Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí (tt)

MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất cơng nghiệp khí, với phát triển công nghệ gia công thiết bị điều khiển số CNC có khả chế tạo chi tiết khí với hình dạng phức tạp Do vậy, nhu cầu kiểm tra kích thước biên dạng 3D chi tiết khí q trình sản xuất nghiên cứu khoa học đặt ngày nhiều Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết khí giới chủ yếu dựa vào phương pháp thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám đầu dị… Phương pháp đo tiếp xúc có độ xác cao địi hỏi thao tác đo phức tạp tốc độ đo thấp, đạt vài phép đo giây, không đáp ứng việc đo lường kiểm tra nhiều điểm toàn biên dạng bề mặt chi tiết Để giải khó khăn hướng nghiên cứu ứng dụng phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu phương pháp quang học Với ưu điểm lớn ánh sáng truyền với tốc độ cao tạo nên phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo đạt đến hàng triệu phép đo giây Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học nghiên cứu, phát triển thường sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser ánh sáng cấu trúc Trong đó, phương pháp qt tia laser có độ cao song tốc độ đo không cao điểu khiển trình đo phức tạp Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao độ xác thấp phương pháp quét tia laser Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường gọi ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) mã hóa theo hàm cường độ màu sắc theo khơng gian thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo Ảnh mẫu ánh sáng chiếu bề mặt 3D chi tiết đo thu lại máy ảnh Do thay đổi độ cao điểm bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng vân ảnh mẫu ánh sáng Sự biến dạng ảnh mẫu ánh sáng chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định tọa độ điểm bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation) Với tiến khoa học kỹ thuật quang điện tử cơng nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo độ xác ngày cao, đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18] Nhược điểm tồn phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc có độ xác cịn hạn chế so với phương pháp quét tia laser Do chịu nhiều ảnh hưởng môi trường đặc điểm cấu tạo hoạt động hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Điều cản trở ứng dụng phương pháp đo vào đo lường chi tiết khí Do vậy, với việc nâng cao tốc độ tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần giới tập trung vào nghiên cứu phương pháp để đảm bảo nâng cao độ xác phương pháp đo đo lường kiểm tra chi tiết khí [20], [61], [62] Trong phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường phương pháp kết hợp phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn độ phân giải cao sở cho phép đo tạo nên độ xác cao Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ phù hợp để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết khí vừa có độ phức tạp cao hình dạng vừa địi hỏi độ xác đo cao Trong phương pháp dịch pha sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha cho điểm ảnh máy chiếu chu kỳ sin, cho kết đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao Tuy nhiên phương pháp sử dụng kỹ thuật nội suy lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều nhiễu trình gỡ pha phương pháp phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh sai số đo lớn Vì cần thiết phải kết hợp phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa q trình gỡ pha Trong phương pháp phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng thích hợp với đặc điểm chung chi tiết khí biên dạng phức tạp, khơng liên tục hay độ dốc lớn vừa có độ phân giải cao vừa có khả chống nhiễu cao Tuy nhiên, phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn đo chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao biến đổi lớn độ phản xạ bề mặt [46], [93] kết đo khơng có sai số đo lớn mà nhiều không thực phép đo Đây vấn đề nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ xác hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D chi tiết khí Hiện nay, Việt Nam loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường công nghiệp hầu hết thiết bị nhập số lượng hạn chế chi phí đầu tư cao Ngồi ra, q trình sử dụng thiết bị sở chưa làm chủ thiết bị hồn tồn đặc tính kỹ thuật thiết bị Do vậy, trình bảo trì bảo dưỡng nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động công nghệ chi phí Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết khí điều kiện thực tế Việt Nam cho hiệu cao kinh tế kỹ thuật Như vậy, vấn đề quan tâm lĩnh vực đo lường 3D biên dạng ánh sáng cấu trúc đảm bảo độ xác, cải thiện hạn chế phương pháp đo đo chi tiết khí Với mục đích nghiên cứu phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ xác đảm bảo chất lượng sản phẩm sản xuất khí, tăng tính chủ động cơng nghệ đo lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật cơng nghệ, phần mềm giảm chi phí nhập từ nước ngồi Đây lý để lựa chọn nội dung nghiên cứu luận án: Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết khí Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích luận án nghiên cứu nâng cao độ xác phép đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên dạng 3D chi tiết khí gia cơng cơng nghệ CNC Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng máy ảnh máy chiếu số để đo lường chi tiết gia công công nghệ phay CNC Cụ thể nghiên cứu phương pháp làm tăng độ xác tích hợp hiệu chuẩn hệ thống máy đo PSGC Đo lường chi tiết khí có độ phản xạ cao Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp làm giảm yếu tố ảnh hưởng đến độ xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ Nghiên cứu phương pháp giảm ảnh hưởng ánh sáng phản xạ bề mặt đo chi tiết hợp kim nhôm phay tinh máy phay CNC Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học - Đã nghiên cứu xác lập số vấn đề sở lý thuyết xây dựng quy trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo chi tiết khí gia cơng cơng nghệ CNC Với khả lựa chọn thông số cấu hình hợp lý, yêu cầu phạm vi đo độ phân giải đảm bảo nâng cao độ xác phép đo - Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng độ phản xạ bề mặt phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp ghép đám mây điểm bù vùng bóng cho bề mặt chi tiết khí có phản xạ bề mặt cao hình dáng biến đổi nhiều - Xây dựng quy trình đánh giá độ xác hệ thống đo bề mặt 3D thơng qua tiêu chuẩn quốc tế Ý nghĩa thực tiễn - Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết ứng dụng trực tiếp phép đo mà không cần phương pháp xử lý bề mặt đo nào, không cần thiết lập thêm hệ thống phần cứng phụ trợ phức tạp - Quy trình đánh giá độ xác hệ thống giúp cho việc nghiên cứu hồn thiện độ xác hệ thống đo ánh sáng cấu trúc - Kết đạt đề tài sở xây dựng lựa chọn, tích hợp thông số hợp lý cho hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo độ phân giải xác định giúp q trình tính tốn thiết kế hệ thống đo đạt độ xác cao Phương pháp nghiên cứu Để đạt kết đáp ứng mục tiêu nghiên cứu, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng công cụ toán học kết hợp tin học kết thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp cơng trình nghiên cứu tác giả nước quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu luận án để xác định mục tiêu nội dung nghiên cứu Sử dụng phương pháp diễn dịch lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ thơng số làm việc hệ thống đo PSGC Xây dựng thuật tốn chương trình xử lý tín hiệu đo Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm phương pháp PSGC phù hợp với nội dung nghiên cứu luận án, cho phép thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo hệ thống đo PSGC Thu thập, phân tích số liệu xử lý kết thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng, kết thực nghiệm với lý thuyết phần mềm xử lý kết thực nghiệm Kết cấu luận án Luận án bao gồm chương: Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc Chương 2: Phương pháp nâng cao độ xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết khí Chương 4: Xây dựng quy trình đánh giá độ xác hệ thống đo PSGC Các kết Luận án nghiên cứu xác định số thơng số ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đo PSGC: thơng số cấu trúc hệ thống, độ xác phương pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt phương pháp xử lý liệu 3D Để nâng cao độ xác hiệu chuẩn xác định thơng số hợp lý về: kích thước vng bàn cờ, độ xác vng bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép hiệu chuẩn ảnh hưởng ánh sáng môi trường Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết cách ghép đám mây điểm thời gian phơi sáng phù hợp Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết cách ghép đám mây điểm bù vùng bóng Xây dựng quy trình đánh giá sai số hệ thống đo PSGC dựa tiêu chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ xác hệ thống đo nghiên cứu chế tạo sử dụng Chương ĐO LƯỜNG BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong thập kỷ qua, với tiến kỹ thuật hình ảnh số, máy chiếu kỹ thuật số cơng nghệ thơng tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D ánh sáng cấu trúc phát triển nhanh chóng ứng dụng vào nhiều ngành như: công nghiệp, an ninh, thời trang, giải trí Trong cơng nghiệp, máy đo 3D ánh sáng cấu trúc số hố nhanh chóng hình dáng chi tiết công nghiệp khác Việc cho phép cải tiến tốc độ chất lượng trình sản xuất cách rõ rệt đặc biệt ngành khí Các ứng dụng đo lường ánh sáng cấu trúc tận dụng số ưu điểm phương pháp đo lường quang học [69]: - Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt phương pháp cao so với phương pháp đo tiếp xúc Do phương pháp đo vùng bề mặt mã hóa vùng bề mặt chi tiết lần đo Tốc độ đo phương pháp phụ thuộc vào tốc độ chiếu mẫu ánh sáng nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh phần tử thu đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo - Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực đo bề mặt 3D không tiếp xúc, không ảnh hưởng đến biên dạng tính chất bề mặt chi tiết đo Phương pháp khơng làm mài mịn hay phá hủy đầu đo tuổi thọ vận hành không 1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray 1.2.1 Phương pháp dịch pha 1.2.2 Phương pháp mã Gray 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ xác cao chống nhiễu tốt, phương pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) phương pháp quan tâm nhiều Đặc biệt để ứng dụng đo chi tiết khí Trong q trình gỡ pha, k(x, y) xác định cho vân chiếu, t(x, y) coi pha tuyệt đối xác định công thức: t(x, y) = 2k(x, y)π + w(x, y) (1.17) Thơng tin pha tuyệt đối thu xây dựng đồ pha tuyệt đối từ xác định tọa độ 3D điểm đo 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo chi tiết khí Độ xác hệ thống đo sử dụng PSGC phụ thuộc vào độ xác hệ thống quang học đặc tính phản xạ bề mặt Hơn trình đo thực, hình dạng sóng hình ảnh thu khơng phù hợp với hình dạng sóng lý tưởng nhiễu giao thoa, ánh sáng môi trường, phi tuyến Gama máy chiếu [62, 16] hay hiệu chuẩn hệ thống khơng xác [2], nhiễu gây phản xạ bề mặt hay độ phản xạ không đồng bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, lệch tiêu điểm hệ thống quang học [56], gây sai số q trình phân tích pha kết dẫn đến sai lệch đồ pha tuyệt đối gây nên sai số dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo Phi tuyến Gamma lệch tiêu máy chiếu Dựng hình ghép đám mây điểm Phương pháp xử lý đám mây điểm 1.3.1 Độ xác hiệu chuẩn hệ thống Đặc điểm lớn hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cần phải hiệu chuẩn trước lần đo để đảm bảo thu kết đo tốt Việc hiệu chuẩn độ xác hệ thống bao gồm: hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu mối quan hệ hình học hai thiết bị Hiệu chuẩn hệ thống đo quan trọng phép đo sử dụng máy ảnh liên quan tới phép đo tọa độ thực ba chiều từ không gian tọa độ hai chiều máy ảnh Tuy nhiên, mơ hình tính tốn khơng tính đến tất thông tin hệ thống quang học biến dạng thấu kính, sai lệch cường độ máy ảnh máy chiếu, độ tuyến tính ánh sáng chiếu máy chiếu máy ảnh Hơn thông số hình học vị trí máy ảnh máy chiếu vật đo xác lập hệ thống đo có sai số so với mơ hình tính tốn Vì việc hiệu chuẩn hệ thống góp phần hiệu chỉnh sai số yếu tố gây nên 1.3.2 Ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến độ xác đo chi tiết khí Việc sử dụng hệ thống đo 3D ánh sáng cấu trúc gặp khó khăn xử lý bề mặt khơng tán xạ đồng tín hiệu quang học khơng thu cách xác Do chiếu ánh sáng vào bề mặt gây tượng phản xạ với cường độ ánh sáng lớn vùng phản xạ thông tin bề mặt chi tiết thu trực tiếp Đối với chi tiết đo có vật liệu kim loại chiếu với cường độ thời gian phơi sáng xác định vân mẫu chiếu vùng có phản xạ bề mặt trung bình trở nên rõ ràng vùng có phản xạ bề mặt lớn trở nên sáng đến mức bão hòa ảnh máy ảnh tức mức cường độ điểm ảnh thu vượt mức 255 mức xám Do đó, ảnh chụp phản xạ sáng gây nên bão hịa hình ảnh tối q khơng thể thu ảnh rõ nét Điều có nghĩa mơ hình mẫu chiếu khơng giải mã cách xác Các vùng tương ứng bề mặt vật thể khơng thu được, khơng có đủ thơng tin để xây dựng bề mặt 3D chi tiết đo làm kim loại 1.3.2.1 Mơ hình phản xạ bề mặt 1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 1.3.3 Đánh giá độ xác hệ thống PSGC Một hệ thống đo lường cần phải có tiêu chuẩn để đánh giá độ xác Để đánh giá độ xác hệ thống, thiết bị đo ánh sáng cấu trúc nói chung chưa có hệ thống hay quy trình tiêu chuẩn đo cụ thể Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc phương pháp đo biên dạng 3D bề mặt, độ xác hệ thống hiệu chuẩn đánh giá cách sử dụng số bề mặt chuẩn với khả đo khác Các bề mặt chuẩn cần xây dựng để phù hợp với thiết bị đo cụ thể 1.4 Kết luận chương Qua phân tích tình hình nghiên cứu giới nước đo chi tiết khí sử dụng ánh sáng cấu trúc yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phương pháp đưa số kết luận sau: Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng chi tiết khí địi hỏi độ xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấy phù hợp để đo chi tiết khí Tuy nhiên chi tiết khí gia cơng CNC có nhiều đặc điểm tính chất gây khó khăn làm giảm độ xác kết đo Như vậy, với độ xác chi tiết cần nâng cao độ xác phương pháp đo làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt để đo chi tiết khí cách tốt Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác đo chi tiết khí nghiên cứu như: ánh sáng mã hóa thu từ cảm biến bị sai lệch so với ánh sáng mã hóa chiếu từ máy chiếu, nhiễu giao thoa, ánh sáng môi trường, phản xạ bề mặt thơng số hiệu chuẩn hệ thống Trong hai yếu tố độ xác hiệu chuẩn phản xạ bề mặt chi tiết ảnh hưởng lớn đến độ xác hệ thống đo Phản xạ bề mặt chi tiết làm tăng sai số phép đo chí thực phép đo bề mặt Qua phân tích nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt cho thấy phương pháp thay đổi thời gian phơi sáng khả thi thực mà không cần thiết bị phần cứng phụ trợ Việc cần thiết phải xây dựng quy trình đánh giá độ xác chưa có cơng trình nghiên cứu đưa quy trình đánh giá độ xác hệ thống đo ánh sáng cấu trúc cụ thể 1.5 Hướng nghiên cứu luận án Với kết luận tác giả đề xuất nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray xây dựng thuật toán, phần mềm đo lường đám mây điểm 3D sử dụng phương pháp Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến độ xác phép đo biên dạng 3D chi tiết khí, với hai tham số độ xác phép hiệu chuẩn độ phản xạ bề mặt chi tiết Nghiên cứu phương pháp để tăng độ xác hệ thống đo Đề xuất quy trình đánh giá độ xác hệ thống dựa vào tiêu chuẩn quốc tế ISO đo lường phân tích biên dạng bề mặt Xây dựng hệ thống thực nghiệm theo phương pháp PSGC để nghiên cứu thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Chương NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PSGC 2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) Hình Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp PSGC thể hình 2.1 sau: Các mẫu ánh sáng mã hóa chiếu lên khung hình máy chiếu theo chuỗi gồm ảnh mã Gray ảnh dịch pha Bản đồ pha mã Gray dịch pha xây dựng thông qua ảnh vân mẫu cảm biến máy chiếu, đồ pha gọi đồ pha mặt phẳng chuẩn r Hình ảnh chi tiết đo máy ảnh thu nhận theo trình tự chiếu máy chiếu Thông qua ảnh cảm biến máy ảnh, thu đồ pha thực  chi tiết đo Các giá trị pha thực so sánh với giá trị pha chuẩn máy chiếu tương ứng với điểm chung máy ảnh máy chiếu hệ tọa độ thực Ngồi thơng số hiệu chuẩn cho máy ảnh máy chiếu xác định thông qua bước hiệu chuẩn hệ thống Khi thông số hiệu chuẩn hệ thống xác định, đồ pha tuyệt đối xây dựng thông qua phương pháp tam giác lượng Với hệ thống sử dụng phương pháp PSGC sai số xuất trình đo Ảnh mẫu chiếu từ máy chiếu ảnh chụp từ máy ảnh chịu ảnh hưởng biên dạng bề mặt tính chất phản xạ bề mặt chi tiết đo Khi dựng lại đồ độ sâu điểm bề mặt chi tiết, thông số hiệu chuẩn sử dụng, độ xác hiệu chuẩn thông số ảnh hưởng đến độ xác dựng lại đồ độ sâu bề mặt chi tiết đo Các thông số đo lường biên dạng 3D chịu ảnh hưởng trực tiếp sai số trình dựng hình ghép đám mây điểm Phương pháp mã hóa Gray dựa biên vân thông qua giá trị mã xám điểm biên ảnh dạng cường độ tương ứng với điểm ảnh mã hóa Bất kỳ điểm ảnh máy ảnh máy chiếu nhận dạng chuỗi cường độ nhị phân mà nhận chiếu tương ứng Đối với phương pháp PSGC cần phải xác định độ rộng chu kỳ sin tương ứng với vân mã Gray Với máy chiếu có độ phân giải Np  Mp, ảnh sin dịch pha với số lượng điểm ảnh chu kỳ tương ứng theo phương ngang phương dọc Tu , Tv có số chu kỳ tồn vùng đo theo hai phương nu nv xác định thông qua độ phân giải máy chiếu: nu = Np Tu , nv = Mp Tv (2.1) Các mẫu Gray tạo theo chiều rộng chu kỳ sin chiều rộng vân mẫu Gray chu kỳ sin Số mẫu chiếu chiếu theo phương ngang phương dọc tương ứng mã Gray phải tương ứng với số chu kỳ sin nu nv là: Gu = log ( nu ) , Gv = log ( nv ) (2.2) Theo công thức (2.2), để Gu Gv số nguyên phải thỏa mãn điều kiện nu = 2i nv = j với i, j phải số nguyên Để tính tốn tương ứng đường với đường điểm ảnh máy ảnh máy chiếu cần phải chiếu mã Gray theo phương ngang phương dọc mặt phẳng chuẩn Thuật toán phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray trình bày hình 2.5 Với việc khai báo liệu đầu vào số ảnh chiếu mã Gray theo hai phương Gu Gv tính theo cơng thức (2.2) Máy tính tạo vân chiếu dạng sin theo cơng thức (1.1) mơ tả tốn học theo công thức sau: I i ( u ,v ) =  2 ( u, v )  255  +  1 + cos     Tu ,v  (2.3) Trong đó: Tu,v bước vân hay số điểm ảnh chu kỳ vân xác định theo công thức (2.1) u, v số điểm ảnh mặt phẳng ảnh  pha ban đầu, với ảnh mẫu dịch pha bước pha pha tương ứng  = (0, /2, , 3/2) 2.2 Nâng cao độ xác hiệu chuẩn vng bàn cờ Như phân tích hình 2.2 độ xác dựng lại đồ độ sâu bị ảnh hưởng trực tiếp thông số hiệu chuẩn hệ thống Để thiết kế hệ thống quang học tốt đòi hỏi phải xem xét thông số chuỗi quang để hiểu ảnh hưởng thành phần Các thông số cần xem xét việc phân tích hệ thống quang học bao gồm sai lệch thông số hệ thống, phân cực ánh sáng, tần số khơng gian tổn thất lượng q trình chiếu thu ánh sáng Tác động thành phần chuỗi quang lên thông số cuối tích lũy tổng cộng lớn yếu tố tạo nên sai số Hình 2.3 Sơ đồ khối trình hiệu chuẩn hệ thống Q trình hiệu chuẩn hệ thống sơ đồ hóa hình 2.3 Máy ảnh hiệu chuẩn thông qua việc chụp ảnh mẫu hiệu chuẩn 2D với góc vị trí khác chiếu ánh sáng mẫu máy chiếu Các nội thông số Ac hệ số méo ảnh xác định sau hiệu chuẩn máy ảnh Trong tốn hiệu chuẩn máy ảnh có bốn nội thơng số (fx, fy, cx, cy) năm thông số méo: ba hướng tâm (k1, k2, k3) hai tiếp tuyến (p1, p2) Các nội thông số gắn trực tiếp với hình học 3D vị trí bảng hiệu chuẩn đặt không gian Phép chiếu biểu thị hàm vector thành phần phi tuyến (𝑥, 𝑦, 𝑧) = (𝑢 , 𝑣 ) tính tốn nội thơng số ngoại thông số hệ thống Cho tập hợp điểm tương ứng với tọa độ điểm ảnh thu từ nhiều hướng nhìn (𝑥, 𝑦, 𝑧) → 𝑢, 𝑣) xác định thơng số pha  Đầu tiên ứng dụng thuật toán hiệu chuẩn Zhang [102] để xác định thơng số tuyến tính (𝑓𝑢, 𝑓𝑣, 𝑢0 , 𝑣0 , 𝑅, 𝑇) Thay kết vào mơ hình tuyến tính với hệ số méo (𝑘1 , 𝑘2 ,𝑝1, 𝑝2 , 𝑘3 ) tính tốn hàm bình phương tối thiểu lỗi phép chiếu nghiên cứu tài liệu [77], sai lệch phép chiếu theo phương ngang Eu phương thẳng đứng Ev xác định riêng sau: 𝐸 = √𝐸𝑢2 + 𝐸𝑣2 {𝐸𝑢 (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑢, 𝑣 ) = 𝑢 (𝑥, 𝑦, 𝑧) − 𝑢𝑛 (2.4) 𝐸𝑣 (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑢, 𝑣 ) = 𝑣 (𝑥, 𝑦, 𝑧) − 𝑣𝑛 Áp dụng thuật toán Levenberg -Marquardt [55] để xác định thông số phù hợp cho hệ phương trình Ngồi thay đổi bước sóng làm thay đổi mức độ biến dạng khoảng cách làm việc thay đổi mức độ biến dạng thay đổi Điều quan trọng phải xem xét riêng ống kính sử dụng hệ thống đo cụ thể để đảm bảo mức độ xác cao làm việc cách điều chỉnh loại bỏ méo khỏi hệ thống Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp hiệu chuẩn đề xuất Zhang phần mô tả OpenCV [55] Tuy nhiên, tác giả không công bố chi tiết thuật tốn ngoại trừ mơ tả cách tiếp cân dựa mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ Do cần phải hiểu đầy đủ thuật tốn hiệu chuẩn hiệu thơng số hiệu chuẩn độ xác xây dựng lại bề mặt 3D cách thực thuật toán cho đầu vào thuật tốn thay đổi 10 2.2.1 Lựa chọn kích thước vng bàn cờ tối ưu Độ xác xác định góc vng bàn cờ dùng hiệu chuẩn, phụ thuộc vào kích thước vng bàn cờ, kích thước ô vuông ảnh hưởng đáng kể đến độ xác thơng số ước tính nội thơng số ngoại thông số hệ thống theo công thức (1.18) Như để đảm bảo độ xác hiệu chuẩn cần phải lựa chọn kích thước vng bàn cờ phù hợp với kích thước vùng đo hệ thống đo 2.2.2 Ảnh hưởng góc bảng hiệu chuẩn Trong nghiên cứu [102] bảng hiệu chuẩn sử dụng để hiệu chuẩn hệ thống với góc vị trí tùy ý Tuy nhiên để đạt độ xác cao q trình hiệu chuẩn vị trí góc vng bàn cờ phải đặt giới hạn cho phép Sơ đồ nguyên lý để xác định góc quay xây dựng hình 2.7 Bảng hiệu chuẩn gá lên bàn quay quay theo hai phương: Góc nghiêng thứ bảng hiệu chuẩn so với trục y tương ứng góc , góc nghiêng thứ hai bảng hiệu chuẩn  tương ứng với góc hợp bảng hiệu chuẩn bàn quay Việc xác định góc quay theo hai trục thơng qua đo góc quay 2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực Tọa độ 2D vật đo xác định thông qua tọa độ điểm ảnh với hiệu số pha theo công thức (1.15) Việc xác định tọa độ z thực thông qua nguyên tắc tam giác lượng sau hiệu chuẩn hệ số h0 theo công thức (1.16) Để xây dựng lại biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo, cần phải thu pha tuyệt đối t (x, y) Pha tuyệt đối chi tiết đo xác định điểm ảnh máy ảnh tương ứng với điểm ảnh có giá trị pha tuyệt đối ảnh vân chiếu máy chiếu 2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w  h  d) Hệ thống đo xây dựng với số thông số ban đầu đề xuất vùng đo (w  h) mặt phẳng tham chiếu thiết bị vùng không gian nhìn thấy từ máy chiếu máy ảnh hình 2.9 Thơng thường vùng chiếu máy chiếu nhỏ vùng thu máy ảnh Do vậy, xác định vùng đo dựa vào vùng chiếu máy chiếu Vùng phụ thuộc chủ yếu vào thông số hệ thống như: khoảng cách máy ảnh máy chiếu b, góc trục quang máy ảnh trục quang máy chiếu , khoảng cách L để đạt kích thước vùng đo theo phương ngang phương dọc w h Thơng thường kích thước vùng chiếu máy chiếu theo phương dọc nhỏ kích thước theo phương ngang q trình thực nghiệm tính tốn tối ưu lấy theo kích thước vùng chiếu nhỏ h 11 Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo hệ thống Giả sử mối quan hệ L w, h tuyến tính xác định vùng không gian chiếu h w sau:     h = Ltg   , w = Ltg   2 2 (2.4) Độ sâu trường khoảng cách dọc theo quang trục thấu kính máy ảnh điểm đo gần xa vùng đo qua thấu kính máy ảnh mà chi tiết đo tạo ảnh cảm biến ảnh Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh Theo cơng thức (2.20) (2.21), giới hạn độ sâu trường đo xác định [25] d = L = Lmax − Lmin 2.N c.L2 = f2 (2.5) Theo công thức (2.5), kích thước vùng đo (wh) xác định độ sâu vùng đo xác định yếu tố: Tiêu cự ống kính máy ảnh f, độ ống kính D khoảng cách từ máy ảnh đến chi tiết đo L Trong hệ thống quang học kích thước vòng tán xạ c tùy ý Khi đường kính vịng tán xạ tăng lên kích thước mờ cho phép tăng lên dẫn đến phạm vi độ sâu d tăng lên Khi c có giá trị nhỏ vừa đủ mối quan hệ d c tuyến tính Khi c lớn q mối quan hệ trở nên phi tuyến công thức (2.5) khơng cịn xác Để lựa chọn hợp lý cho kích thước đường kính vịng tán xạ kích thước điểm ảnh Pc 12 2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm máy đo 3D sử dụng phương pháp PSGC gồm máy chiếu InFocus N104 công nghệ DLP với độ phân giải (1024× 768) máy ảnh lỗ nhỏ DFK 41BU02 có độ phân giải (1280×960) Các thiết bị bố trí thành cụm đầu đo kết nối với máy tính Máy tính u cầu cấu hình cao để xử lý liệu đám mây điểm cách nhanh chóng Thực nghiệm với máy tính: Ram 8GB, Core i5-4460, tốc độ xử lý 3.20 GHz, card VGA rời, hình 2.11 Bàn quay thiết kế quay theo hai phương x y với góc nghiêng  xác định encoder đo góc Cụm đầu đo gá lên đế gá thay đổi góc nghiêng khoảng cách tới mặt phẳng chuẩn Bàn gá chi tiết đo thiết kế quay trịn đảm bảo diện tích qt vật đo tối đa với chuyển động quay trịn mặt phẳng chứa vật Hình 2.11 Mơ hình thiết bị thực nghiệm Xác định chu kỳ vân dịch pha Gray Với hệ thống sử dụng máy chiếu có độ phân giải theo phương ngang phương dọc (1024× 768) cần số mẫu chiếu Gray theo công thức (2.2) Lựa chọn số mẫu chiếu Gray theo phương ngang phương dọc thỏa mãn điều kiện theo công thức để i j số  1024   768  i j nguyên nu = log   = log 2 , nv = log   = log 2 , chọn chu kỳ sin theo  Tu   Tv  phương ngang phương dọc tính theo cơng thức (2.1) Tu = 32 (điểm ảnh) Tv = 24 (điểm ảnh) sử dụng mã hóa Gray 5bit theo phương ngang phương dọc Xác định độ sâu giới hạn vùng đo (d) Thực nghiệm thay đổi khoảng cách từ máy chiếu tới mặt phẳng chuẩn L điều chỉnh tiêu cự máy chiếu cho ảnh rõ nét mặt phẳng (R) để xác định vùng chiếu giới hạn theo phương ngang phương dọc w×h mặt phẳng tham chiếu Qua xác định mối hệ khoảng cách từ máy ảnh đến L kích thước vùng chiếu h Trong hệ thống thực nghiệm chọn D=f/8 tức N=8 Độ lớn đường kính vịng tán xạ c để đạt độ sắc nét chấp nhận phụ thuộc vào kích thước cảm biến ảnh Trong trường hợp lấy đường kính vịng tán xạ chấp nhận có kích thước điểm ảnh CCD c= Pc=4,65 µm Như độ sâu trường xác định theo công thức (2.5) với khoảng cách L=500mm, tiêu cự f= 12 mm 13 d= 2.N c.L2 2.8.4, 65.5002 = f2 122 130 mm (2.6) Như vậy, vùng không gian đo giới hạn hệ thống xác định xác (whd) = 245181130 (mm) với tiêu cự thấu kính f =12 mm, khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo L=500 mm, chi tiết đo đặt vùng thu độ xác cao 2.4 Khảo sát nâng cao độ xác hiệu chuẩn vng bàn cờ 2.4.1 Ảnh hưởng kích thước vng bàn cờ Vùng làm việc bảng hiệu chuẩn nằm vùng đo (245181130) (mm) Trong thực nghiệm sử dụng 15 kích thước ô vuông bàn cờ khác Kích thước làm việc ô vuông bàn xác định nhỏ vùng làm việc hệ thống cho thay đổi góc khác diện tích bảng hiệu chuẩn nằm vùng đo, chọn vùng kích thước vuông bàn cờ thực nghiệm BB= 180180 (mm) Mối quan hệ kích thước vng bàn cờ sai số hiệu chuẩn ( E c E p E s ) thể hình 2.18 Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ kích thước vng bàn cờ sai số hiệu chuẩn Vì kích thước bao bảng hiệu chuẩn chọn cố định: Khi kích thước vng S tăng từ 16 đến 30 mm, số góc vng giảm từ 100 xuống 36 Tuy nhiên, kích thước vng S giảm từ 15 xuống mm, số góc vuông tăng từ 144 lên 1225 Như thể hình 2.18, kích thước góc vng lớn nhỏ dẫn đến hiệu chuẩn xác xác, gây thiếu điểm đặc trưng để xác định góc vng quang sai ống kính Do đó, cịn tồn cực tiểu mà hai yếu tố Eu Ev tổng hợp nhỏ theo công thức tính E (2.4) hay lỗi hiệu chuẩn nhỏ Khi bảng hiệu chuẩn có kích thước bàn cờ 15 mm 121 góc, thấy lỗi hiệu chuẩn đạt được: E C = 0.190 (điểm ảnh), E P = 0.057 (điểm ảnh), E S = 0.298 (điểm ảnh) Kết cho thấy kích thước tối ưu bàn cờ vùng làm việc xác định để hiệu chuẩn hệ thống đạt độ xác cao 14 2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng góc bảng hiệu chuẩn Mục đích việc hiệu chuẩn với góc bảng hiệu chuẩn khác để kiểm chứng ảnh hưởng góc đến độ xác kết hiệu chuẩn Từ lựa chọn góc bảng hiệu chuẩn giới hạn để đạt kết hiệu chuẩn mong muốn Thực hiệu chuẩn với góc quay  bảng hiệu chuẩn thay đổi vùng từ 50 đến 1300 Giá trị góc bảng hiệu chuẩn giới hạn để bảng hiệu chuẩn với kích thước BxB gá nghiêng nằm vùng đo cho phép (245181130) (mm) Với lần thay đổi bảng hiệu chuẩn quanh trục x với ∆ =10o quy trình hiệu chuẩn thực với 10 vị trí khác bảng hiệu chuẩn quay quanh trục y giới hạn ∆ =10o Như đồ thị ta thấy khoảng góc ô vuông bàn cờ ∆ =  30o sai số nhỏ 0,4 mm Với độ xác hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm xác định chương sai số F nhỏ 0,4 mm đạt yêu cầu Như xác định góc giới hạn cho phép ô vuông bàn cờ ∆ =  30o Hình 2.21 Quan hệ  F  2.4.3 Ảnh hưởng ánh sáng môi trường đến độ xác hiệu chuẩn Kết thực nghiệm hiệu chuẩn với giá trị độ rọi thu nội thông số, ngoại thông số hệ số méo ảnh hệ thốngThông số CE, PE, SE tương ứng biểu thị sai số hiệu chuẩn trung bình máy ảnh, máy chiếu hệ thống Từ đồ thị hình 2.23 nhận thấy thay đổi độ rọi từ đến 100 lux từ 200 đến 360 lux độ xác hiệu chuẩn biến thiên lớn: CE từ 0.202 đến 0.354 (điểm ảnh); PE từ 0.071 đến 0.132 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.345 (điểm ảnh); Với độ rọi khoảng 100 lux đến 200 lux sai số hiệu chuẩn biến thiên nhỏ: CE từ 0.202 đến 0.215 (điểm ảnh); PE từ 0.070 đến 0.087 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.244 (điểm ảnh); 15 Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ độ rọi độ xác hiệu chuẩn 2.5 Kết luận chương Phương pháp đo bề mặt 3D sử dụng PSGC với nhiều ưu điểm độ phân giải khả chống nhiễu tốt Đã xây dựng thuật tốn chương trình đo o 3D sử dụng PSGC nhằm phân tích đánh giá, kiểm chứng lý thuyết nghiên cứu Một thiết bị thực nghiệm phần mềm đo biên dạng 3D sử dụng PSGC xây dựng nhằm thực nghiệm đánh giá yếu tố ảnh hưởng hệ thống đo đề xuất Với kết trực quan bảng liệu, đồ thị, hình ảnh để đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số đến độ xác hệ thống miền hay toàn vùng đo hệ thống Các phương pháp kỹ thuật phần mềm công nghệ nghiên cứu nhằm làm giảm ảnh hưởng thơng số đến độ xác hiệu chuẩn như: Áp dụng phương pháp thuật toán nghiên cứu nhằm xác định tối đa thơng số hiệu chuẩn hệ thống gồm có thơng số tuyến tính thơng số phi tuyến Dùng thuật tốn Levanberg-Marquardt để tinh chỉnh nội thơng số hệ thống, từ bù loại trừ sai số hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ xác hiệu chuẩn Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm xác định với góc vng bàn cờ 15 mm góc giới hạn bảng hiệu chuẩn ∆=30 độ sai số hiệu chuẩn hệ thống đạt E< 0,4 (điểm ảnh) Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm chứng minh độ rọi ánh sáng môi trường có ảnh hưởng tới kết hiệu chuẩn thơng qua sai số hiệu chuẩn hệ số méo ảnh Với độ rọi ánh sáng môi trường nằm khoảng 100 lux đến 200 lux độ xác hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu, hệ thống biến thiên nhỏ khoảng 0.017 (điểm ảnh) Độ rọi ánh sáng môi trường nhỏ 100 lux lớn 200 lux kết hiệu chuẩn xác độ biến thiên lớn 0.062 điểm ảnh Chương PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT 3.1 Các thơng số ảnh hưởng đến độ bão hịa CCD máy ảnh Để xác định mối quan hệ cường độ sáng thu máy ảnh Ic(u, v) cường độ sáng chiếu từ máy chiếu Ip(u, v) cần phải hiểu hình ảnh vật thể hình thành cảm biến máy ảnh Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành vân ảnh 16 điểm ảnh có phản xạ bề mặt RA bao gồm: (1) thời gian phơi sáng 𝑡𝑐 thời gian mà cảm biến cần để thu đủ lượng ánh sáng để tạo ảnh (2) độ nhạy máy ảnh (3) ánh sáng mã hóa với cường độ Ip chiếu từ máy chiếu phản xạ từ điểm có phản xạ bề mặt RA là, RAIp, (4) ánh sáng môi trường xung quanh Im ánh sáng chiếu từ phần bề mặt khác RB tới điểm có phản xạ bề mặt RA là, RA(Im + RBIp)= RA(Im + IB), (5) ánh sáng môi trường xung quanh chiếu trực tiếp đến cảm biến ảnh với cường độ Im (6) nhiễu cảm biến In [44] Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng thông số phản xạ bề mặt Ảnh hưởng nguồn chiếu sáng khác việc thu hình ảnh vân mẫu máy ảnh mơ tả hình 3.2 cường độ ảnh sáng điểm có hệ số phản xạ RA biểu diễn công thức sau: I c ( u, v ) =  tc  RA ( I p ( u, v ) + I B + I m ) + I m  + I n (3.1) Do vậy, ước lượng điểm ảnh R 𝑏1 , ước lượng cường độ ánh sáng môi trường ánh sáng phản xạ từ bề mặt xung quanh 𝑏2 cường độ sáng thu máy ảnh là: I c =  tc ( b1I p + b2 ) (3.2) Phương trình (3.2) chi tiết đo mơi trường đo cường độ ánh sáng thu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu 𝐼𝑝 (u, v) độ nhạy cảm biến ảnh , thời gian phơi sáng 𝑡𝑐 3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp Để đảm bảo thu ảnh vân mẫu với chất lượng tốt giá trị ba thơng số theo phương trình (3.2) phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu 𝐼𝑝 (u, v) độ nhạy cảm biến ảnh, thời gian phơi sáng 𝑡𝑐 I c =  tc RA I p (3.10) Theo nghiên cứu [108] cường độ ảnh 𝐼𝑐 (𝑢, 𝑣 ) có mối quan hệ tuyến tính với hệ số phản xạ 𝑅𝐴 Khi độ nhạy cảm biến ảnh  không đổi Coi bề mặt chi tiết đo I c0 (u, v) s 𝐼 t = có vật liệu có tính phản xạ đồng Đặt c 𝑅𝐴 𝐼𝑝 (u, v) = với t0 thời 𝑡0  RA I p gian phơi sáng xác định thông qua thực nghiệm để với đối tượng có đặc tính phản 17 xạ mà hệ thống thu giá trị cường độ thỏa mãn nhỏ ngưỡng giới hạn cảm biến ảnh 255, thay vào phương trình (3.11) được: t 𝑐𝑠 = 𝐼𝑐0 (𝑢,𝑣) 𝐼0 𝑡0 (3.3) Theo công thức (3.3), điểm ảnh tương ứng với thời gian phơi sáng phù hợp thu I0 t0 xác định Thời gian phơi sáng máy ảnh cụ thể xác định phần giây với tc = (1/smax  1/smin) mẫu số lớn tốc độ nhanh Biểu đồ Histogram mô tả phân bố giá trị mức điểm ảnh vùng ảnh số Giá trị mức xác gán giá trị nguyên tương ứng với thang đo độ xám trải từ (0 đến 255) xác định: 𝐻 (𝐼𝑟 ) = nr (3.4) 𝑉ớ𝑖 𝐼𝑟 giá trị mức xám thứ 𝑟 𝑛𝑟 số điểm ảnh có mức xám thứ 𝑟 Thông qua hàm 𝑝(𝑆 𝑖 ) mơ tả tỷ lệ tổng số điểm ảnh có mức xám I vùng 𝑆 𝑖 theo công thức sau: 𝑛 𝑝(𝑆𝑖 ) = 𝐼 100% (3.14) 𝑛 Với nI số điểm ảnh có giá trị cường độ vùng 𝑆𝑖 , n tổng số điểm ảnh ảnh Như ảnh đối tượng chụp có độ tương phản cao tránh ảnh hưởng phản xạ bề mặt thời gian phơi sáng phù hợp biểu đồ biểu diễn đường cong có chân trải hai phía vùng S1 S5 phần đỉnh tập trung vùng S2, S3 S4 hình 3.6, thỏa mãn điều kiện sau: ∑ 𝑝(𝑆2,3,4 ) = (𝑝(𝑆2 ) + 𝑝(𝑆3 ) + 𝑝(𝑆4 )) → 𝑚𝑎𝑥 (3.5) Hình 3.6 Biểu đồ Histogram thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp Với ảnh thô chụp với thời gian phơi sáng lấy mẫu khoảng tc = (1/smax  1/smin), ảnh thỏa mãn điều kiện biểu thức (3.5) giá trị thời gian phơi sáng chọn t0 tương ứng Biểu đồ Histogram với t0 phân tích xác định thời gian phơi sáng phù hợp Thời gian phơi sáng phù hợp vùng hai vùng xác định với cường độ tương ứng với đáy bên phải đỉnh mức cường độ D1, D2, D3, D4, D5 đáy hai đỉnh hai vùng liền kề I0i (i=1, 2, 3, 4) Thời gian phơi sáng t0i (i=1, 2, 3, 4) tương ứng với cường độ xác định theo công thức (3.3) thời gian sử dụng để đo với mã dịch pha kết hợp mã Gray Các đám mây điểm 18 dựng lên với thời gian phơi sáng phù hợp, sau ghép tạo thành đám mây điểm hoàn chỉnh 3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ Có thể nhận thấy phản xạ bề mặt phụ thuộc vào ánh sáng góc chiếu chụp chi tiết đo Hơn nữa, chi tiết đo quay bàn xoay chi tiết, thu vùng khác chi tiết đo Máy ảnh chụp vùng khác chi tiết đo dựng tọa độ thành phần sau tổng hợp thành tọa độ hệ thống Các đám mây điểm chi tiết ghép, vùng bị bóng đám mây điểm bù với vùng khơng bị bóng đám mây điểm khác Độ xác phương pháp ghép ảnh yêu cầu phải nhỏ độ xác hệ thống 3.4 Khảo sát đánh giá hiệu giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt Mục đích việc khảo sát Điều kiện thiết bị thực Đối tượng thực nghiệm 3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp 3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm Biểu đồ Histogram ảnh với mã Gray 20 với thời gian phơi sáng tc=16ms để tính cường độ tương ứng Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i các vùng cường độ chi tiết nhơm Trong hình 3.13, I0i xác định thể hình với chi tiết nhơm I01=38, I02=108, I03=215, cường độ sử dụng để tính tốn thời gian phơi sáng tương ứng với t0=16ms, 𝐼𝑐0 = 254 theo công thức (3.12) t01=106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99 msCác thời gian phơi sáng sử dụng để đo phương pháp PSGC Sau tổng hợp hình ảnh cường độ dựng lại đám mây điểm hình 3.14 19 Hình 3.14 Đám mây điểm 3D thép kết hợp thời gian phơi sáng tối ưu Đám mây điểm thu có số lượng điểm ảnh 3D đám mây điểm thể bề mặt 13135 điểm Bề mặt đám mây điểm với đám mây điểm bố trí tồn vùng bề mặt khơng bị thơng tin.Đám mây điểm 3D thép kết hợp thời gian phơi sáng tối ưu Hình 3.20 3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 Thực nghiệm đo với phương pháp đo đề xuất Đầu tiên, chiếu ảnh thô với cường độ ánh sáng chiếu Ip (255, 255, 255) với thời gian phơi sáng ban đầu đặt t0 =12,5 (ms) thu ảnh dùng biểu đồ Histogram để tính cường độ tương ứng Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i các vùng cường độ chi tiết nhơm Trong hình 3.17, I0i xác định thể hình với chi tiết nhơm I01=19, I02=87, I03=233, cường độ sử dụng để tính toán thời gian phơi sáng tương ứng với t0=12,5ms, 𝐼𝑐0 = 254 theo công thức (3.12) t01=167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms thời gian phơi sáng sử dụng để đo phương pháp PSGC Sau tổng hợp hình ảnh cường độ dựng lại đám mây điểm 3D hình 3.18 a, b, Hình 3.18 a, Đám mây điểm 3D nhơm kết hợp thời gian phơi sáng tối ưu b, Đám mây điểm sau giảm thiểu số lượng điểm ảnh a, 20 b, Hình 3.21a,Đám mây điểm 3D nhôm kết hợp thời gian phơi sáng tối ưu b, Đám mây điểm sau giảm giểu số lượng điểm ảnh Đám mây điểm thu sau ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp cho thấy điểm ảnh thể bền mặt dày không bị thông tin đám mây điểm chi tiết nhôm đo với thời gian phơi sáng Tổng số điểm ảnh thể bề mặt 3D 87719 số điểm ảnh sau dùng thuật toán Downsampcloud 29419 điểm ảnh 3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn 3.4.2.1 khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp Với chi tiết nhôm đo với góc nghiêng +100 -100 so với mặt phẳng tham chiếu thu hai đám mây điểm có vùng trống khơng có liệu đo bù cho 3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc Qua thực nghiệm lựa chọn với góc nghiêng +120 -120 so với mặt phẳng tham chiếu thu hai đám mây điểm có vùng trống khơng có liệu đo bù cho 3.5 Kết luận chương Với mục đích làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết khí đo sử dụng phương pháp PSGC, hai phương pháp đề xuất là: xác định thời gian phơi sáng phù hợp vùng xám chi tiết đo sau ghép đám mây điểm thời gian phơi sáng để thu đám mây điểm đầy đủ xác thơng tin bề mặt, tránh vùng bão hịa CCD Ngồi ra, phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn đề xuất nhằm giảm bớt vùng có cường độ phản xạ mà phương pháp ghép thời gian phơi sáng phù hợp chưa thu tuyệt đối Kết khảo sát hai phương pháp giảm yếu tố ảnh hưởng phản xạ bề mặt chi tiết khí cho thấy: Ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp đạt kết tốt Đối với chi tiết nhôm dạng bậc xác định thời gian phơi sáng phù hợp t01=167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms Đối với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp xác định thời gian phơi sáng phù hợp t01=106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99 Ghép đám mây bù vùng bóng cho thấy tùy thuộc vào mức độ phản xạ hình dạng phức tạp bề mặt chi tiết đo mà chọn góc nghiêng nhỏ hợp lý để bù cho thu hiệu tốt Đối với chi tiết nhơm bề mặt phức tạp với góc nghiêng 10o đạt kết ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt Đối với chi tiết nhơm bề mặt bậc với góc nghiêng 12o đạt kết ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt Có thể thấy với kết phân tích lý thuyết thực nghiệm kiểm chứng hệ thống, hai phương pháp đề xuất phù hợp với hệ thống có mức độ đáp ứng mức xám máy chiếu, cường độ ảnh chụp thời gian phơi sáng tuyến tính 21 Chương 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC 4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ xác Dựa vào bảng 1.2 xác định tiêu chuẩn A E để đánh giá độ xác hệ thống đo 4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 Với việc sử dụng mẫu chuẩn đo A1 cho hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC, theo mục 1.3.3 mẫu chuẩn đo mặt phẳng bậc cần xác định khoảng cách bậc Do việc xây dựng thuật toán phần mềm để đánh giá so sánh kết đo phương pháp cần thiếtMột mặt phẳng có độ xác xác định đo phương pháp PSGC, dựng hình mặt phẳng phù hợp mặt phẳng thực thơng qua thuật tốn RANSAC 4.1.2 Xây dựng thuật tốn xác định chuẩn kiểu E1 Cần xây dựng thuật toán chương trình phần mềm để xác định chuẩn kiểu E1 Như cần xác định bán kính đám mây điểm cầu chuẩn Đề xác định bán kính R mặt cầu đám mây đểm 3D thuật toán phù hợp mặt cầu ứng dựng thuật toán RANSAC xây dựng 4.1.3 Đánh giá độ xác theo mặt phẳng chuẩn Độ xác vùng đo xác định mặt phẳng chuẩn có kích thước AB (mm) đo với vị trí hướng khác vùng đo phù hợp với mặt phẳng chuẩn Đối với phép đo phân tích, tính tốn thu độ lệch chuẩn khoảng cách trung bình từ điểm đo đến mặt phẳng phù hợp 4.2 Thực nghiệm xác định độ xác hệ thống Thực nghiệm xác định độ xác hệ thống thực với phép đo chi tiết mẫu: chi tiết mẫu dạng bậc, chi tiết cầu, mặt phẳng Số lần đo lặp lặp lại điều kiện mơi trường nhiệt độ phịng 250C, ánh sáng mơi trường giảm tối đa để giảm tham số không đảm bảo đo phép đo 4.2.1 Đo biên dạng bề mặt mẫu bước chuẩn 4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu Thực nghiệm đo biên dạng mặt cầu với bán kính mặt cầu R1=25 mm R2=36.3 mm Kết đo bán kính chi tiết dạng cầu với số lượng điểm ảnh 3D 5572, khoảng cách trung bình từ mặt cầu chuẩn tới mặt cầu thực 030 mm, bán kính cầu đo R1 = 25.069 mm, độ lệch chuẩn 068 mm Kết đo bán kính chi tiết dạng cầu với số lượng điểm ảnh 3D 8426, khoảng cách trung bình từ mặt cầu chuẩn tới mặt cầu thực 073 mm, bán kính cầu đo R2 = 36 354 mm, độ lệch chuẩn 054 mm 4.2.3 Đo mặt phẳng toàn vùng đo Bảng kết phù hợp mặt phẳng hướng vị trí khác cho thấy tương quan sai số góc vị trí mặt phẳng chuẩn bảng sai số khơng nhạy với 22 vị trí mặt phẳng chuẩn nhiên sai số thay đổi góc quay mặt phẳng quanh trục x thay đổi 4.3 Đo chi tiết máy khn khí 4.4 Kết luận chương Đã xây dựng tiêu chí đánh giá độ xác hệ thống đo sử dụng PSGC Với tiêu chuẩn A1 xây dựng thuật tốn chương trình phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng để xác định kích thước bậc Thực nghiệm xác định với chi tiết nhôm bậc M2 mẫu nhôm Với tiêu chuẩn E1 tiêu chuẩn đo mặt cầu xây dựng thuật toán phù hợp mặt cầu Đo mẫu chi tiết mặt cầu xác định được, bán kính cầu đo R1 = 25 069 mm, độ lệch chuẩn 068 mm, bán kính cầu đo R2 = 36 354 mm, độ lệch chuẩn 054 mm Với tiêu chuẩn đánh giá độ xác theo mặt phẳng chuẩn với vị trí góc để xác định độ xác tồn vùng đo KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Với mục đích nghiên cứu phương pháp để giảm ảnh hưởng số yếu tố đến độ xác đo chi tiết khí phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp Gray (PSGC), luận án thực số kết nghiên cứu sau: Xây dựng thuật toán phần mềm đo sử dụng PSGC để đo chi tiết khí có phản xạ bề mặt cao Áp dụng thuật tốn nhằm xác định tối đa thơng số hiệu chuẩn tuyến tính phi tuyến Xây dựng phần mềm xử lý liệu phù hợp đám mây để xác định kích thước sai lệch thơng số kích thước chi tiết đo Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến độ xác hiệu chuẩn độ xác hệ thống, xác định vùng kích thước vng bàn cờ phù hợp kích thước bảng hiệu chuẩn xác định Góc nghiêng bảng hiệu chuẩn so với mặt phẳng cảm biến ảnh CCD xác định giới hạn 30o độ xác hiệu chuẩn đạt nhỏ điểm ảnh Độ rọi ánh sáng môi trường ổn định vùng 100 đến 200 lux độ xác hiệu chuẩn đạt tốt Trên hệ thống thực nghiệm với vùng không gian đo giới hạn (whd) = 245181130 mm với tiêu cự thấu kính f =12 mm, khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo L=500 mm, chi tiết đo đặt vùng thu độ xác cao Đã nghiên cứu xây dựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt chi tiết khí cách ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp mà không cần phương pháp xử lý bề mặt đo nào, không cần thiết lập thêm hệ thống phần cứng phụ trợ phức tạp Từ khảo sát, nghiên cứu thực nghiệm cho biết, thông qua biểu đồ Histogram xác định số lượng thời gian phơi sáng phù hợp bề mặt chi tiết đo có đặc tính phản xạ bề mặt cao Kết thực nghiệm với chi tiết nhôm với 23 biên dạng bề mặt khác cho thấy đề xuất xác định thời gian phơi sáng ghép đám mây điểm thời gian phơi sáng phù hợp có hiệu chi tiết nhơm Kết nghiên cứu làm sở cho nghiên cứu đo 3D ánh sáng cấu trúc đặc biệt ứng dụng đo lường 3D khí Đã nghiên cứu xây dựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt chi tiết khí cách phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ Các góc nghiên để ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ phụ thuộc vào hình dạng đặc tính phản xạ chi tiết đo Trong hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp chủ yếu làm giảm lớn ảnh hưởng phản xạ bề mặt Tuy nhiên, phương pháp yêu cầu thời gian đo lớn quy trình phải tuân thủ Nghiên cứu đề xuất quy trình xác định độ xác hệ thống đo dựa vào tiêu chuẩn ISO A1 E1 Xây dựng thuật toán phần mềm xử lý đám mây điểm đo với tiêu chuẩn đo Với tiêu chuẩn đo A1 xây dựng phần mềm phù hợp mặt phẳng để đo khoảng cách bậc Với tiêu chuẩn E1 xây dựng thuật toán phần mềm phù hợp mặt cầu để xác định bán kính mặt cầu Độ xác đo hệ thống thực nghiệm với sai số tương đối lớn 1.46% HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu giảm thời gian xử lý ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng khác nhau, để tăng tốc độ phép đo đo chi tiết có độ phản xạ bề mặt cao Nghiên cứu phương pháp giảm nhiễu đám mây điểm đo bề mặt có phản xạ lớn Tiếp tục nghiên cứu đo chi tiết có độ bóng có dầu mỡ 24 ... nghệ, phần mềm giảm chi phí nhập từ nước ngồi Đây lý để lựa chọn nội dung nghiên cứu luận án: Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết khí Mục... chương: Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc Chương 2: Phương pháp nâng cao độ xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng... bề mặt phụ thuộc vào ánh sáng góc chi? ??u chụp chi tiết đo Hơn nữa, chi tiết đo quay bàn xoay chi tiết, thu vùng khác chi tiết đo Máy ảnh chụp vùng khác chi tiết đo dựng tọa độ thành phần sau tổng