Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 10 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 10 Các đóng góp luận án 11 Nội dung luận án 12 Phƣơng pháp nghiên cứu 13 CHƢƠNG 14 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 14 1.1 Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 14 1.2 Nguyên lý phƣơng pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc đo lƣờng biên dạng 3D 18 1.2.1 Nguyên lý phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 18 1.2.2 Khái niệm phân loại ánh sáng cấu trúc 19 1.2.3 Hệ chiếu mẫu vân sáng 27 1.2.4 Hệ thu ảnh vân 29 1.3 Các mơ hình biến thể kỹ thuật phƣơng pháp đo ánh sáng cấu trúc 31 1.3.1 Hệ thống đo biên dạng 3D Srinivasan 32 1.3.2 Hệ thống đo biên dạng 3D Toyooka Iwaasa 34 1.3.3 Hệ thống đo biên dạng 3D Hu 35 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 38 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 38 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 43 1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu luận án 45 CHƢƠNG 47 PHƢƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA 47 2.1 Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha 47 2.1.1 Cơ sở phƣơng pháp dịch pha 47 2.1.2 Đo lƣờng biên dạng 3D phƣơng pháp dịch pha 49 2.1.3 Các thuật toán dịch pha 53 2.1.4 Các phƣơng pháp gỡ pha 56 2.1.5 Đặc điểm phƣơng pháp dịch pha 59 2.2 Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ xác gỡ pha phƣơng pháp dịch pha 59 2.2.1 Phƣơng pháp mã hóa Gray 59 2.2.2 Nghiên cứu phƣơng pháp gỡ pha mã hóa Gray phƣơng pháp dịch pha 62 2.3 Xác định tọa độ điểm đo phƣơng pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 67 2.3.1 Nguyên lý tam giác lƣợng xác định tọa độ điểm đo [31] 67 2.3.2 Xây dựng phƣơng pháp xác định tọa độ điểm đo 70 2.4 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn 73 2.4.1 Phƣơng pháp hiệu chuẩn camera 73 2.4.2 Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn hệ thống camera máy chiếu 74 2.5 Kết luận chƣơng 77 CHƢƠNG 78 CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƢƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 78 3.1 Xây dựng sở tính tốn thiết kế cụm cảm biến 78 3.1.1 Xác định khoảng dịch chuyển cụm cảm biến 79 3.1.2 Xác định vị trí tính tốn lựa chọn camera máy chiếu 80 3.2 Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo 81 3.2.1 Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu 82 3.2.2 Thuật toán xử lý liệu ảnh 89 3.2.3 Thuật toán xác định đám mây điểm đo 93 3.2.4 Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống 97 3.3 Đánh giá sai số ảnh hƣởng đến độ xác thiết bị đo 99 3.3.1 Ảnh hƣởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ xác [31] 100 3.3.2 Ảnh hƣởng độ xác pha đến độ xác phép đo 102 3.3.3 Ảnh hƣởng quang sai đến độ xác 104 3.4 Áp dụng tính tốn cho thiết bị thực nghiệm STL – 106 3.4.1 Tính tốn thiết kế cụm cảm biến 106 3.4.2 Xác định cấu hình hệ thống điều khiển 108 3.4.3 Xây dựng thuật toán điều khiển 109 3.5 Kết luận chƣơng 110 CHƢƠNG 111 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 111 4.1 Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 111 4.2 Tạo mẫu ảnh chiếu 113 4.3 Hiệu chuẩn đặc tính quang cụm cảm biến 117 4.3.1 Hiệu chuẩn phân bố cƣờng độ sáng máy chiếu 117 4.3.2 Hiệu chuẩn màu cho cảm biến 122 4.3.3 Hiệu chuẩn cƣờng độ sáng ảnh xám 122 4.3.4 Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – sử dụng ô vuông bàn cờ 125 4.4 Xác định độ xác thiết bị đo 127 4.4.1 Khảo sát độ phân giải sở 127 4.4.2 Đo mẫu trụ chuẩn 130 4.4.3 Đo mẫu khối cầu chuẩn 133 4.5 Một số kết thử nghiệm thiết bị STL - 135 4.5.1 Kết đo phƣơng chiếu 135 4.5.2 Ảnh mơ liệu qt qt tồn vật thể sử dụng phƣơng chiếu136 4.5.3 Ứng dụng thiết bị lĩnh vực an ninh 138 4.6 Kết luận chƣơng 139 KẾT LUẬN 140 KIẾN NGHỊ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 151 PHỤ LỤC 152 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2D Không gian chiều 3D Không gian chiều CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển máy tính) I(x, y) Cƣờng độ sáng điểm (x,y) I0(x, y) Cƣờng độ sáng thành phần Imod(x, y) Biên độ tín hiệu điều chế (x, y) Thành phần pha θ Hằng số dịch pha u Phƣơng ngang cảm biến ảnh v Phƣơng dọc cảm biến ảnh α Góc nghiêng hai phƣơng u, v k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trƣng quang sai fx Tiêu cự theo trục x fy Tiêu cự theo trục y R Ma trận quay T Ma trận chuyển vị X(C) Y( C) Z(C) Hệ tọa độ camera XYZ Hệ tọa độ máy X(P) Y( P) Z(P) Hệ tọa độ máy chiếu N Số bƣớc dịch pha n Số ảnh phƣơng pháp dịch pha p Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha Ф (x, y) Pha tuyệt đối L Khoảng cách hệ tâm camera máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu d Khoảng cách tâm camera máy chiếu CCD Cảm biến camera DMD Cảm biến máy chiếu IP Cƣờng độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (IP = ÷255) IC Cƣờng độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (IC = ÷255) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc thị trường 17 Bảng Giá trị mã hóa bit mẫu chiếu Gray 65 Bảng Mã hóa bit mẫu ảnh chiếu Gray 113 Bảng Ảnh hưởng cường độ chu kì phương pháp dịch pha 120 Bảng Kết xác định ảnh pha 121 Bảng Kết hiệu chuẩn thiết bị 126 Bảng Kết đo chi tiết trụ chuẩn 132 Bảng Kết đo chi tiết cầu chuẩn 134 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 14 Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động máy bay [18] 15 Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc gia công khí [5] 15 (a) Đo chi tiết khí; b) Đo khn nhựa 15 Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế đo lường ánh sáng cấu trúc công nghiệp sản xuất ô tô [44] 16 Hình 1.5 Một số ứng dụng thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 16 Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] 19 Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] 20 Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh 3D với N= 3, M= mơ hình tối ưu hóa khơng gian Hilbert [114] 20 Hình 1.9 Phương pháp dịch pha bước [61] 21 Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132] 21 Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo kết hợp màu [61] 22 Hình 1.12 Đánh dấu đường cách sử dụng màu sắc [61] 22 Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] 23 Hình 1.14 Mẫu chiếu đường lặp lặp lại mẫu mức xám [61] 23 Hình 1.15 Mơ tả dãy De Bruijn [110] 24 Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] 24 Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x [48] 25 Hình 1.18 Mơ hình mã nhỏ [84] 25 Hình 1.19 Mơ hình lưới màu sắc [2] 26 Hình 1.20 Mơ hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] 26 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu LCD 27 Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh chip DMD [28] 28 Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo máy chiếu LCD DLP 29 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD 30 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng 30 Ảnh khơng có quang sai (a) ảnh có quang sai (b) 31 Hình 1.27 Mơ hình tốn học cho sơ đồ bố trí tổng qt[135] 31 Hình 1.28 Hệ thống SMFP mơ hình tốn học Srinivasan [113] 33 Hình 1.29 Mơ hình tốn học cho hệ thống SMFP Toyooka Iwaasa 34 Hình 1.30 Mơ hình tốn học cho hệ thống SMFP Hu đề xuất 36 Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D phương pháp chiếu mẫu vân 38 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ 41 Hình 2.1 Phương pháp dịch pha giao thoa Twyman – Green [17] 48 Hình 2.2 Sơ đồ khối trình đo theo phương pháp dịch pha 49 Hình 2.3 Nguyên lý xác định độ cao điểm đo chi tiết 51 Hình 2.4 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha 52 Hình 2.5 Mẫu chiếu dạng mã Gray 60 Hình 2.6 Quá trình đo theo phương pháp Gray 62 a) Ảnh chụp chi tiết đo, b) ảnh pha theo hai phương; c) ảnh mô điểm đo 3D 62 Hình 2.7 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh 63 Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng chu kì đầu mẫu chiếu 64 Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray bit 64 Hình 2.10 Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha mã hóa Gray 66 Hình 2.11 Xác định pha phương pháp kết hợp 66 Hình 2.12 Sơ đồ mơ hình toán học cho thiết bị [31] 67 Hình 2.13 Sơ đồ hình học xác định độ cao điểm đo 68 Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo 71 Hình 2.15 Phương pháp xác định đường vng góc chung đường thẳng chéo 72 Hình 2.16 Xác định tọa độ 3D điểm M 72 Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] 74 Sơ đồ hệ thống phát thu ánh sáng cấu trúc 75 Quy ước hệ tọa độ gốc ảnh camera máy chiếu 75 Hình 2.20 Nguyên lý hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc 76 Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 79 Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển cụm cảm biến 80 Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera máy chiếu 80 Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo 82 Hình 3.5 Lưu đồ thuật tốn tạo mẫu ảnh Gray 85 Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn tạo mẫu ảnh sin 86 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn chiếu chụp ảnh trình đo 88 Hình 3.8 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu điều khiển trình chiếu chụp 88 Hình 3.9 Sơ đồ thuật tốn giải mã phương pháp mã hóa Gray 90 Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán xác định pha tương đối phương pháp dịch pha 91 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối 92 Hình 3.12 Giao diện phần mềm thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 93 Hình 3.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm đường thẳng đường thẳng 93 Hình 3.14 Trung điểm p1,2(λ1,λ2) với giá trị (hình trái) λ1,λ2 94 với giá trị tối ưu (hình phải) 94 Hình 3.15 Sơ đồ thuật tốn xác định đám mây điểm đo theo phương pháp hai đường thẳng giao 96 Hình 3.16 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chuẩn thiết bị 97 Hình 3.17 Sơ đồ thuật tốn hiệu chuẩn thiết bị dùng mẫu in ô vuông bàn cờ 98 Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng sai số hệ thống ΔL/L tới ΔZL/ΔZ 101 Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng sai số hệ thống Δd/d tới ΔZd/ΔZ 101 Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng sai số hệ thống Δα/α tới ΔZα/ΔZ với k số 102 Hình 3.21 Hình trụ độ khơng đảm bảo đo điểm đo 105 Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera máy chiếu 107 Hình 3.23 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 108 Hình 3.24 Sơ đồ thuật tốn điều khiển động 109 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 111 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo 112 Giao diện phần mềm điều khiển xử lý liệu đo 113 Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray 114 115 Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng phương pháp dịch pha 115 Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha 116 Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ bước dịch pha 117 Hình 4.8 Hình ảnh chụp từ camera chiếu mẫu lên bảng trắng 118 Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố không gian chiếu đường (a), (b), (c), (d) 118 Hình 4.10 Ảnh hưởng phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray 119 Hình 4.11 Biểu đồ thể tương quan màu hệ cảm biến thiết bị 122 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu cường độ sáng ảnh thu cảm biến 123 Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu 124 Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn 124 Hình 4.15 Xác định góc vng ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ 125 Hình 4.17 Hình ảnh thể phân bố điểm đo đo mặt phẳng 130 Hình 4.18 Kết kích thước đo mẫu trục chuẩn máy CMM 131 Hình 4.19 Hình ảnh mơ chi tiết trụ đo 131 Hình 4.20 Đồ thị thể quan hệ độ phân giải sở khoảng dịch chuyển h 132 133 Hình 4.21 Đồ thị thể kết đo trụ chuẩn 133 Hình 4.22 Hình ảnh mơ kết đo cầu chuẩn 134 Hình 4.23 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 136 Hình 4.24 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 137 Hình 4.25 Kết liệu 3D phục vụ công tác an ninh 138 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D vật thể có ý nghĩa lớn nhiều lĩnh vực sống ngành khoa học kỹ thuật nhƣ: đo lƣờng kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lƣợng q trình sản xuất, cơng nghệ thiết kế ngƣợc, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng tái tạo di sản văn hóa, khảo cổ Các thiết bị đo quét 3D cung cấp liệu bề mặt biên dạng chi tiết dƣới dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu đƣợc tái tạo lại biên dạng vật thể, từ xác định thơng tin hình dạng, màu sắc, kích thƣớc, góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau… Những thơng tin thu đƣợc từ hình ảnh 3D giúp cho khả quan sát, nhận dạng, mơ xác Hai nhóm phƣơng pháp đo biên dạng 3D vật thể là: đo tiếp xúc không tiếp xúc Phƣơng pháp đo tiếp xúc sử dụng đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo nhƣ máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm phƣơng pháp đo tiếp xúc phƣơng pháp đo điểm, điểm đƣợc xác định đầu dò tiếp xúc học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu tọa độ điểm đo hệ tọa độ máy với thời gian xác định điểm đo lên đến phần mƣời giây để đo chi tiết thƣờng lâu Phép đo có sai số kích thƣớc đầu dị khó đo chi tiết hình dạng phức tạp có bề mặt khơng xác định Giá thành thiết bị đo tiếp xúc thƣờng cao phận cảm biến đầu dò đƣợc mang hệ thống khí địi hỏi độ xác cao Phƣơng pháp đo khơng tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm phƣơng pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập liệu điểm đo đƣợc phân loại thành dạng phƣơng pháp là: quét chủ động quét bị động Phƣơng pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào tán xạ, phản xạ bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có nguyên lý nhƣ: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lƣợng (đo laser, ánh sáng cấu trúc) Phƣơng pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng hình ảnh vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phƣơng pháp ảnh lập thể (mô lại cách quan sát mắt ngƣời), phƣơng pháp quang trắc, phƣơng pháp dựa vào bóng vật Phƣơng pháp đo khơng tiếp xúc đo đƣợc bề mặt chi tiết có kích thƣớc lớn nhƣ: cơng trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy chi tiết có bề mặt vơ định hình Phƣơng pháp đo chủ động có độ xác cao song phƣơng pháp đo bị động thƣờng có tốc độ đo nhanh Hầu hết thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao đến hàng triệu ảnh giây, số điểm đo tƣơng ứng với số điểm ảnh camera nên tốc độ đo nhanh, có khả đo quét chi tiết trực tuyến Trong đó, phƣơng pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ xác cao, tốc độ đo nhanh nên đƣợc tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực Tại Việt Nam, sản xuất cơng nghiệp khí phát triển đặc biệt công nghệ gia công máy CNC nên việc gia công chế tạo sản phẩm khí đa dạng phục vụ nhiều ngành cơng nghiệp nhƣ: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu liền phát triển với nhu cầu đo kiểm tra biên dạng 3D Với doanh nghiệp nƣớc việc đầu tƣ vài trăm nghìn USD cho thiết bị đo biên dạng 3D khó khăn, sản phẩm muốn kiểm tra thƣờng thông qua đo dịch vụ trung tâm đo lƣờng dẫn đến làm giảm suất hiệu trình sản xuất Mặt khác, thiết bị đo nhập tính kĩ thuật không đƣợc khai thác hết phụ thuộc vào phần mềm hãng cung cấp, trình bảo dƣỡng sửa chữa có tính chun gia nên khơng thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo giúp cho sử dụng hiệu có khả tự chế tạo Việt Nam từ cho phép ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lƣợng nhƣ phát triển ngành khí Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc vấn đề lĩnh vực đo lƣờng nƣớc Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ xác ứng dụng thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao lực sản xuất nƣớc giúp cho doanh nghiệp chủ động việc tiếp cận công nghệ tiên tiến đại giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lƣờng Xuất phát từ yêu cầu thực tế tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phƣơng pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc” Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a) Mục đích đề tài Nghiên cứu phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lƣờng biên dạng 3D chi tiết khí từ làm chủ cơng nghệ đo, xây dựng sở tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo Việt Nam b) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu luận án đo lƣờng bề mặt 3D chi tiết khí đƣợc gia cơng thiết bị CNC, rèn dập, sản phẩm đúc Nghiên cứu phƣơng pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin phƣơng pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm sở cho việc xây dựng phƣơng pháp đo kết hợp nhằm tăng độ xác phép đo  Phạm vi nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo chi tiết có độ phản xạ khơng cao, đạt độ xác 0,05 mm phạm vi đo 200x200x200 mm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học  Nội dung nghiên cứu luận án trình bày hệ thống phƣơng pháp đo ánh sáng cấu trúc phƣơng pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết kỹ thuật đo phƣơng pháp dụng cụ đo loại  Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phƣơng pháp mã hóa Gray để gỡ pha 10 [52] J Vanherzeele, P Guillaume, S Vanlanduit (2005) Fourier fringe processingusing a regressive Fourier-transform technique, Opt Laser Eng 43 (6) 645–658 [53] J Zhong, H Zeng (2007) Multiscale windowed Fourier transform for phaseextraction of fringe patterns, Appl Opt 46 (14) 2670–2675 [54] J Villa, M Servin (1999) Robust profilometer for the measurement of 3-D object shapes based on a regularized phase tracker, Opt Laser Eng 31 (4) 279–288 [55] J -F Lin, X -Y Su (1995) Two-dimensional Fourier transform profilometry forthe automatic measurement of three-dimensional object shapes, Opt Eng 34 (11) 3297–3302 [56] J Zhong, J Weng (2004) Spatial carrier-fringe pattern analysis by means of wavelet transform: Wavelet transform profilometry, Appl Opt 43 (26) 4993–4998 [57] J Kozlowski, G Serra (1997) New modified phase locked loop method forfringe pattern demodulation, Opt Eng 36 (7) 2025–2030 [58] J Meneses, T Gharbi, P Humbert (2005) Phase-unwrapping algorithm for images with high noise content based on a local histogram, Appl Opt 44 (7) 1207–1215 [59] J M Huntley and H O Saldner (1993) Temporal phase-unwrapping algorithm for automated interferogram analysis Applied Optics, 32(17):3047–3052 [60] J Zhong, J Weng (2004) Dilating Gabor transform for the fringe analysis of 3-D shape measurement, Opt Eng 43 (4) 895–899 [61] J Geng (2011) Structured-light 3D surface imaging: a tutorial‖, IEEE Intelligent Transportation System Society, Advances in Optics and Photonics, vol [62] K L Boyer and A C Kak (1987) Color-encoded structured light for rapid active ranging, IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell 9(1), 14–28 [63] K Iwata, F Kusunoki, K Moriwaki, H Fukuda, T Tomii (2008) Threedimensional profiling using the fourier transform method with a hexagonal grating projection, Appl Opt 47 (12) 2103–2108 [64] K Okada, E Yokoyama, H Miike (2007) Interference fringe pattern analysis using inverse cosine function, Electronics and Communications in Japan, Part II: Electronics 90 (1) 61–73 [65] L Zhang, B Curless, and S M Seitz Rapid shape acquisition using colorstructured light and multi-pass dynamic programming, in First International Symposium on 3D Data Processing Visualization and Transmission, [66] L Chen, C Quan, C J Tay, Y Fu (2005) Shape measurement using one frame projected sawtooth fringe pattern, Opt Commun 246 (4-6) 275– 284 [67] L Yuan, J Yang, C Guan, Q Dai, F Tian (2008) Three-core fiber-based shapesensing application, Opt Lett 33 (6) 578–580 [68] L Zhongwei, S Yusheng, W Congjun, W Yuanyuan (2008) Accurate calibration method for a structured light system, Opt Eng 47 (5) [69] M Maruyama and S Abe (1993) Range sensing by projecting multiple slitswith random cuts, IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell 15(6), 647–651 145 [70] M K Kalms, W P Jueptner, W Osten (1997) Automatic adaption of projected fringe patterns using a programmable LCD-projector, Proc SPIE 3100156–165 [71] M Yokota, A Asaka, T Yoshino (2003) Stabilization improvements of laserdiode closed-loop heterodyne phase-shifting interferometer for surface profile measurement, Appl Opt 42 (10) 1805–1807 [72]M Takeda, K Mutoh (1983) Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes, Appl Opt 22 (24) 3977– 3982 [73] M A Sutton, W Zhao, S R McNeill, H W Schreier, Y J Chao (2001) Development and assessment of a single-image fringe projection method fordynamic applications, Experimental Mechanics 41 (3) 205–217 [74] M A Gdeisat, D R Burton, M J Lalor (2006) Eliminating the zero spectrumin Fourier transform profilometry using a two-dimensional continuous wavelet transform, Opt Commun 266 (2) 482–489 [75] M Dai, Y Wang (2009) Fringe extrapolation technique based on Fourier transform for interferogram analysis with the definition, Opt Lett 34 (7)956–958 [76] M A Gdeisat, D R Burton, M J Lalor (2006) Spatial carrier fringe pattern demodulation by use of a two-dimensional continuous wavelet transform, Appl Opt 45 (34) 8722–8732 [77] M A Gdeisat, D R Burton, M J Lalor (2005) Fringe-pattern demodulationusing an iterative linear digital phase locked loop algorithm, Opt Laser Eng 43 (7) 31–39 [78] M R Sajan, C J Tay, H M Shang, A Asundi (1998) Improved spatial phase detection for profilometry using a TDI imager, Opt Commun 150 (1-6) 66–70 [79] M Chang, D Wan (1991) On-line automated phase-measuring profilometry,Opt Laser Eng 15 (2) 127–139 [80] M Servin, F J Cuevas, D Malacara, J L Marroquin, R RodriguezVera (1999) Phase unwrapping through demodulation by use of the regularizedphase-tracking technique, Appl Opt 38 (10) 1934–1941 [81] M Heredia-Ortiz, E A Patterson (2003) On the industrial applications of Moir´ e and fringe projection techniques, Strain 39 (3) 95–100 [82] N G Durdle, J Thayyoor, and V J Raso (IEEE, 1998) An improved structured light technique for surface reconstruction of the human trunk, in IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1998 Vol 2, pp 874–877 [83] P S Huang and S Zhang (2006) A fast three-step phase shifting algorithm Appl Opt 45(21), 5086–5091 [84] P M Grin, L S Narasimhan, and S R Yee (1992) Generation of uniquely encoded light patterns for range data acquisition, Pattern Recog 25(6), 609–616 [85] P Payeur and D Desjardins (Springer, 2009) Structured light stereoscopic imaging with dynamic pseudo-random patterns, in Image Analysis and Recognition, Lecture Notes in Computer Science, Vol 5627/2009, 687–696 146 [86] P J Tavares, M A Vaz (2006) Orthogonal projection technique for resolution enhancement of the Fourier transform fringe analysis method, Opt Commun 266 (2) 465– 468 [87] P S Huang, Q Hu, F Chiang (2003) Error compensation for a threedimensional shape measurement system, Opt Express 42 (2) 482–486 [88] P Brakhage, G Notni, R Kowarschik (2004) Image aberrations in opticalthreedimensional measurement systems with fringe projection, Appl Opt 43 (16) 3217–3223 [89] P Jia, J Kofman, C English (2008) Error compensation in two-step triangularpattern phase-shifting profilometry, Opt Laser Eng 46 (4) 311 [90] Q Hu, P S Huang, Q Fu, and F Chiang (2003) Calibration of a three-dimensional shape measurement system Optical Engineering, 42(2):487–493 [91] Q Kemao (2004) Windowed Fourier transform for fringe pattern analysis, Appl Opt 43 (13) 2695–2702 [92] Qican Zhang, Xianyu Su, Liqun Xiang, Xuezhen Sun (2012) 3D shape measurement base on complementary Gray- Code light Optics and Lasers in Engineering 50,pp 574-579 [93] R Rodr´ ıguez-Vera, M Serv´ ın (1994) Phase locked loop profilometry, Opt Laser Techn 26 (6) 393–398 [94] R Cusack, J M Huntley, H T Goldrein (1995) Improved noise-immunephaseunwrapping algorithm, Appl Opt 34 (5) 781–789 [95] R Anchini, G Di Leo, C Liguori, A Paolillo (2009) A new calibration procedure for 3-D shape measurement system based on phase-shifting projected fringe profilometry, IEEE Trans Instrumentation and Measurement 58 (5) 1291–1298 [96] R Y Tsai (1987) A versatile camera calibration technique for high accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses, IEEE J Robotics Automat 3(4), 323–344 [97] S Vanlanduit, J Vanherzeele, P Guillaume, B Cauberghe, P Verboven (2004) Fourier fringe processing by use of an interpolated Fourier-transform technique, Appl Opt 43 (27) 5206–5213 [98] S Zheng, W Chen, X Su (2006) Adaptive windowed Fourier transform in 3-D shape measurement, Opt Eng 45 (6) 063601 [99] S Ozder, O Kocahan, E Coskun, H Goktas (2007), Optical phase distribution evaluation by using an S-transform, Opt Lett 32 (6) 591–593 [100] S Li, X Su, W Chen, L Xiang (2009) Eliminating the zero spectrum inFourier transform profilometry using Empirical mode decomposition, J Opt Soc Am A 26 (5) 1195–1201 [101] S Su, X Lian (2001) Phase unwrapping algorithm based on fringe frequency analysis in Fourier-transform profilometry, Opt Eng 40 (4) 637– 643 [102] S Zhang, X Li, S Yau (2007) Multilevel quality-guided phase unwrapping algorithm for real-time three-dimensional shape reconstruction, Appl Opt 46 (1) 50–57 147 [103] S Pavageau, R Dallier, N Servagent, T Bosch (2004) A new algorithm for large surfaces profiling by fringe projection, Sensors and Actuators A:Physical 115 (2-3) 178– 184 [104] S Inokuchi, K Sato, F Matsuda (1984) Range imaging system for3-D object recognition, in: Proceedings of the International Conference on Pattern Recognition, , pp 806 –808 [105] S Zhang and P S Huang (2006) Novel method for structured light system calibration, Optical Engineering, vol 45, no 8, pp 083 601–083 601–8 [106] S Toyooka and Y Iwaasa (1986) Automatic profilometry of 3-D diffuse objects by spatial phase detection Applied Optics, 25(10):1630–1633 [107] Shuang Yu, Jing Zhang, Xiaoyang Yu, Xiaoming Sun, Haibin Wu (2016) Unequalperiod combination approach of gray code and phase-shifting for 3-D visual measurement Optics Communications 374,pp.97-106 [108] Structured light, https://en.wikipedia.org/wiki/Structured_light [109] T Monks and J Carter (Springer,1993) Improved stripe matching for colour encoded structured light, in Computer Analysis of Images and Patterns , pp 476–485 [110] T Pajdla (1995) Bcrf—binary-coded illumination range finder reimplementation, in Technical Report KUL/ESAT/MI2/9502 [111] T L Pennington, H Xiao, R May, A Wang (2001) Miniaturized 3-D surface prof ilometer using a fiber optic coupler, Opt Laser Technol 33 (5) 313–320 [112] T Anna, S K Dubey, C Shakher, A Roy, D S Mehta (2009) Sinusoidal fringe projection system based on compact and non-mechanical scanning low-coherence Michelson interferometer for three-dimensional shape measurement, Opt Commun 282 (7) 1237–1242 [113] V Srinivasan, H C Liu, and M Halioua (1984) Automated phase-measuring profilometry of 3-D diffuse objects Applied Optics, 23(18):3105–3108 [114] W Krattenthaler, K J Mayer, and H P Duwe (1993) 3D-surface measurement with coded light approach, in Proceedings of the 17th Meeting of the Austrian Association for Pattern Recognition on Image Analysis and Synthesis Vol 12, pp 103–114 [115] W Su, K Reichard, S Yin, F T S Yu (2003) Fabrication of digital sinusoidal gratings and precisely controlled diusive flats and their application tohighly accurate projected fringe profilometry, Opt Eng 42 (6) 1730–1740 [116] W Schreiber, G Notni (2000) Theory and arrangements of self-calibrating wholebody three-dimensional measurement systems using fringe projection technique, Opt Eng 39 (1) 159–169 [117] W H Wang, Y S Wong, G S Hong (2006) 3D measurement of crater wearby phase shifting method, Wear 261 (2) 164–171 [118] W Jia, H Qiu (2001) A novel optical method in micro drop deformation measurements, Opt Laser Eng 35 (3) 187–198 148 [119] W Li, X Su, Z Liu (2001), Large-scale three-dimensional object measurement: A practical coordinate mapping and image data-patching method, Appl Opt 40 (20) 3326– 3333 [120] W Van Paepegem, A Shulev, A Moentjens, J Harizanova, J Degrieck,V Sainov (2008) Use of projection moir´ e for measuring the instantaneous outof-plane deflections of composite plates subject to bird strike, Opt Laser Eng 46 (7) 527–534 [121] X Su, W Chen (2001) Fourier transform profilometry: A review, Opt LaserEng 35 (5) 263–284 [122] X Su, W Zhou, G von Bally, D Vukicevic (1992) Automated phasemeasuring profilometry using defocused projection of a Ronchi grating, Opt Commun 94 (6) 561– 573 [123] X Su, G von Bally, D Vukicevic (1993) Phase-stepping grating profilometry: utilization of intensity modulation analysis in complex objects evaluation, Opt Commun 98 (1-3) 141–150 [124] X F Meng, X Peng, L Z Cai, A M Li, J P Guo, Y R Wang (2009)Wavefront reconstruction and three-dimensional shape measurement by two-step dc-term-suppressed phase-shifted intensities, Opt Lett 34 (8) 1210–1212 [125] X Zhang, Y Lin, M Zhao, X Niu, Y Huang (2005) Calibration of a fringe projection profilometry system using virtual phase calibrating model planes, J Opt A: Pure Appl Opt (4) 192–197 [126] X Chen, J Xi, Y Jin, J Sun (2009) Accurate calibration for a camera-projector measurement system based on structured light projection, Opt LaserEng 47 (3-4) 310– 319 [127] X Su, W Chen, Q Zhang, Y Chao (2001) Dynamic 3-D shape measurement method based on FTP, Opt Laser Eng 36 (1) 49–64 [128] Y Hu, J Xi, J F Chicharo, W Cheng, Z Yang, Inverse Function Analysis Method for Fringe Pattern Profilometry, IEEE Trans Instrumentation and Measurement Article in Press [129] Y Hu, J Xi, J Chicharo, E Li, Z Yang (2006) Discrete cosine transformbased shift estimation for fringe pattern profilometry using a generalizedanalysis model, Appl Opt 45 (25) 6560–6567 [130] Y Tangy, W Chen, X Su, L Xiang (2007) Neural network applied to reconstruction of complex objects based on fringe projection, Opt Commun 278 (2) 274– 278 [131] Y Li, J A Nemes, A Derdouri (2000) Optical 3-D dynamic measurement system and its application to polymer membrane inflation tests, Opt Laser Eng 33 (4) 261–276 [132] Z J Geng (1996) Rainbow three-dimensional camera: new concept of high-speed three-dimensional vision systems, Opt Eng 35(2), 376–383 [133] Z Zhang, D Zhang, X Peng (2004) Performance analysis of a 3D full-fieldsensor 149 based on fringe projection, Opt Laser Eng 42 (3) 341– 353 [134] Z Zhang (2000) A flexible new technique for camera calibration IEEE Transactionson Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330–1334, [135] Z Huang, J Xi, Y Yu, Q Guo & L Song (2014) Improved geometrical model of fringe projection profilometry, Optics Express, vol 22,(26) pp 32220-32232 150 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2013) Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo biên dạng 3D chi tiết khí, Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ III, trang 829-834 Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh, Nguyen Duc Duong (2014) Calibration of camera for 3D scanner using structured light, ISEPD 2014 International Symposium on Eco- materials Processing ang Design, pp 399-403 Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh (2014) Improve accuracy fringe projection model in structured light measurement devices using a digital projecto, RCMME 2014 proceedings the 7th AUN/SEED-Net Regional Conference in Mechanical and Manufacturing Engineering 2014, pp 220-224 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, Hội nghi khoa học kĩ thuật đo lƣờng toàn quốc lần thứ VI, trang 233-238 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc sử dụng mẫu ô vng bàn cờ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 8, trang 71-75 Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Đo biên dạng 3D chi tiết ánh sáng cấu trúc dạng mã hóa Gray, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10, trang 68-73 151 PHỤ LỤC Bảng Thông số kĩ thuật máy chiếu sử dụng thiết bị Thông số Model InFocus IN114A Độ phân giải XGA 1024x768 Độ phân giải lớn WUXGA 1290x1200 Công nghệ hiển thị Chip DLP 0,55‖ Độ sáng 3000 -3200 lumens Tuổi thọ bóng đèn 5000- 6000 h Cơng suất bóng đèn 190 W Độ tƣơng phản 15000 : Ống kính Điều chỉnh tiêu cự lấy nét Khoảng cách chiếu 1,2 đến 11,9 m Cỡ ảnh 78 đến 762 cm Số màu 1,07 tỷ màu Nguồn tín hiệu vào HDMI 4, VGA x 2, Composite Video, S-Video, mm stereo input x 2, RS232C, USB Type B (control & firmware) Kích thƣớc 292 x220 x108 mm Khối lƣợng 3,22 kg Khoảng nhiệt làm việc – 40 oC 152 Bảng Thông số kĩ thuật camera sử dụng thiết bị Thông số CAMERA DFK 41 BU02 Định dạng video @ khung 1280x960UYVY @ 5, hình giây 1280x960 BY8 @ 15, 5, 75 fps Độ nhạy sáng 15 lx Độ rộng màu bit Lọc hồng ngoại Có Màn trập Có Kích thƣớc cảm biến 1/2 " Độ phân giải H: 1360, V: 1024 Kích thƣớc pixel H: 65 µm, V: 65 µm Dạng nối ống kính C/CS Điện áp đến 5 VDC Dịng tiêu thụ Khoảng 500 mA VDC Kích thƣớc bao H: 50 mm, W: 50 mm, L: 56 mm Khối lƣợng 265 g Tốc độ trập 1/10000 đến 30 s Khuếch đại đến 36 dB Offset đến 511 Độ bão hòa màu đến 200 % Cân trắng -2 dB đến +6 dB Nhiệt độ làm việc -5 °C đến 45 °C Nhiệt độ bảo quản -20 °C đến 60 °C Độ ẩm làm việc 20 % đến 80 % Độ ẩm bảo quản 20 % đến 95 % 75 fps 153 Bảng Thông số kĩ thuật định dạng cảm biến hình ảnh Định dạng CCD Chiều cao CCD (mm) Chiều rộng CCD (mm) 1/4‖ 2,4 3,2 1/3‖ 3,6 4,8 1/2‖ 4,8 6,4 2/3‖ 6,6 8,8 1‖ 9,6 12,8 Bảng Thơng số kĩ thuật số ống kính Mã ống kính Định dạng Tiêu cự (mm) MOD (m) H0514-MP 1/2‖ 0,1 M0914- MP 2/3‖ 0,1 H1214- M(KP) 1/2‖ 12 0,25 C1614- KPM() 2/3‖ 16 0,25 C2514- M(KP) 2/3‖ 25 0,25 C3516-M(KP) 2/3‖ 35 0,35 C5028 – M(KP) 2/3‖ 50 0,90 Bảng 5: Tiêu chuẩn chọn vòng đệm cho ơng kính camera Tiêu cự Vịng đệm 12mm 16mm 25mm 0,5 12 ÷ 31cm 22÷54cm 41÷129cm ÷ 15cm 17÷28cm 32÷66cm ÷ 10cm 14÷20cm 27÷45cm 75÷175cm ÷ 3cm ÷ 8cm 14÷16cm 43÷59cm 69÷125cm 9÷10cm 29÷34cm 50÷69cm 23÷25cm 41÷50cm 10 15 50mm 75mm 20 35÷41cm 25 30÷35cm 154 Đặc tính ống kính camera H1214 - M Phụ lục Kết hiệu chuẩn hệ thống đo trụ chuẩn %YAML:1 - cam_K: !!opencv-matrix data: [ 6003103385477757e+003, , 8942103309707136e+002, , 6077090528588687e+003, 7498752176714896e+002, , , ] - cam_kc: !!opencv-matrix data: [ -7 4857785396192578e-001, -3 6721758092811599e-002, -2 3132718914316559e-003, -2 1256545885085785e-003, ] - proj_K: !!opencv-matrix data: [ 2189964160896229e+003, , 8664810790040929e+002, , 2263105534837455e+003, 2521250648704893e+002, , , ] 155 - proj_kc: !!opencv-matrix data: [ -5 7008672687585117e-002, -1 1072535763255268e-002, -2 2494423703204093e-003, -2 0377171979763346e-003, ] - R: !!opencv-matrix data: [ -9 2179458672631975e-001, -4 5661718720065012e-002, 8498019082231116e-001, 0808646302625002e-004, -9 9320850528577287e-001, -1 1634644497729361e-001, 8767817853589193e-001, -1 0701342192234857e-001, 1556198993599747e-001 ] - T: !!opencv-matrix data: [ -2 4943894861854156e+002, -3 7647027129186874e+001, 5800629340674065e-001 ] cam_error: 4230355191221057e-001 proj_error: 9064206238286255e-001 stereo_error: 4241011560016987e-001 Phụ lục Bảng3.1 Giá trị đo cƣờng độ điểm ảnh xám trung tâm ảnh chụp camera Cƣờng độ sáng mẫu ảnh chiếu Cƣờng độ sáng ảnh Gray thu đƣợc Cƣờng độ sáng ảnh Green Cƣờng độ sáng ảnh RED Cƣờng độ sáng ảnh Blue 0 0 10 102 126 20 129 152 30 153 193 40 154 199 50 164 213 60 165 222 70 176 233 80 195 233 10 90 18 190 254 13 100 28 176 250 16 110 41 202 247 25 156 120 55 197 249 29 130 71 210 246 38 140 95 208 251 47 150 117 202 248 55 160 147 201 249 57 170 168 220 250 64 180 192 202 249 72 190 228 208 253 82 200 254 205 250 89 210 255 208 251 96 220 255 225 253 109 230 255 215 254 127 240 255 217 252 140 250 255 217 250 145 Bảng 3.2 Giá trị cƣờng độ sáng ảnh xám tối ƣu Cƣờng độ sáng mẫu ảnh chiếu Cƣờng độ sáng ảnh thu đƣợc 70 80 90 18 100 28 110 41 120 55 130 71 140 95 150 117 160 147 170 168 157 180 192 190 228 200 254 Bảng 3.3 Giá trị cƣờng độ sáng ảnh xám sau hiệu chuẩn Cƣờng độ mẫu ảnh chiếu Cƣờng độ ảnh thu đƣợc 0 10 20 30 40 10 50 14 60 19 70 25 80 32 90 40 100 49 110 60 120 71 130 83 140 105 150 115 160 130 170 150 180 166 190 211 200 226 210 230 220 246 230 247 240 250 250 255 158 Phụ lục Bản vẽ thiết kế 159