Đang tải... (xem toàn văn)
Để xác định sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường tới độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống cần phải hiểu hình ảnh vật thể hình thành trên cảm biến của máy ảnh thế nào thông [r]
(1)ẢNH HƯỞNG CỦA ÁNH SÁNG MÔI TRƯỜNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN HỆ THỐNG ĐO 3D BẰNG ÁNH
SÁNG MÃ DỊCH PHA KẾT HỢP MÃ GRAY
Nguyễn Thị Kim Cúc1*, Nguyễn Văn Vinh1, Ngơ Anh Vũ2, Nguyễn Việt Kiên1
Tóm tắt: Hiệu chuẩn trình quan trọng hệ thống đo 3D bằng ánh sáng mã dịch pha kết hợp mã Gray Để thu kết đo xác thì hệ thống đo phải hiệu chuẩn tốt Quá trình hiệu chuẩn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hệ thống, ánh sáng môi trường xung quanh Bài báo quan tâm đến ảnh hưởng ánh sáng môi trường đến kết hiệu chuẩn Hệ thống thực nghiệm hiệu chuẩn 13 mức độ rọi ánh sáng môi trường từ đến 360 lux lên bề mặt bảng hiệu chuẩn Kết thực nghiệm xác định quan hệ ánh sáng môi trường kết hiệu chuẩn Kết thực nghiệm chỉ trình đo điều chỉnh độ rọi ánh sáng môi trường nằm trong khoảng từ 100 đến 200 lux sai lệch hiệu chuẩn hệ thống đạt giá trị nhỏ nhất.
Từ khóa: Hiệu chuẩn hệ thống, Đo 3D ánh sáng cấu trúc, Mã dịch pha kết hợp Gray 1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong năm gần đây, phương pháp đo 3D quang học biên dạng bề mặt ánh sáng cấu trúc giới quan tâm nghiên cứu, phát triển ứng dụng rộng rãi Nguyên lý phương pháp đo 3D ánh sáng cấu trúc ánh sáng mã hóa theo hàm cường độ màu sắc theo không gian thời gian lên bề mặt vật thể cần đo Chùm ánh sáng mã hóa chiếu lên khung hình gọi ảnh mẫu ánh sáng Ảnh mẫu ánh sáng xuất bề mặt 3D chi tiết đo thu lại hệ thống máy ảnh Sự biến dạng ảnh mẫu ánh sáng chi tiết so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định tọa độ điểm bề mặt chi tiết thông qua phương pháp tam giác lượng [1] Mối tương quan vị trí hình học máy ảnh máy chiếu so với đối tượng đo hiệu chuẩn xác Với tiến khoa học kỹ thuật công 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 lúc Tuy nhiên, phương pháp nhiều hạn chế ảnh hưởng nhiều yếu tố đến trình giải mã ánh sáng như: đặc tính bề mặt đối tượng đo, thơng số hệ thống quang học, quang sai, phương pháp hiệu chuẩn, cường độ sáng hay nhiễu môi trường Các yếu tố ảnh hưởng đến trình dựng lại biên dạng đối tượng đo Để giảm thiểu sai số trình đo cần phải hiệu chuẩn hệ thống trước đo Mục đích hiệu chuẩn xác định sai lệch hệ thống thực so với hệ thống lý tưởng Thông số hiệu chuẩn xác định với nội thông số ngoại thơng số xác kết đo thu xác
(2)2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Để xác định ảnh hưởng ánh sáng môi trường tới độ xác hiệu chuẩn hệ thống cần phải hiểu hình ảnh vật thể hình thành cảm biến máy ảnh thông qua cường độ sáng thơng số ảnh hưởng đến độ xác tọa độ điểm ảnh thu
2.1 Nguyên lý dịch pha kết hợp Gray
Nguyên lý phương pháp dịch pha chiếu mẫu chiếu ánh sáng theo hàm cường độ dịch pha với chu kỳ T Các hướng chiếu mã hóa theo giá trị pha [3]:
Ii (x, y, t) = I’ (x, y) + I’’(x, y) cos [ (1)
Trong đó: Ii (x,y,t) cường độ sáng ảnh mẫu chiếu chiếu máy
chiếu;I’(x, y) cường độ ánh sáng nền; I’’(x,y) cường độ ánh sáng điều biến;
bản đồ pha sóng; số góc dịch pha, i=1, 2, 3, thứ tự mã dịch
pha Giải phương trình với dịch pha bước ảnh pha thu giá trị pha tương đối sau:
(2)
Theo công thức (2) hàm arctan gián đoạn theo chu kỳ - đến +, dùng thuật toán Gray để gỡ pha thời gian loại bỏ gián đoạn pha (-,+) Phương pháp Gray cho phép mô tả 2n
hướng chiếu khác máy chiếu Với n mã Gray, không gian đo chia thành 2n
khơng gian có giá trị kG [4], chu kỳ mã dịch pha tương ứng với mã
Gray Việc kết hợp mã Gray đơn giản hóa q trình gỡ pha cách xác định vị trí gián đoạn sau di chuyển chúng cách thêm bớt lượng kG
modul pha từ trình gỡ pha tương đối Pha tuyệt đối xác định thông qua gỡ pha mã Gray [5] thể thông qua công thức sau:
(3)
Pha liên tục sau sử dụng để xây dựng lại tọa độ chi
tiết đo
Giả sử cường độ sáng thu máy ảnh Ic (x, y) cường độ sáng chiếu từ
máy chiếu là Ip (x, y) Trong hệ thống sử dụng ánh sáng mã dịch pha Gray yếu tố
ảnh hưởng đến hình thành vân ảnh bao gồm: (1) Ánh sáng môi trường xung quanh chiếu trực tiếp đến cảm biến ảnh với cường độ Im; (2) Ánh sáng xung quanh ánh
sáng chiếu từ phần bề mặt khác có hệ số phản xạ Rb tới bề mặt đối tượng Ir= (Im + RbIp); (3) Ánh sáng cấu trúc với cường độ Ip chiếu từ máy chiếu phản xạ từ phần bề
mặt đối tượng có hệ số phản xạ tương ứng Ra Ip Giả sử độ phơi sáng t máy ảnh
được giữ khơng đổi q trình đo Cường độ sáng ảnh Ic (x, y) có mối quan hệ
tuyến tính với hệ số phản xạ độ nhạy cảm biến ảnh không đổi Cường độ ánh sáng mà phần tử ảnh thu từ điểm có hệ số phản xạ đối tượng đo trình bày phương trình sau [6]:
(4) Phương trình (4) cho thấy cường độ ánh sáng thu điểm ảnh đo phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng máy chiếu tới bề mặt đối tượng Ip, cường độ ánh sáng từ
(3)Hình 1. Sơ đồ quang hệ thống đo
cường độ Ip máy chiếu cố định, đặc tính phản xạ bề mặt đối tượng đo Ra
khơng đổi q trình đo Trong phương trình (4) xét đến ảnh hưởng Im đến Ic
Thơng số Imcàng ổn định Ic càng ổn định Tuy nhiên, giá trị thông số Imổn định
trong mức thu kết hiệu chuẩn tốt chưa nghiên cứu Trong nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng ánh sáng môi trường chiếu trực tiếp vào máy ảnh thông qua độ xác thơng số hiệu chuẩn độ xác hình dạng đối tượng đo Các kết hiệu chuẩn thu phân tích đánh giá điều kiện ánh sáng môi trường thay đổi từ đến 360 lux
2.2 Hiệu chuẩn hệ thống
Một hệ thống đo xác yêu cầu phải hiệu chuẩn xác Quá trình hiệu chuẩn trình xác định nội thông số bao gồm chiều dài tiêu cự, hệ số độ nghiêng điểm ảnh, tọa độ tâm cảm biến kích thước điểm ảnh ngoại thơng số ma trận quay
R véc tơ tịnh tiến hệ tọa độ máy ảnh {oc; xc, yc, zc} sang hệ tọa độ máy chiếu {op; xp, yp, zp} Hiệu chuẩn xác định nhiều thơng số xác hệ thống hoạt động xác
Để hiệu chuẩn thông số hệ thống, phương pháp hiệu chuẩn Zhang [7] đề xuất sử dụng Theo phương pháp hiệu chuẩn máy ảnh mơ tả mơ hình lỗ nhỏ có tính đến quang sai với nội thông số ngoại thông số Hình mơ tả hệ tọa độ hệ thống thiết lập dựa bảng hiệu chuẩn mặt phẳng owxwyw Trong hệ thống máy chiếu coi mơ hình máy ảnh ngược nên việc hiệu chuẩn thông số máy chiếu tương tự hiệu chuẩn máy ảnh Bảng hiệu chuẩn bảng phẳng chia thành ô vuông đen trắng xen kẽ Máy chiếu chiếu ảnh mẫu lên bảng hiệu chuẩn thực, máy ảnh thu lại ảnh bảng hiệu chuẩn sau kiểm tra kích thước thẳng hàng điểm góc vng Nếu kích thước vng nằm giới hạn cho phép [8] thẳng hàng tốt, nghĩa hệ thống hiệu chuẩn xác
Mối quan hệ điểm vật thể phép chiếu cảm biến ảnh là:
(5)
Trong đó: s hệ số tỷ lệ; I = [u, v, 1]T tọa độ đồng điểm ảnh hệ tọa độ hình ảnh; ma trận nội thơng số máy ảnh máy chiếu
, (6)
(4)Hình 2. Hệ thống đo 3D sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray
, (7)
Xw = [xw, yw, zw, 1]T tọa độ điểm đo
Tuy nhiên, cơng thức (5) đại diện cho mơ hình tuyến tính máy ảnh máy chiếu Trong thực tế, ống kính tạo méo ảnh mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ khơng đại điện cho hệ thống đo xác khơng tính đến quang sai méo ảnh ống kính Quang sai méo ảnh yếu tố ảnh hưởng lớn đến tỉ lệ tạo ảnh độ xác tạo ảnh máy ảnh Quang sai méo ảnh gồm hệ số méo hướng tâm hệ số méo hướng kính hiệu chuẩn thơng qua cơng thức sau:
(8) Trong đó: ( , ) ( , ) biểu thị tọa độ điểm ảnh lý tưởng, tọa độ điểm ảnh thực
của máy ảnh máy chiếu; biểu thị cho khoảng cách tuyệt đối điểm
ảnh điểm gốc máy ảnh, máy chiếu; hệ số méo ảnh hướng tâm
hệ số méo ảnh tiếp tuyến máy ảnh máy chiếu
Như vậy, trình hiệu chuẩn hệ thống q trình xác định hệ số tuyến
tính: , , R, t hệ số phi tuyến: cách xác
Tuy nhiên, trình hiệu chuẩn hệ số dựa vào cường độ sáng ảnh Ic tọa độ
của điểm ảnh thu nên yếu tố ánh sáng môi trường cần khảo sát để làm giảm ảnh hưởng đến độ xác xác định thông số hệ thống
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Thiết bị đo 3D thực nghiệm sử dụng phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray gồm: máy chiếu InFocus N104 sử dụng công
nghệ DLP với độ phân giải (1280 960), máy ảnh DFK 41BU02 có độ phân giải (1280 960) máy tính
Từ thông số máy ảnh, máy chiếu, khoảng cách chúng b =130 mm khoảng cách đặt vật đo L= 500 mm xác định giới hạn vùng đo Rộng cao sâu = 245 182 90 (mm) Bảng hiệu chuẩn đặt vùng đo với kích thước 180 180 mm chia thành 12 12 ô vuông đen trắng xen kẽ có kích thước 15 mm
(5)Kết thực nghiệm hiệu chuẩn với giá trị độ rọi thu nội thông số, ngoại thông số hệ số méo ảnh hệ thống Với k1c, k2c, k3c, p1c, p2c thông số méo ảnh máy ảnh xác định theo công thức (8) lần hiệu chuẩn máy ảnh giá trị trung bình lần hiệu chuẩn tương ứng k1ctb, k2ctb, k3ctb, p1ctb, p2ctb Với
1 p
k , k2p,k3p, p1p,p2p thông số méo ảnh máy chiếu xác định theo công thức (8) lần hiệu chuẩn máy chiếu giá trị trung bình lần hiệu chuẩn tương ứng
1 p
k tb, k2ptb, k3ptb, p1ptb, p2ptb Hình thể mối quan hệ thơng số méo ảnh trung bình độ rọi ánh sáng môi trường
-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
H ? s ? m é o ? n h c ? a m á y ? n h
Ð? r?i c?a ánh sáng môi tru?ng (lux)
kc1tb kc2tb pc1tb pc2tb kc3tb
a, -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
C á c h ? s ? m é o ? n h c ? a m á y c h i? u
Ð? r?i c?a ánh sáng môi tru?ng (lux)
kp1tb kp2tb pp1 pp2 kp3
b,
Hình 3. Đồ thị mối quan hệ ánh sáng môi trường xung quanh và hệ số méo ảnh máy ảnh a, máy chiếu b
Hình 3a biểu thị hệ số méo ảnh hướng tâm tiếp tuyến trung bình máy ảnh lần hiệu chuẩn so với độ rọi môi tường thay đổi Hình 3b biểu thị hệ số méo ảnh hướng tâm tiếp tuyến trung bình máy chiếu lần hiệu chuẩn với độ rọi môi tường thay đổi Trên đồ thị hình 3a 3b thơng số méo ảnh hướng tâm bậc máy ảnh máy chiếu: k1ctb, k2ctb, k1ptb, k2ptb đồ thị thể rõ ảnh hưởng chúng đến sai lệch hiệu chuẩn máy ảnh máy chiếu Các thông số méo ảnh tiếp tuyến
1 c
(6)thức (8) thông số k3ctb k3ptb hệ số méo hướng tâm bậc cao sấp sỉ nên không ảnh hưởng đến độ xác hiệu chuẩn máy ảnh máy chiếu
Kết thực nghiệm mối quan hệ thay đổi độ rọi ánh sáng môi trường độ xác hiệu chuẩn tổng hợp theo cơng thức (8) thiết lập hình Thơng số
CE, PE, SE tương ứng biểu thị sai số hiệu chuẩn trung bình máy ảnh, máy chiếu
hệ thống
Từ đồ thị hình 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 (pixel);
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) Như vậy, độ rọi ánh sáng mơi trường có ảnh hưởng đến thông số quang sai hệ thống đo mà sai số quang sai méo ảnh hướng tâm bậc k1 bậc
k2 thấu kính máy ảnh máy chiếu tính theo cơng thức (8)
Để kiểm tra độ xác hiệu chuẩn ảnh hưởng đến kết xây dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo Từ hình xét hai trường hợp hiệu chuẩn với độ rọi ánh sáng môi trường khác nhau: Trường hợp 1(a) độ rọi ánh sáng môi trường 160 lux nằm vùng sai số hiệu chuẩn biến thiên nhỏ Trường hợp 2(b) độ rọi ánh sáng môi trường 300 lux nằm vùng sai số hiệu chuẩn biến thiên lớn Kết hiệu chuẩn hai trường hợp thể bảng
Bảng 1. Kết hiệu chuẩn hai trường hợp
Thông số/ Trường hợp
Sai số hiệu chuẩn Máy ảnh
(Điểm ảnh)
Máy chiếu (Điểm ảnh)
Hệ thống (Điểm ảnh)
a 0.206 0.077 0.229
b 0.305 0.083 0.313
Để xác định sai số đo, mặt phẳng lý tưởng xây dựng phù hợp với đám mây điểm 3D mặt phẳng dựng Kết dựng hình mặt phẳng đo mặt phẳng lý tưởng thể
(7)hiện hình Hình kết dựng hình mặt phẳng đo với độ xác hiệu chuẩn hệ thống hai trường hợp
Hình cho thấy độ phẳng đám mây điểm đo độ rọi 160 lux có sai lệch nhỏ khoảng 0.242 mm Còn đám mây điểm đo trường hợp độ rọi 300 lux có xu hướng cong nhiểu phía xa có sai lệch 0.432 mm Chứng tỏ quang sai méo ảnh làm sai lệch kết hiệu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp đến tọa độ điểm 3D gây sai số dựng hình 3D đám mây điểm
4. KẾT LUẬN
Thực nghiệm chứng minh độ rọi ánh sáng mơi trường có ảnh hưởng tới kết hiệu chuẩn Với giá trị Ip sử dụng thí nghiệm nêu trên, 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) Kết thực nghiệm cho thấy hệ số méo ảnh nghiên cứu, hệ số méo ảnh hướng tâm bậc bậc có ảnh hưởng lớn đến kết hiệu chuẩn Kết đo sử dụng cho hệ thống đo ánh sáng cấu trúc sử dụng máy ảnh máy chiếu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] H Luo, J Xu, N Hoa Binh, S Liu, C Zhang, and K Chen, "A simple calibration
procedure for structured light system", Opt Lasers Eng., vol 57, pp 6–12, 2014
[2] G Sansoni, M Trebeschi, and F Docchio, "State-of-the-art and applications of 3D
imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation",
Sensors, vol 9, no 1, pp 568–601, 2009
[3] D Zheng and F Da, "Self-correction phase unwrapping method based on Gray-code light", Opt Lasers Eng., vol 50, no 8, pp 1130–1139, 2012
[4] Nguyen Thi Kim Cuc; Nguyen Van Vinh; Nguyen Thi Phuong Mai., "Construction of
3D Shape Measurement Equipment Using Gray Code Pattern", Proc AUN/SEED-Net
Reg Conf Mech Manuf Eng., pp 255–261, 2014
[5] Nguyen Thi Kim Cuc; Nguyen Van Vinh; Nguyen Thanh Hung; Pham Xuan Khai.,
"Optimal parameters selection for 3D-mechanical surface measuring equipment
based on the structured light Gray code", J Sci Technol Tech Univ., no 122/2017,
pp 22–27, 2017
a, b,