6. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN
2.3.1.3 Thiết lập nguyên lý và kết cấu hệ thống đo 3D kích thước cơ thể
đặc điểm chiều cao đứng, bề ngang (theo chiều rộng hông) và bề dày. Do vậy cần nghiên cứu phương pháp để quét được toàn bộ chiều cao và diện tích xung quanh của cơ thể. Đây là cơ sở để đi thiết lập phạm vi đo và đặc tính hoạt động của hệ thống quét.
- Độ chính xác: Căn cứ vào phương pháp đo cơ thể người theo TCVN 5781: 2009 [13] và ISO 20685 thì độ chính xác của hệ thống đo 3D thiết lập nhỏ nhất đảm
bảo theo yêu cầu.
- Độ phân giải của thiết bị: Được chọn là 0,5 mm thỏa mãn yêu cầu độ phân giải nhỏ hơn độ chính xác.
2.3.1.2 Yêu cầu chất lượng ảnh quét 3D cơ thể người
Dữ liệu hình ảnh quét 3D thu được bằng phương pháp đo không tiếp xúc sử
dụng ánh sáng cấu trúc dạng đám mây điểm ảnh. Để dữ liệu ảnh 3D sau khi quét là
mẫu đạt chất lượng cho các giai đoạn xử lý ảnh tiếp theo thì ảnh quét 3D vào phải
đạt các yêu cầu chất lượng như sau [79, 80 ]:
- Đánh giá độ rõ nét c a nh chủ ả ụp được thông qua lược đồ Histogram: Giá tr ị m c xám cứ ủa ảnh quét 3D, cường độ sáng của các điểm ảnh không quá t i ho c quá ố ặ sáng, giá tr mị ức xám các điểm ảnh cần đạt m c xám trung bình trong kho ng 64ứ ả – 192 (midtone) th hi n trên hình 2.1 [80 ể ệ ].
(Shadows) (Midtone) ignlights) (H
Hình 2. 1 Biểu đồ phân bố mức xám
- Độ phân giải: Thông qua kích thước của điểm ảnh và khoảng cách của các điểm ảnh, số lượng của điểm ảnh trên ảnh thu được. Với các mẫu trang phục khác nhau thì dữ liệu thu được cũng khác nhau, dữ liệu mẫu nào thu được có khoảng cách giữa các điểm ảnh nhỏ và số điểm thu được nhiều nhất thì cho dữ liệu tốt nhất.
- Hiển thị rõ rét các đường biên dạng cơ thể tại các vị trí hõm nách, vùng
đũng, bên trong đùi và khả năng hiển thị các điểm mốc nhân trắc như điểm mỏm
vai, điểm hõm nách, điểm hông, điểm đũng .
2.3.1.3 Thiết lập nguyên lý và kết cấu hệ thống đo 3D kích thước cơ thể người người
Để đảm bảo chất lượng hình ảnh và độ chính xác của phép đo, phụ thuộc một số yếu tố như hiệu chuẩn hệ thống, kiểm soát ánh sáng, tư thế quét, trang phục quét
và tránh chuyển động cơ thể trong quá trình quét. Với yêu trên, kết cấu hệ thống đo
cần đảm bảo thu được toàn bộ vùng cơ thể người. Trong công nghiệp, hệ thống đo thường sử dụng nhiều đầu đo được bố trí xung quanh cơ thể người để quét hết đối
tượng đo một cách nhanh chóng Trong phạm vi của luận án lựa chọn hệ thống gồm .
một đầu đo để quét toàn bộ cơ thể người và phải dùng chuyển động khi quét nhưng
có thể cho phép tăng số lần quét theo ý muốn đồng thời phù hợp với mục đích nghiên cứu khoa học. Bên cạnh đó để giữ đúng tư thế quét, tránh rung của cơ thể
43
người theo yêu cầu thì hệ thống quét sẽ được thiết kế thêm tay nắm cho đối tượng quét.
- Nguyên lý hệ thống đo 3D kích thước cơ thể người:
Hình 2. 2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống đo 3D
Trên hình 2.2 mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống đo. Với các vùng quét cơ thể người được phân chia theo chiều cao, đầu đo sẽ quét từng mặt cơ thể sao cho đo toàn bộ diện tích xung quanh.
Trong một vùng đo thì người đứng yên, đầu đo dịch chuyển từng đoạn từ
trên xuống dưới theo phương Y thông qua bộ uyền đai. Bàn quay đỡ đối đotr
được thiết kế giúp cho có thể quay khi quét Bàn quay có thể chuyển động quay.
tròn quanh trục OY nhờ lực chuyển động của động cơ được gắn trực tiếp vào
bàn quay. Sau đó người quay đi một góc và tiếp tục đầu đo dịch chuyển từ dưới lên trên, chu trình được lặp lại cho đến khi quét hết xung quanh cơ thể người.
Hệ thống đo được điều khiển bằng máy tính thông qua bộ điều khiển chuyển động. Chu trình điều khiển từ máy tính xuống các bộ điều khiển động cơ tịnh tiến hệ cảm biến đầu đo dọc theo cơ thể qua động cơ 1, và điều khiển quay tròn bàn quay đỡ đối tượng đo qua động cơ số 2.
Phần mềm cho thiết bị bao gồm các phần mềm điều khiển cấu trúc vân cho máy chiếu, phần mềm điều khiển sự dịch chuyển của các bộ phận và phần mềm thu nhận xử lý ảnh dựng lại hình ảnh 3D của đối tượng đo, phần mềm trích xuất dữ liệu đo.
44
Hình 2. 3 Sơ đồ khối hệ thống đo 3D kích thước cơ thể người
Trên hình 2.3 mô tả sơ đồ kh i kố ế ất c u h th ng quét 3D: ệ ố + H cệ ảm biến đầu đo bao gồm camera và máy chi u; ế
+ Cụm cơ khí và điều khi n d ch chuyể ị ển đo; + B ph n thu nh n và x ộ ậ ậ ửlý tín hiệu đo.
a) Phương pháp xác định hệ cảm biến đầu đo cho hệ thống đo 3D
Đầu đo là bộ phận quan trọng quyết định lớn đến độ chính xác và độ phân giải của hệ thống đo do vậy việc tính toán và lựa chọn các cảm biến rất cần thiết. Đầu đo bao gồm máy chiếu chiếu ánh sáng cấu trúc mã Gray lên đối tượng đo và camera thu lại ảnh phản xạ ánh sáng cấu trúc chiếu lên đối tượng đo để dựng lại biên dạng 3D thông qua nguyên tắc tam giác lượng.
Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc mã Gray
(nguồn:[81])
Nguyên lý của hệ cảm biến đầu đo 3D cơ thể người như trên hình 2.4 là chi u ế
các vân chi u d ng Gray lên b mế ạ ề ặt đối tượng cần quét, sau đó camera thu l i hình ạ Đối tượng
đo
Máy chiếu Camera
Máy tính Điều khiển đo Thu nhận và xử lý tín hiệu đo Bàn quay đối tượng đo Cụm dịch chuyển đầu đo Hệ điều khiển chuyển động
45
ảnh quét thông qua phản xạ ánh sáng xây dựng lại tọa độ điểm ảnh. Sử dụng một số phần mềm phân tích dữ liệu, tạo ảnh và dựng lại đối tượng đo.
• Lựa chọn camera và máy chiếu:
Lựa chọn camera và máy chiếu cần theo yêu cầu về độ phân giải cao, kích thước điểm ảnh nhỏ số lượng điểm ảnh lớn từ đó mới thu được dữ liệu tốt. Tuy nhiên để đáp ứng được tiêu chí trên thì giá thành camera và máy chiếu rất lớn. Bởi vậy cần tính toán và lựa chọn máy camera và ống kính phù hợp để đo kích thước cơ thể người nên chọn camera và máy chiếu để hệ thống đo đạt được độ phân giải 0,5 mm.
Máy chiếu lựa chọn sửdụng công nghệ DLP [81].
• Lựa chọn ống kính phù hợp với camera:
Yêu cầu đối với camera là ảnh thu được đảm bảo độ nét của ảnh và bao phủ được càng nhiều diện tích của đối tượng đo càng tốt, do đó cần lựa chọn ống kính phù hợp để thu được vùng đo tối đa mà khoảng cách từ đầu đo đến đối tượng đo là nhỏ nhất.
Tiến hành tính toán và lựa chọn ống kính phù hợp cho camera theo thông số kích thước của cảm biến CCD và vùng thu ảnh với: Chiều cao của cảm biến ảnh
tương ứng với chiều cao vùng thu là sh, Chiều rộng của cảm biến ảnh tương
đương với chiều rộng của vùng thu là sw
Đầu tiên cần xác định được vùng quét, giới hạn vùng đo (w×h). Vùng thu của
máy ảnh phải đảm bảo lớn hơn so với vùng chiếu của máy chiếu. Thông thường thì kích thước vùng chiếu của máy chiếu theo phương thẳng đứng nhỏ hơn kích thước theo phương ngang do vậy trong quá trình th c nghi m tính toán tự ệ ối ưu sẽ ấ l y theo
kích thước vùng chi u thế ẳng đứng. Theo hình 2.5 chi u cao vùng chi u là và ề ế h
chiều r ng vùng chi u c a máy chi u là . Trong nghiên cộ ế ủ ế w ứu này, mong mu n ố chiều cao của vùng đo cũng chính là chi u cao c a vùng chiề ủ ếu là h, như vậy ph i ả chọ ốn ng kính có có vùng thu Sh > h. Để tính kho ng cách t ả ừ đầu đo đến đối tượng đo L sao cho chi u cao màn chi u là . Gề ế h ọi α là n a góc chi u theo chi u th ng ử ế ề ẳ đứng, θlà n a góc chi u theo chiử ế ều ngang được mô t trên hình 2.5. ả
Hình 2. 5 Hệ thống chiếu của máy chiếu và thu ảnh camera
Gọi α, θ được xác định theo công thức:
46
Với yêu cầu đo các chi tiết có phạm vi kích thước chiều cao ≤ khi đó h khoảng cách tối thiểu đặt đầu đo cách đối tượng cần đo một khoảng: L
Theo hình 2.5 có:
L = (2.2)
Tiến hành thực nghiệm thay đổi khoảng cách sẽ cho kết quả vùng chiếu theo L L,
từ đó chọn được khoảng cách L tốt nhất. Mô hình thực nghiệm được xây dựng với
việc thay đổi đầu đo so với khoảng cách của màn chiếu được đặt tại tâm của bàn quay. Việc xác định chính xác khoảng cách thực của đầu đo so với màn chiếu được
thực hiện bằng máy đo khoảng cách laser được thể hiện trên hình 2.6.
Hãng sản xuất: Leica Xuất xứ: Hungary
Phạm vi đo: 0.05 – 100 m
Độ chính xác ± 1.5 mm
Hình 2. 6 Mô hình đo khoảng cách bằng thiết bị laser
Dựa vào khoảng cách tiến hành tính toán tiêu cự của ống kính. Gọi là tiêu cự L f
của ống kính. Để tính toán được tiêu cự của ống kính, tìm ra mối quan hệ giữa L, f
và kích thước của cảm biến CCD. Theo công thức thấu kính hội tụ:
= (2.3)
Từ đó tính toán được tiêu cự như sau:f
f = (2.4)
Kho ng cách gi a camera và máy chi u (hình 2.5) không ả B ữ ế ảnh hưởng bởi đối tượng đo mà là cơ sở để xác định góc tâm quang trên đốB i tượng đo. V y vi c xác ậ ệ định kho ng cách gi a camera và máy chi u lu n án ả ữ ế ậ kế thừa từ công trình nghiên c u [78ứ ] về khoảng cách cụm đầu đo và B= 250 (mm).
b) Xây dựng cụm cơ khí và điều khiển dịch chuyển đo
• Xây dựng cụm cơ khí hệ thống đo 3D kích thước cơ thể người:
Cụm cơ khí như hình 2.7 được chia là hai phần chính. Phần thứ nhất đóng vai
trò đỡ và cố định vị trí tương quan của máy ảnh và máy chiếu và thực hiện chuyển
động đầu đo lên xuống theo trục Y quét hết chiều cao đối tượng đo Chuyển động .
trục Y mang theo cụm đầu đo được điều khiển bằng động cơ 1 thông qua bộ uyền tr
đai. Phần thứ hai là bàn quay đỡ đối tượng đo đứng lên và quay xung quanh tâm. Bàn quay đỡ đối tượng đo được thiết kế đảm bảo diện tích quét trên vật đo được tối
đa với chuyển động chính là quay tròn trên mặt phẳng chứa vật Chuyển động quay.
của bàn quay được thực hiện bởi động cơ 2 được gắn vào bàn quay để thu được
47
Cụm cơ khí được điều khiển bởi chương trình trên máy tính và kết nối với máy chiếu điều khiển hình ảnh vân chiếu lên vật cần quét và thực hiện các kết nối điều khiển quá trình chuyển động của đầu đo, bàn quay, thu nhận và xử lý hình ảnh thu được từ các camera. Phần mềm điều khiển và xử lý kết quả đo của thiết bị bao gồm các phần mềm điều khiển cấu trúc vân cho máy chiếu, phần mềm điều khiển
dịch chuyển của các cụm và phần mềm thu nhận xử lý ảnh dựng lại biên dạng 3D
của vật thể. Các phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình C#.
Hình 2. 7 Cụm cơ khí dịch chuyển
+ Phương pháp thiết kế bàn quay:
Bàn quay với đặc điểm yêu cầu là đỡ được đối tượng quét, trong phạm vi luận án thiết kế hệ thống bàn quay chú trọng một số yếu tố về đường kính bàn quay, xác định chiều cao và chiều rộng tay nắm, bàn quay đỡ được cơ thể người, vận tốc bàn
quay. Vậy đầu tiên thiết kế ệ ốh th ng bàn quay cần xác định được tư thế người đứng
trên bàn quay. Theo t ng quan m c 1.4 l a chổ ụ ự ọn tư thế đứ ng của người đo 3D dựa theo tiêu chuẩn ISO 20685 [45] được s ử dựng quét cơ thể người như sau:
48
Hình 2. 8 Tư thế quét cơ thể người [45]
Trong hình 2.8 Tư thế đứng C người đứng thẳng, 2 tay 2 chân dang sang bên với một khoảng cách cố định. Tư thế này phù hợp với các nghiên cứu quét 3D cơ thể người, nhưng có sự khác biệt nhỏ về phần khuỷu tay, bàn tay, và độ rộng dang tay dang chân. Tư thế đứng này xác định dễ dàng các kích thước vùng ngoài như mỏm vai, hông chiều dài và có thể xác định rõ điểm hõm nách, điểm sườn mông,
điểm đũng, mắt cá chân. Ngoài r tư thế này cũng thuận lợi cho việc xác định các a,
kích thước vòng. Các kích thước chiều cao đứng hoàn toàn có thể trích xuất bằng phần mềm tính toán trong máy tính.
Kết cấu của bàn quay: Bàn quay là 1 bộ phận của máy quét 3D mà đối tượng quét có thể đứng cố định ở các tư thế và quay được với tốc độ phù hợp để đảm bảo quá trình quét nhanh và chính xác. Kết cấu của bàn quay bao gồm: Bàn quay, động cơ, tay cầm.
Hình 2. 9 Sơ đồ kết cấu của bàn quay
Xác định đường kính bàn quay Dk: Dk của bàn quay được xác định bởi tư thế đứng của đối trượng đo sao cho diện tích mặt bàn quay đủ để chứa được toàn bộ
vùng kích thước của bàn chân theo tư thế C: Dk= độ rộng lớn nhất của bàn chân +
lượng cử động.
Độ rộng của bàn quay Dr= Dk +độ rộng của tay cầm (có thể thay đổi được)
Xác định vận tốc bàn quay: Chọn vận tốc bàn quay sao cho người có thể đứng được ổn định trong khoảng thời gian quét theo yêu cầu.
49
Chiều cao tay cầm Dh có thể thay đổi được tuỳ thuộc vào chiều cao của người
và tư thế dang tay khi nắm vào tay cầm.
+ Thiết lập dịch chuyển đầu đo gồm: Khung máy dùng để gá đặt camera và máy chiếu đảm bảo có thể chiếu được vùng quét lớn mà ảnh thu được vẫn đảm bảo yêu cầu về độ phân giải và độ nét. Để thiết kế được khung máy đảm bảo các yêu cầu dựa vào tiêu chuẩn hệ thống cỡ số quần áo: “Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5782: 2009” [12] về chiều cao cơ thể, hình 2.10.
Hình 2. 10 Sơ đồ kết cấu của cụm dịch chuyển đầu đo
Vậy việc để đảm bảo đo được cơ thể người một cách nhanh chóng và chính
xác nhất mà vẫn đảm bảo máy không cồng kềnh khi cần di chuyển, cộng thêm khoảng để đặt máy chiếu và lắp kết cấu chuyển động cho cụm cảm biến sẽ có được chiều cao thiết kế khung máy để đảm bảo các yêu cầu đặt ra.
• Xây dựng hệ điều khiển dịch chuyển quá trình đo:
Hệ thống điều khiển quá trình đo từ máy tính thông qua các kết nối xuống khối mạch điều khiển trong đó có bộ điều khiển động cơ 1 tịnh tiến hệ cảm biến đầu
đo và bộ điều khiển quay tròn bàn quay đỡ đối tượng quét. Khối cơ cấu chấp hành
sẽ thực hiện các dịch chuyển thông qua hai động cơ.
Thiết lập hệ điều khiển: Hình 2.11 thể hiện sơ đồ khối điều khiển dịch chuyển đo với máy tính thực hiện điều khiển khối cơ cấu chấp hành thông qua mạch điện tử và giao tiếp RS232, sử dụng vi điều khiển PIC. Vi điều khiển sẽ điều khiển 2 động
cơ gồm động cơ 1 là động cơ bước dịch chuyển tịnh tiến đầu đo và động cơ 2 là
50
Hình 2. 11 Sơ đồ các khối điều khiển
• Xây dựng quy trình quét của hệ thống đo 3D kích thước cơ thể người:
Để xác định được quy trình quét của hệ thống, đầu tiên cần xác định vùng