Ánh sáng cấu trúc (SL) [3][4][5][6] được định nghĩa là quá trình chiếu các ô lưới hoặc vân sáng (theo quy luật biết trước) lên bề mặt của đối tượng, do các vùng trên bề mặt chi tiết có độ cao khác nhau nên khi sử dụng một máy ảnh (camera) tại một góc nhìn khác thì ảnh vân chiếu thu được sẽ bị biến dạng, từ sự biến dạng này có thể xác định được thông tin bề mặt 3 chiều (XYZ) của vật. Cấu hình cho một hệ đo cơ bản bao gồm 01 thiết bị chiếu có chức năng chiếu vân và 01 máy ảnh để thu nhận ảnh vân chiếu trên bề mặt đối tượng. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc có ưu điểm: Nhanh chóng, không tiếp xúc bề mặt vật, độ phân giải cao, độ chính xác cao (độ chính xác đạt được lên đến ±7 , ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Đo lường và kiểm tra trong công nghiệp, thiết kế ngược chi tiết, nhận dạng đối tượng, y học
(thiết kế chế tạo răng, các bộ phận cơ thể…), khảo cổ học … Cùng với sự phát triển
của các thiết bị chiếu vân dựa trên LCD [7][8][9][10] và DLP [11][12][13] cho phép mở rộng dải đo cũng như nâng cao độ chính xác, độ phân giải và tốc độ của hệ thống.
Các hệ thống đo kích thước sử dụng ánh sáng cấu trúc (SL) là một trường hợp riêng của hệ thống đo tam giác đạc chủ động. Besl, Paul (1989)[14] đã giới thiệu một cách tổng quan về kỹ thuật chiếu ánh sáng cấu trúc, trong khi Vuylsteke et al. (1990) [15] đã phân loại các ứng dụng đã được công bố theo các đặc điểm sau:
- Số lượng và kiểu cảm biến.
- Kiểu quang học (thấu kính hình cầu hay lăng trụ, gương, nhiều ống kính). - Dạng ánh sáng (điểm, đường).
- Số bậc tự do của cơ cấu quét (0, 1, hoặc 2). - Vị trí quét đã xác định hay chưa xác định.
Thông tin về khoảng cách trong không gian ba chiều cho toàn bộ vùng đo trên vật thể sẽ thu được một cách tương đối nhờ các kỹ thuật phát hiện viền ánh sáng. Vùng không gian ba chiều trong vùng quan sát của máy ảnh có thể được tạo ra bằng cách ghép nhiều đường viền hai chiều sát nhau. Chiều thứ ba của không gian thường được tạo ra bằng cách quét mặt phẳng Laser qua không gian ảnh. So với phương pháp đo tam giác
đạc một điểm thì phương pháp vân ánh sáng mã hóa mặt phẳng có thời gian thu nhận ngắn hơn và ít cơ cấu chuyển động hơn do chỉ phải quét theo một chiều. Nhược điểm của phương pháp này là việc xác định khoảng cách mất nhiều thời gian, gặp nhiều khó khăn vì phải lưu trữ và xử lý nhiều khung ảnh.
Một cách tiếp cận khác của phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo 3D là chiếu một lưới hình chữ nhật của các điểm hoặc đường ánh sáng có độ tương phản cao lên một mặt phẳng. Sự thay đổi độ sâu của ảnh làm cho lưới ánh sáng bị biến dạng, nhờ đó có thể xác định khoảng cách. Phần mở rộng do biến dạng được xác định bằng cách so sánh lưới ánh sáng đã dịch chuyển với mẫu lưới ánh sáng gốc như sau (Le Moigne & Waxman, 1984[16]):
- Xác định các điểm giao cắt của ảnh lưới biến dạng.
- Đánh ký hiệu cho các điểm đó theo hệ tọa độ đã thiết lập cho lưới ánh sáng mẫu đã chiếu.
- Tính toán độ sai lệch giữa các điểm giao cắt và/hoặc giữa các đường của hai lưới.
- Biến đổi sai lệch đó về khoảng cách cần tìm.
Quá trình so sánh yêu cầu sự so khớp tương ứng giữa các điểm trên ảnh và các điểm trong lưới ánh sáng mẫu, điều này có thể gây ra khó khăn trong quá trình thực hiện. Để làm giảm bớt khó khăn trên, người ta thực hiện phép tương quan giữa các điểm trên lưới ảnh và các điểm trên lưới ánh sáng mẫu. Thông số thiết kế chủ yếu là độ dày của các vạch tạo thành lưới ánh sáng và khoảng cách giữa các vạch đó. Nếu các vạch sáng quá mỏng sẽ làm giãn cách không gian ảnh có nhiều vật, điều này gây ra hiện tượng không liên tục và làm ảnh hưởng đến quá trình đánh dấu cho các điểm giao cắt. Ngược lại, nếu vạch sáng quá dày sẽ gây khó khăn cho việc xác định sự biến dạng của lưới, điều này sẽ làm giảm độ chính xác của phép đo (Le Moigne &Waxman, 1984 [16]). Miền làm việc dự kiến của cảm biến sẽ xác định mật độ của các điểm cần thiết cho việc biểu diễn đầy đủ cảnh và độ phân giải mong muốn.
Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của một hệ thống đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc (nguồn: [17])
Hình 1-5 minh họa một hệ thống đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc, trong đó bao gồm 1 máy ảnh và một máy chiếu được gá cố định với nhau. Máy chiếu có vai trò chiếu vân ánh sáng (trong trường hợp này sử dụng vân Graycode), máy ảnh có vai trò chụp ảnh các ảnh vân chiếu lên bề mặt vật thể đo.
Kỹ thuật xử lý ảnh bề mặt sử dụng ánh sáng có cấu trúc được phân loại thành một khuôn hình (single shot) và nhiều khuôn hình (sequential -multiple shot) như trong sơ đồ dưới đây hình 1-6. Nếu mục tiêu là các đối tượng 3 chiều tĩnh và các ứng dụng không yêu cầu về xử lý thời gian thực thì kỹ thuật nhiều khuôn hình được sử dụng vì độ tin cậy và kết quả chính xác hơn. Ngược lại, nếu mục tiêu ở trạng thái luôn chuyển động thì kỹ thuật một khuôn hình được sử dụng để có thể thu nhận được hình ảnh với thời gian thực.
Hình 1-6 Sơ đồ tổng quan các kỹ thuật sử dụng vân chiếu trong phương pháp ánh sáng cấu trúc (nguồn: [17])
Kỹ thuật một khuôn hình được chia làm 3 loại chính: Kỹ thuật sử dụng vân ánh sáng thay đổi liên tục, kỹ thuật sử dụng cơ chế mã hóa một chiều (strip indexing), kỹ thuật sử dụng cơ chế mã hóa 2 chiều (grip indexing). Mỗi kỹ thuật đều có ưu nhược, tùy từng ứng dụng cụ thể mà có thể sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp các kỹ thuật này với nhau để đạt được hiệu quả cao nhất.
Vân mã hóa trong phương pháp ánh sáng cấu trúc dựa trên việc chiếu một hoặc một chuỗi mẫu vân, Van der Jeught (2016) [17] đã đưa ra sơ đồ tổng hợp và phân loại các kỹ thuật chiếu mẫu vân hiện nay (hình 1-6). Sự phân chia này chỉ căn cứ theo tính chất rời rạc hoặc liên tục của mô hình, không xét đến quá trình mã hóa và được chia làm 5 nhóm kỹ thuật chính như trên hình 1-6.