NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D

Nền công nghiệp nước nhà trong thời gian qua đã có sự phát triển mạnh mẽ, đóng góp nhiều cho sự phát triển đất nước. Tuy nhiên thị trường các sản phẩm nói chung và đặc biệt là sản phẩm cơ khí, nhựa ngày càng đòi hỏi yêu cầu cao hơn về chất lượng, độ chính xác gia công, mức độ tự động hóa trong sản xuất cao hơn, yêu cầu về mẫu mã sản phẩm phải được thay đổi thường xuyên, linh hoạt. Nhu cầu về thiết kế phát triển sản phẩm mới hoặc chép mẫu và thiết kế lại từ các sản phẩm đã có, cũng như nhu cầu về sản xuất, chế tạo các bộ khuôn mẫu có độ chính xác và độ phức tạp cao là rất lớn. Để đáp ứng được yêu cầu trên, ta phải nghiên cứu phát triển, áp dụng các công nghệ mới, trong đó có công nghệ CADCAMCNC và công nghệ thiết kế ngược.Công nghệ thiết kế ngược đã được đưa vào áp dụng ở nước ta, nhưng mới chỉ áp dụng được ở mức độ cơ bản, xử lí được các đối tượng đơn giản và mới chỉ xử lí một công đoạn trong quy trình tái tạo phục hồi chi tiết. Đồ án của chúng em sẽ thể hiện thêm các công đoạn của quy trình thiết kế ngược, từ công đoạn quét và xử lý mô hình mẫu đến thiết kế, dựng mô hình 3D bằng phần mềm MeshLab.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trải qua năm tháng Sư Phạm Kỹ Thuật đáng nhớ, ta biết tuổi trẻ đáng trân trọng nhường Trân trọng khơng hẳn có nhiều lúc khó khăn ập đến tưởng chừng gục ngã, khơng hẳn ta biết trưởng thành đến đâu mà đơn giản ta qua tất Cảm ơn Sư Phạm Kỹ thuật! năm quản thời gian đáng nhớ, có lẽ năm chẳng đáng bao so với đời dài đằng đảng tất tuổi xuân Không biết Sư Phạm kỹ thuật cho bao nhiêu, lấy gì, biết tuổi trẻ có Sư Phạm Kỹ Thuật chắn chắn sẻ khơng qn điều Lời cảm ơn em xin chân thành gửi đến quý thầy, cô môn Cơ điện tử, khoa Đào tạo chất lượng cao giành cho em tất tận tình, u thương Khơng có từ thích hợp để bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tơn trọng giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Ngọc Phương giảng viên hỗ trợ hướng dẫn ThS Tưởng Phước Thọ Các thầy truyền cảm hứng cho em tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư cách làm việc khoa học Đó góp ý q báu khơng q trình thực đồ án mà cịn hành trang tiếp bước cho em trình học tập lập nghiệp sau Lời cảm ơn chân thành em phải đến thành viên hội đồng Họ hào phóng giành thời gian họ em đánh giá có giá trị để cải thiện đồ án em Lời cảm ơn chân thành đến người bạn tuyệt vời Họ động viên khích lệ em để vượt qua khó khăn trình làm đồ án, người bạn trải qua thời gian Sư Phạm Kỹ thuật, cổ vũ ăn mừng cho thành tựu Em vơ cảm ơn cha mẹ tin tưởng vơ điều kiện, khích lệ kịp thời kiên nhẫn vơ tận Chính tình u họ nâng em lên lần em mệt mỏi Sự cỗ vũ chân thành, động viên em lúc tưởng chừng bế tắc cha mẹ bên cạnh Chính tình u họ khiến em có sức mạnh đương đầu với căng thẳng, khó khăn trình làm đề tài tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! TĨM TẮT Cơng nghệ qt 3D cơng nghệ có khả phân tích tổng hợp thông tin, liệu để tạo nên sản phẩm ảo giống hệt sản phẩm thực Điểm vượt trội quét 3D so với công nghệ trước tái tạo khơng gian ba chiều kỹ thuật số giống thật đến khó tin quét 3D đánh giá công nghệ đại bậc giới Từ công nghệ này, Máy Quét 3D hỗ trợ Quét 3D linh hoạt thuận tiện với Công Nghệ đại lĩnh vực In, Quét 3D Máy quét 3D thiết bị phân tích đối tượng giới thực hay mơi trường để thu thập liệu hình dạng đặc trưng bề mặt Các liệu thu thập sau sử dụng để xây dựng mơ hình ba chiều kỹ thuật số Máy Quét 3D (máy scan 3D) sử dụng rộng rãi tất ngành nghề, với mục đích khác nhau, số ngành nghề tiêu biểu như: Thiết kế gia công khuôn mẫu, Kiến trúc điêu khắc, khảo cổ, Composite, giao thông, … Hiện giới, để tạo máy quét 3D nhà khoa học áp dụng phương pháp, công nghệ tảng lý thuyết khác như: Công nghệ quét 3D tam giác laser, công nghệ quét 3D cấu trúc ánh sang, Nhiếp ảnh (Photogrammetry 3D scanning technology), Công nghệ quét 3D dựa tiếp xúc (Contact-based 3D scanning technology), Công nghệ quét 3D xung laser Mỗi phương pháp, cơng nghệ có mặc thuận lợi khó khăn riêng nghiên cứu áp dụng nhiều nhà khoa học công ty tiếng hàng đầu giới Ở đồ án tốt nghiệp này, chúng em định lựa chọn áp dụng phương pháp quét 3D cảm biến ánh sáng laser Vì phương pháp đáp ứng tiêu chí đồ án tốt nghiệp, thiết kế hệ thống tối ưu đơn giản có tính ứng dụng cao Phương pháp sử dụng cảm biến khoảng cách laser VL53L0X đọc trả khoảng cách từ vị trí vật đến cảm biến ta gọi d Sau q trình lập trình, tính tốn ta thu khoảng cách từ khoảng cách từ tâm bàn xoay đến biên dạng vật, tập hợp điểm ta thu đám mây điểm (Point Cloud) Sau ta dùng phần mềm chuyên sâu, thông dụng để chuyển đám mây điểm (Point Cloud) sang file mesh xuất file cad phần mềm meshlab Kết trình nghiên cứu nhìn chung tích cực thuật tốn xử lý cách xác Tất nhiên cịn có sai sót q trình qt xử lý phần cứng khơng đáp ứng nhu cầu không đáng kể Những sai lệch chấp nhận có khả cải tiến sau ABSTRACT 3D scanning technology is a technology capable of analyzing and synthesizing information and data to create a virtual product identical to a real product The remarkable point of 3D scanning compared to previous technologies is the incredibly realistic digital three-dimensional reproduction 3D scanning is considered one of the most modern technologies in the world From this technology, 3D Scanner supports flexible and convenient 3D Scan with modern Technology in the field of 3D Printing, Scanning A 3D scanner is a device that analyzes a real-world object or environment to collect data about its shape and surface properties The collected data can then be used to build digital three-dimensional models 3D Scanners are widely used in all industries, with different purposes, some typical professions such as: Design and machining of molds, Architecture and sculpture, archeology, composite, traffic, … Currently in the world, to create a 3D scanner, scientists have applied different methods, technologies and theoretical backgrounds such as: 3D laser scanning technology, 3D scanning technology of light structures sang, Photography (Photogrammetry 3D scanning technology), Contact-based 3D scanning technology, 3D scanning technology by laser pulse Each method, each technology has its own advantages and disadvantages that are researched and applied by many leading scientists and companies in the world In this graduate project, we decide to choose a 3D scanning method with laser light sensor Since this method meets the criteria of the graduate project, the optimal system design is simple and highly applicable This method uses a laser distance sensor VL53L0X that will read and return the distance from the position of the object to the sensor we call d After the programming process, we calculate each distance from the distance from the center of the turntable to the outer profile of the object, and for this set of points we obtain the Point Cloud Then we use specialized and popular software to convert Point Cloud to mesh file and export to cad file using meshlab software The results of the research are generally positive as the algorithm can be processed quite accurately Of course, there are still errors in the scanning and processing, as the hardware doesn't meet the needs, but it's not so significant These deviations are still acceptable and are likely to be improved later MỤC LỤC Trang phụ bìa i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .ix DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ x Chương 1: TỔNG QUAN .1 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phạm vi đề tài 1.5 Bố cục đề tài 1.6 Ý nghĩa thực tiễn .3 1.7 Giới thiệu công nghệ thiết kế thuận 1.7.1 Khái niệm 1.7.2 Quy trình cơng nghệ thiết kế thuận 1.8 Giới thiệu công nghệ thiết kế nghịch 1.8.1 Khái niệm 1.8.2 Tình hình cơng nghệ thiết kế ngược nước 1.8.3 Quy trình cơng nghệ thiết kế ngược .7 1.9 Giới thiệu sơ lượt máy quét 3D 1.10 Tổng quan công nghệ quét 3D 1.11 Các phương pháp quét 3D .9 1.11.1 Công nghệ quét 3D tam giác laser (LASER triangulation 3D scanning technology) 1.11.2 Công nghệ quét 3D cấu trúc ánh sáng (Structured light 3D scanning technology) 10 1.11.3 Nhiếp ảnh (Photogrammetry 3D scanning technology) .11 1.11.4 Công nghệ quét 3D dựa tiếp xúc (Contact-based 3D scanning technology) 12 1.11.5 Công nghệ quét 3D xung LASER (LASER pulse-based 3D scanning technology) .13 1.12 Ứng dụng công nghê quét 3D .14 1.12.1 Ứng dụng đo kiểm tra sản phẩm 14 1.12.2 Ứng dụng ngành khuôn mẫu 15 1.12.4 Ứng dụng thiết kế sản phẩm 17 1.12.5 Ứng dụng nghành khảo cổ .18 1.12.6 Ứng dụng lĩnh vực y học 18 1.12.7 Ứng dụng giao thông .20 1.12.8 Nhà máy công nghiệp sử lý 20 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 2.1 Khái niệm máy quét 3D 22 2.1.1 Định nghĩa máy quét 3D 22 2.1.2 Khái niệm công nghệ quét 3D .23 2.1.3 Ưu nhược điểm máy quét 3D 23 2.1.4 Lựa chọn phương pháp quét 3D 24 2.2 Nguyên lý hoạt động .24 2.2.1 Nguyên lý hoạt động quét 3D xung laser .24 2.2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến khoảng cách laser VL53L0X 25 2.3 Cơ cấu máy quét 3D 28 2.3.1 Cấu tạo 28 2.3.2 Chức 28 2.3.3 Phương thức hoạt động .29 Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30 3.1 Đặc tính thiết bị 30 3.2 Yêu cầu thiết bị .30 3.2.1 Thông số cần chế tạo 30 3.2.2 Yêu cầu chụp ảnh, truyền xử lý liệu 30 3.3 Nguyên lý hoạt động máy quét 3D 31 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy 31 3.3.2 Nguyên lý hoạt động máy 32 3.4 Thiết kế máy quét 3D 32 3.5 Thiết kế hệ thống bàn xoay 33 3.6 Thiết trục tịnh tiến lên xuống 33 3.7 Bản vẽ lắp hoàn chỉnh toàn máy quét 3D 34 3.8 Thông Số Kỹ thuật 36 3.8.1 Động bước 36 3.8.2 Cảm biến khoảng cách Time-of-flight VL53L0X 39 3.8.3 Trục vít me 41 3.8.4 Vòng bi trượt trục 42 3.8.5 Thanh trượt 43 3.8.6 Bàn xoay 45 3.8.7 Raspberry Pi 45 3.8.8 TB6600 Stepper Motor Driver .49 Chương 4: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN .51 4.1 Giải thuật máy quét 3D dùng cảm biến đo khoảng cách .51 4.1.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình python 51 4.1.2 Giới thiệu Tkinter 52 4.1.3 Sơ đồ giải thuật 53 4.2 Giao diện chương trình điều khiển máy quét 3D 55 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 68 5.1 Kết so sánh .68 5.2 Nhận xét kết 71 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 6.1 Kết luận 73 6.2 Hướng phát triển 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CAD: Computer-Aided Design CAE: Computer-Aided Engineering CAM: Computer-Aided Manufacturing CNC: Computer Numerical Control RP: Rapid Prototyping DLP: Digital Light Processing I²C: Inter-Integrated Circuit SCL-SDA: Serial Clock - Serial Data TOF: Time-of-Flight GPIO: General-purpose input/output PoE: Power over Ethernet ICE: Internet Communications Engine Tcl: Tool Command Language GUI: Graphical User Interface Tk: Tkin PC: Point Cloud Hình 8: Các điểm tập hợp trước dùng lọc Kalman Hình 9: Các điểm tập hợp sau dùng lọc Kalman 61 Tổ hợp 3D Tất điểm (Point Cloud) phải chuyển thành định dạng sử dụng Nhiệm vụ phải hoàn thành kết nối tất điểm lại với để tạo tệp lưới (mesh file) Một lần nữa, có nhiều tham số phần mềm xác định chất lượng kích thước tệp liệu lưới Lưới(Mesh) liệu kết hợp liệu 3D (gồm điểm, cạnh mặt) thường dạng tam giác Và lưới thường dùng công nghệ CAD/CAM/CAE chương trình máy tính Các chương trình máy scan tạo liệu quét Hình 10: Mô vật thể 3D dạng lưới Các hệ thống card rời đại khơng tối ưu hóa cho liệu điểm lại thích hợp cho lưới Do lưới mượt tối ưu cho hình dạng kết cấu phức tạp đối tượng Lưới phần kết hợp điểm để tạo mặt tam giác Và chiều dài cạnh ảnh hưởng nhiều tới độ xác lưới Hình 11: Kết nối điểm lại với tạo thành lưới 62 Hình dạng lưới quan trọng cho chất lượng hình dạng, hệ số tỉ lệ, chiều rộng, cao lưới, không nên chênh lệch, đồng thời lưới dùng phần tử hữu hạn, phân tích, gia cơng tương ứng với mặt Hình 12: Kết cấu bề mặt lưới tốt không tốt MeshLab MeshLab hệ thống phần mềm xử lý lưới 3D định hướng để quản lý xử lý lưới lớn khơng có cấu trúc cung cấp công cụ để chỉnh sửa, làm sạch, hồi phục, kiểm tra, kết xuất chuyển đổi loại lưới MeshLab thiết kế dạng xử lý lưới 3D hệ thống công cụ với mục tiêu sau đây:  Dễ sử dụng: Công cụ nên thiết kế cho người dung khơng có kỹ mơ hình 3D cao sử dụng  Sử dụng sâu Cơng cụ thiết kế cho tiên tiến Người dùng điều chỉnh mở rộng cách thêm chức cách sửa đổi tất tham số liên quan  Định hướng xử lý lưới đơn Hệ thống nên thử tập trung vào xử lý lưới thay chỉnh sửa lưới thiết kế lưới, số đối thủ cạnh tranh khốc liệt tập trung vào lĩnh vực phần mềm  Hiệu Lưới quét 3D dễ dàng cấu tạo hàng triệu điểm, cơng cụ quản lý chúng 63  Sự bền vững Dự án phát triển tự trì số năm Các chức xử lý lưới mà MeshLab cung cấp nhiều, danh sách đặc tính MeshLab trình bày sau: • Lựa chọn tương tác xóa phần lưới • Giao diện vẽ để chọn, làm mịn tơ màu mắt lưới • Input/output nhiều định dạng: – import: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, PTX, X3D, VRML – export: PLY, STL, OFF, OBJ, 3DS, COLLADA, X3D, VRML, DXF - Hỗ trợ đám mây điểm (Point Cloud) Các tệp 3D tạo điểm hỗ trợ tốt định dạng PLY OBJ - Hỗ trợ U3D • Bộ lọc làm lưới • Bộ lọc làm lại: Đơn giản hóa cạnh chất lượng cao, tái tạo bề mặt bóng, bảo quản lọc làm mịn • Dụng cụ đo lường: thực biện pháp tuyến tính điểm lưới hiển thị • Cơng cụ cắt lát: Một công cụ cho phép xuất phần phẳng lưới định dạng SVG • Cơng cụ quét 3D • Kết xuất dựa OpenGL Shader • Kết xuất lớn: Có thể tạo hình ảnh lên tới 16k x 16k pixel để in poster chất lượng cao 64 Sử dụng phần mềm MeshLab:  Bước 1: Ta chọn file point cloud cần xử lý phần mềm điểm Hình 13: File Point Cloud cần chọn Hình 14: Các điểm phần mềm MeshLab hiển thị lên 65  Bước 2: Chọn Filters  Chọn Normals, Curvatures and Orientation Chọn Compute normal for point sets Hình 15: Tính tốn quy tắc tập hợp điểm  Bước 3: Chọn Filters  Chọn Remeshing, Simplification and Reconstruction  Chọn Surface Reconstruction: Screened Poisson 66 Hình 16: Tái tạo bề mặt cho tập hợp điểm  Bước 4: Kết sau tái tạo bề mặt tập hợp điểm Hình 17: Kết  Bước 5: Xuất file CAD cho mẫu vật 67 Hình 18: Lưu file CAD vật mẫu 68 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 5.1 Kết so sánh Hình ảnh máy Scan giao diện phần mềm điều khiển máy Scan 3D Hình 1: Máy Scan 3D Hình 2: Giao diện điều khiển máy Scan 3D 69 Hình ảnh kết đạt scan mẫu vật chuối: Hình 3: Quả chuối scan Hình 4: Các tập hợp điểm trình chiếu khơng gian 3D 70 Hình 5: Trình chiếu tập hợp điểm sau scan chuối phần mềm MeshLab Hình 6: Ảnh CAD chuối sau xử lý phần mềm MeshLab 71 5.2 Nhận xét kết Đạt được: Máy scan dễ dàng di chuyển, kết nối phần tử máy với Raspberry không phức tạp Phần mềm thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, scan hình dạng (ống trụ, hình hộp, …) xác Chưa đạt được: Phần mềm khơng ổn định chạy lâu, động bước bàn xoay dễ bị trượt bước Raspberry không ổn định điều khiển lâu Những vật có hình dạng phức tạp scan cho độ xác khơng cao Độ xác sử dụng máy scan 3D: Mẫu vật thực tế Mẫu vật sau scan 72 Hình 7: So sánh vật mẫu thực tế vật sau scan Nhận xét:       Muốn scan vật phải đặt trọng tâm vật trùng với tâm bàn xoay Máy scan cho vật có độ xác thấp Sai lệch lớn chiều cao vật Độ chia lưới bề mặt khơng xác cịn nhiều lỗi khơng Bề mặt vật scan cịn gồ ghề Sai số cao đặt lệch vật vật có bán kính lớn 73 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau quãng thời gian nghiên cứu, tranh luận, thử nghiệm thực đề tài thành viên nhóm nói riêng nhóm thực nói chung học nhiều kinh nghiệm, học nhiều kiến thức bổ ích thuật tốn dùng phầm mềm quét 3D cách thức hoạt động áp dụng thuật toán vào máy quét 3D để máy chạy ổn định xác Nhóm chúng em nhận thấy việc áp dụng quét 3D để tạo mẫu nhanh thực cải tiến tốt tương lai Đồng thời qua số mục tiêu mà chúng em đề thực đề tài viết phần mềm điều khiển, quét mẫu vật xuất file CAD thành cơng Qua thấy việc áp dụng quét 3D để tạo mẫu nhanh việc 6.2 Hướng phát triển Như vừa đề cập bên việc áp dụng cải tiến phát triển mơ hình qt 3D đại có tính áp dụng thực tế cao Từ chúng em đưa số đề xuất để phát triển mơ hình như: - Cải tiến phần cứng mạnh mẽ để phù hợp với yêu cầu thuật tốn đại hơn, từ giúp gia tăng độ xác khả nhận diện theo dõi vật kết cấu phức tạp nói riêng hay đối tượng có kích thước lớn nói chung - Phát triển phần mềm để kết sau nhận dạng, đánh giá xử lý thuật toán cần phải xác kích thước, ổn định tốc độ quét, quét đối tượng phức tạp đưa kết xác 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO − Nguyễn Thế Long, Trương Hồng Quang (2008), công nghệ scan 3D Ứng dụng − Mostafa Abdel and Bary EBRAHIM (2015), 3D Laser Scanners’ Techniques Overview − Gabriel Taubin, Daniel Moreno and Douglas Lanman (2014), 3D Scanning for Personal 3D Printing: Build Your Own Desktop 3D Scanner − Yujia Zhanga, Alper Yilmaz (2016), STRUCTURED LIGHT BASED 3D SCANNING FOR SPECULAR SURFACE BY THE COMBINATION OF GRAY CODE AND PHASE SHIFTING − Alex Bradbury & Ben Everard (2014), Learning Python with Raspberry Pi − Cuauhtémoc Carbajal (2013), GUI PROGRAMMING USING TKINTER 75 ... trình thiết kế ngược, từ cơng đoạn qt xử lý mơ hình mẫu đến thiết kế, dựng mơ hình 3D phần mềm MeshLab 1.2 Tính cấp thiết đề tài Khi thiết kế thuận, phải đo đạt, tính tốn để dựng lại mơ hình 3D. .. thực số phần phù hợp với khả gồm bước thiết kế phương án điều khiển nghiên cứu, thiết kế phần mềm xây dựng hình ảnh 3D hồng ngồi Bên cạnh đó, dùng phần mềm khác hỗ trợ xử lí đáp ứng nhu cầu người... MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1: Quy trình thiết kế thuận Hình 2: Quy trình thiết kế nghịch .7 Hình 3: Máy quét 3D Hình 4: Sơ lượt quét 3D tam giác laser 10 Hình