Hiện nay, các thiết bị máy chiếu phổ biến là Màn hình tinh thể lỏng (LCD), Tinh thể lỏng trên Silicon (LCOS) và DLP. So với công nghệ chiếu LCD và LCOS, công nghệ DLP có ưu điểm là hệ số lấp đầy cao, tốc độ nhanh, độ tin cậy cao và độ tương phản cao. Trong khi đó, nó có khả năng hiển thị hình ảnh độ phân giải cao và tốc độ chuyển đổi nhanh các mẫu mã hóa lên đến 4225Hz. Do đó, máy chiếu DLP được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu cũng như thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc.
Trong quá trình lựa chọn máy chiếu DLP, việc lựa chọn một máy chiếu DLP phù hợp là rất quan trọng. Trên thị trường hiện nay, các máy chiếu luôn có kích thước lớn, điều này gây khó khăn cho việc thiết kế hệ thống. Bộ kit máy chiếu DLP LightCrafter 4500 (hình 3-8) Texas Instruments có kích thước nhỏ hơn các máy chiếu DLP thương mại trên thị trường và được nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng trong các công trình nghiên cứu [110]-[115]. Ưu điểm của DLP LightCrafter 4500 là các vân chiếu sau khi thiết kế được lưu trên bộ nhớ của thiết bị, cho phép tùy ý điều khiển các thông số liên quan đến quá trình chiếu sáng vân như: Cường độ chiếu sáng vân, thời gian phơi sáng vân chiếu, kịch bản chiếu vân,… và cho phép thiết lập tín hiệu đồng bộ với máy ảnh. Thông số của thiết bị DLP LightCrafter 4500 trong phần PHỤ LỤC 1. Bảng 2.
Hình 3-8 Bộ kit máy chiếu DLP LightCrafter 4500 và cấu tạo hệ chiếu sáng
Chíp chiếu sáng DLP4500 DMD 0,45 inch với 1.039.680 gương, kích thước mỗi gương 7,6 μm, được sắp xếp thành 912 cột ´ 1140 hàng với cấu hình mảng và điểm ảnh có dạng hình kim cương (hình 3-9), chiều dài tiêu cự hệ quang 14 . Kích thước cảm biến (9,855´6,1614) .
Hình 3-9 Sơ đồ bố trí hình học của gương DMD 0.45inch dạng kim cương
Với chiều dài tiêu cự hệ quang 14 . Kích thước cảm biến (9,855´6,1614) , kích thước mỗi gương 7,6 với khoảng cách từ chi tiết đo đến hệ đo là 200 , theo công thức (2-119) trong phần 2.1.7 ta xác định được kích thước của vùng chiếu vân như sau:
- Chiều rộng: =200× 9,85 5 = 140,78 - Chiều cao: 14 =200× 6,1614 = 88.02 14
Độ phân giải kích thước trên 1 điểm ảnh vân chiếu được tính bằn công thức (2-118):
- Độ phân giải theo chiều rộng:
>K=
140,79
= 0.154 / 912
- Độ phân giải theo chiều cao: 88,02
>Y=
1140= 0,077 /
Với khoảng cách đo gần nhất T=150 và lớn nhất T=250 ta có bảng 3-1 tính thông số FOV và độ phân giải tương ứng.
Bảng 3-1 Thông số tính toán FOV và độ phân giải theo khoảng cách T STT cách Z >K >Y ( ) Khoảng WD (mm) HD (mm) “ ¶” ¶ (mm) 1 150 105,59 66,02 0,116 0,058 2 200 140,78 88,02 0,154 0,077 3 250 175,98 110,02 0,193 0,097 3.2.2 Lựa chọn máy ảnh
Máy ảnh đóng vai trò rất quan trọng trong hệ đo quang học, có 2 kiểu dạng cảm biến là CMOS và CCD, trong đó dạng cảm biến CMOS sử dụng trong nhiều thiết bị thu ảnh kỹ thuật số, còn CCD sử dụng trong các máy ảnh quan sát CCTV. Đối với dạng CMOS có 2 kiểu cửa trập là dạng cuộn (scroll shutter) và dạng toàn cục (global shutter), đối với dạng cuộn không sử dụng cho các hệ thống xử lý ảnh có tốc độ chậm, thời gian phơi sáng của máy chiếu phải lớn hơn tốc độ của trập của máy ảnh nếu không thỏa mãn điều kiện này thì ảnh thu được sẽ bị thiếu phần chiếu sáng ở các hàng có thứ tự sắp xếp cao. Bên cạnh đó, CMOS cũng có hai dạng ảnh dữ liệu là dạng màu và đơn sắc (monochrome), các kiểu giao tiếp: USB 2.0, GiGE, USB 3.0.
Hình 3-10 Máy ảnh Grasshopper GS3-U3-32S4C-C do hãng FLIR sản xuất
Để hệ thống đo có độ chính xác cao, người ta sẽ lựa chọn máy ảnh có độ phân giải cao cũng như kích thước của cảm biến lớn. Trong luận văn này, NCS lựa chọn máy ảnh FLIR Grasshopper GS3-U3-32S4C-C do hãng FLIR sản xuất hình 3-9, là dạng máy ảnh màu, có độ
phân giải 2048×1536 (điểm ảnh), dạng cửa trập toàn cục, kích thước điểm ảnh 3,45´3,45 ,
giao tiếp qua cổng USB 3.0. Thông số kỹ thuật của máy ảnh trong phần PHỤ LỤC 1. bảng 1.
3.2.3 Tính toán lựa chọn thấu kính cho máy ảnh và đường cơ sở
Theo lý thuyết xác định độ phân giải theo chiều sâu ( ) và giá trị chênh lệch (điểm ảnh) theo công thức 2.90 trong nội dung 2.5.1 để lựa chọn chiều dài tiêu cự của hệ quang học cho máy ảnh và chiều dài đường cơ sở giữa hai gốc tọa độ của 2 máy ảnh.
Với khoảng cách từ hệ đo tới vật thể đo là 200 , khả năng thu ảnh đảm bảo sắc nét nằm trong miền từ 150 đến 250 . chúng ta có thể lựa chọn các thấu kính có tiêu cự cho khoảng cách thu nhận
tương ứng là ( ): 4; 6; 8; 12,5. Mặt khác, để đảm bảo sự cân đối cho hình tam giác trong
phương pháp tam giác đạc và kích thước nhỏ
gọn của hệ thống với góc ≤ 20° [2], khoảng cách đường cơ sở từ (80~120) , chúng ta tiến hành khảo sát với 3 thông số thiết lập ( ): 80, 100, 120.
Kích thước của một điểm ảnh đã chọn trong phần trước là 3,45 , thông thường để chọn giá trị ∆ kỳ vọng bằng1¶5 kích thước điểm ảnh, như vậy ∆ =3,45¶5 =
0,69 . Khảo sát độ phân giải độ sâu của hệ máy ảnh nổi có thể thu được:
Độ phân giải độ sâu (mm)
T=80mm 0.16 F=8 F=6 F=12.5 F=4 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Khoảng cách Z (mm)
Hình 3-11 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=80mm
Độ phân giải độ sâu (mm)
T=100mm 0.12 F=8 F=6 F=12.5 F=4 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 150160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Khoảng cách Z (mm)
Hình 3-12 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=100mm
Độ phân giải độ sâu (mm)
0.1 T=120mm 0.09 F=8 F=6 F=12.5 F=4 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Khoảng cách Z (mm)
Hình 3-13 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=120mm
Nhận xét 1: Nhìn vảo biểu đồ hình 3-11, 3-12, 3-13 ta thấy:
- Độ phân giải độ sâu tỷ lệ thuận với đường cơ bản, độ phân giải càng cao khi đường cơ bản tăng. Độ phân giải giảm khi khoảng cách từ chi tiết đo tới hệ thống đo tăng lên. Độ dốc biểu diễn cho sự giảm độ phân giải tăng lên khi chiều dài tiêu cự giảm.
Khi thiết kế hệ thống đo yêu cầu độ phân giải theo chiều sâu Z cao thì cần lựa chọn ống kính có chiều dài tiêu cự lớn, tuy nhiên thì trường nhìn FOV cũng giảm đi và có thể không bao phủ hết phần chiếu vân của máy chiếu. Trong trường hợp khác, khi sử dụng ống kính có tiêu cự ngắn thì vật thể đo càng đặt gần thiết bị đo thì cũng có thể đạt được độ phân giải như mong muốn. Với F=4 độ phân giải cao nhất đạt được là 0,032 , với F = 6 là 0,021 , F=8 là 0,016 và F=12,5 là 0,01 mm.
Khảo sát độ phân giải độ chênh lệch điểm ảnh với độ sâu Z:
T=80mm 35000 30000 F=8 F=6 F=12.5 F=4 ản h) 25000 lệ ch (đ iể m 20000 15000 Độ c hê nh 10000 5000 0 100 110 120 130 140 150 160 017 180 190 200 021 220 230 240 250 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Khoảng cách theo chiều Z (mm)
Hình 3-14 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=80mm
T=100mm 40000 F=8 F=6 F=12.5 F=4 35000 ản h) 30000 25000 (đ iể m lệ ch 20000 Đ ộ ch ên h 15000 10000 5000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150160170180190200210220230240250 Khoảng cách theo chiều Z (mm)
Hình 3-15 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=100mm
T=120mm 50000 45000 F=8 F=6 F=12.5 F=4 40000 ản h) 35000 (đ iể m 30000 lệ ch 25000 ch ên h 20000 15000 Độ 10000 5000 0 100 110 120 130 140 150 160 017 180 190 200 021 220 230 240 250 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Khoảng cách theo chiều Z (mm)
Hình 3-16 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=120mm
Nhận xét 2: Nhìn vảo biểu đồ hình 3-14, 3-15, 3-16 ta thấy:
- Độ chênh lệch điểm ảnh cao khi khoảng cách Z càng gần với hệ thống đo và khả dĩ khi độ chênh lệch nhỏ hơn độ phân giải máy ảnh theo chiều rộng.
- Độ chênh lệch tỷ lệ thuận với khoảng cách đường cơ sở và chiều dài tiêu cự. Độ chênh lệch càng lớn thì độ phân giải theo chiều sâu Z càng cao và ngược lại.
Trên thực tế, các hệ máy ảnh nổi không thiết kế 2 máy ảnh có trục quang song song với nhau
và góc ≤ 20° [2], FOV của 2 máy ảnh phải bao phủ hết vùng chiếu của máy ảnh. Với F=8 và
F=12,5 cho độ phân giải chiều sâu và tối ưu hóa độ chênh lệch đạt được như mong muốn thiết kế.
Với thông số độ phân giải máy ảnh 2048´1556 điểm ảnh và kích thước cảm biến (7,07´5,3) ta có bảng 3-2 tính toán FOV và độ phân giải với khoảng cách Z từ (150~250) .
Bảng 3-2 Bảng thông số FOV và độ phân giải của máy ảnh theo chiếu sâu Z
STT Khoảng Chiều dài WD (mm) HD (mm) %%) %%)
cách tiêu cự >K( G"4R[ >Y( G"4R[ Z (mm) (mm) 4 265,13 198,75 0,129 0,129 1 150 6 176,75 132,50 0,086 0,086 8 132,56 99,38 0,065 0,065 12,5 84,84 63,60 0,041 0,041 4 353,50 265,00 0,173 0,173 2 200 6 235,67 176,67 0,115 0,115 8 176,75 132,50 0,086 0,086 89
12,5 113,12 84,80 0,055 0,055
5 441,88 265,00 0,216 0,173
3 250 6 294,58 220,83 0,144 0,144
8 220.94 165,63 0,108 0,108
12,5 141,40 106,00 0,069 0,069
Dựa theo bảng 3-2, nhận xét 1 và 2 ta có thể thấy với F=12,5 thì FOV của máy ảnh nhỏ hơn máy chiếu, với F=8 đảm bảo được FOV luôn lớn hơn máy chiếu cho khoảng thu nhận chiều sâu Z từ (150~250) . Khoảng cách đường cơ bản T=100 đảm bảo độ phân giải chiều sâu Z từ
(0,02~0,04) với góc = 18°.
3.3 Kết luận
Trong nội dung chương 3 đã trình bày một số phương pháp nâng cao độ chính xác của một hệ thống do 3D bằng ánh sáng cấu trúc bao gồm: Đề xuất phương pháp sử dụng kỹ thuật HDR cho thu nhận các chi tiết có độ bóng cao bằng cách thay đổi thông số liên quan đến quá trình thu nhận của máy ảnh, mô hình lý thuyết có thể được áp dụng có các thông số mở rộng khác như: Cường độ chiếu vân, thời gian chiếu vân, khuếch đại số và tốc độ của trập của máy ảnh. Bên cạnh đó là phương pháp hiệu chuẩn để xác định phương trình hiệu chuẩn cho các giá trị điểm đo 3D theo các trục tọa độ. Một phương án hiệu chỉnh cho bàn máy mang chi tiết đo được đưa ra bằng cách sử dụng ô bàn cờ và tính toán các tập ma trận quay, tịnh tiến giữa các vị trí giữa chúng. Phương pháp này có lợi thế là không bị phụ thuộc và mô hình động học của các cơ cấu cơ khí mà chỉ quan tâm đến sai số ổn định lặp lại giữa các vị trí khi dịch chuyển.
Cuối cùng là phương án tính toán, lựa chọn thông số của hệ thống đo sử dụng ảnh độ sâu bằng ánh sáng cấu trúc bao gồm: Khoảng cách đường cơ bản, độ phân giải máy ảnh và máy chiếu, từ đó xác độ phân giải độ sâu và độ chênh lệch của hệ thống.
Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY DỰNG 4.1 Xây dựng thiết bị quét 3D
4.1.1 Thông số và cấu tạo thiết bị quét
Thống số thiết kế hệ thống quét 3D thể hiện trong hình 4-1:
Hình 4-1 Sơ đồ thiết kế hệ thống đo 3D
Hình 4-2 Cấu tạo bên trong của thiết bị quét 3D
Cấu tạo thiết bị theo hình 4-2 và 4-3:
- Máy ảnh: 02 máy ảnh FLIR Grasshopper GS3-U3-32S4C-C thông số kỹ thuật theo PHỤ LỤC.1 bảng 1
- Máy chiếu : 01 Lightcrafter 4500 thông số kỹ thuật theo PHỤ LỤC.1 bảng 2
- Ông kính: 2 ống kính Tamron M118FM08 thông số kỹ thuật theo PHỤ LỤC.1 bảng 3
Hình 4-3 Thiết bị thực nghiệm thu nhận ảnh 3D chi tiết cơ khí
Hệ thống đồ gá có vai trò tự động dịch chuyển chi tiết cần đo và thiết bị đo, phục vụ cho việc thu nhận hình ảnh 3D nhằm hạn chế các tác động bên ngoài lên chi tiết. Bên cạnh đó giúp cho quá trình ghép nối các dữ liệu 3D từ các góc nhìn khác nhau thành vật thể 3D hoàn chỉnh (hình 4-4).
Hình 4-4 Thiết kế 3D và thiết bị sau khi chế tạo
Yêu cầu của hệ thống cần đạt được như sau:
- Đường kính đĩa gá vật đo tối đa: 300 mm x 300 mm
- Tịnh tiến theo trục Z: 200 mm
- Trục W (quay quanh trục Z): 0o ~360o - Trục U quay quanh trục Y: 0o – 90o
- Trọng lượng của chi tiết quét 3D tối đa: 3 kg
Hệ thống quét 3D được điều khiển thông qua máy tính từ phân mềm theo hình 4-5.
- Các trục quay và tịnh tiến sử dụng động cơ servo HF-KP23 và bộ điều khiển MR-J4-40B.
-Hộp giảm tốc cho trục U là loại giảm tốc bánh răng hành tinh có tỷ số truyền 1/10.
- Hộp giảm tốc cho trục W là loại giảm tốc bánh răng hành tinh dạng vuôn góc, tỷ số truyền 1/15.
- Trục Z sử dụng bộ vít me bi có hành trình 200.
Hình 4-5 Sơ đồ cấu tạo và điều khiển thiết bị quét 3D
Sơ đồ hệ thống (hình 4-5):
- Máy tính với phần mềm điều khiển hệ thống thông qua cổng giao tiếp USB:
+ Gửi lệnh G-code tới bộ vi điều khiển để điều khiển các trục theo cú pháp: G01 Z_ _ U_ _ W_ _ F_ _ _ . Trong đó giá trị phía sau Z là vị trí tuyệt đối so với điểm gốc O của trục Z, với U là giá trị góc với điểm gốc O của U, W là giá trị góc với điểm gốc O của W và sau F là tốc độ bước tiến.
+ Điều khiển các tham số của máy ảnh: Độ phân giải, kiểu kích khởi, giá trị khuếch đại số, giá trị phơi sáng, kich khởi (trigger), thu thập ảnh chụp 2D.
+ Điều khiển các tham số của máy chiếu: Kịch bản vân sáng (thứ tự các vân sáng), thời gian phơi sáng, cường độ chiếu sáng, kiểu kích khởi.
4.1.2 Đồng bộ tín hiệu giữa máy ảnh và máy chiếu
Đồng bộ tín hiệu giữa các phần tử bao gồm máy ảnh và máy chiếu nhằm đảm bảo số thứ tự lần lượt của tập ảnh thu được từ 2 máy ảnh tương ứng với thứ tự các vân chiếu đã được thiết lập trước đó.
Hình 4-6 Thiết lập kích khởi của máy ảnh trong chế độ “Mode 0” do hãng pointgrey cung cấp
Hình 4-7 Thiết lập kích khởi của máy ảnh trong chế độ Mode 14 chồng chập 2 lần phơi sáng
Hình 4-8 Sử dụng kích khởi cho chiếu vân lightcrafter 4500
Để thực hiện thay đổi nhiều giá trị phơi sáng khác nhau của máy ảnh, ta có sơ đồ điều khiển và đồng bộ chung giữa các phần tử thông qua máy tính như sau:
Trigger
Máy tính
Camera 1 Camera 2
Gain1, Shutter1 Ảnh chụp Ảnh chụp
vân vân
Giai Gain2, Shutter2 Ảnh chụp Ảnh chụp
vân vân đoạn I: Chụp ảnh … … vân Gain n, Shutter n Ảnh chụp Ảnh chụp vân vân Projector (LightCrafter 4500)
Vân chiếu lên bề mặt vật
Vân chiếu lên bề mặt vật
…
Vân chiếu lên bề mặt vật
Thread 1 Thread 2
Giai đoạn 2: Tổng hợp ảnh đa phơi sáng
Giai đoạn 3: Tính toán tọa độ điểm 3D
Hình 4-9 Sơ đồ điều khiển và đồng bộ tín hiệu trong hệ thống
Camera1 Capture Trigger out Camera2 Capture Trigger in Projector Trigger input Projector Pattern display Exposure Pattern Exposure Pattern Period
Hình 4-10 Sơ đồ đồng bộ tín hiệu của 2 máy ảnh và máy chiếu theo thời
gian 4.1.3 Xây dựng phần mềm xử lý thu nhận ảnh 3D của chi tiết cơ