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

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 10 Các đóng góp luận án 10 Nội dung luận án 11 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG 13 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 13 1.1 Phương pháp đo lường biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc 13 1.2 Nguyên lý phương pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc 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 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 mơ hình biến thể kỹ thuật phương pháp đo ánh sáng cấu trúc 26 1.3.1 Hệ thống đo dạng 26 1.3.2 Hệ thống đo dạng 29 1.3.3 Hệ thống đo dạng 31 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 32 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 32 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 36 1.5 Nội dung nghiên cứu chủ yếu luận án 38 CHƯƠNG 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 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 xác gỡ pha phương pháp dịch pha 49 2.2.1 Phương pháp mã hóa Gray 49 2.2.2 Nghiên cứu phương pháp gỡ pha mã hóa Gray phương pháp dịch pha 51 2.3 Xác định tọa độ điểm đo 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 máy chiếu 61 2.5 Kết luận chương 63 CHƯƠNG 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 sở tính tốn thiết kế cụm cảm biến 65 3.1.1 Xác định khoảng dịch chuyển cụm cảm biến 66 3.1.2 Xác định vị trí tính tốn lựa chọn camera máy chiếu 67 3.1.3 Xây dựng sở thiết kế dựa 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 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 xác thiết bị đo 78 3.4 Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 79 3.4.1 Tính tốn thiết kế cụm cảm biến 79 3.4.2 Xác định cấu hình hệ thống điều khiển 80 3.5 Kết luận chương 81 CHƯƠNG 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 - 82 4.2 Tạo mẫu ảnh chiếu 84 4.3 Hiệu chỉnh đặc tính quang cụm cảm biến 88 4.3.1 Hiệu chỉnh phân bố cường độ sáng máy chiếu 88 4.3.2 Xác định đặc tính màu 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 – sử dụng ô vuông bàn cờ 96 4.4 Xác định độ xác thiết bị đo 98 4.4.1 Khảo sát độ phân giải sở 98 4.4.2 Đo mẫu trụ chuẩn 101 4.4.3 Đo mẫu khối cầu chuẩn 104 4.5 Một số kết thử nghiệm thiết bị STL - 106 4.5.1 Kết đo phương chiếu 106 4.5.2 Ảnh mơ liệu qt qt tồn vật thể sử dụng phương chiếu107 4.5.3 Ứng dụng thiết bị lĩnh vực an ninh 109 4.6 Kết luận chương 110 KẾT LUẬN 111 KIẾN NGHỊ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122 PHỤ LỤC 123 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2D Không gian chiều 3D Không gian chiều CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển máy tính) I(x, y) Cường độ sáng điểm (x,y) I0(x, y) Cường độ sáng thành phần Imod(x, y) Biên độ tín hiệu điều chế ∅(x, y) Thành phần pha θ Hằng số dịch pha u Phương ngang cảm biến ảnh v Phương dọc cảm biến ảnh α Góc nghiêng hai phương u, v k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trưng quang sai fx Tiêu cự theo trục x fy Tiêu cự theo trục y R Ma trận quay T Ma trận chuyển vị X(C) Y( C) Z(C) Hệ tọa độ camera XYZ Hệ tọa độ máy X(P) Y( P) Z(P) Hệ tọa độ máy chiếu N Số bước dịch pha n Số ảnh phương pháp dịch pha p Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha Ф (x, y) Pha tuyệt đối L Khoảng cách hệ tâm camera máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu d Khoảng cách tâm camera máy chiếu CCD Cảm biến camera DMD Cảm biến máy chiếu IP Cường độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (IP = ÷255) IC Cường độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (IC = ÷255) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc thị trường 14 Bảng 3: Mã hóa bit mẫu ảnh chiếu Gray 84 Bảng Ảnh hưởng cường độ chu kì phương pháp dịch pha 91 Bảng Kết xác định ảnh pha 92 Bảng 6: Kết hiệu chỉnh thiết bị 97 Bảng 7: Kết đo chi tiết trụ chuẩn 103 Bảng 8: Kết 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 cơng nghệ khí [5] 13 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D 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= [114] 17 Hình 1.5 Ảnh mẫu chiếu cường độ sáng phân bố ảnh phương pháp dịch pha bước [61] 18 Hình 1.6 Ảnh phổ mẫu chiếu Camera cầu vồng 3D [134] 18 Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo kết hợp màu [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 [48] 20 Hình 1.12 Mơ tả mẫu ảnh chiếu mã hóa theo mơ hình mã nhỏ [84] 20 Hình 1.13 Mơ hình lưới màu sắc [2] 21 Hình 1.14 Mơ 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 khơng có quang sai (a) ảnh có quang sai (b) 24 Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ mô hình camera lỗ nhỏ [133] 25 Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống đo Srinivasan [113] 27 Hình 1.21 Mơ hình tốn học cho hệ thống SMFP Toyooka Iwaasa 28 Hình 1.22 Mơ hình tốn học cho hệ thống đo Hu [87] 29 Hình 1.23 Mơ hình hình học cho sơ đồ bố trí tổng quát [137] 31 Hình 1.24 Sơ đồ hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D phương pháp chiếu mẫu vân 32 Hình 2.1 Sơ đồ khối 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 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 chu kì đầu mẫu chiếu 52 Hình 2.7 Ví dụ mã hóa Gray 53 Hình 2.8 Phân bố pha khơng gian mã hóa Gray 53 Hình 2.9 Ví dụ quét biên dạng 3d chi tiết phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha 54 Hình 2.10 Mơ hình xác định đám mây điểm đo[133] 56 Hình 2.11 Phương pháp xác định đường vng góc chung đường thẳng chéo 57 Hình 2.12 Xác định tọa độ 3D điểm M 57 Hình 2.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm đường thẳng đường thẳng [6] 58 Hình 2.14 Trung điểm p12(λ1,λ2) với giá trị (hình trái) p12(λ1,λ2) với giá trị tối ưu (hình phải) [6] 59 Hình 2.15 Ơ vng bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] 61 Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống phát thu ánh sáng cấu trúc 62 Hình 2.17 Quy ước hệ tọa độ gốc ảnh camera 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 cụm cảm biến 66 Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera máy chiếu 67 Hình 3.4 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray bit 69 Hình 3.5 Sơ đồ khối trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha 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 điều khiển trình chiếu chụp 74 Hình 3.8 Giao diện phần mềm thiết bị đo biên dạng 3D 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 – 80 Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 82 Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo 83 Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển xử lý liệu đo 84 Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray 85 Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng phương pháp dịch pha 86 Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha 87 Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ bước dịch pha 88 Hình 4.8 Hình ảnh chụp từ camera chiếu mẫu lên bảng trắng 89 Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố không gian chiếu đường (a), (b), (c), (d) 89 Hình 4.10 Ảnh hưởng phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray 90 Hình 4.11 Biểu đồ thể tương quan màu hệ cảm biến thiết bị 93 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu cường độ sáng ảnh thu 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 góc ô vuông ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ 96 Hình 4.16 Giao diện mô tả kết hiệu chỉnh vị trí đặt vng bàn cờ 97 Hình 4.17 Hình ảnh thể phân bố điểm đo đo mặt phẳng 101 Hình 4.18 Kết kích thước đo mẫu trục chuẩn máy CMM 102 Hình 4.19 Hình ảnh mơ chi tiết trụ đo 102 Hình 4.20 Đồ thị thể quan hệ độ phân giải sở khoảng dịch chuyển h 103 Hình 4.21 Đồ thị thể kết đo trụ chuẩn 104 Hình 4.22 Hình ảnh mơ kết đo cầu chuẩn 105 Hình 4.23 Kết mô số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 107 Hình 4.24 Kết mơ số mẫu chi tiết sử dụng phương chiếu 108 Hình 4.25 Kết liệu 3D phục vụ công tác an ninh 109 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D vật thể có ý nghĩa lớn nhiều lĩnh vực sống ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng q trình sản xuất, cơng nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng tái tạo di sản văn hóa, khảo cổ Các thiết bị đo quét 3D cung cấp liệu bề mặt biên dạng chi tiết dạng đám mây điểm Từ đám mây điểm thu tái tạo lại biên dạng vật thể, từ xác định thơng tin hình dạng, màu sắc, kích thước… Những thơng tin thu từ hình ảnh 3D giúp cho khả quan sát, nhận dạng, mơ xác Hai nhóm phương pháp đo biên dạng 3D vật thể là: đo tiếp xúc không tiếp xúc Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm phương pháp đo tiếp xúc phương pháp đo điểm, điểm xác định đầu dò tiếp xúc học với bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu tọa độ điểm đo hệ tọa độ máy với thời gian xác định điểm đo lên đến phần mười giây để đo chi tiết thường lâu Phép đo có sai số kích thước đầu dị khó đo chi tiết hình dạng phức tạp có bề mặt không xác định Giá thành thiết bị đo tiếp xúc thường cao phận cảm biến đầu dị mang hệ thống khí địi hỏi độ xác cao Phương pháp đo khơng tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm phương pháp sử dụng nguyên lý quang học để thu thập liệu điểm đo phân loại thành dạng phương pháp là: quét chủ động quét bị động Phương pháp đo không tiếp xúc chủ động chiếu mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào tán xạ, phản xạ bề mặt chi tiết để xác định điểm đo; có nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng (đo laser, ánh sáng cấu trúc) Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng hình ảnh vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô lại cách quan sát mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng vật Phương pháp đo khơng tiếp xúc đo bề mặt chi tiết có kích thước lớn như: cơng trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy chi tiết có bề mặt vơ định hình Phương pháp đo chủ động có độ xác cao song phương pháp đo bị động thường có tốc độ đo nhanh 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 camera nên tốc độ đo nhanh có khả đo quét chi tiết trực tuyến Phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ xác cao, tốc độ đo nhanh nên tập trung nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực Để phân tích rõ ưu điểm phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc phân tích phương pháp quét laser quang trắc làm so sánh: Phương pháp quét laser sử dụng tia laser chiếu lên bề mặt chi tiết cần đo, với camera đặt góc so với phương chiếu xác định điểm đường bề mặt chi tiết quét dựa nguyên lý tam giác lượng Kỹ thuật quét laser cung cấp độ xác cao, liệu đo dễ xử lý máy quét làm với kích thước nhỏ gọn Tuy nhiên, máy quét laser thiết bị quét dạng điểm đường, cần quét toàn chi tiết đo cần hệ thống dẫn động thiết bị đo tọa độ nên việc đo toàn vật thể cần có thời gian Trong đó, thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc quét khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh thiết bị mang khác nên phép đo tiến hành nhanh Một máy quét laser đo hàng ngàn hàng chục ngàn điểm giây thiết bị đo ánh sáng cấu trúc đo triệu điểm 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 Sử dụng ảnh để nội suy tọa độ 3D vật quét Trong phương pháp này, khó khăn lớn đánh dấu điểm trùng ảnh Bằng việc nghiên cứu thuật toán cách đánh dấu nhà nghiên cứu tạo mặt nạ giúp cho việc đánh dấu xác, nhiên phương pháp làm cho việc đo tồn vật thể gặp khó khăn điểm đo bị hạn chế mặt nạ đem lại Tại Việt Nam, sản xuất công nghiệp khí phát triển đặc biệt cơng nghệ gia công máy CNC chế tạo sản phẩm khí đa dạng phục vụ nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn mẫu liền phát triển với nhu cầu đo kiểm tra biên dạng 3D Với doanh nghiệp nước việc đầu tư vài trăm nghìn USD cho thiết bị đo biên dạng 3D khó khăn, sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ trung tâm đo lường dẫn đến làm giảm suất hiệu trình sản xuất Mặt khác, thiết bị đo nhập tính kĩ thuật không khai thác hết phụ thuộc vào phần mềm hãng cung cấp, trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chun gia nên khơng thể chủ động khai thác thiết bị đạt hiệu Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo giúp cho sử dụng hiệu có khả tự chế tạo Việt Nam từ cho phép ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lượng phát triển ngành khí Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc vấn đề lĩnh vực đo lường nước Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ xác ứng dụng thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao lực sản xuất nước giúp cho doanh nghiệp chủ động việc tiếp cận công nghệ tiên tiến đại giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường Xuất phát từ yêu cầu thực tế tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D chi tiết phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc” Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Mục đích đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D chi tiết khí từ làm chủ cơng nghệ đo, xây dựng sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo Việt Nam b) Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu luận án đo lường bề mặt 3D chi tiết khí gia cơng thiết bị CNC, rèn dập, sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ xác phép đo  Phạm vi nghiên cứu giới hạn việc nghiên cứu xây dựng sở lý thuyết thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo chi tiết có độ phản xạ khơng cao, đạt độ xác 0,05 mm phạm vi đo 200x200x200 mm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a) Ý nghĩa khoa học  Luận án nghiên cứu trình bày số phương pháp hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc; tập trung vào đo biên dạng 3D  Nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng mơ hình tốn học phương pháp kết hợp mã hóa Gray dịch pha Trong đó, việc sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha thể khả nâng cao chất lượng độ xác liệu đo  Từ lỹ thuyết nghiên cứu, xây dựng mơ hình thiết bị đo sử dụng phương pháp mã hóa Gray kết hợp với dịch pha để thu nhận thông tin từ bề mặt số chi tiết khí liệu có khả thực phép đo hình học mơi trường 3D b) Ý nghĩa thực tiễn Đã thực nghiên cứu thiết kế, chế tạo tích hợp thiết bị đo qt biên dạng chi tiết có kích thước đối xứng 2D, sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp phương pháp mã hóa Gray dịch pha Thiết bị đảm bảo độ tin cậy phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Thiết bị sau nghiên cứu chế tạo sử dụng đo lường biên dạng 3D chi tiết thiết bị thí nghiệm phục vụ cơng tác giảng dạy mơn Cơ khí xác Quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mở hướng nghiên cứu, ứng dụng phương pháp đo sử dụng thiết bị chiếu camera vào đo lường biên dạng 3D lĩnh vực thuộc công nghiệp, may mặc thời trang, an ninh Việt Nam Các đóng góp luận án  Ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường biên dạng khí  Xây dựng phần mềm khảo sát trình đo, phần mềm xử lý tín hiệu đo, phần mềm hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động hiệu  Lần xây dựng thiết bị đo biên dạng chi tiết đối xứng 2D Việt Nam phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp dịch pha mã Gray từ 10 P1.6 Đặc tính ống kính camera H1214 – M 127 Phụ lục Kết hiệu chỉnh hệ thống đo trụ chuẩn %YAML:1 - cam_K: !!opencv-matrix data: [ 6003103385477757e+003, , 8942103309707136e+002, , 6077090528588687e+003, 7498752176714896e+002, , , ] - cam_kc: !!opencv-matrix data: [ -7 4857785396192578e-001, -3 6721758092811599e-002, -2 3132718914316559e-003, -2 1256545885085785e-003, ] - proj_K: !!opencv-matrix data: [ 2189964160896229e+003, , 8664810790040929e+002, , 2263105534837455e+003, 2521250648704893e+002, , , ] - proj_kc: !!opencv-matrix data: [ -5 7008672687585117e-002, -1 1072535763255268e-002, -2 2494423703204093e-003, -2 0377171979763346e-003, ] - R: !!opencv-matrix data: [ -9 2179458672631975e-001, -4 5661718720065012e-002, 8498019082231116e-001, 0808646302625002e-004, -9 9320850528577287e-001, -1 1634644497729361e-001, 8767817853589193e-001, -1 0701342192234857e-001, 1556198993599747e-001 ] - T: !!opencv-matrix data: [ -2 4943894861854156e+002, -3 7647027129186874e+001, 5800629340674065e-001 ] cam_error: 4230355191221057e-001 proj_error: 9064206238286255e-001 stereo_error: 4241011560016987e-001 128 Phụ lục Phụ lục số kết đo hiệu chỉnh cụm cảm biến P3.1 Giá trị đo cường độ điểm ảnh xám trung tâm ảnh chụp camera Cường độ sáng Cường độ sáng Cường độ sáng Cường độ sáng Cường độ sáng mẫu ảnh chiếu ảnh Gray thu ảnh Green ảnh RED ảnh Blue 0 0 10 102 126 20 129 152 30 153 193 40 154 199 50 164 213 60 165 222 70 176 233 80 195 233 10 90 18 190 254 13 100 28 176 250 16 110 41 202 247 25 120 55 197 249 29 130 71 210 246 38 140 95 208 251 47 150 117 202 248 55 160 147 201 249 57 170 168 220 250 64 180 192 202 249 72 190 228 208 253 82 200 254 205 250 89 210 255 208 251 96 220 255 225 253 109 230 255 215 254 127 240 255 217 252 140 250 255 217 250 145 P3.2 Giá trị cường độ sáng ảnh xám tối ưu Cường độ sáng mẫu Cường độ sáng ảnh thu ảnh chiếu 70 80 90 18 100 28 110 41 120 55 129 130 71 140 95 150 117 160 147 170 168 180 192 190 228 200 254 P3.3 Giá trị cường độ sáng ảnh xám sau hiệu chỉnh Cường độ mẫu ảnh chiếu Cường độ ảnh thu 0 10 20 30 40 10 50 14 60 19 70 25 80 32 90 40 100 49 110 60 120 71 130 83 140 105 150 115 160 130 170 150 180 166 190 211 200 226 210 230 220 246 230 247 240 250 250 255 130 Phụ lục 4: Lưu đồ thuật toán P4.1 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh Gray Bắt đầu Kích thước ảnh Width, height P = cell(2,1) Offset = zezos(2,1) J1 S J≤2 Đ Kết thúc S J=1 Đ N = ceil(log2(height) N = ceil(log2(width)) Offset(J) = flour( ) Offset(J) = flour( ) P{J} = zezos(height, width, N, ‘uint8’) Tạo chuỗi ảnh N bit B= zezos(2N, N, ‘uint8’) B_char = decZbin(0:2N-1) i1 S i≤N Đ B(:,i) = B_char(:,i) i  i+1 131 G = zcros(2N, N, ‘uint8’) G(:,1) = B(:,1) i2 S i≤ N Đ G(:, i) = xor(B(:, i – 1),B(:, i) i  i+1 S J=1 i=1 Đ S i=1 S i≤N Đ i≤N Đ P{J}(:,:,i) = repmat(G((1:width) + offset(J);i)’, height,1) i  i+1 P{J}(:,:,i) = repmat(G((1:height) + offset(J);1,width) i  i+1 J  J+1 132 P4.2 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh sin Bắt đầu Nhập số ảnh n≥3; Kích thước ảnh chiếu DISP_H, DISP_W màu; Rc,G,BC; Chu kì: RF,GF,BFl Pha:RP,GP,BP S Ảnh vân nằm ngang Đ Span←PISP_H Span←PISP_W i←1 i←1 S S i≤ n Lưu ảnh xuất hình Đ Đ i≤ n Lưu ảnh xuất hình k←1 k←1 Đ Kết thúc Kết thúc S k≤ DISP_W RED←(70Cos(2πk/RF+RP)+180)RC Green←(70Cos(2πk/GF+GP)+180)GC Blue←(70Cos(2πk/BF+BP)+180)BC Đ S k≤ DISP_H RP← RP - 2π/n GP← GP - 2π/n BP← BP - 2π/n RP← RP - 2π/n GP← GP - 2π/n BP← BP - 2π/n Span=ones(Span,1) Span=ones(Span,1) RFringe=Span.Red GFringe=Span.Green BFringe=Span.Blue RFringe=Span.Red GFringe=Span.Green BFringe=Span.Blue Fringe( : , : ,1 )=Rfringe Fringe( : , : ,2 )=Gfringe Fringe( : , : ,3 )=BFringe Fringe( : , : ,1 )=Rfringe Fringe( : , : ,2 )=Gfringe Fringe( : , : ,3 )=BFringe i← i+1 i← i+1 k← k+1 RED←(70Cos(2πk/RF+RP)+180)RC Green←(70Cos(2πk/GF+GP)+180)GC Blue←(70Cos(2πk/BF+BP)+180)BC k← k+1 133 P4.3 Lưu đồ thuật toán chiếu chụp ảnh trình đo 134 P4.4 Lưu đồ thuật tốn giải mã phương pháp mã hóa Gray Bắt đầu Ảnh chụp mã Gray Chọn vùng xử lý Giải mã ảnh Dựng theo gốc camera Đ Tìm tương ứng camera project S Chọn gốc bàn máy Chọn ảnh để lấy gốc Lưu liệu file hiển thị Kết thúc 135 P4.5 Lưu đồ thuật toán xác định pha tương đối phương pháp dịch pha Bắt đầu Tải ảnh pha I1, I2, I3, I4 Xây dựng ảnh pha tương đối 𝐼2 − 𝐼4 ∅ = 𝑎𝑡𝑎𝑛2 ( ) 𝐼1 − 𝐼3 Dựng theo gốc S camera Chọn gốc bàn máy Đ Chọn ảnh để lấy gốc Lưu liệu file hiển thị Kết thúc 136 P4.6 Lưu đồ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối Bắt đầu Đọc liệu pha tương đối mã hóa Gray dịch pha Thực gỡ pha theo phương pháp kết hợp Lưu liệu file hiển thị Kết thúc 137 P4.7 Thuật toán xác định đám mây điểm đo Bắt đầu q1; v1; q2; v2 𝑣1 𝑣1 = ∑𝑛𝑖=1 𝑣12𝑖 ; 𝑣2 𝑣2 = ∑𝑛𝑖=1 𝑣22𝑖 ; 𝑣1 𝑣2 = ∑𝑛𝑖=1 𝑣1𝑖 𝑣2𝑖 𝑞12 = 𝑞1 − 𝑞2 𝑛 𝑞12 𝑣1 = 𝑛 𝑞121 𝑣1𝑖 ; 𝑞12 𝑣2 = 𝑖=1 𝑖=1 𝑛 𝑛 (𝑣1 𝑣1 )𝑖 (𝑣2 𝑣2 )𝑖 − 𝐻= 𝑛 𝑖=1 𝑛 (𝑣1 𝑣1 )𝑖 (𝑞12 𝑣2 )𝑖 − 𝑆=[ 𝑖=1 𝑛 (𝑣1 𝑣2 )𝑖 (𝑣1 𝑣2 )𝑖 𝑖=1 (𝑣2 𝑣2 )𝑖 (𝑞12 𝑣12 )𝑖 ] /𝐻 𝑖=1 𝑛 (𝑞12 𝑣1 )𝑖 (𝑣1 𝑣2 )𝑖 − 𝑡 = −[ 𝑖=1 𝑞121 𝑣2𝑖 (𝑣1 𝑣2 )𝑖 (𝑞12 𝑣2 )𝑖 ] /𝐻 𝑖=1 𝑃 = [𝑞1 + 𝑆𝑣1 + 𝑞2 + 𝑡𝑣2 ]/2 Ghi liệu điểm P Kết thúc 138 P4.8 Thuật toán hiệu chỉnh hệ thống Bắt đầu Chọn thư mục chứa ảnh, kích thước vng bàn cờ Đọc toàn ảnh thư mục Xác định góc vng S Giải mã ảnh Đ Xác định tương ứng camera máy chiếu Tìm tham số camera S Đ Tìm tham số máy chiếu S Báo lỗi Đ Tìm thơng số liên hệ camera máy chiếu Xuất kết lên hình lưu file Kết thúc 139 P4.9 Xây dựng thuật toán điều khiển Bắt đầu Chọn động hoạt động camera Động Động Xung R; Dir R Xung H; Dir R Đ S Dir R← Đ S Dir H← Đ Đ RD1 ←0 S RD1 RD7 =1 n1←Xung H n1←Xung R S Dir H← S Đ RD7 ←0 Dir R← Đ Đ Delay (500) RD0←1; RD0←1; Delay (500) RD0←0; Delay_us (500) Chọn thư mục để xử lý RD0←0; Delay_us (500) Kết thúc 140 Phụ lục Biên đo thử nghiệm mẫu chuẩn 141 ... đo tiên tiến giới 1.2 Nguyên lý phương pháp đo dạng ánh sáng cấu trúc 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. .. Tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: tìm hiểu nguyên lý đo, dạng ánh sáng cấu trúc nghiên cứu, hệ thống cấu tạo nên thiết bị đo Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường... dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D chi tiết khí , luận án nghiên cứu tập trung vào vấn đề sau:  Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc: