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

Nội dung luận án Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: tìm hiểu nguyên lý đo, các

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 8

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 8

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 10

4 Các đóng góp mới của luận án 10

5 Nội dung luận án 11

6 Phương pháp nghiên cứu 11

CHƯƠNG 1 13

TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 13

1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 13

1.2 Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D 15

1.2.1 Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 15

1.2.2 Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc 16

1.2.3 Hệ chiếu mẫu vân sáng 22

1.2.4 Hệ thu ảnh vân 23

1.3 Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc 26

1.3.1 Hệ thống đo dạng 1 26

1.3.2 Hệ thống đo dạng 2 29

1.3.3 Hệ thống đo dạng 3 31

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 32

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 32

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 36

1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án 38

CHƯƠNG 2 39

PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 39

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha 39

2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha 39

2.1.2 Các thuật toán dịch pha 43

2.1.3 Các phương pháp gỡ pha 46

2.1.4 Đặc điểm phương pháp dịch pha 48

2.2 Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha 49

2.2.1 Phương pháp mã hóa Gray 49

2.2.2 Nghiên cứu phương pháp gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch pha 51

2.3 Xác định tọa độ điểm đo trong phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 55

2.3.1 Xác định tọa độ theo hai phương x,y 55

2.3.2 Xác định tọa độ theo phương z 55

2.4 Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh 60

2.4.1 Phương pháp hiệu chỉnh camera 60

2.4.2 Phương pháp hiệu chỉnh hệ thống camera và máy chiếu 61

2.5 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 65

CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 65

3.1 Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến 65

3.1.1 Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến 66

3.1.2 Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu 67

3.1.3 Xây dựng cơ sở thiết kế dựa trên độ phân giải đo 68

3.2 Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo 71

3.2.1 Thuật toán tạo mẫu ảnh chiếu 72

3.2.2 Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh 74

3.2.3 Thuật toán xác định đám mây điểm đo 76

3.2.4 Thuật toán hiệu chỉnh hệ thống 77

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo 78

3.4 Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 79

3.4.1 Tính toán thiết kế cụm cảm biến 79

3.4.2 Xác định cấu hình hệ thống điều khiển 80

3.5 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 82

XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D STL-1 VÀ THỰC NGHIỆM 82

4.1 Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 82

4.2 Tạo mẫu ảnh chiếu 84

4.3 Hiệu chỉnh đặc tính quang của cụm cảm biến 88

4.3.1 Hiệu chỉnh sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu 88

4.3.2 Xác định đặc tính màu của cụm cảm biến 93

4.3.3 Hiệu chỉnh cường độ sáng ảnh xám 93

4.3.4 Hiệu chỉnh thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ 96

4.4 Xác định độ chính xác thiết bị đo 98

4.4.1 Khảo sát độ phân giải cơ sở 98

4.4.2 Đo mẫu trụ chuẩn 101

4.4.3 Đo mẫu khối cầu chuẩn 104

4.5 Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 106

4.5.1 Kết quả đo tại một phương chiếu 106

4.5.2 Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu107 4.5.3 Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh 109

4.6 Kết luận chương 4 110

KẾT LUẬN 111

KIẾN NGHỊ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122

PHỤ LỤC 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính)

I(x, y) Cường độ sáng tại điểm (x,y)

α Góc nghiêng hai phương u, v

k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trưng quang sai

X(P) Y( P) Z(P) Hệ tọa độ máy chiếu

n Số ảnh trong phương pháp dịch pha

p Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha

Ф (x, y) Pha tuyệt đối

L Khoảng cách hệ tâm camera và máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu

d Khoảng cách tâm camera và máy chiếu

IP Cường độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (IP = 0 ÷255)

IC Cường độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (IC = 0 ÷255)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường 14

Bảng 3: Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray 84

Bảng 4 Ảnh hưởng cường độ và chu kì trong phương pháp dịch pha 91

Bảng 5 Kết quả xác định ảnh pha 92

Bảng 6: Kết quả hiệu chỉnh thiết bị 97

Bảng 7: Kết quả đo chi tiết trụ chuẩn 103

Bảng 8: Kết quả đo chi tiết cầu chuẩn 105

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ứng dụng phương pháp quét sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghệ cơ khí [5] 13

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 15

Hình 1.3 Mẫu mã nhị phân [61] 17

Hình 1.4 Mã hóa cấp độ xám với N= 3, M= 3 [114] 17

Hình 1.5 Ảnh mẫu chiếu và cường độ sáng phân bố trên 3 ảnh trong phương pháp dịch pha 3 bước [61] 18

Hình 1.6 Ảnh phổ mẫu chiếu trong Camera cầu vồng 3D [134] 18

Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [134] 19

Hình 1.8 Đánh dấu đường sử dụng màu sắc [62] 19

Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] 19

Hình 1.10 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] 20

Hình 1.11 Mảng 31 x 33 với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] 20

Hình 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84] 20

Hình 1.13 Mô hình lưới màu sắc [2] 21

Hình 1.14 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] 21

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27] 22

Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD 23

Hình 1.17 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng 24

Hình 1.18 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) 24

Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ trong mô hình camera lỗ nhỏ [133] 25

Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống đo của Srinivasan [113] 27

Hình 1.21 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa 28

Hình 1.22 Mô hình toán học cho hệ thống đo của Hu [87] 29

Hình 1.23 Mô hình hình học cho sơ đồ bố trí tổng quát [137] 31

Hình 1.24 Sơ đồ các hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân 32

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha 40

Hình 2.2 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha 42

Hình 2.3 Mẫu chiếu dạng mã Gray 49

Hình 2.4 ảnh thể hiện quá trình đo theo phương pháp Gray 50

Hình 2.5 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh 52

Hình 2.6 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu 52

Hình 2.7 Ví dụ về mã hóa Gray 53

Hình 2.8 Phân bố pha trong không gian mã hóa Gray 53

Hình 2.9 Ví dụ quét biên dạng 3d chi tiết bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 54

Hình 2.10 Mô hình xác định đám mây điểm đo[133] 56

Hình 2.11 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau 57

Hình 2.12 Xác định tọa độ 3D của điểm M 57

Hình 2.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng [6] 58

Hình 2.14 Trung điểm p 12 (λ1,λ2) với giá trị bất kỳ (hình trái) của p 12 (λ1,λ2) và với giá trị tối ưu (hình phải) [6] 59

Hình 2.15 Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] 61

Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc 62

Hình 2.17 Quy ước hệ tọa độ gốc trên ảnh của camera và máy chiếu [28] 62

Hình 2.18 Nguyên lý hiệu chỉnh hệ thống ánh sáng cấu trúc [28] 63

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 65

Hình 3.2 Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến 66

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu 67

Hình 3.4 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit 69

Hình 3.5 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray 70

Hình 3.6 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo 72

Hình 3.7 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp 74

Hình 3.8 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 76

Hình 3.9 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chỉnh thiết bị 77

Hình 3.10 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 80

Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1 82

Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo 83

Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo 84

Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray 85

Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha 86

Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha 87

Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha 88

Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng 89

Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d) 89

Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray 90

Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị 93

Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến 94

Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu 95

Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chỉnh 95

Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ 96

Hình 4.16 Giao diện mô tả kết quả hiệu chỉnh của 1 vị trí đặt ô vuông bàn cờ 97

Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng 101

Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM 102

Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được 102

Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h 103

Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn 104

Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn 105

Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu 107

Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu 108

Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh 109

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và các ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng quá trình sản xuất, công nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng tái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thước… Những thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn

Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo như các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với

bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu Phép đo

có các sai số do kích thước đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề mặt không xác định Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao do các bộ phận cảm biến đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao

Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt chi tiết

để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc) Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng của vật Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết có kích thước rất lớn như: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề mặt vô định hình Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ

đo nhanh hơn

Các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao, số điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh và có khả năng đo quét các chi tiết trực tuyến Phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Để phân tích rõ ưu điểm của phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc có thể phân tích phương pháp quét laser và quang trắc làm căn cứ so sánh: Phương pháp quét laser

sử dụng tia laser chiếu lên bề mặt chi tiết cần đo, với camera đặt một góc so với phương

chiếu xác định được các điểm hoặc đường trên bề mặt chi tiết quét dựa trên nguyên lý tam giác lượng Kỹ thuật quét laser cung cấp độ chính xác cao, dữ liệu đo dễ xử lý và máy quét

có thể được làm với kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên, máy quét laser là một thiết bị quét dạng điểm hoặc đường, khi cần quét toàn bộ chi tiết đo cần hệ thống dẫn động như các thiết bị đo tọa độ nên việc đo toàn bộ vật thể cần có thời gian Trong khi đó, thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn Một máy quét laser có thể đo hàng ngàn hoặc hàng chục ngàn điểm trong một giây thì thiết bị đo ánh sáng cấu trúc có thể đo được hơn một triệu điểm trong một vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng Phương pháp quang trắc sử dụng nhiều camera quan sát vật đo từ nhiều góc khác nhau

Sử dụng các ảnh đó để nội suy ra tọa độ 3D của vật quét Trong phương pháp này, khó khăn lớn nhất là đánh dấu các điểm trùng nhau trên các bức ảnh Bằng việc nghiên cứu những thuật toán và cách đánh dấu của nhà nghiên cứu tạo ra các mặt nạ giúp cho việc đánh dấu được chính xác, tuy nhiên các phương pháp đó làm cho việc đo toàn bộ vật thể gặp khó khăn cũng như các điểm đo bị hạn chế do các mặt nạ đem lại

Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC đã chế tạo ra các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D khá khó khăn, các sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm đo lường dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất Mặt khác, thiết bị đo nhập khẩu tính năng

kĩ thuật không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu quả Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa

chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục đích của đề tài

Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế,

chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo

 Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết

bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trên các chi tiết có độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ những lỹ thuyết đã nghiên cứu, xây dựng được mô hình thiết bị đo sử dụng phương pháp mã hóa Gray kết hợp với dịch pha để thu nhận thông tin từ bề mặt của một số chi tiết

cơ khí và dữ liệu có khả năng thực hiện các phép đo hình học trong môi trường 3D

4 Các đóng góp mới của luận án

 Ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường biên dạng cơ khí

 Xây dựng được phần mềm khảo sát quá trình đo, phần mềm xử lý tín hiệu đo, phần mềm hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động hiệu quả

 Lần đầu tiên xây dựng được một thiết bị đo biên dạng chi tiết đối xứng 2D ở Việt Nam bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa dịch pha và mã Gray từ những

thành phần kết cấu có sẵn phạm vi đo (200x200x200) mm

5 Nội dung luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:

tìm hiểu nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên một thiết bị đo Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ

đó xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí Cuối chương trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch

pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha Phân tích các thuật toán dịch pha, các phương pháp gỡ pha từ đó xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ

độ chính xác gỡ pha Xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phương

án hiệu chỉnh hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu và camera Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng như xây dựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra

Chương 3: Xác lập cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu

trúc theo nguyên lý dịch pha Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống Xây dựng các giải thuật xử

lý tín hiệu đo Xây dựng thuật toán hiệu chỉnh cho thiết bị Nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1

Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1

Tiến hành hiệu chỉnh đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi đo Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và dạng cầu được đo trên các thiết bị CMM Khảo sát sự ảnh hưởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị Thực nghiệm đo biên dạng một số chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị Kết quả thực nghiệm là cơ sở đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp theo

6 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thiết bị đo được chế tạo

Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống

quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu chỉnh nhằm nâng cao độ chính xác khi đo

Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng nghiên cứu phát triển cho thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã nghiên cứu

Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích

dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG

mô hình toán học cho từng loại sơ đồ Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rất quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm Hình dáng và kích thước của chi tiết cơ khí ngày càng đa dạng dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không thể đáp ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp Nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ

Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay… Trên hình 1.1 thể hiện ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp chế tạo cơ khí Hình 1.1a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ô tô Hình 1.1b là ứng dụng phương pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trong ngành công nghiệp khuôn mẫu

(a) (b)

Hình 1.1 Ứng dụng phương pháp quét sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghệ cơ khí [5]

(a) Quét lốc máy động cơ ô tô; b) Quét khuôn trong ngành khuôn mẫu

Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng với hình dáng phức tạp, độ bóng cao… Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đo rất lâu và khó đo Các thiết bị

đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệu quả rất cao trong lĩnh vực này Với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm được chế tạo ra so với bản thiết kế CAD Các hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp thực sự bùng nổ và được thương mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ máy chiếu Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau Một số thiết bị được giới thiệu như trong bảng 1

Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ

mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

ATOS Triple Scan  Vùng đo: 38 x 29 ÷ 2000 x

mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

Có thể lắp đặt trên các hệ thống dịch chuyển để tăng tính linh hoạt của thiết bị quét

ARTEC EVA  Vùng đo: 300x500 mm

 Độ phân giải: 0, 5 mm

 Độ chính xác: 0, 1 mm

 Hãng sản xuất: ARTEC GROUP

Thiết bị quét cầm tay tăng tính linh hoạt khi quét

Quét các dạng chi tiết, tượng,

đồ mỹ nghệ, cơ thể người…

Ứng dụng trong sản xuất tượng sáp

LMI Advance R3x  Vùng đo: 200x200 ÷

600x600 mm

 Độ phân giải: 0,25 mm

 Độ chính xác: 0, 05 mm

 Hãng sản xuất: LMI technology

Quét biên dạng 3D các dạng sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ

mỹ nghệ, các chi tiết nhựa…

Quét các dạng chi tiết có kích thước trung bình

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát

triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3 Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích thước trung bình Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét các chi tiết lớn Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến 0,05mm Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02 mm trong phạm vi đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5 mm

Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước lớn, các bề mặt không xác định Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới

1.2 Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D

1.2.1 Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc

Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc

Nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình 1.2 Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo một phương pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu

và được nhận biết thông qua hệ thống camera Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp

mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu

Chi tiết đo

Mẫu ảnh chiếu

Mặt phẳng tham chiếu

ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo

Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề mặt chi tiết cần đo Ảnh

mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc quang cơ phức tạp Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộ phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thiết bị đo

Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được

chiếu lên bề mặt chi tiết đo Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên vật

đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ cũng như độ chính xác khi đo Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc Các camera hiện nay cung cấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng như giá thành ngày càng giảm

Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình

chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định được đám mây điểm bề mặt chi tiết

đo Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệt nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo

1.2.2 Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc

1.2.2.1 Khái niệm

Thuật ngữ “ánh sáng cấu trúc” được Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh “structured light” (Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển Wikipedia [108] miêu tả như sau:

“Structured light is the process of projecting a known pattern (often grids or horizontal bars) on to a scene The way that these deform when striking surfaces allows vision systems

to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, as used

in structured light 3D scanners ”

Khái niệm được dịch như sau: ánh sáng có cấu trúc là quá trình chiếu các mẫu đã biết lên khung hình, những biến dạng bề mặt cho phép để tính toán độ sâu và thông tin bề mặt của đối tượng trong khung hình, được sử dụng trong thiết bị quét 3D bằng ánh sáng có cấu trúc

Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khi nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệm ánh sáng cấu trúc như sau:

“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc màu sắc.”

Mã hóa về cường độ là sự điều biến biên độ cường độ sáng trong không gian chiếu theo dạng sin, tam giác, nhị phân… Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác định

theo các quy luật định trước như: dải màu như cầu vồng, các vạch màu xen kẽ nhau…

1.2.2.2 Các dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D

Trong đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc các ảnh mẫu rất đa dạng tùy thuộc vào đối tượng đo và phương pháp xử lý tín hiệu đo Ảnh mẫu có thể được cấu trúc theo cường độ sáng hoặc cấu trúc theo màu sắc nhằm mục đích mã hóa các điểm trong không gian chiếu để

có thể xây dựng hệ lưới điểm của bề mặt vật đo

a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân

Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49, 61] sử dụng

các vệt đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu

chiếu Độ phân giải của phương pháp được xác định

bằng khoảng trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu

chiếu Với mẫu chiếu thứ n có 2n sọc Hình 1.3 thể

hiện một mô hình chiếu 5 bit Khi chuỗi này được

chiếu lên một khung hình có 32 (25) khoảng được

xác định theo phương ngang Tọa độ 3D của một

điểm được xác định bằng nguyên tắc tam giác

lượng Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy và ít

nhạy cảm với bề mặt vật quét (vì chỉ có một giá trị

nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh) Tuy

nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần số lượng lớn

các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo được các chi tiết theo thời gian thực

b) Mẫu ảnh chiếu mã hóa theo cấp độ xám

Mẫu chiếu mã hóa theo cấp độ xám được

nghiên cứu để giảm số lượng mẫu chiếu so với

phương pháp mã hóa nhị phân mà vẫn đảm bảo độ

phân giải Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt

về cường độ để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai

như trong mã nhị phân) Với N mẫu tạo ra MN vạch

Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mô hình

mã hóa nhị phân và mức xám để có thể phân biệt

được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo

Trên hình 1.4 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3

mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng được xác định Đây

là phương pháp cho tốc độ cao hơn phương pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định

Hình 1.4 Mã hóa cấp độ xám với N= 3,

M= 3 [114]

Hình 1.3 Mẫu mã nhị phân [61]

c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin

Phương pháp dịch pha là phương pháp

chiếu vân được nghiên cứu nhiều nhất để thu

được hình ảnh 3D của một vật thể Các mẫu

chiếu mã hóa dạng sin cường độ điểm ảnh theo

không gian chiếu Trường hợp đơn giản nhất là

phương pháp dịch pha 3 bước [61, 83], cường

độ sáng cho mỗi điểm ảnh của mẫu chiếu được

mô tả trên hình 1.5 Phương pháp dịch pha xác

định được giá trị pha tương ứng với biên dạng

3D của chi tiết đo Đây là phương pháp có độ

phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ thuộc

vào độ chính xác gỡ pha Các phương pháp gỡ

pha chịu nhiều ảnh hưởng môi trường đo, bề

mặt chi tiết đo, bóng của chi tiết khi chiếu sáng

gây ra các sai số đo Do đó, phương pháp đo

thường được áp dụng cho các bề mặt 3D trơn,

màu sắc ít thay đổi

d) Mẫu ảnh chiếu cầu vồng 3D

Hình 1.6 thể hiện nguyên lý thiết bị quét

3D cầu vồng [134], thiết bị chiếu dải ánh sáng

có màu như màu cầu vồng trên không gian chứa

vật thể đo Mối quan hệ hình học giữa camera

và quang phổ của vùng chiếu sáng với các góc

khác nhau giúp cho xác định được vị trí từng

điểm cần quét theo nguyên tắc tam giác lượng

Phương pháp cho tốc độ quét cao do tốc độ

camera cao và chỉ cần một ảnh Tuy nhiên,

phương pháp gặp khó khăn khi đo các vật thể có

màu sắc

e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục

Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau được ghép lại để mã hóa các vị trí không gian [47, 61, 134] Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cường độ màu biến đổi liên tục, khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho một ảnh phổ biết

rõ thông tin mã hóa Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổi cường độ cho ba màu

cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc như cầu vồng Phương pháp có thể giảm số ảnh chiếu để tăng tốc độ đo, tuy nhiên khó đo các chi tiết có màu sắc hoặc bề mặt

có độ phản xạ không đồng đều

Hình 1.5 Ảnh mẫu chiếu và cường độ sáng

phân bố trên 3 ảnh trong phương pháp dịch

pha 3 bước [61]

Hình 1.6 Ảnh phổ mẫu chiếu trong Camera

cầu vồng 3D [134]

Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [134]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc

Trên hình 1.8 là một hình ảnh minh họa về sử

dụng mẫu chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc, sử

dụng mẫu chiếu này kết hợp với các mẫu chiếu theo

phương pháp dịch pha hoặc mẫu chiếu màu đơn sắc

như trong nghiên cứu [62] có thể giảm các lỗi khi gỡ

pha Độ phân giải của phương pháp phụ thuộc vào số

lượng màu độ rộng vạch mã hóa Phương pháp đo cho

tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc

và độ phân giải không cao

g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn

Mẫu ảnh chiếu có thể được mã hóa với

các đường gián đoạn (hình 1.9) Phương pháp

chỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng

không quá phức tạp vì đặc điểm của bề mặt có

thể là nguyên nhân khó xác định được các

đường đã mã hóa

h) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn

Một chuỗi tuần tự De Bruijn [26] cấp bậc n, kích thước k có kn phần tử: trong đó mỗi chu kì của độ dài n xuất hiện đúng một lần trong chu kì Vòng tròn De Bruijn [110] với n =

3 và k = 2 (hai số 0, 1) có 23 = 8 phần tử ba chữ số mã hóa: 000, 001, 010, 011, 100, 101,

110, 111 Chuỗi tuần tự De Bruijn có thể được sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu

có các vạch không lặp lại [32, 33, 109] Hạn chế trong việc xây dựng mẫu chiếu sử dụng kỹ thuật De Bruijn là tất cả các sọc cạnh nhau phải có màu sắc khác nhau Nếu một số sọc bằng hai hoặc ba lần chiều rộng vạch sẽ xảy ra gây nhầm lẫn các thuật toán tái tạo 3D Hình 1.10

Hình 1.8 Đánh dấu đường sử dụng

màu sắc [62]

Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa

gián đoạn [69]

thể hiện một tập hợp các sọc màu sắc được đánh dấu theo chuỗi De Brụiin [65]

Hình 1.10 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65]

Phương pháp chỉ cần chiếu một mẫu chiếu duy nhất lên chi tiết đo do đó có tốc độ đo cao, tuy nhiên khó đo các chi tiết có màu sắc

k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa ngẫu nhiên nhị phân

Ảnh mã hóa theo lưới chỉ số sử dụng một

mảng nhị phân ngẫu nhiên để tạo ra các vùng

lưới có thể được đánh dấu bằng dấu chấm Mô

hình mã hóa của mảng nhị phân được tạo ra

dựa trên một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên bằng

cách sử dụng đa thức modulo 2n, trong đó 2n

-1= 2k1k2 - 1, n1 = 2k1 - 1, n2= 2n – 1/ n1 Hình

1.11 thể hiện mẫu chiếu tạo ra với k1 = 5, k2 =2,

và n1= 31, n2 = 33

k) Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã nhỏ

Thay vì sử dụng một mảng nhị phân ngẫu nhiên như trên có thể sử dụng mảng ngẫu nhiên đa giá trị [84] Hình 1.12 mô tả ba giá trị mảng ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng nhỏ cũng như cửa sổ phụ để xác định vị trí các điểm lưới mã hóa Phương pháp đo được áp dụng cho các chi tiết có biên dạng không phức tạp, bề mặt phản xạ đồng đều Tuy nhiên, độ phân giải không cao, tạo mẫu ảnh chiếu và chiếu lên vật đo phức tạp

Hình 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84]

Hình 1.11 Mảng 31 x 33 với kích thước cửa

sổ phụ 5x 2 [48]

m) Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu

Một lưới chỉ số mã hóa màu sắc cả hai chiều [2], các sọc mã hóa theo chiều dọc và chiều ngang có thể là giống hoặc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình 1.13) Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng Tuy nhiên, nếu bề rộng các đường quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến sự tin cậy khi xác định các điểm cần đo làm giảm độ phân giải của phương pháp đo

Hình 1.13 Mô hình lưới màu sắc [2]

n) Mẫu ảnh chiếu 2 chiều mã hóa đốm màu

Có nhiều phương pháp khác tạo ra các mảng giả ngẫu nhiên [85] đề xuất một thuật

toán để tạo ra một mảng giữ được sự duy nhất của cửa sổ phụ Phương pháp này là tương đối trực quan để thực hiện trong các thuật toán máy tính Ví dụ hình 1.14 (bên trái) cho thấy mảng 6x6 với kích thước cửa số phụ 3x3 sử dụng ba màu (R, G, B) Các quá trình tạo mảng như sau: đầu tiên lấp đầy trên góc bên trái của mảng 6 x 6 với một mẫu được chọn ngẫu nhiên Sau đó thêm một cột ba yếu tố trên vào bên phải ngẫu nhiên Tiếp tục bổ sung các cột cho đến khi tất cả các cột được làm đầy với mã ngẫu nhiên và mặt nạ cửa sổ phụ được xác định Tương tự như vậy, thêm ngẫu nhiên hàng theo hướng đi xuống từ vị trí mặt nạ ban đầu Sau đó, thêm mã ngẫu nhiên mới theo hướng đường chéo Lặp lại các quá trình cho đến khi tất cả các dấu chấm được điền đầy màu sắc Hình 1.14 (bên phải) thể hiện một mảng giả ngẫu nhiên với kích thước 20 x 18

Hình 1.14 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85]

Nhận xét: Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm

đo trên không gian chiếu Để thuận tiện cho quá trình xử lý dữ liệu đo các mẫu chiếu cần đảm bảo mỗi điểm trên lưới đo có sự phân biệt với toàn bộ các điểm khác Tốc độ đo phụ thuộc số mẫu chiếu trong phương pháp sử dụng Một số phương pháp sử dụng nhiều mẫu

chiếu và một số phương pháp chỉ cần một mẫu chiếu Độ phân giải của phương pháp đo (khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc

1.2.3 Hệ chiếu mẫu vân sáng

Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc cần phải chiếu mẫu vân sáng lên bề mặt chi tiết đo Độ chính xác của phép đo phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của vân chiếu được tạo

ra Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu

xạ, dùng máy chiếu Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu

có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số DLP

Công nghệ Digital Light Processing là giải pháp hiển thị kỹ thuật số sử dụng một vi mạch bán dẫn quang học, gọi là thiết bị vi gương số DMD (Digital Micromirror Device) để tái hiện dữ liệu nguồn

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27]

Trên hình 1.15 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu DLP Một chip DMD được tích hợp ma trận vi gương, mỗi vi gương tương ứng một điểm ảnh Tần số dao động của gương hàng ngàn lần/ giây và thể hiện được 1024 cấp độ xám Để thể hiện hình ảnh màu, một bánh quay màu (color wheel) được đặt giữa nguồn sáng và DMD Phổ biến hiện nay là

hệ thống sử dụng bánh quay 4 màu gồm đỏ, lục, xanh dương, trắng để lần lượt tạo và xuất

ra 4 ảnh đơn sắc trong một chu kỳ Công nghệ máy chiếu DLP có các ưu điểm sau:

 Các chip DMD cho độ phân giải cao, kích thước máy chiếu nhỏ Mỗi điểm ảnh có thể điều khiển 256 mức cường độ xám khi chiếu ảnh xám

 Điều khiển chính xác cường độ sáng của điểm ảnh: các mẫu chiếu được thiết kế trên máy tính được số hóa và truyền tín hiệu điều khiển xuống máy chiếu đơn giản và cho độ chính xác cao

 Giá thành các thiết bị chiếu theo công nghệ DLP ngày càng giảm

1.2.4 Hệ thu ảnh vân

Cấu tạo camera bao gồm hai bộ phận chính: hệ quang để tạo ảnh và một phần tử nhạy sáng thu nhận hình ảnh từ hệ quang gọi là cảm biến ảnh

a) Cảm biến hình ảnh của camera

Trong các camera thông thường, tại vị trí mặt phẳng ảnh là một cảm biến ma trận ảnh Cảm biến này là thiết bị lấy mẫu cho cảm biến đầu vào và biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Cảm biến ảnh cấu tạo bởi các lưới điểm nhạy với ánh sáng, nó có thể là CCD hoặc CMOS Cách sắp xếp các điểm ảnh này theo hệ trục tọa độ ảnh hình 1.16 Mỗi điểm ảnh có diện tích là 𝑑𝑖𝑢× 𝑑𝑖𝑣 và khoảng cách giữa các điểm ảnh theo chiều dọc và ngang tương ứng

là 𝑑𝑠𝑢𝑣à 𝑑𝑠𝑣 Khoảng cách tâm giữa hai điểm ảnh theo chiều dọc và ngang sẽ là:

𝑑𝑢 = 𝑑𝑖𝑢 + 𝑑𝑠𝑢𝑣à 𝑑𝑣 = 𝑑𝑖𝑣+ 𝑑𝑠𝑣 (1.1)

Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD

Biểu thức trên ở dạng đơn giản khi coi các phần tử của cảm biến là hình vuông (tỷ lệ các cạnh là 1:1) và không bị xiên Tuy nhiên, giả định này không phải lúc nào cũng đúng, ví

dụ như hệ ảnh TV NTSC định nghĩa các điểm ảnh hình chữ nhật có tỉ lệ 10:11 Trong thực

tế, tỉ lệ này theo tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất Trong trường hợp thiết bị thu ảnh theo từng khung hình riêng biệt (frame grabber), trong quá trình đồng bộ các khung hình có hiện tượng các điểm ảnh bị xiên hình 1.17 Vì các lý do trên nên trong mô hình camera đưa thêm

vào hai tham số là hệ số tỉ lệ pixel mu, mv và hệ số xiên pixel 𝛾 = 𝑚𝑢𝑐𝑜𝑡𝜃

Hình 1.17 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng

b) Hệ quang học

Theo quy ước hệ quang học phân tích theo phương pháp quang hình Do sự ảnh hưởng không đáng kể tới mục đích nghiên cứu nên ta không dùng quang sóng (như nhiễu xạ) Coi thấu kính đối xứng trục, trục đó gọi là trục quang (hệ quang không có gương, lăng kính …) Mọi hệ quang đều có quang sai ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được (làm ảnh bị

mờ, ảnh bị biến dạng) Xuất phát từ định luật khúc xạ (định luật Snell):

𝑥55! −

𝑥7

Khi góc tới rất nhỏ cho gần đúng sin 𝑥 ≈ 𝑥 nghĩa là các tia tới rất gần trục quang hệ quang được coi là hoàn hảo, không có quang sai ở miền gần trục Khi góc tới tăng lên, sin 𝑥 = 𝑥 −𝑥3!3 , có quang học bậc 3, khi này các tia sáng không còn gần trục nữa và hệ quang xuất hiện quang sai bậc 3 Như vậy, việc thay thế hàm số sin bằng chuỗi gần đúng trong định luật khúc xạ cùng với sự phi tuyến của hàm số sin mô tả sai lệch của đường truyền thực qua

hệ quang học khỏi đường truyền cận trục, sai lệch này dẫn tới sự sai khác vị trí điểm ảnh - tức là quang sai Trên hình 1.18 thể hiện sự sai khác vị trí điểm ảnh do quang sai gây ra

Hình 1.18 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b)

c) Mô hình toán học cho camera và máy chiếu có tính đến quang sai

Để xác định chính xác tọa độ điểm ảnh sử dụng mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ thống ống kính quang học Đây

là phương pháp được áp dụng cho hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực quang trắc, quan sát máy hoặc đồ họa máy tính

Xây dựng mô hình toán học cho camera cũng như máy chiếu, quy ước hệ tọa độ như hình 1.19: OCX(C)Y(C)Z(C)là hệ tọa độ camera, O1uv là hệ tọa độ cảm biến ảnh, OXYZ là hệ tọa độ vật lý có thể quy ước là hệ tọa độ bàn máy khi dựng đám mây điểm Khi đó OCZ(C)vuông góc và đi qua tâm cảm biến trên O1uv

Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ trong mô hình camera lỗ nhỏ [133]

Một điểm P(xP, yP, zP) trong trường camera được tạo ảnh P’ trên cảm biến và được xác định như sau:

Chuyển đổi tọa độ điểm P từ hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác định được:

[𝑥𝑃(𝐶), 𝑦𝑃(𝐶), 𝑧𝑃(𝐶)] = 𝑅 [𝑥𝑃, 𝑦𝑃, 𝑧𝑃] + 𝑇 (1.4) Trong đó: R, T là ma trận quay và ma trận chuyển vị

Ảnh của điểm P trên cảm biến ảnh là P’(u, v) khi đó theo tọa độ camera tọa độ điểm P’ được xác định bởi:

𝑘𝑖 = (𝑘1 𝑘2 𝑘3 𝑘4 𝑘5) là bộ thông số đặc trưng cho quang sai hệ thống quang học

Chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ camera sang hệ tọa độ cảm biến ảnh:

[

𝑢𝑃(𝑝)

𝑣𝑃(𝑝)1] = 𝐴 [

𝑢𝑃(𝑑)

𝑣𝑃(𝑑)1] , 𝐴 = [

𝑓𝑥 𝛼𝑓𝑦 𝑢0

0 𝑓𝑦 𝑣0

Ma trận A được gọi là ma trận nội tham số của camera, với fx, fy là tiêu cự theo phương

x, y; α là hệ số nghiêng của cảm biến ảnh giữa hai phương u và v; (u0, v0) là tọa độ tâm cảm biến ảnh

Như vậy, khi biết được tọa độ điểm ảnh trên cảm biến ảnh và các nội thông số của camera trong ma trận A có thể xác định tọa độ điểm P trên hệ tọa độ camera Để chuyển đổi tọa độ điểm quy ước trên camera sang hệ tọa độ máy cần xác định ma trận quay R và ma trận tịnh tiến T Việc xác định các đại lượng của ma trận A, R, T được thực hiện thông qua các bước hiệu chỉnh

1.3 Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc

Các mô hình biến thể kỹ thuật được phân loại dựa trên cách bố trí tương quan cụm cảm biến gồm camera và máy chiếu so với mặt phẳng tham chiếu và được chia làm 3 dạng:

 Dạng 1: mặt phẳng ảnh cảm biến camera song song với mặt phẳng tham chiếu

 Dạng 2: mặt phẳng ảnh cảm biến máy chiếu song song với mặt phẳng tham chiếu

 Dạng 3: mặt phẳng ảnh cảm biến của máy chiếu và camera bố trí bất kì

Sự phân loại các mô hình biến thể kỹ thuật được nghiên cứu theo phương pháp mô hình hình học của hệ thống, với mỗi biến thể sẽ cho cách tính độ cao điểm đo khác nhau

1.3.1 Hệ thống đo dạng 1

Srinivasan [113] đã nghiên cứu một trong những hệ thống đo lường biên dạng đầu tiên dựa trên phương pháp chiếu vân Hệ thống bao gồm khối chiếu sáng và một dãy cảm biến ánh sáng Sơ đồ phần cứng của hệ thống được thiết lập như hình 1.20(a) Thiết bị chiếu vân chiếu dạng sin là các vân giao thoa laser qua hệ quang lên bề mặt chi tiết đo Mảng cảm biến ánh sáng về cơ bản là một camera kỹ thuật số được bố trí có trục đồng phẳng với trục hệ quang và tạo với nhau một góc (900 - θ0) Tọa độ cho hệ thống xác định như hình 1.20(b) Trên mô hình toán học: OXYZ là hệ tọa độ thiết bị, mặt phẳng OXZ là mặt phẳng đi qua trục quang của cụm chiếu vân và trục quang của cảm biến ảnh OXY là mặt phẳng tham chiếu song song với mặt phẳng chứa cảm biến ảnh của camera Cường độ ảnh chiếu lên mặt

phẳng tham chiếu bước vân chiếu p0 xác định bởi:

I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos(2 πx/p 0 ) (1.8) Trong đó:

a(x, y) là cường độ nền

b(x, y) là cường độ phản xạ tại điểm (x, y, 0)

Ф𝑅(𝑥, 𝑦) = 2𝜋𝑥/𝑝0 là giá trị pha tham chiếu tại điểm (x, y, 0)

(a)Sơ đồ phần cứng (b) Mô hình toán học của thiết bị

Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống đo của Srinivasan [113]

Xét điểm D trên bề mặt của đối tượng được đo Theo phương chiếu giá trị pha của điểm D ký hiệu Ф(D) bằng giá trị pha của điểm A trên mặt phẳng tham chiếu Cảm biến hình ảnh thu được ảnh DI của điểm D trùng với điểm C trên mặt phẳng tham chiếu Khoảng cách giữa điểm A và điểm C xác định theo:

θI là góc giữa đường DDI và mặt phẳng chứa dãy cảm biến ánh sáng

Từ công thức 1.11 và nguyên lý tạo ảnh của điểm D qua hệ quang camera có thể xác định được tọa độ D(X,Y,Z)

Với mô hình hệ được phát triển bởi Srinivasan do sử dụng ống chiếu chuẩn trực nên

mô hình toán học được đơn giản hóa Tuy nhiên, khi chiếu chuẩn trực chỉ có thể chiếu diện tích bề mặt xấp xỉ kích thước ống kính dẫn đến không gian đo của hệ thống bị hạn chế Toyooka và Iwaasa [106] phát triển một hệ thống thiết bị bao gồm một máy chiếu và

một camera Máy chiếu thay cho ống chuẩn trực trong phương pháp của Srinivasan Mô hình toán học của hệ thống được thể hiện trên hình 1.21 Trong mô hình này tâm máy chiếu P và tâm camera I đặt cách nhau một khoảng d0 và có cùng khoảng cách l0 tới mặt phẳng tham chiếu OXY

Hình 1.21 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa

Gọi mặt phẳng Q là mặt phẳng song song với mặt phẳng chiếu đi qua gốc O Máy chiếu sẽ chiếu vân sáng trên mặt phẳng Q có cường độ sáng của các điểm ảnh phân bố theo dạng:

𝐼′(𝑠, 𝑦) = 𝑎′(𝑠, 𝑦) + 𝑏′(𝑠, 𝑦)𝑐𝑜𝑠 (2 𝜋𝑠

𝑝′ 0

Xem xét điểm H trên bề mặt đối tượng được đo Điểm HI là hình ảnh của H trên mặt phẳng ảnh của camera và điểm D là điểm tương ứng của nó trên mặt phẳng tham chiếu (R) Điểm A, C tương ứng là giao điểm PH với mặt phẳng Q và R

Theo phương Z tọa độ H được xác định bởi:

𝑧𝐻 = 𝑙0|𝐷𝐶⃗⃗⃗⃗⃗ |

Trong đó 𝐷𝐶⃗⃗⃗⃗⃗ = xC - xD, theo phương y: yD= yC, theo phương x tọa độ D và C xác định

theo biểu thức pha:

sự linh hoạt của hệ thống và làm tăng phức tạp khi hiệu chỉnh Một số thông số hệ thống như khoảng cách giữa các tâm chiếu của máy chiếu và camera (d0), khoảng cách từ tâm chiếu đến mặt phẳng tham chiếu (l0) không thể có được bằng cách đo trực tiếp

1.3.2 Hệ thống đo dạng 2

Hệ thống đo dạng 2 có mặt phẳng ảnh cảm biến máy chiếu song song với mặt phẳng tham chiếu, Hu [87, 90] đề xuất một mô hình cho các hệ thống có các yêu cầu sau:

 Các trục quang học của máy chiếu và camera đồng phẳng

 Mặt phẳng tham chiếu OXY được xác định là mặt phẳng song song với mặt phẳng ảnh của máy chiếu và đi qua giao điểm hai trục quang

Hình 1.22 Mô hình toán học cho hệ thống đo của Hu [87]

Trên hình 1.22, hệ tọa độ XYZ được xác định như sau: Trục Z trùng với trục quang của máy chiếu; trục Y song song với mặt phẳng ảnh chiếu; giao điểm của các trục quang học của máy chiếu và camera là gốc O X (C)Y(C) Z(C) là hệ tọa độ camera, trục Z(C) trùng với trục quang của camera và qua gốc O Trục Y(C), X(C) nằm trên mặt phẳng ảnh của camera, điểm gốc của camera xác định gốc của khung ảnh

Gọi S là tâm hệ quang của camera, DC và dC biểu thị khoảng cách từ S đến điểm O và gốc của hệ tọa độ X(C) Y( C) Z(C) Chuyển đổi tọa độ giữa tọa độ X(C) Y(C) Z(C) và tọa độ XYZ được xác định bởi:

𝑥𝑦𝑧1] = [

𝑐𝑜𝑠𝜃

0 −10

𝑠𝑖𝑛𝜃 −(𝐷𝐶+ 𝑑𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃

0 0𝑠𝑖𝑛𝜃 0 −𝑐𝑜𝑠𝜃 −(𝐷𝐶+ 𝑑𝐶)𝑠𝑖𝑛𝜃

Trong đó: [x, y, z , 1] T là tọa độ đồng nhất trong hệ XYZ

[x(C), y(C), z(C), 1] T là tọa độ đồng nhất trong hệ X(C)Y(C) Z (C)

θ là góc giữa các trục quang học của máy chiếu và camera

Với phương pháp dịch pha sử dụng vân hình sin, các giá trị pha tuyệt đối các điểm trên mặt phẳng XY có thể được mô tả bởi:

𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝑝0

Từ các giá trị của α, vị trí của điểm Q (XQ, YQ, ZQ) cũng như vị trí của các điểm S và

R, tọa độ zH của điểm H được Hu xác định theo công thức:

Bước thứ hai của quá trình là để tinh chỉnh giá trị của các thông số hiệu chỉnh, phép

đo hiệu chỉnh được tiến hành trên mẫu chuẩn có vị trí và kích thước chính xác cao hơn (đo

bằng các phương tiện khác như CMM) Bằng cách thay đổi các thông số xung quanh giá trị ban đầu thu được từ bước đầu tiên, xác định lại đám mây điểm so với đám mây điểm thực tế

có thể xác định được chính xác các thông số cần thiết

1.3.3 Hệ thống đo dạng 3

Trong các mô hình biến thể kỹ thuật trong dạng 1 và dạng 2 đòi hỏi các điều kiện bố trí cụm cảm biến rất khắt khe về độ vuông góc hoặc song song của cảm biến ảnh camera và cảm biến máy chiếu so với mặt phẳng tham chiếu Tuy nhiên, trong thực tế rất khó để chỉnh cụm cảm biến theo yêu cầu như vậy Zhengrong Huang [137] đề xuất cải tiến hệ thống với cách bố trí camera và máy chiếu bất kỳ như hình 1.23

Hình 1.23 Mô hình hình học cho sơ đồ bố trí tổng quát [137]

Với các kí hiệu được xác định như hình 1.23, Z Huang đưa ra công thức xác định h(x, y) như sau:

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong quá trình đo sử dụng ánh sáng cấu trúc hình ảnh thu được chứa thông tin chiều cao thông qua sự biến thiên về pha so với vân chiếu mẫu, do đó quá trình xử lý cần tính toán các pha điều biến bằng phân tích ảnh với kĩ thuật phân tích vân chiếu như: biến đổi Fourier, phương pháp dịch pha, phương pháp xác định không gian pha… Sau đó sử dụng giải thuật

gỡ pha phù hợp nhằm xác định sự phân bố pha liên tục tương ứng là độ cao của đối tượng cần đo Để xác định chính xác tọa độ thực của đối tượng đo, các thiết bị đo cần hiệu chỉnh

gỡ bỏ phân bố pha nhằm đưa ra tọa độ 3D Trong khoảng 30 năm trở lại đây việc sử dụng ánh sáng cấu trúc trong đo lường được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Các công trình nghiên cứu tập trung vào những vấn đề tồn tại trong các bước theo sơ đồ hình 1.24

Hình 1.24 Sơ đồ các hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân

a) Chiếu vân và chụp ảnh vân chiếu

Đây là bước được xác định thông qua cụm cảm biến của thiết bị đo thường là hệ chiếu sáng mẫu và camera Hai hướng nghiên cứu chủ yếu là:

 Nghiên cứu thiết kế các mẫu ảnh chiếu [7, 9, 20, 29, 31, 44, 49, 63, 66, 70, 82, 89, 92,

và các yêu cầu về độ chính xác của phép đo Các mẫu chiếu cần có giải thuật xác định và sử dụng được trên thiết bị chiếu phù hợp

Ngày nay, hầu hết các hệ thống đo lường 3D tự động sử dụng các thiết bị chiếu có sẵn như thiết bị chiếu vi gương kỹ thuật số (DMD) hoặc công nghệ màn hình tinh thể lỏng (CCD) như đã trình bày trên mục 1.2.3 Việc thiết kế điều khiển các mẫu chiếu sử dụng máy tính

Các hướng nghiên cứu chính

Chiếu vân

và chụp ảnh vân chiếu

Phân tích vân

Dựng pha tuyệt đối

Hiệu chỉnh

cho phép có thể tạo ra các dạng mẫu chiếu rất đa dạng, phương pháp chiếu đơn giản và có hiệu quả cao

Trong thực tế nghiên cứu cũng như sản xuất các đối tượng đo rất đa dạng, để đáp ứng yêu cầu của phương pháp đo một số phương pháp tạo vân chiếu mã hóa cường độ dạng sin

và chiếu lên chi tiết đo như: tạo mẫu chiếu dạng sin tần số cao bằng phương pháp giao thoa Michelson [21, 50], phần tử nhiễu xạ quang [30], hệ thống chiếu Grating [51, 115], sợi quang

đa lõi [67], màn hình LCD có thể lập trình [70], hệ thống giao thoa laser bán dẫn sử dụng cáp quang giúp cho hệ thống đo nhỏ gọn và linh hoạt hơn [111], Hầu hết các phương pháp

kể trên đều có thể tạo ra các mẫu chiếu cho phương pháp dịch pha [24, 34, 71] Với các nghiên cứu này thường áp dụng phương pháp đo cho các chi tiết nhỏ có độ chính xác cao cỡ vài µm, không phù hợp đo các chi tiết trung bình và lớn

Sự phát triển của công nghệ chế tạo máy chiếu giúp cho việc mã hóa các mẫu chiếu trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn, các mẫu chiếu được tạo ra không chỉ là các mẫu chiếu dạng sin mà còn có nhiều biến thể khác như có thể tạo ra các mẫu chiếu thích nghi với vùng chiếu [7, 70], mẫu chiếu mã hóa Gray [29], mẫu chiếu có biên độ điều biến dạng tam giác [44], mẫu chiếu tùy biến phù hợp với biên dạng 3D bề mặt của đối tượng đo [49], một số nghiên cứu sử dụng mẫu chiếu nhiễu xạ lục giác [63], mẫu chiếu hình răng cưa [66], sự phát triển của phân tích hàm nghịch đảo cho phép chiếu các mẫu chiếu được mã hóa bất kì [129], Như vậy, trong đo lường các chi tiết cơ khí nói chung trong phạm vi 200x200x200

mm thì việc sử dụng thiết bị chiếu kỹ thuật số là phù hợp hơn cả Các thiết bị chiếu kỹ thuật

số sẽ giúp cho khả năng mã hóa mẫu chiếu đa dạng, đạt độ chính xác cao và khả năng điều khiển cũng như sử dụng đơn giản hơn

Các mẫu chiếu khi chiếu lên đối tượng đo được chụp lại bởi hệ thống camera kỹ thuật

số, sự phát triển của công nghiệp chế tạo camera đã tạo ra các dòng camera công nghiệp có

độ phân giải cao, tốc độ chụp cao, giá thành phù hợp với việc chế tạo các thiết bị đo 3D có

độ chính xác cao đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống đo sử dụng phương pháp chiếu vân

b) Phân tích vân

Hình ảnh thu được từ camera được lưu trữ vào máy tính để xử lý Thuật toán phân tích vân ảnh hưởng đến tốc độ đo, độ phân giải đo, độ chính xác đo cũng như yêu cầu phần cứng thiết bị đo Trải qua thời gian phát triển đã có rất nhiều nghiên cứu về các phương pháp phân tích vân Tuy nhiên có thể phân thành 2 loại là phân tích vân theo thời gian và phân tích vân

theo không gian Các công trình nghiên cứu phát triển theo hai hướng:

 Phát triển phương pháp phân tích ảnh chiếu để xác định cơ sở sự phân bố pha [3, 52,

53, 54, 60, 64, 72, 73, 91, 97, 98, 99, 106, 131]

 Phát triển các phương pháp phân tích vân cơ bản [15, 25, 55, 56, 57, 74, 75, 76, 77,

78, 79, 86, 93, 100, 113, 121, 122, 123, 124]

Việc áp dụng phương pháp phân tích vân nào phụ thuộc vào đối tượng đo, khi đó phân tích vân theo thời gian liên quan đền tần số mang còn phân tích vân theo không gian xác định theo số mẫu chiếu được chiếu lên đối tượng đo Một số phương pháp phân tích dùng để

đo biên dạng 3D của chi tiết như: biến đổi Wavelet một chiều và hai chiều [3, 56, 77], khóa vòng lặp pha [15, 57, 77, 93], phương pháp biến đổi Fourier [25, 55, 72, 75, 76, 86, 100, 121], biến đổi Gabor mở rộng [60], phân tích sử dụng cosin nghịch đảo [64], biến đổi Hilbert [73], phát hiện pha không gian[78, 106], các phương pháp dịch pha [79, 113, 122, 123, 124], biến đổi Fourier [91], nội suy biến đổi Fourier [97], cửa sổ biến đổi Fourier [60, 98], biến đổi S [99], mạng nơ ron [131]

Phương pháp phân tích vân áp dụng phụ thuộc vào đối tượng đo cũng như các yêu cầu

về độ chính xác và tốc độ đo Các phương pháp phân tích vân theo thời gian thường được áp dụng trong nghiên cứu y học do đòi hỏi đo ở tốc độ cao và độ chính xác trung bình Phương pháp phân tích vân không gian được sử dụng nhiều hơn trong các thiết bị đo lường công nghiệp hiện nay do có thể đảm bảo độ chính xác cao hơn tuy nhiên thời gian đo thường lâu hơn

c) Dựng pha tuyệt đối

Trong phương pháp dịch pha các điểm đo được mã hóa bởi các giá trị pha Theo lý thuyết thì giá trị pha được xác định và có phân bố liên tục Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bị giới hạn bởi mức độ xám, nhiễu xuất hiện trên ảnh, bóng vật thể và các điểm không xác định khi giá trị pha có bước nhảy lớn hơn 2π Một số các công trình nghiên cứu phát triển thuật toán gỡ pha như [4, 10, 36, 58, 80, 94, 101, 102]

Khi sử dụng các phương pháp phân tích vân kể trên, giá trị pha xác định được thường

bị giới hạn trong khoảng [- π; +π] do hầu hết các giá trị pha được tính qua hàm arctan Quá trình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha tuyệt đối là bước quan trọng quyết định độ chính xác phép đo sử dụng phương pháp dịch pha Có nhiều phương pháp gỡ pha được nghiên cứu và có thể chia làm hai phương pháp chính là phương pháp gỡ pha không gian và phương pháp gỡ pha thời gian Một số thuật toán tiên tiến gỡ pha đã được phát triển như: gỡ pha theo phát triển vùng [4], giải thuật dựa trên biến đổi Fourier [10], giải thuật gỡ pha thời gian [36], giải thuật gỡ pha cục bộ [58], phương pháp giám sát pha [80], phương pháp gỡ pha dựa trên giảm nhiễu [94], giải thuật phân tích tần số vân [101], phương pháp gỡ pha dựa trên nhiều đường dẫn[102]

Phương pháp gỡ pha thông thường dựa trên đặc điểm của phương pháp phân tích vân, hầu hết các phương pháp gỡ pha được nghiên cứu phát triển dựa trên hệ thống hoặc đối tượng đo xác định Việc áp dụng phương pháp gỡ pha nào tùy thuộc vào chất lượng phân

tích pha khi đó phụ thuộc nhiều vào đặc điểm chi tiết đo Với các chi tiết cơ khí thường có hình dạng phức tạp, đa dạng về đặc điểm bề mặt do đó xuất hiện nhiều nhiễu trên các ảnh pha, để tăng độ chính xác gỡ pha cần áp dụng các biện pháp gỡ pha kết hợp

d) Hiệu chỉnh

Quá trình hiệu chỉnh là bước bắt buộc với tất cả các thiết bị đo, việc hiệu chỉnh nhằm xác định được các thông số của hệ thống để xây dựng đám mây điểm đo Ngoài ra phương pháp hiệu chỉnh còn cung cấp độ chính xác của thiết bị đo và các yếu tố cần điều chỉnh để tăng độ chính xác khi đo và phù hợp với đối tượng đo Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học Việc xác định các điểm đo phụ thuộc vào vị trí điểm mã hóa trên ảnh chiếu và điểm ảnh thu được trên cảm biến của camera

Hầu hết các phương pháp hiệu chỉnh được nghiên cứu nhằm xác định các thông số hệ thống của camera và máy chiếu cũng như vị trí tương quan giữa chúng Phương pháp hiệu chỉnh có thể hiệu chỉnh riêng lẻ camera, máy chiếu thông qua các phương pháp hiệu chỉnh hoặc có thể xác định đồng thời cả hệ thống Một số phương pháp hiệu chỉnh đã được trình bày trong các nghiên cứu [22, 35, 37, 43, 68, 95, 110, 116, 125, 126] và gần đây là các phương pháp hiệu chỉnh cả hệ thống [11, 16, 39] với các phương pháp hiệu chỉnh tổng hợp

có thể giảm bớt các điều kiện biên của mô hình bố trí hệ thống

Với các phương pháp hiệu chỉnh kể trên có thể xác định các thông số giúp cho việc tính toán xác định tọa độ điểm đo Tuy nhiên, các hướng nghiên cứu áp dụng cho các chi tiết

đo thuộc lĩnh vực cơ khí rất ít Mặt khác đặc điểm bề mặt vật đo và điều kiện môi trường đo cũng ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác khi đo do đó cần xây dựng các quy trình hiệu chỉnh nhằm tăng độ chính xác khi đo

Ngoài các hướng nghiên cứu được phân chia theo 4 bước kể trên còn một số hướng nghiên cứu khác như:

 Nghiên cứu các nguyên nhân gây lỗi do mô hình thiết bị, các giải pháp khắc phục [35,

có kích thước cỡ micro đến các kích thước nhỏ, kích thước trung bình và kích thước lớn Các phép đo có thể thực hiện cho các đối tượng đo ở trạng thái tĩnh và động Với hướng nghiên cứu các chi tiết cơ khí thường là trong chế độ đo tĩnh, yếu tố quan tâm chủ yếu là độ chính xác của phép đo

Những nghiên cứu đã được các hãng ứng dụng chế tạo các thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc như GOM, FARO, ARTEC và cho ra đời các dòng sản phẩm phục vụ công nghiệp Tuy nhiên, các thiết bị đo kể trên thường sử dụng hệ vân chiếu mã hóa Gray hoặc

mã hóa nhị phân do đó cho độ phân giải không cao, phần mềm đóng gói không thể can thiệp, các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ công mỹ nghệ, các chi tiết có biên dạng bề mặt không đòi hỏi độ chính xác cao Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo này trong lĩnh vực cơ khí làm chủ về kỹ thuật và công nghệ, hiểu rõ phương pháp

đo của lĩnh vực này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đã có đồng thời tạo khả năng

tự chế tạo Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất cơ khí tại Việt Nam và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: y tế, thời trang, an ninh…

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nền sản xuất công nghiệp cơ khí trong nước trong những năm gần đây đang được chú trọng và đầu tư phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC có thể gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ nhiều ngành công nghiệp khác như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu Để đảm bảo năng suất, chất lượng của các sản phẩm chế tạo ra đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của nền công nghiệp, ngoài việc đầu tư các thiết bị gia công, hệ thống nhà xưởng, hệ thống quản lý chất lượng thì một bộ phận không thể thiếu là đầu tư các thiết bị đo kiểm Các thiết bị đo kiểm phải đảm bảo độ chính xác, đáp ứng được tốc độ đo phù hợp với trình độ gia công Điểm nổi bật khi gia công trên các thiết bị CNC là có khả năng chế tạo các sản phẩm có biên dạng phức tạp, đạt độ chính xác cao đi liền với nó là yêu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D

Để đo biên dạng 3D có thế sử dụng các thiết bị đo tiếp xúc như: tay máy đo, máy đo tọa độ hoặc các thiết bị đo không tiếp xúc như máy quét laser, máy đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Với các doanh nghiệp trong nước việc đầu tư một thiết bị đo biên dạng 3D khá khó khăn do các thiết bị đo được nhập khẩu có giá thành rất cao, các sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm đo lường dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất Mặt khác, tính năng kĩ thuật không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu quả

Trong những năm gần đây trên thế giới nghiên cứu phát triển các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất mạnh mẽ do phương pháp có nhiều ưu điểm về tốc độ đo, độ chính xác, khả năng đo các bề mặt phức tạp Tuy nhiên, phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước Nghiên cứu, thiết

kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước giúp cho các doanh nghiệp

chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường

Tại Việt Nam, lĩnh vực đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc vẫn còn khá mới

mẻ Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có công trình nào nghiên cứu

về vấn đề này thậm chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nào trong nước đề cập đến Một số đề tài nghiên cứu của sinh viên và học viên cao học ngành Máy chính xác, khoa

Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà nội được bắt đầu từ năm 2012 Các đề tài chủ yếu nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp và tính năng của các thiết bị đo này Một đề tài luận văn thạc sỹ của học viên: Nguyễn Ngọc Tú năm 2015 đã nghiên cứu thiết bị đo sử dụng phương pháp lineshift đã chế tạo được mô hình có thể đo được các chi tiết Nhìn chung các hướng nghiên cứu tại Việt Nam chưa đáp ứng được yêu cầu tìm hiểu khai thác lĩnh vực đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ

đó cho phép ứng dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí

Do đặc điểm tính chất bề mặt về hình dáng, màu sắc, độ bóng, yêu cầu về độ chính xác… của các chi tiết cơ khí mà đối tượng này luôn là thách thức cho các phương pháp đo, thiết bị đo Phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc chiếu các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo trên không gian chiếu Độ phân giải của phương pháp đo (khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách

mã hóa cũng như độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera Qua việc nghiên cứu các dạng ánh sáng cấu trúc trên mục 1.2.2.2, phần lớn các phương pháp cho độ phân giải bằng

độ phân giải của hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) Như vậy, khi chiếu lên không gian lớn thông qua hệ phóng hình sẽ cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp) Với các chi tiết cơ khí có độ chính xác cao

và được đo trong trạng thái tĩnh do đó dạng ánh sáng cấu trúc cần đáp ứng cho độ chính xác cao, độ phân giải cao, việc tạo ra dạng ánh sáng cấu trúc không quá phức tạp Phương pháp dịch pha sử dụng các mẫu chiếu dạng sin có độ phân giải cao nhất trong các phương pháp

đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đáp ứng độ phân giải để đo các chi tiết cơ khí

Trong phương pháp dịch pha có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo như:

độ chính xác ảnh chiếu, ảnh hưởng do mô hình bố trí cụm cảm biến, ảnh hưởng bề mặt đo… Đám mây điểm đo được xác định trong phương pháp dịch pha thông qua ảnh pha tuyệt đối được tạo ra sau khi gỡ pha, đây là bước gây ra nhiều sai số nhất cho phép đo Do đặc thù của các chi tiết cơ khí có biên dạng phức tạp, đặc tính quang bề mặt đa dạng nên việc gỡ pha trở nên khó khăn Để khắc phục nhược điểm đó cần những phương pháp kết hợp, giải pháp được đưa ra là sử dụng mã hóa Gray để nâng cao độ chính xác gỡ pha Để nghiên cứu ứng dụng

phương pháp đo kết hợp này vào đo lường các chi tiết cơ khí, các nội dung nghiên cứu được xác định như mục 1.5

1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án

Với mục tiêu nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí , luận án nghiên cứu tập trung vào các vấn đề chính sau:

 Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: tìm hiểu nguyên lý phương pháp đo, các thành phần cấu tạo nên thiết bị đo, cách xác định tọa độ điểm đo Phân tích các dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo là các chi tiết cơ khí

 Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha tìm hiểu các thuật toán dịch pha, các thuật toán gỡ pha từ đó nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha Phương pháp dịch pha cho độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo lường ánh sáng cấu trúc đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Tuy nhiên, trong quá trình đo cần xác định ảnh pha tuyệt đối đây là bước chịu ảnh hưởng của đặc điểm quang học bề mặt đo làm giảm độ chính xác của phương pháp Để khắc phục nhược điểm này cần sử dụng phương pháp kết hợp nâng cao độ chính xác gỡ pha Giải pháp được nghiên cứu là sử dụng kết hợp với phương pháp mã hóa Gray, đây là một phương pháp

ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha đồng thời nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo

 Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo trên bề mặt vật đo

 Nghiên cứu xác định phương pháp hiệu chỉnh cho thiết bị đo, để xác định tọa độ điểm

đo cần xác định các thông số kỹ thuật cũng như các đại lượng đặc trưng cho sơ đồ bố trí hệ thống của camera và máy chiếu Luận án sử dụng mẫu in ô vuông bàn cờ kết hợp lý thuyết hiệu chỉnh camera của Zhang để xây dựng phương pháp hiệu chỉnh cụm cảm biến xác định các thông số của camera và cả máy chiếu

 Nghiên cứu xác lập cơ sở cho việc tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, xây dựng các thuật toán điều khiển và xử lý dữ liệu đo

 Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo, xác định độ chính xác thiết bị

đo, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo, đưa ra các giải pháp nhằm tăng độ chính xác khi đo đồng thời kiểm chứng khả năng chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ

GỠ PHA

Trong các dạng ánh sáng cấu trúc, phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất đáp ứng được yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Quá trình đo của phương pháp dịch pha cần dựng lại bản đồ pha tuyệt đối thông qua bước gỡ pha, độ chính xác gỡ pha chịu ảnh hưởng của điều kiện đo như môi trường đo, đặc điểm bề mặt vật đo… Phương pháp kết hợp dịch pha với mã hóa Gray giúp cho việc gỡ pha đạt độ chính xác cao Hướng nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray như một giải pháp cho quá trình gỡ pha nhằm nâng cao độ chính xác của thiết bị

đo đáp ứng yêu cầu đo các chi tiết cơ khí Trong chương này trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp dịch pha trong mục 2.1 Mục 2.2 trình bày cơ sở kết hợp dịch pha và mã hóa Gray Mục 2.3 trình bày cấu trúc và mô hình toán xác định tọa độ điểm đo của phương pháp kết hợp Mục 2.4 trình bày nghiên cứu xây dựng phương pháp hiệu chỉnh xác định các thông

số của hệ thống nhằm tăng độ chính xác khi đo biên dạng 3D các chi tiết đo

2.1 Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha

Phương pháp dịch pha là một phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực đo lường sử dụng laser với nghiên cứu được công bố sớm nhất bởi Carré năm 1966 [8] Cùng với sự phát triển của công nghệ quang khắc, những năm 80, phương pháp dịch pha được nâng cao độ chính xác nhờ các nghiên cứu tập trung vào các thuật toán nâng cao độ chính xác và giảm nhiễu của hệ thống Sau những năm 90 các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ứng dụng của phương pháp dịch pha Các hướng nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biên dạng sử dụng phương pháp dịch pha thực sự bùng nổ sau những năm

2000 cùng với sự phát triển trong công nghệ chế tạo máy chiếu kĩ thuật số

2.1.1 Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha

Khi ứng dụng cơ sở đo biên dạng bề mặt của phương pháp đo giao thoa laser vào phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc, việc tạo vân giao thoa thay đổi khi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu được thay thế bằng thiết bị chiếu lần lượt các vân chiếu dạng sin lệch pha nhau Camera ghi lại các hình ảnh để phân tích dữ liệu đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha Trên hình 2.1 là sơ đồ khối mô tả quá trình đo theo phương pháp dịch pha, hệ mẫu vân chiếu (1) được chiếu lên bề mặt đối tượng cần đo (2), hình ảnh chiếu trên đối tượng được camera chụp lại gửi vào bộ phận xử lý (3) Các thuật toán phần mềm phân tích xử lý tín hiện đo trên máy tính xác định pha của ảnh thu được ảnh pha tương đối và ảnh pha tuyệt đối (4), giá trị pha là một ma trận 2 chiều tương ứng với kích

thước ảnh Mỗi điểm ảnh xác định được một điểm đo trên bề mặt vật Ma trận giá trị pha đó thường được gọi là “ảnh pha” dùng để dựng lại biên dạng 3D vật Sau khi phân tích xác định ảnh pha, sử dụng phương pháp tam giác lượng trong quang học xác định tọa độ điểm đo từ

đó xây dựng lên đám mây điểm dữ liệu điểm đo và mô tả lại bề mặt vật đo (5)

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha

Hệ mẫu vân chiếu (1): trong phương pháp dịch pha sử dụng các mẫu chiếu là ánh

sáng cấu trúc có cường độ sáng của các điểm ảnh được phân bố theo quy luật dạng sin Để tạo ra ánh sáng cấu trúc dạng sin có thể sử dụng phương pháp giao thoa laser, cách tử nhiễu

xạ hoặc máy chiếu kỹ thuật số Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu

xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số, các máy chiếu theo công nghệ DLP có thể tạo ra các dạng mẫu chiếu trên máy tính với độ chính xác vân chiếu cao Số ảnh chiếu phụ thuộc vào giải thuật dịch pha sử dụng Xét trường hợp tổng quát, với dịch pha N bước, ảnh mẫu vân chiếu được thiết kế theo quy luật:

Trong đó:

 𝐼𝑛(𝑥, 𝑦) là cường độ sáng của điểm (x, y) được phân bố trên ảnh thứ n

 A(x, y); B(x, y) là hệ số cường độ sáng trên các mẫu chiếu

 (x, y): tọa độ điểm trên mẫu ảnh chiếu

 N: số bước dịch pha

 n: ảnh chiếu thứ n

Trên công thức 2.1 có ba ẩn số A(x, y); B(x, y); Ф(x, y) do đó cần tối thiểu 3 phương

trình để xác định, tương ứng với số ảnh tối thiểu trong phương pháp dịch pha là 3 ảnh Tùy thuộc mục đích khác nhau của từng giải thuật như: chống nhiễu, tối ưu thuật toán,… yêu cầu

số ảnh chiếu khác nhau tương ứng số bước dịch pha khác nhau

Chi tiết đo (2): là các chi tiết cần đo được đặt trong trường quan sát của camera và

máy chiếu Để đo được toàn bộ biên dạng 3D của chi tiết, cần sử dụng thiết bị đo có không gian làm việc phù hợp với kích thước vật đo Các đặc điểm bề mặt chi tiết đo sẽ ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác khi đo biên dạng sử dụng phương pháp quang học

Chụp ảnh vật cần đo (3): thiết bị đo sử dụng camera chụp lại ảnh chi tiết đo khi được

𝐼𝑛(x, y)=𝐴(𝑥, 𝑦) + 𝐵(𝑥, 𝑦)sin (Ф(x,y)+2π(n-1)

Phân tích xác định pha ảnh

(4)

Tạo ảnh pha tương đối

Tạo ảnh pha tuyệt đối

Dựng lại vật đo (5)