo đạt yêu cầu trước khi đưa ra thị trường Công nghệ m

đo kiểm với máy quét 3D cho phép đo những sản phẩm có các chi tiết và kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao một cách nhanh chóng

9

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

iPhone 12 Pro là smartphone đầu tiên của Apple, tích hợp cảm biến độ sâu LiDAR vào cụm camera chính ở phía sau để đo khoảng cách và hỗ ợ lấy nét mở những môi trường thiếu sáng tr Vậy thực tế thì LiDAR có thể làm gì?

1 LiDAR là gì?

Trong khi radar được thiết kế để sử dụng ở khoảng cách xa thì LiDAR lại hoạt động

ở quy mô nhỏ hơn, do bước sóng ánh sáng mà nó phát ra sẽ được các vật thể hấp thụ/tán xạ trên đường đi Thông qua việc phát ra hàng trăm nghìn xung ánh sáng mỗi giây, máy quét LiDAR có thể xác định khoảng cách và kích thước vật thể với độ chính xác tương đối trong khoảng cách nhỏ nhờ vào khoảng thời gian nhận lại sự phản xạ của tia sáng phát đi

Bản đồ độ sâu do máy quét LiDAR của iPhone 12 Pro giúp tái tạo không gian trước camera Thực tế, LiDAR thực sự có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp Các nhà khảo cổ có thể sử dụng nó để chuẩn bị địa điểm đào và các phương tiện tự hành dựa vào khả năng xây dựng bản đồ 3D thời gian thực về môi trường xung quanh chúng

LiDAR thậm chí còn được sử dụng để tạo bản đồ đường đua có độ chính xác cao và thực tế cao trong các trò chơi điện tử, như Project CARS Ngoài ra, súng bắn tốc độ của cảnh sát cũng sử dụng LiDAR

LiDAR giúp camera của bộ đôi iPhone 12 Pro lấy nét nhanh hơn trong điều kiện thiếu sáng Công nghệ LiDAR đã từng xuất hiện trước đây trên ô tô tự lái Nguồn: IEEE

2 CẤU TẠO CỤM CẢM BIẾN LIDAR

Công nghệ LiDar đã từng xuất hiện trước đây trên xe tự lái

Nguồn: IEEE

11

Cấu tạo cụm cảm biến LiDar

phát ra bề mặt khoang dọc, hay còn gọi là VCSEL được sử dụng làm thiết bị đầu cuối phát phát ra chùm ánh sáng hồng ngoại tới vật thể, được cảm biến hình ảnh CMOS thu nhận lại sau khi phản xạ Khoảng thời gian này của chùm tia được gọi là thời gian bay (ToF).

Ảnh minh họa cơ chế ạt động của máy quét LiDar trên iPhoneho

Thời gian bay được chia thành thời gian bay trực tiếp (dToF) và thời gian bay gián tiếp (iToF) Thiết bị đầu phát ra tín hiệu ánh sáng tớ mục tiêu để đo trực tiếp thời i gian photon thực hiện từ khi khởi hành đến khi quay trở lại; thiết bị phát thứ hai phát

ra một loạt sóng ánh sáng được điều tiết để đo thời gian bay bằng cách phát hiện sự lệch pha giữa sóng ánh sáng tới và lui

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LiDAR có trên Ipad Pro và Iphone 12

Tốc độ ánh sáng là hằng số cố định, có được thời gian bay chúng ta có thể dễ dàng tính ra khoảng cách đến vật thể mục tiêu Nguyên lý phạm vi này tương tự như radar Tuy nhiên, LiDAR dựa trên laser xung, có bước sóng ngắn hơn và tần số cao hơn so với sóng vô tuyến được sử dụng bởi radar, có thể thu được hình ảnh với độ phân giải cao hơn, với độ chính xác đến centimet hoặc thậm chí là milimet

Chính vì vậy, LiDAR đượ ứng dụng nhiều nhất trong các lĩnh vực đo đạc bản đồc , tái tạo bản đồ 3D, lái xe tự hành…

35

tiếp cận khác đối với máy quét 3D là chụp ảnh, đó là một cách tiếp cận chi phí thấp

vì nó yêu cầu thiết bị ít phức tạp hơn, cụ ể là máy kỹ thuật số máy ảnh và phầth n mềm Tuy nhiên, nó có một số vấn đề ất định như tỷ lệ không chính xác và thấnh p

độ phân giải của các bản quét đã hạn chế ệc sử dụng nó trong thiết kế ngược Vì vivậy, hiện tại nghiên cứu nhằm mục đích giải quyết những vấn đề nêu trên bằng cách

đề xuất một giải pháp cho vấn đề mở rộng quy mô và để chứng minh tình trạng hiện tại của công nghệ máy ảnh giá rẻ và các thuật toán phần mềm có thể tạo các bản quét 3d hiệu quả cho thiết kế ngược

chọn Ở nghiên cứu này, một máy ảnh điện thoại thông minh là lần đầu tiên được sử dụng để chụp ảnh thiết bị từ nhiều góc độ Những hình ảnh này sau đó đã được tải lên đến Agisoft Metashape professional, để tạo bản quét 3D của nó Kích thước của bản quét 3D này được so sánh với phần ban đầu cho thấy độ lệch chỉ 0,0357 mm, cho thấy nó ứng dụng hợp lý cho một thành phần cơ khí Cuối cùng, sử dụng Geomagic Design X quét đã được sử dụng để tạo mô hình 3d 1-1 của bánh răng côn

2 ới thiệGi u

- Quét 3d đã trở thành một thành phần thiết yếu của Thiết kế và Thiết kế ngược các quy trình dành cho kỹ sư Thiết kế Cơ khí Thật không may, kỹ thuật này thường không tiếp cận với hầu hết các kỹ sư do thiết bị quét 3d có giá cao ngất ngưởng

Thunk3D Fisher S (5000-6500$)

EinScan Pro HD (4500-5500$)

ảnh, tức là chụ ảnh một đối tượng từ nhiều góc độ và tải những hình ảnh đó lên p phần mềm chuyên dụng, phần mềm này sẽ tạo các đám mây điểm từ các đặc điểm chồng chéo của các ảnh này và sau đó biến chúng thành một lưới mà còn có thể được gọi là bản quét 3d của một đối tượng

mang lại nhiều giá trị hơn so với máy quét 3d truyền thống trên thị trường do nó

rất rẻ khi so sánh với thiết bị quét 3d truyền thống (máy quét ánh sáng trắng quang học hoặc máy quét laser) Tuy nhiên, những bản quét 3d này có một lỗ hổng, các bản quét không được chia tỷ lệ chính xác Điều này có nghĩa là kích thước của đối tượng không thể ợc biểu diễn bằng cách sử dụng các bản quét này, tuy nhiên, đưthông tin hình dạng thường chính xác và cao chất lượng Điều này cùng với chất lượng quét kém đã khiến nhiều người nản lòng trong nhiều năm

- Các kỹ sư cơ khí theo đuổi phương pháp chụ ảnh như một giải pháp thay thế p khả thi cho việc quét 3d để mục đích thiết kế ngược hoặc họ đã sử dụng kỹ thuật này như một hỗ ợ xử lý trước khi thực hiện các hoạt động quét 3d thích hợp, vì nó tryêu cầu 3d có độ chính xác cao quét Tuy nhiên với sự ến bộ của công nghệ ticamera giá rẻ và độ chính xác cao của thuật toán phần mềm, vấn đề này được giải quyết đúng cách và bài viết này nhằm mục đích chứng minh làm thế nào máy ảnh điện thoại thông minh ngày nay kết hợp với phần mềm tiên tiến có thể tạo ra độ chính xác cao cho một đối tượng được quét cụ thể

- Quét 3d nhằm mục đích hỗ ợ ết kế tr thi ngược của Kỹ sư cơ khí

- Giá đỡ máy ảnh để ụp những bứ ảnh chất lượng cao ch c

- Điểm đánh dấu được in cho độ chính xác của thang đo

Các cài đặt này phải thống nhất cho tất cả các hình ảnh

Tiếp theo, ảnh của đối tượng được chụp từ nhiều góc độ bằng cách xoay nhẹ bàn xoay trong giữa mỗi bứ ảnh c

Thiết lập thử nghiệm