6. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN
1.3 Phương pháp đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
1.3.1 Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc
1.3.1.1 Khái niệm ánh sáng cấu trúc
Có thể dịch khái niệm như sau: Ánh sáng cấu trúc (Structured light) là một
quá trình chiếu sáng những mẫu đã biết lên một khung hình, những biến dạng mẫu chiếu trên bề mặt chi tiết được chiếu so với mẫu chiếu cho phép hệ thống quan sát
xác định được độ sâu và thông tin bề mặt của đối tượng. Do đó structured light
được sử dụng trong quét 3D, vậy nó có thể được định nghĩa như sau: “Ánh sáng
cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc màu sắc” [49 ].
1.3.1.2 ác dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3DC
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc cần phải chiếu mẫu vân sáng lên bề mặt chi tiết đo, độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của vân chiếu được tạo ra. Các ảnh mẫu chiếu đa dạng tùy thuộc vào đối tượng đo và phương pháp đo, yêu cầu độ chính xác của phép đo để lựa chọn mẫu ảnh chiếu sao
cho phù hợp, một số dạng ánh sáng cấu trúc như sau 9, 57, 58]: [4
- Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân
- Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám
- Mẫu ảnh chiếu dạng sin
- Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục
- Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng mầu sắc
- Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn
- Mẫu chiếu các đường được đánh dấu bằng cách lặp đi lặp lại mẫu mức xám
- Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn
- Mẫu ảnh chiếu mã hóa mảng giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBA)
- Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã hóa nhỏ
- Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu
- Mẫu ảnh chiếu hai chiều mã hóa đốm màu
Nhận xét: Các dạng ánh sáng xét về độ phân giải liên quan đến phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian lớn qua hệ thống phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới (độ phân giải thấp). Mỗi dạng ánh sáng đều có ưu điểm và nhược điểm,
điển hình đặc tính một số mẫu ảnh chiếu như mẫu chiếu mã hóa Gray có độ tin cậy
và ít bị ảnh hưởng bởi bề mặt quét tuy nhiên cần số lượng lớn các ảnh chiếu đòi hỏi
thời gian xử lý 7, 58][5 ; Mẫu chiếu cấp độ xám cho tốc độ cao hơn phương pháp mã
hóa Gray tuy nhiên bị ảnh hưởng lớn bởi bề mặt vật đo do các vùng mã hóa yếu khó
xác định; Mẫu ảnh chiếu dạng sin có độ phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác gỡ pha; Mẫu ảnh chiếu cầu vồng cho phép tốc độ quét cao
26
1.3.1.3 Phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc mã Gray
Mã hóa Gray là một dạng ánh sáng cấu trúc được sử dụng trong phương pháp quét biên dạng 3D của chi tiết với các mẫu chiếu chỉ có các vạch trắng và đen xen kẽ do đó mẫu chiếu mã hóa Gray còn được gọi là mẫu chiếu nhị phân. Phương pháp này là chiếu các mẫu chiếu sao cho chia không gian chiếu thành các phần riêng biệt và mỗi phần có thể nhận biết bằng một mã nhị phân dựa trên các mẫu chiếu tuần tự. Hình 1. 22 cho thấy một mô hình chiếu 5 bit. Khi chuỗi này được chiếu lên một -
vùng không gian sẽ mã hóa vùng không gian đó thành 32 phần riêng biệt theo phương ngang. Coi vùng đen có mã nhị phân là 0 và vùng trắng có mã nhị phân là 1 [57, 58, 59 ].
Hình 1. 22 Mẫu mã hóa Gray (nguồn: [60])
Trong phương pháp mã hóa Gray nếu có n mẫu chiếu khi đó sẽ có 2n vùng được đánh dấu trong không gian chiếu. Để độ phân giải theo phương ngang tăng lên
phải tăng số mẫu chiếu thể hiện hình 1. . Việc tăng số mẫu chiếu bị giới hạn bởi 22
phần cứng hệ thống chiếu cũng như khả năng phân biệt vùng đen trắng trên nền chiếu của camera sử dụng. Việc xác định độ cao của điểm đo được xác định theo nguyên tắc tam giác lượng trong quang học. Phương pháp Gray sử dụng hệ thống vân có tính chất đối nghịch nhau để làm giảm bớt sự sai lệch của các bít và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng.
Nhận xét: Để giải quyết vấn đề về đo cơ thể người với bề mặt cong trên từng phần cơ thể là khác nhau đặc biệt là các góc khuất như nách, khe đùi, bên cạnh đó trong quá trình đo con người dễ chuyển động, hô hấp và dẫn đến rất bị rung trong quá trình quét. Điều này dẫn đến ảnh thu được từ quá trình quét thường bị nhiễu bởi những lý do trên mang lại. Vậy với ưu điểm của mã Gray có giá trị mã hóa mỗi vân mẫu duy nhất ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng giúp giảm nhiễu trong quá trình quét, mặc dù phương pháp ánh sáng cấu trúc mã Gray có độ phân giới hạn
27
nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu đo cơ thể người bởi đo cơ thể người yêu cầu độ
chính xác không cao bằng đo các chi tiết trong cơ khí, Y học...
1.3.2 Nguyên lý phương pháp đo 3D kích thước cơ thể người sử dụng ánh sáng cấu trúc ánh sáng cấu trúc
Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên cơ sở nguyên lý
tam giác lượng trong quang học. ô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp M
stereo với việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu.
Hình 1. 23 Sơ đồ đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc (nguồn: 9[4 ])
Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu rúc được thể hiện trên t hình 1.23. Thiết bị chiếu chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo phương pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được nhận biết thông qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh
và kết hợp phương pháp giải mã ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi
tiết đo [61]. Hay nói cách khác thiết bị chiếu một loạt các sọc đen trắng cho đối thượng và camera thu nhận hình ảnh do phản xạ ánh sáng từ máy chiếu trên đối tượng. Các hình dạng 3D của cơ thể được mô tả thông qua đường cong của các sọc trên đối tượng.
Ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo
chi tiết vùng kí h cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết c
có kích thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay, đo cơ thể người thể hiện trên hình 1.24.
Hình 1. 24 Ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc (nguồn: [61]) (a) Quét biên dạng cơ thể người, (b) Quét biên dạng răng, (c) Quét vân tay
Nghiên cứu, thiết lập chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị
đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các
Mẫu ảnh chiếu
Mặt phẳng tham chiếu phẳng Đối tượngđo
28
công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ trong đo lường.
1.3.3 Đặc điểm chức năng của khối thiết bị đo
Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc thông thường được cấu tạo
bởi 3 bộ phận chính: Bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý thông tin
[49]:
Bộ phận chiếu ảnh: Chiếu một hoặc một số ảnh đươc mã hóa trước lên bề mặt chi tiết đối tượng đo. Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa, bộ phận chiếu có thể là hệ thống giao thoa, hệ thống chiếu hình. Với chi tiết đo lớn hơn bộ
phận chiếu ảnh thường sử dụng nhiều máy chiếu kỹ thuật số.
Bộ phận chụp ảnh: Bộ phận này có chức năng chụp lạ hình ảnh của mẫu i chiếu được chiếu lên bề mặt đối tượng đo. Có thể sử dụng một hay nhiều camera
với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ cũng như độ chính xác khi đo.
Bộ phận xử lý thông tin đo: Chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định đươc đám mây điểm bề mặt chi tiết đo. Bộ phận xử lý thông tin đo có thể là các máy tính cá nhân hoặc các
thiết bị đươc thiết kế chuyên biệt nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông
tin và trích xuất dữ liệu đo.
1.3.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quét
Để đảm bảo chất lượng hình ảnh và độ chính xác của phép đo hầu hết các công trình nghiên cứu đưa ra một số điều kiện chuẩn bị quét như sau: Hệ thống hiệu
chuẩn, kiểm soát ánh sáng, phông nền, trang phục quét, tư thế đối tượng đo chuẩn
và tránh chuyển động trong quá trình quét. Một số yêu cầu này áp dụng theo tiêu
chuẩn quét 3D, tiêu chuẩn quốc gia, ISO.
- Yếu tố về thiết bị: Yếu tố về thiết bị ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của phép đo. Vì hệ thống thiết bị được tích hợp từ bộ phận chiếu ảnh, bộ phận chụp ảnh và bộ phận xử lý thông tin thông qua các phần mềm điều khiển, kết nối. Bởi vậy khi xây dựng hệ thống thiết bị xong cần phải hiệu chuẩn trước khi đi vào thực hiện quá trình quét đối tượng đo.
Khoảng cách từ cụm đầu đo đến đối tượng quét: Một số công trình nghiên cứu
cũng đưa ra khuyến cáo về khoảng cách từ cụm đầu đo đến đối tượng đo. Công
trình nghiên cứu về phương pháp chụp ảnh 2D [27, 41] yêu cầu khi chụp ảnh mẫu
đo về vị trí lắp đặt Camera có độ cao là 0,8m, khoảng cách đến tâm mẫu chụp là
3m, đảm bảo kích thước đo có tỉ lệ cân đối thể hiện trên hình 1.25 8, 29[2 ]. Một số
công trình nghiên cứu về quét 3D đưa ra khoảng cách từ cảm biến đến bàn quay
trong khoảng 66cm (26 inch) đến 1m trên hình 1.25 [62, 63]. Tác giả Zhigeng Pan
cũng đã thiết lập hệ thống quét sử dụng 3 Kinect, 2 giá đỡ và 1 bàn qu . Bố trí 2ay
giá đỡ đối xứng nhau qua bàn quay, khoảng cách từ tâm bàn quay đến giá đỡ là 1m và 1 giá đỡ gắn 2 Kinect có chiều cao tương ứng là 0,5m và 1,7m; Giá đỡ còn lại gắn Kinect tại vị trí cao 1,1m. Hệ thống bàn quay 360° với thời gian quét khoảng 30s, kết quả thực nghiệm đo của công trình nghiên cứu cũng chỉ ra nếu hệ cảm biến đầu đo đặt quá xa thu được chất lượng hình ảnh thấp, độ phân giải kém, ảnh chụp không đạt yêu cầu 4 [6 ].
29
Hình 1. 25 Vị trí lắp đặt camera, chiều cao của camera (nguồn: 7[2 ])
Hình 1. 26 Kích thước từ cảm biến đến bàn quay (nguồn: [63]) - Yếu tố về môi trường: Môi trường quét bao gồm như ánh sáng, phông nền: + Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng của ánh sáng môi trường xung quanh: Cường độ chiếu sáng là đại lượng đặc trưng được chiếu sáng trên bề mặt đánh giá cường độ ánh sáng cảm nhận được. Đơn vị đo là Lux (lx). Đây cũng là một yếu tố
ảnh hưởng quan t ọng tới chất lượng hình ảnh quét. Năm 2007, công trình nghiên r
cứu của nhóm tác giả Sophie Voisin, Sebti Foufou, Frédéric Truchetet, David Page,
và Mongi Abidi [65] đã đưa ra kết luận: Ánh sáng xung quanh có ảnh hưởng mạnh đến độ chính xác của dải sóng từ ánh sáng cấu trúc. Năm 2013, nhóm tác giả Mohit Gupta, Qi Yin, Shree K.Nayar [66] đã nghiên cứu với đối tượng quét tĩnh ngoài trời
sử dụng 3 phương pháp quét Spread-and-Avergare, Scan-only và Concentrate-and-
Scan, kết quả nhận thấy ánh sáng môi trường quá sáng hoặc quá tối đều cho kết quả
chất lượng hình ảnh quét kém, đồng thời chỉ ra phương pháp Concentrate-and-Scan
cho kết quả tốt nhất tại cùng một thời điểm quét. Năm 2015, tác giả Nguyễn Thị
Ngọc Quyên [2 ] đưa ra điều kiện ánh sáng môi trường quét tối ưu với hệ thống đo 7
không tiếp xúc 2D là ≥ 300lux.
+ Ảnh hưởng của màu sắc phông nền: Phông nền được dùng phía sau hoặc xung quanh tượng quét sau khi lên hình. Với các thiết bị quét 3D sử dụng ánh sáng, màu sắc của phông nền có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng hình ảnh quét. Năm
2000, nhóm tác giả Brunsman MA, Daanen HM 7] [6 nghiên cứu kỹ thuật mới có thể
tự động tái thiết các mô hình 3D sử dụng phông nền màu xanh. Năm 2012, nhóm
tác giả R.E. Sims, R. Marshall, D.E. Gyi, S.J. Summerskill, K. Cas [68] nghiên cứu
về máy quét cơ thể người 3D TC2 sử dụng ánh sáng trắng đã đưa ra kết luận màu phông nền tối ưu là màu đen. Năm 2013, công trình nghiên cứu về máy quét 3D dưới nước chỉ ra lựa chọn các bề mặt quét màu tối (nâu, xám và đen) có chất lượng
tốt hơn bề mặt quét màu sáng 9][6 . Năm 2015, nhóm tác giả Dinu Dragan, Srdan
Mihic, Zoran Anisic, Ivan Lukovic nghiên cứu phép khử nền sau khi thu được hình
30
- Bề mặt đối tượng quét: Đối tượng quét là cơ thể người nên kết cấu trang phục, màu sắc trang phục, tư thế quét cũng ảnh hưởng rất lớn.
+ Tư thế mẫu đo: Hầu như tư thế được đưa ra ở một số công trình nghiên cứu về
phương pháp quét 3D là tư thế đứng dang tay, dang chân [27, 68, 69, 70], tư thế quét
cũng được quy định theo tiêu chuẩn ISO 20685:2010 5] [4 nhưtrên hình 1.27 :
Tư thế A Tư thế B Tư thế C
Hình 1. 27 Tư thế đứng trong ISO 20685 (nguồn: 5[4 ])
Trong hình 1.27 ở Tư thế người quét đứng thẳng, đầu thẳng, hai chân khép lại, A tay buông dọc sát người, bàn tay thả lỏng tự nhiên, bàn chân đứng chạm gót hình chữ V. Tư thế này dễ dàng trích xuất các điểm mỏm vai, điểm hông và các kích thước chiều dài. Tuy nhiên tư thế này không thể quét được các vùng bị khuất ở , nách, cánh tay, dưới đũng, khe bẹn.
Tư thế đứng B không cần thiết đối với việc trích xuất các kích cơ thể phục vụ cho
may mặc vì các kích thước được xác định chủ yếu khi cánh tay ở vị trí thẳng, không gấp khúc.
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 như trên hình 1.27 (c). 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 ra tư thế này cũng thuận lợi cho việc xác định các ,
kích thước vòng. Các kích thước chiều cao đứng hoàn toàn có thể trích xuất bằng phần mềm trong máy tính.
Từ việc phân tích các tư thế trên chọn tư thế C để làm tư thế chuẩn cho hệ thống
quét 3D là phù hợp hơn cả vì tư thế này có khoảng cách bàn chân là rộng nhất giúp
đứng trên bàn quay vững hơn và có thể trích xuất ra các kích thước theo yêu cầu.
+ Trang phục đối tượng đo: Một số nghiên cứu đã xác định ảnh hưởng của hình
dáng, kết cấu trang phục đến độ chính xác khi quét [69 70, ], trong các dự án khảo
sát nhân trắc học ở các nước châu Âu đều có chung nhận xét: Hình dáng và kết cấu trang phục ảnh hưởng đến việc xác định các mốc nhân trắc và các kích thước cơ thể. Trang phục có thể che đi hoàn toàn các mốc đo quan trọng trên cơ thể gây ra sai số