1.4 Các công nghệ hiện hành
1.4.3 Các công nghệ tính toán chiều sâu vật thể
Các loại cảm biến loại này hoạt động dựa trên việc sử dụng một hoặc nhiều chùm tia laser để thực hiện các phép đo khoảng cách. Nguyên lý hoạt động cơ bản có thể hiểu đơn giản như sau: phát một chùm tia laser tới một bề mặt và đo khoảng thời gian phản xạ lại của laser. Có ba kỹ thuật chính để xác định phép đo khoảng cách từ phát xạ và tiếp nhận bức xạ laser: phương pháp tam giác, phương pháp thời gian di chuyển và phương pháp đo dịch chuyển pha.
a) Phương pháp tam giác
Hệ thống này bao gồm một nguồn phát laser và một cảm biến ảnh được đặt cố định, góc không đổi. Khoảng cách và hướng giữa cảm biến ảnh và nguồn phát laser đã được xác định. Tia laser phát hướng về đối tượng và tia phản xạ được tập trung bằng 1 ống kính quang học vào cảm biến ảnh. Tùy thuộc vào khoảng cách đến bề mặt, vị trí điểm xuất hiện trên cảm biến ảnh cũng thay đổi theo. Bằng phương pháp lượng giác, ta có thể xác định khoảng cách giữa nguồn phát laser và đối tượng đo. Kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị di động (cầm tay) hoạt động ở khoảng cách ngắn.
Đối với loại hệ thống này, sai số đo có liên quan trực tiếp đến khoảng cách đến đối tượng đo được. Vì lí do này, phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho một phạm vi hạn chế, thường ít hơn 10m. Cần lưu ý rằng kỹ thuật này có thể đạt được độ chính xác trong phạm vi mười micromet. Hình 1.18 minh họa nguyên lý đo của phương pháp tam giác.
Hình 1.18 Minh họa một hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác [35].
20 b) Phương pháp đo thời gian
Phương pháp này đo thời gian di chuyển của xung laser phát đi, tới đối tượng và quay lại trở lại cảm biến. Dựa trên công thức toán, khi biết chiết suất của môi trường và tốc độ ánh sáng, có thể tính được khoảng cách di chuyển. Hạn chế của phương pháp này là tốc độ phản hồi của laser phát đi trở lại cảm biến. Các hệ thống này cần nhận tín hiệu trả về trước khi phát ra một xung laser khác. Hình 1.19 dưới đây minh họa phương pháp đo thời gian.
Hình 1.19 Minh họa một hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp thời gian di chuyển [35].
c) Phương pháp đo độ lệch pha
So với phương pháp đo thời gian, phương pháp đo độ lệch pha đòi hỏi phải sử dụng xung laser liên tục. Bằng cách biến điệu laser phát đi (theo tần số), sau đó có thể đo sự chênh lệch pha giữa 2 chùm tia. Phương pháp này thường có tốc độ thu thập dữ liệu cao hơn, độ phân giải tốt hơn, độ nhiễu thấp hơn và độ chính xác cao hơn. Giới hạn của phương pháp này phụ thuộc vào loại biến điệu laser được sử dụng. Hình 1.20 dưới đây minh họa phép đo độ lệch pha
Hình 1.20 Minh họa một hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp đo độ lệch pha [35].
21 Ưu điểm
- Khoảng cách đo lớn lên đến 250m.
- Độ chính xác cao khi sai số chỉ vào khoảng 2mm, thời gian phản hồi nhanh chỉ mất khoảng dưới 0,5s.
Nhược điểm
- Đối với các đối tượng nhỏ, mảnh như đường dây điện thì việc quét laser lên đối tượng là khá khó khăn, mất nhiều công sức, việc gắn lên UAV điều khiển từ xa để thực hiện công việc này lại càng khó khăn hơn nữa.
1.4.3.2 Công nghệ sử dụng siêu âm
Để đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm người ta sẽ dùng các cảm biến siêu âm. Chúng có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình gửi và nhận sóng siêu âm, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao.
Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi. Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, tính toán thời gian từ lúc phát tín hiệu đi đến lúc nhận tín hiệu về và kết hợp với tốc độ truyền âm trong môi trường mà tính ra khoảng cách đến vật thể. Hình 1.21 dưới đây minh họa nguyên lý đo của cảm biến siêu âm.
Hình 1.21 Minh họa hoạt động cảm biến siêu âm [36]
Ưu điểm:
- Sóng siêu âm giúp người sử dụng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Có thể sử dụng trong đa dạng môi trường làm việc như trong môi trường tự nhiên, trong lòng chất lỏng, chất rắn,…
- Khoảng cách đo có thể từ 2-450cm, sai số có thể đạt tới 3mm.
- Hệ thống cảm biến siêu âm còn có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15%
trong khoảng cách 2m.
22 Nhược điểm:
- Hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách, khi đó kết quả của phép đo sẽ không chính xác.
1.4.3.3 Công nghệ sử dụng hiệu ứng quang học
Một cặp hình ảnh lập thể bao gồm hai hình ảnh của cùng một cảnh được chụp từ hai vị trí theo chiều ngang khác nhau. Nhìn vào Hình 1.22 ta có thể thấy rằng, khi dịch chuyển camera về phía bên trái để chụp ảnh thứ hai thì các đối tượng gần máy ảnh sẽ dịch chuyển về bên trái nhiều hơn các đối tượng xa máy ảnh ở trên ảnh thu được.
Hình 1.22 Các vị trí chụp ảnh khác nhau của cùng một phối cảnh
23
Thực tế là sự dịch chuyển ít hay nhiều của một đối tượng trên ảnh khi di chuyển camera phụ thuộc vào khoảng cách từ đối tượng đến điểm camera. Do đó, ta có thể dựa vào hiệu ứng trên để xây dựng một mô hình tính toán khoảng cách từ các vật thể đến camera bằng cách chụp cùng các đối tượng tại hai vị trí khác nhau khi đã biết khoảng cách di chuyển của camera.
Trên thực tế người ta có thể tái hiện một mô hình 3D một cách tương đối chính xác nhờ sử dụng hiệu ứng quang học này, dưới đây Hình 1.23 minh họa việc tái hiện một mô hình 3D sử dụng phương pháp này, có thể sử dụng cặp kính đỏ và lam để thấy rõ hiệu ứng 3D.
Hình 1.23 Một cặp hình ảnh lập thể và khi kết hợp trên cùng một hình [37].
24 Ưu điểm:
- Phương pháp này khá dễ thiết lập mô hình vì chỉ cần sử dụng một camera duy nhất để chụp ảnh tại hai vị trí.
- Chi phí tiết kiệm do mô hình đơn giản, tinh gọn.
Nhược điểm:
- Nhược điểm lớn nhất của mô hình là việc xác định được khoảng cách đến từng đối tượng, từng điểm ảnh trên ảnh rất tốn thời gian nếu muốn có được một mô hình 3D với các giá trị khoảng cách chính xác.