Nghiên cứu nâng cao chất lượng tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ khí bằng công nghệ quét 3d sử dụng thiết bị kinect v2 (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bùi Văn Biên NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÁI TẠO HÌNH HỌC BỀ MẶT CÁC SẢN PHẨM CƠ KHÍ BẰNG CƠNG NGHỆ QT 3D SỬ DỤNG THIẾT BỊ KINECT V2 Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Bành Tiến Long Phản biện 1: GS TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: PGS TS Đinh Văn Chiến Phản biện 3: PGS TS Tăng Huy Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi phút, ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu-Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Công nghệ quét 3D thực cách sử dụng thiết bị thu thập liệu tọa độ x, y, z bề mặt đối tượng vật lý Thiết bị quét 3D đa dạng, thơng dụng thiết bị quang học Tuy nhiên, nhược điểm đáng kể thiết bị qt 3D quang học có độ xác cao giá thành thiết bị thường đắt, không phù hợp với ứng dụng lĩnh vực khí dân dụng, lĩnh vực sử dụng nhiều bề mặt tự khơng địi hỏi độ xác q cao Kinect v2 đời năm 2014 với giá thành khoảng 150 USD nguồn động lực to lớn cho nhiều nghiên cứu quan trọng lĩnh vực tái tạo hình học bề mặt Mục đích ban đầu, thiết bị thiết kế cho lĩnh vực giải trí nên độ xác khơng cao Do đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng Kinect v2 cho hiệu cao kinh tế làm chủ cơng nghệ để ứng dụng thiết bị Kinect v2 vào trình sản xuất khí dân dụng phát triển ngành khí Việt Nam Mục đích nghiên cứu Mục đích Luận án nghiên cứu nâng cao chất lượng tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng thiết bị Kinect v2, thiết bị rẻ tiền chế tạo theo kỹ thuật ToF Chứng minh thực nghiệm trình tái tạo hình học bề mặt chi tiết khí Kinect v2 có chất lượng đáp ứng yêu cầu triển khai thực tiễn sản xuất khí dân dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trang Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp hai phương pháp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án • Đã lựa chọn thông số làm việc hợp lý hệ thống đảm bảo nâng cao độ xác phép đo khoảng cách từ Kinect v2 tới đối tượng đo Đồng thời phân tích ảnh hưởng bề mặt đối tượng đo tới trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng Kinect v2 • Đã đề xuất phương pháp nhằm giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt, nâng cao chất lượng ảnh độ sâu nâng cao chất lượng tiền xử lý đám mây điểm trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng Kinect v2 • Xây dựng quy trình tích hợp phương pháp nhằm nâng cao chất lượng trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí công nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 • Hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng độ phản xạ bề mặt ứng dụng trực tiếp trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng thiết bị quang học khác • Kết nghiên cứu luận án có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt lĩnh vực thiết kế ngược đo lường • Kết đạt đề tài sở xây dựng, lựa chọn hệ thống quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 phù hợp với phạm vi độ phân giải nhằm đạt độ xác cao Những đóng góp luận án • Đã phân tích, đánh giá ảnh hưởng trình khởi động khoảng cách thiết bị đối tượng đo đến giá trị độ sâu điểm thu Trang • Đã phân tích, đánh giá đồng thời đề xuất phương pháp giảm ảnh hưởng độ phản xạ bề mặt đến trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng thiết bị Kinect v2 • Đã phân tích, đánh giá đồng thời đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng ảnh độ sâu thu nhằm nâng cao chất lượng trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 • Đã phân tích, đánh giá đồng thời đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng bước tiền xử lý đám mây điểm nhằm nâng cao chất lượng trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí công nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 • Đã xây dựng thuật tốn chương trình máy tính nhằm nâng cao chất lượng q trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 • Đã ứng dụng để tái tạo hình học bề mặt chi tiết mũ bảo hiểm bề mặt tự điển hình khí dân dụng Kết cấu luận án Ngoài phần Mở đầu Kết luận, Luận án bao gồm: Chương 1: Tổng quan tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D Chương 2: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình số hóa bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng Kinect v2 Chương 3: Nâng cao chất lượng trình số hóa bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng Kinect v2 Chương 4: Quá trình tái tạo hình học bề mặt chi tiết khí Kinect v2 ứng dụng Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÁI TẠO HÌNH HỌC BỀ MẶT SẢN PHẨM CƠ KHÍ BẰNG CÔNG NGHỆ QUÉT 3D 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tổng quan thiết bị quét 3D 1.2.1 Phân loại thiết bị quét 3D 1.2.2 Máy quét 3D laser 1.2.3 Máy quét 3D ánh sáng cấu trúc 1.2.4 Máy quét 3D ToF 1.3 Thiết bị quét Kinect v2 1.3.1 Nguyên lý xác định độ sâu thiết bị ToF 1.3.2 Kỹ thuật ToF sóng liên tục thiết bị ToF 1.3.3 Cấu tạo đặc tính kỹ thuật Kinect v2 Thông số kỹ thuật Kinect v2 mô tả bảng 1.1 1.3.4 Mơ hình cảm biến IR Kinect v2 Mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ thể mối quan hệ hình học ảnh đối tượng chụp Mối quan hệ hình học đặc trưng ma trận tham số nội K   fu u0   K =  f v v0  0 (1.1) 1.3.5 Thu thập xử lý liệu Tọa độ điểm đám mây điểm tính tốn từ ảnh độ sâu theo phương trình: x= u−u0 fu ·z Trang (1.2) Bảng 1.1: Các thông số kỹ thuật Kinect v2 Độ phân giải cảm biến IR 512pixel × 424pixel Độ phân giải cảm biến ảnh màu 1920pixel × 1080pixel FOV cảm biến IR 70◦ × 60◦ FOV cảm biến ảnh màu 84◦ × 54◦ Tỷ lệ khung hình 30Hz Phạm vi làm việc 0, − 4, 5m Kích thước điểm ảnh vật thể 1, 4mm khoảng cách 0, 5m Bước sóng nguồn sáng 860nm Kích thước 250mm × 66mm × 67mm Trọng lượng 970g Dạng kết nối U SB3.0 Công suất tiêu thụ 15W Điện áp 12V (một chiều) y= v−v0 fv ·z (1.3) 1.4 Q trình xử lý thơng tin hình học 1.4.1 Giới thiệu chung 1.4.2 Xử lý thơng tin hình học Geomagic Design X 1.5 Tổng quan nâng cao chất lượng q trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v2 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Qua nghiên cứu công bố, trình tạo hình bề mặt chi tiết cơng nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2, kết tập trung vào đánh giá ảnh hưởng sai số đến liệu đám mây điểm mật độ điểm trình tạo hình Tuy nhiên chưa có nghiên cứu chuyên sâu dành Trang cho ứng dụng lĩnh vực khí Đặc biệt tính chất bề mặt vật liệu thơng dụng khí chế tạo ảnh hưởng đến liệu đám mây điểm thu hình dạng bạn đầu chi tiết cần phải làm rõ Các nghiên cứu để cải thiện chất lượng bề mặt tạo hình cịn rời rạc mảng mà chưa tích hợp thành quy trình phục vụ ứng dụng chuyên ngành 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước Nhìn chung nghiên cứu Việt Nam tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí, đặc biệt tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí thiết bị Kinect v2, cịn chưa đáp ứng u cầu khai thác thực tế 1.6 Kết luận chương • Q trình tái tạo hình học bề mặt bao gồm hai q trình: số hóa xử lý thơng tin hình học Trước nghiên cứu nâng cao chất lượng, cần xác định thông số làm việc hợp lý cho hệ thống ảnh hưởng đối tượng đến q trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v2 • Tiếp theo phương pháp nhằm nâng cao chất lượng trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí công nghệ quét 3D sử dụng Kinect v2 đề xuất Cụ thể cần phân tích, đánh giá đề xuất phương pháp giảm ảnh hưởng độ phản xạ bề mặt, phương pháp nâng cao chất lượng ảnh độ sâu, lựa chọn thuật toán nhằm nâng cao chất lượng bước tiền xử lý đám mây điểm • Cuối hệ thống thiết bị phục vụ thực nghiệm đánh giá hiệu trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 xây dựng Đồng thời triển khai số ứng dụng cụ thể để làm rõ kết nghiên cứu Trang CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN Q TRÌNH SỐ HĨA BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG KINECT V2 2.1 Q trình khởi động Kinect v2 Nhằm xác định mức tăng nhiệt độ ảnh hưởng đến phép đo xác định khoảng thời gian để thiết bị Kinect khởi động phép đo ổn định 2.1.1 Mơ tả thí nghiệm Đối tượng đo tường nhà có độ phản xạ khơng đổi Kinect đặt cố định Khoảng thời gian khảo sát hai đồng hồ 2.1.2 Phương pháp thực Giá trị trung bình phép đo độ sâu vùng 11pixel × 11pixel độ lệch chuẩn tính tốn theo công thức 11 11 dij dtb = j=1 i=1 121 11 σd = 11 (2.1) , (di −dtb )2 j=1 i=1 121 , (2.2) đó: dtb giá trị độ sâu trung bình; dij giá trị độ sâu điểm ảnh có tọa độ i, j; σd độ lệch chuẩn 2.1.3 Kết đánh giá Kết phép đo độ sâu minh họa hình 2.1, hai giá trị độ sâu điểm sở trung bình vùng 11pixel×11pixel vẽ hình Độ lệch chuẩn phép đo độ sâu trung bình vùng 11pixel × 11pixel theo khung hình giây thể hình 2.2 Sau bảy năm phút, giá trị độ sâu điểm sở dao động Trang 1.51 1.508 1.506 1.504 1.502 1.5 1.498 1.496 1.494 Trung bình 1.492 1.49 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Hình 2.1: Kết phép đo độ sâu vị trí cách tường 1, 5m phạm vi ±3mm giá trị độ sâu trung bình vùng 11pixel × 11pixel phạm vi ±1, 3mm so với giá trị trung bình đo thời gian hai Tiếp theo, kết thí nghiệm khoảng cách 3m hiển thị hình 2.3 Độ lệch chuẩn phép đo độ sâu trung bình vùng 11pixel × 11pixel biểu diễn hình 2.4 Các giá trị đo độ sâu ổn định dao động khoảng ±5mm điểm sở ±2mm trung bình vùng 11pixel × 11pixel 2.2 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Hình 2.2: Độ lệch chuẩn độ sâu trung bình vùng 11pixel × 11pixel vị trí cách tường 1, 5m Trang tốt khoảng từ 0, 8m đến 2, 4m, với độ lệch chuẩn khoảng từ 0, 4mm đến 0, 6mm Thông tin mối tương quan cường độ ánh sáng độ xác khoảng cách sử dụng để dự đoán độ tin cậy phép đo 2.3 Ảnh hưởng vị trí điểm ảnh ảnh độ sâu Nhằm xác định ảnh hưởng của vị trí điểm ảnh ảnh độ sâu đến phép đo độ sâu Kinect v2 2.3.1 Mô tả thí nghiệm Đối tượng đo mặt bàn làm việc Kinect giữ cố định Thời gian thực phép đo chín giây 2.3.2 Phương pháp thực Khoảng cách trung bình tính theo cơng thức 50 di dtb = i=1 50 (2.5) 2.3.3 Kết đánh giá Kết thí nghiệm biểu diễn theo hệ trục tọa độ chiều mô tả hình 2.6, vùng có tọa độ (314, 218) đến (378, 236) giá trị khoảng cách đo có độ lệch khoảng 8cm so với giá trị khoảng cách tham chiếu Khi sử dụng thiết bị Kinect v2 cho tác vụ đo lường có độ xác cao phải thực hiệu chuẩn điểm ảnh quản lý toàn cảm biến Tuy nhiên, công việc hiệu chuẩn tốn nhiều thời gian Bởi vậy, tác vụ sử dụng Kinect v2 để tái tạo hình học bề mặt có độ xác khoảng 1mm nên đặt đối tượng cần quét vào khu vực nằm trung Trang 11 1.295 1.29 1.285 1.28 1.275 300 250 350 300 200 250 150 200 150 Hình 2.6: Khoảng cách đo điểm ảnh vùng 260pixel × 220pixel tâm giới hạn cảm biến IR 2.4 Khảo sát ảnh hưởng phản xạ bề mặt 2.4.1 Bề mặt phản xạ 2.4.2 Phần mềm KSCAN3D 2.4.3 Thiết lập thực nghiệm Đánh giá ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến q trình số hóa bề mặt chi tiết khí thơng qua hai yếu tố: hình dạng ban đầu vật mẫu mật độ điểm liệu đám mây điểm Đối tượng thực nghiệm bề mặt phẳng ba vật liệu nhôm, thép, nhựa gia công máy phay CNC 2.4.4 Kết đánh giá Kết thu cho thấy, vật liệu nhựa sử dụng thí nghiệm bị tia IR xuyên qua Với vật liệu nhôm thép, đám mây điểm thu có quy luật tương đồng theo vị trí khảo sát, ví dụ minh họa hình 2.7 Với bước sóng ánh sáng 860nm, vật liệu nhơm có độ phản xạ bề mặt thấp vật liệu thép Ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến trình tái tạo bề mặt số Trang 12 180 180 160 160 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 100 120 140 160 180 200 220 (a) Vật liệu nhôm 100 120 140 160 180 200 220 (b) Vật liệu thép Hình 2.7: Đám mây điểm thu vị trí khảo sát số Kinect v2 rõ ràng Dữ liệu đám mây điểm thu khơng rõ hình dạng ban đầu, mật độ điểm thu phân bố không đều, số vùng khơng có liệu 2.5 Kết luận chương Đối với vật thể nằm khoảng từ 0, 8m đến 2m, trình khởi động cần khoảng thời gian 75 phút để ổn định Qua kết thí nghiệm, phạm vi làm việc hợp lý thiết bị Kinect v2 q trình số hóa theo trục z 0, 8m đến 1, 5m Để nâng cao chất lượng trình tái tạo bề mặt hình học chi tiết khí, việc thu thập liệu ảnh độ sâu cần phải thực theo ảnh trung bình, đồng thời cần có giải pháp để loại bỏ điểm ngoại lai ảnh độ sâu trước tính tốn ảnh trung bình Ảnh hưởng tính chất bề mặt đối tượng sau gia công cắt gọt đến q trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v2 rõ ràng Để nâng cao chất lượng tạo hình bề mặt sản phẩm khí công nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2 cần phải sử Trang 13 dụng số phương pháp làm giảm ảnh hưởng nêu CHƯƠNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Q TRÌNH SỐ HĨA BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG KINECT V2 3.1 Hai phương pháp giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt 3.1.1 Phương pháp tạo lớp phủ chống phản xạ bề mặt 3.1.1.1 Mơ tả thí nghiệm Khảo sát q trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng thiết bị Kinect v2 với bề mặt có lớp phủ chống phản xạ bề mặt Đối tượng quét ba bề mặt phẳng gia cơng sau phun lớp phủ bề mặt 3.1.1.2 Kết đánh giá Kết thực nghiệm cho thấy với vật liệu nhựa, tia IR xuyên qua nên không thu đám mây điểm Với hai vật liệu nhôm thép, đám mây điểm thu tương đồng cho tất vị trí khảo sát, ví dụ minh họa hình 3.1 Tuy tồn số vùng trống liệu cạnh vật mẫu, tất đám mây điểm thể rõ hình dạng ban đầu vật mẫu Ngoài ra, mật độ điểm tất đám mây điểm thu được, ngoại trừ đám mây điểm vị trí số vật liệu nhơm, dao động không đáng kể từ 1040 điểm đến 1184 điểm Khi bề mặt sử dụng lớp phủ chống phản xạ bề mặt, việc thu thập liệu hình học q trình số hóa q trình tái tạo bề mặt số 3D sử dụng Kinect v2 cho kết thơng số hình học xác ổn định khơng có lớp phủ bề mặt Trang 14 180 180 160 160 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 100 120 140 160 180 200 220 100 (a) Vật liệu nhôm 120 140 160 180 200 220 (b) Vật liệu thép Hình 3.1: Đám mây điểm thu vị trí khảo sát số có lớp phủ 3.1.2 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng trống liệu 3.1.2.1 Cơ sở lý thuyết Việc ghép hai đám mây điểm bù vùng trống liệu thực phép biến đổi hệ trục tọa độ tương đối đám mây điểm sang đám mây điểm khác theo công thức 3.1 sau kết nối hai đám mây điểm với PD = RPM + T (3.1) R T ma trận quay ma trận tịnh tiến phép biến đổi hệ trục tọa độ 3.1.2.2 Mơ tả thí nghiệm Kinect gá giá cố định Vật mẫu chi tiết vật liệu nhôm có kích thước 120mm × 120mm × 14mm thực dịch chuyển tịnh tiến quay Phần mềm KSCAN3D tiếp tục sử dụng Trang 15 để thu nhận liệu đám mây điểm 3.1.2.3 Kết đánh giá Kết việc ghép đám mây điểm bù vùng trống liệu minh họa hình 3.2 Đối với dịch chuyển tịnh tiến, đám mây điểm sau ghép có chứa 3141 điểm Giá trị độ sâu trung bình điểm đám mây điểm sau ghép 1251mm độ lệch chuẩn giá trị độ sâu 1, 79mm Đối với dịch chuyển quay, đám mây điểm sau ghép có chứa 20459 điểm Giá trị trung bình độ sâu điểm đám mây điểm 1072, 5mm độ lệch chuẩn 1, 88mm 80 60 60 40 40 20 20 0 -20 -20 -40 -40 -60 -60 -20 20 40 60 80 100 -80 -80 (a) Dịch chuyển tịnh tiến -60 -40 -20 20 40 60 80 (b) Dịch chuyển quay Hình 3.2: Đám mây điểm sau ghép để bù vùng trống liệu Như việc đăng ký đám mây điểm để bù vùng trống liệu phù hợp với trình số hóa bề mặt vùng trống liệu không lớn, vùng trống không biên giới bề mặt Phương pháp ghép đám mây điểm thực tính tốn khoảng thời gian khoảng phút cho trình ghép đám điểm Khi mật độ điểm tăng lên, thời gian tính tốn tăng nhanh Trang 16 Vì vậy, áp dụng thuật toán xác định biên dạng vùng trống liệu để giảm thời gian tính tốn q trình ghép đám mây điểm 3.2 Nâng cao chất lượng ảnh độ sâu 3.2.1 Loại bỏ nhiễu ảnh độ sâu 3.2.1.1 Cơ sở lý thuyết Độ lệch tuyệt đối trung vị xác định công thức M AD = b · M (|xi − M (X)|) (3.2) M trung vị phụ thuộc tập liệu cho trước; X tập hợp chứa N mẫu liệu; xi mẫu riêng lẻ tập liệu X Giả sử giá trị độ sâu tuân theo phân phối chuẩn, giá trị b = 1, 4826 Tiêu chí để phát ngoại lai ảnh độ sâu giá trị ngưỡng đặt dựa giá trị độ lệch tuyệt đối trung vị Cơng thức mơ tả tiêu chí biểu diễn sau |xi − M (X)| σ · M AD (3.3) 3.2.1.2 Thực nghiệm đánh giá Kết minh họa hình 3.3 3.2.2 Lựa chọn số lượng ảnh độ sâu liên tiếp 3.2.2.1 Mơ tả thí nghiệm Một q trình số hóa bề mặt chi tiết khí lặp lại nhiều lần từ góc chụp Các trạng thái quan sát đám mây điểm vị trí 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 100, 150 200 ảnh độ sâu liên tiếp phân tích Trang 17 (b) Sau lọc nhiễu (a) Trước lọc nhiễu Hình 3.3: Ảnh độ sâu xét xét đến ảnh hưởng nhiễu 3.2.2.2 Kết đánh giá Qua kết thí nghiệm cho thấy, ảnh hưởng số lượng ảnh độ sâu liên tiếp tác động đến độ lệch chuẩn nhỏ từ 30 ảnh độ sâu liên tiếp đến 200 ảnh độ sâu liên tiếp Như vậy, để nâng cao chất lượng giảm thời gian tính tốn q trình thu thập thơng tin, số ảnh độ sâu liên tiếp hợp lý lựa chọn cho góc chụp 50 ảnh 3.3 Nâng cao chất lượng tiền xử lý đám mây điểm 3.3.1 Loại bỏ điểm ngoại lai đám mây điểm Mật độ điểm giả định theo phân phối chuẩn, để tính tốn mức độ thưa thớt, khoảng cách trung bình dkN N k lân cận gần xác định Gọi µ σ số liệu thống kê khoảng cách trung bình cho tồn tập liệu Khi điểm thỏa mãn bất đẳng thức 3.4 bị phân loại điểm ngoại Trang 18 lai bị loại bỏ dkNN > µ + ασ (3.4) đó, α ngưỡng phát điểm ngoại lai Qua thực nghiệm, đám mây điểm trước loại bỏ điểm ngoại lai có 2740 điểm, đám mây điểm sau loại bỏ điểm ngoại lai có 2390 điểm 3.3.2 Lựa chọn thuật toán đăng ký đám mây điểm Khi đăng ký đám mây điểm thu nhận từ Kinect v2, thuật tốn ICP theo khơng gian Point-to-Point cho kết xác thuật tốn theo khơng gian Point-to-Plane Khi đăng ký đám mây điểm, lựa chọn đám mây điểm mô hình đám mây điểm có số lượng điểm nhiều cho kết xác đám mây điểm có số lượng 3.4 Kết luận chương Hai phương pháp giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến q trình số hóa bề mặt số 3D sử dụng Kinect v2 đề xuất thực nghiệm Việc kết hợp giảm nhiễu ảnh độ sâu sử dụng ảnh độ sâu trung bình để tính tốn đám mây điểm cho kết khả quan Độ xác q trình qt cải thiện, cụ thể độ lệch chuẩn giá trị độ sâu thu giảm từ khoảng 1, − 1, 4mm xuống 0, 6mm Đăng ký đám mây điểm phần thiếu bước tiền xử lý đám mây điểm ảnh hưởng lớn đến chất lượng tạo hình bề mặt cơng nghệ qt sử dụng thiết bị Kinect v2 Lựa chọn thuật toán đăng ký đám mây điểm hợp lý góp phần nâng cao độ xác q trình số hóa Trang 19 CHƯƠNG QUÁ TRÌNH TÁI TẠO HÌNH HỌC BỀ MẶT CÁC SẢN PHẨM CƠ KHÍ SỬ DỤNG KINECT V2 VÀ ỨNG DỤNG 4.1 Quá trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 4.1.1 Giải thuật tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 Dựa phương pháp sử dụng máy ảnh, phương thức sử dụng để tái tạo hình học bề mặt sử dụng thiết bị Kinect v2 sơ đồ hóa hình 4.1 4.1.2 Thực nghiệm tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 Hai vật mẫu hình trụ hình nửa cầu vật liệu nhơm gia cơng máy CNC Ứng dụng giải thuật trình bày trên, chương trình máy tính xây dựng nhằm thực q trình số hóa sử dụng thiết bị Kinect v2 Sau q trình xử lý thơng tin hình học thực phần mềm Geomagic Design X Kết thu mơ hình CAD vật mẫu 4.1.3 Đánh giá kết Tiến hành đánh giá kết Máy ảnh Kinect v2 sử dụng để tái tạo bề mặt chi tiết khí có hình dạng khơng q phức tạp với độ xác khoảng 1mm đăng ký đám mây điểm theo phương pháp thủ cơng độ xác khoảng − 8mm đăng ký đám mây điểm theo phương pháp tự động Trang 20 Môi trường Matlab Đối tượng quét Xác định góc chụp Chụp liên tiếp ảnh độ sâu Nâng cao chất lượng ảnh độ sâu Loại bỏ điểm ngoại lai thưa thớt Đăng ký đám mây điểm Đủ liệu không Lọc bỏ điểm ngoại lai dạng cụm Phân mảnh bề mặt Phù hợp mảnh bề mặt Tạo mơ hình CAD Mơ hình CAD Mơi trường Geomagic Design X Hình 4.1: Sơ đồ mơ tả q trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 4.2 Ứng dụng thiết kế bề mặt khn mũ bảo hiểm 4.2.1 Q trình tái tạo hình học bề mặt Kết so sánh, sai lệch hai mơ hình CAD 1mm ghi nhận khoảng 50 % sai lệch hai mơ hình CAD từ 1mm Trang 21 đến 2mm khoảng 28 % Sai lệch lớn đạt khoảng ±4mm Chúng tương ứng với biến dạng cục ảnh hưởng tới mơ hình CAD, đặc biệt đường biên đối tượng Hình 4.2: Kết so sánh hai mơ hình CAD thu 4.2.2 Q trình ứng dụng Dựa mơ hình CAD xây dựng, mơ hình bề mặt khn mũ bao hiểm gia công cắt gọt máy CNC 4.3 Xác định phân bố liệu đám mây điểm xung quanh bề mặt danh nghĩa chi tiết khí 4.3.1 Cơ sở lý thuyết Các bề mặt chi tiết khí số hóa thành đám mây điểm Giá trị trung bình phân bố liệu đám mây điểm xung quanh bề mặt danh nghĩa tính theo cơng thức RP CA = N N |yi | (4.1) i=1 N tổng số điểm đám mây điểm, yi khoảng cách pháp tuyến từ điểm tới bề mặt danh nghĩa Trang 22 4.3.2 Phương pháp thực nghiệm 4.3.3 Đánh giá kết Qua kết thực nghiệm ta thấy, phương pháp xác định giá trị trung bình phân bố liệu đám mây điểm xung quanh bề mặt danh nghĩa Kinect v2 thực áp dụng thực tiễn 4.4 Kết luận chương Sử dụng Kinect v2 để tái tạo hình học bề mặt chi tiết khí có độ xác khoảng 1mm Thời gian quét cho góc chụp khoảng 10 giây Với ứng dụng yêu cầu mơ hình CAD, gia cơng CNC, để thu mơ hình CAD có độ xác cao nhất, trình đăng ký đám mây điểm nên thực phần mềm chuyên dụng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Khảo sát trình tạo hình sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng thiết bị quang học Phân tích kết nghiên cứu tác giả nước giới, đánh giá ưu nhược điểm thiết bị Nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng trình khởi động, khoảng cách thiết bị đối tượng quét, vị trí điểm ảnh ảnh độ sâu Với trình khởi động, thời gian để thiết bị hoạt động ổn định 75 phút Phạm vi làm việc hợp lý khoảng từ 0, 8m đến 1, 5mm Đồng thời ảnh hưởng phản xạ bề mặt đến trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí khảo sát Nghiên cứu đề xuất hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng Trang 23 phản xạ bề mặt đến trình tái tạo hình học bề mặt Kết thực nghiệm với mẫu vật liệu thông dụng lĩnh vực khí cho thấy hiệu phương pháp khác Đối với phương pháp tạo lớp phủ bề mặt, kết thu khả quan Độ lệch chuẩn giá trị độ sâu giảm từ khoảng 2mm xuống khoảng 1, − 1, 4mm Phương pháp phép đám mây điểm bù vùng trống liệu, kết thu chưa thuyết phục Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm nâng cao chất lượng q trình số hóa bề mặt Cụ thể, số lượng ảnh độ sâu hợp lý cho việc xác định ảnh độ sâu trung bình nhằm giảm nhiễu thiết bị sinh trình hoạt động 50 Việc kết hợp với lọc nhiễu ảnh độ sâu làm cho độ lệch chuẩn giá trị độ sâu giảm từ 1, − 1, 4mm xuống khoảng 0, 6mm Đồng thời đề xuất phương án lựa chọn thuật toán cho trình đăng ký đám mây điểm Đề xuất giải thuật xây dựng chương trình máy tính cho qúa trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng thiết bị Kinect v2 Kết thực nghiệm cho thấy trình đăng ký đám mây điểm theo phương pháp thủ công cho kết tốt theo phương pháp tự động Kiến nghị Nghiên cứu thuật toán nhận dạng biên giới vùng bề mặt ảnh độ sâu; Nghiên cứu giải pháp loại bỏ điểm ngoại lai dạng cụm trước thực đăng ký đám mây điểm; Nâng cao chất lượng trình đăng ký đám mây điểm cách áp dụng trọng số cho điểm chọn để đăng ký đám mây điểm Trang 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Bành Tiến Long, Bùi Văn Biên (2018) Tạo hình bề mặt chi tiết khí phần mềm KScan3D sử dụng Microsoft Kinect V2, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, số 58, tr 175–183 [2] Banh Tien-Long, Bui Van-Bien (2019) First Experiences with Microsoft Kinect V2 for 3D Modelling of Mechanical Parts, Applied Mechanics and Materials, Vol 889, pp 329–336 [3] Bui Van-Bien, Banh Tien-Long, Nguyen Duc-Toan (2019) Improving the Depth Accuracy and Assessment of Microsoft Kinect v2 Towards a Usage for Mechanical Part Modeling, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol 36, pp 691–697 [4] Bui Van-Bien, Banh Tien-Long, Nguyen Duc-Toan (2020) Assessment the surface roughness of metal mechanical parts by Microsoft Kinect V2, Advanced Materials Springer Proceedings in Materials 6, Chapter 24, pp.283–292 [5] Bùi Văn Biên, Bành Tiến Long, Phạm Đức An, Nguyễn Đức Toàn (2020) Một phương pháp hiệu cho trình quét bề mặt phản xạ sử dụng Kinect v2, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Việt Nam (đã chấp nhận đăng) [6] Bui Van-Bien, Banh Tien-Long, Pham Duc An, Nguyen Duc-Toan (2020) An application of Kinect-based 3D scanning in mechanical engineering, Lecture Notes in Mechanical Engineering (LNME) (accepted) ... chất bề mặt đối tượng sau gia cơng cắt gọt đến q trình số hóa bề mặt 3D sử dụng Kinect v2 rõ ràng Để nâng cao chất lượng tạo hình bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng thiết bị Kinect v2. .. hóa bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng Kinect v2 Chương 4: Q trình tái tạo hình học bề mặt chi tiết khí Kinect v2 ứng dụng Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÁI TẠO HÌNH HỌC BỀ MẶT SẢN PHẨM CƠ KHÍ BẰNG CƠNG... Việt Nam Mục đích nghiên cứu Mục đích Luận án nghiên cứu nâng cao chất lượng tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí công nghệ quét 3D sử dụng thiết bị Kinect v2, thiết bị rẻ tiền chế tạo theo kỹ thuật