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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 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 CÔNG NGHỆ QUÉT 3D SỬ DỤNG THIẾT BỊ KINECT V2 Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Bành Tiến Long Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa tác giả khác công bố Các liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Hà Nội, ngày 11 tháng 01 năm 2021 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh GS.TSKH Bành Tiến Long Trang i Bùi Văn Biên LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành Luận án, Nghiên cứu sinh nhận định hướng, giúp đỡ, ý kiến đóng góp quý báu lời động viên nhà khoa học, thầy giáo, đồng nghiệp gia đình Trước hết, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới thày GS.TSKH Bành Tiến Long tận tình hướng dẫn giúp đỡ trình nghiên cứu Cho phép Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn thày cô giáo, nhà khoa học Bộ môn Gia công vật liệu Dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội có góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trình thực Luận án Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban Giám hiệu, Khoa Điện Cơ, Trường Đại học Hải Phòng tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu Cuối Nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn tới đồng nghiệp, gia đình, bạn bè động viên, chia sẻ, ủng hộ giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt kết nghiên cứu Luận án NCS Bùi Văn Biên Trang ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC DANH MỤC CÁC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT BẢNG HÌNH VẼ TẮT ii iii vi vii ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG Tổng quan tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí 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 1.3.4 Mơ hình cảm biến IR Kinect v2 1.3.5 Thu thập xử lý liệu 1.4 Quá trình xử lý thơng tin hình học 1.4.1 Giới thiệu chung 1.4.2 Xử lý thông tin hình học Geomagic Design X 1.5 Tổng quan nâng cao chất lượng trình tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.6 Kết luận chương CHƯƠNG Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình số hóa bề mặt 3D chi tiết khí sử dụng Kinect v2 2.1 Quá trình khởi động Kinect v2 2.1.1 Mơ tả thí nghiệm 2.1.2 Phương pháp thực 2.1.3 Kết đánh giá Trang iii 7 10 10 11 13 15 16 16 18 21 23 25 26 26 31 35 35 41 42 43 43 43 44 45 2.2 2.3 2.4 2.5 Ảnh hưởng khoảng cách thiết bị đối tượng 2.2.1 Mơ tả thí nghiệm 2.2.2 Phương pháp thực 2.2.3 Kết đánh giá Ảnh hưởng vị trí điểm ảnh ảnh độ sâu 2.3.1 Mơ tả thí nghiệm 2.3.2 Phương pháp thực 2.3.3 Kết đánh giá Ảnh hưởng phản xạ bề mặt đối tượng quét 2.4.1 Bề mặt phản xạ 2.4.2 Phần mềm KSCAN3D 2.4.3 Thiết lập thực nghiệm 2.4.4 Kết đánh giá Kết luận chương CHƯƠNG Nâng cao chất lượng trình số hóa bề mặt 3D chi tiết 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 3.1.2 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng trống liệu 3.2 Nâng cao chất lượng ảnh độ sâu 3.2.1 Loại bỏ nhiễu ảnh độ sâu 3.2.2 Lựa chọn số lượng ảnh độ sâu liên tiếp 3.3 Nâng cao chất lượng tiền xử lý đám mây điểm 3.3.1 Loại bỏ điểm ngoại lai đám mây điểm 3.3.2 Lựa chọn thuật toán đăng ký đám mây điểm 3.4 Kết luận chương CHƯƠNG Quá trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng Kinect v2 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 4.1.2 Thực nghiệm tái tạo hình học bề mặt sử dụng Kinect v2 4.1.3 Đánh giá kết 4.2 Ứng dụng thiết kế bề mặt khuôn mũ bảo hiểm 4.2.1 Quá trình tái tạo hình học bề mặt 4.2.2 Quá trình ứng dụng 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 4.3.2 Phương pháp thực nghiệm 4.3.3 Đánh giá kết 4.4 Kết luận chương Trang iv 50 51 52 53 55 56 57 57 59 60 62 64 66 72 74 74 74 82 86 87 89 90 90 91 97 98 98 98 100 104 106 106 109 110 110 112 113 115 KẾT LUẬN 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHỤ LỤC P1 Trang v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải nghĩa τd Thời gian mà sóng ánh sáng truyền từ phát đến đối tượng quay trở lại thu d Khoảng cách (độ sâu) từ cảm biến IR thiết bị Kinect v2 tới đối tượng A Biên độ tín hiệu hữu ích B Biên độ ánh sáng ∆ϕ Độ lệch pha tín hiệu hữu ích fmod Tần số sóng điều chế L Giá trị lớn khoảng cách d σd Nhiễu trình xác định khoảng cách d (I, u, v) Hệ tọa độ ảnh đơn vị pixel 10 (C, x, y, z) Hệ tọa độ máy ảnh 11 P (x, y, z) Vị trí điểm vật lý hệ tọa độ máy ảnh 12 p(u.v) Vị trí điểm ảnh hệ tọa độ ảnh đơn vị pixel 13 f Tiêu cự cảm biến IR 14 MAD Độ lệch tuyệt đối trung vị 15 dkN N Khoảng cách trung bình k lân cận gần 16 P Đám mây điểm liệu 17 M Đám mây điểm mơ hình 18 T Ma trận tịnh tiến 19 R Ma trận quay 20 cov(X) Ma trận hiệp phương sai X 21 RP CA Giá trị trung bình phân bố liệu đám mây điểm xác định theo phương pháp PCA Trang vi Danh mục chữ viết tắt STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CAD Computer Aided Design Thiết kế có hỗ trợ máy tính CAM Computer Aided Manu- Sản xuất có hỗ trợ máy facturing tính 3D Three Dimensional CMM Coordinates Machine RE Reverse Engineering Kỹ thuật ngược ToF Time-of-Flight Thời gian truyền sóng SLAM Simultaneous Localiza- Bản đồ hóa định vị đồng tion And Mapping thời IR Infra-Red Hồng ngoại ICP Iterative Closest Points Các điểm lặp gần 10 2D Two Dimensional Hai chiều 11 NURBS Non-uniform rational B- Mặt đường B-spline hữu spline tỉ không đồng 12 CNC Computer Control 13 PCA Principal Analysis Ba chiều Measuring Máy đo tọa độ Numerical Điều khiển số máy tính Component Phân tích thành phần Trang vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số máy quét 3D laser thương mại Bảng 1.2 Một số máy quét 3D ánh sáng cấu trúc thương mại Bảng 1.3 Một số máy quét ToF thương mại Bảng 1.4 Các thông số kỹ thuật Kinect v2 (chỉnh sửa theo nguồn: [25]) Bảng 1.5 Các tham số nội máy ảnh độ sâu hệ số méo hướng kính Kinect v2 13 14 16 22 25 Bảng 4.1 Giá trị trung bình phân bố liệu đám mây điểm xung quanh bề mặt danh nghĩa đo Kinect v2 114 Trang viii ... Quá trình tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí sử dụng Kinect v2 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 4.1.2... 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. .. nâng cao chất lượng tái tạo hình học bề mặt sản phẩm khí cơng nghệ qt 3D sử dụng thiết bị Kinect Trang v2, thiết bị rẻ tiền chế tạo theo kỹ thuật ToF Chứng minh thực nghiệm trình tái tạo hình học