2.2.765 Trong lĩnh vực cơ khí, quá trình tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ
khí có bề mặt phản xạ là một nhiệm vụ phổ biến nhưng cũng đầy thách thức.
Bởi vì khi sử dụng máy quét 3D có yếu tố quang học nói chung và máy quét 3D ToF nói riêng với bề mặt phản xạ, những thành phần ngoại lai thường xuất hiện, vì vậy độ chính xác của quá trình tái tạo hình học bề mặt bị ảnh hưởng rất lớn. Mục tiêu của khảo sát này nhằm làm rõ ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến quá trình số hóa bề mặt sản phẩm cơ khí sử dụng thiết bị Kinect v2 thông qua hai yếu tố, đó là hình dạng ban đầu của vật mẫu có được biểu diễn rõ ràng qua các điểm thu được hay không và mật độ điểm trong dữ liệu đám mây điểm bị ảnh hưởng như thế nào.
-6 4 -
ĩ 2 -
'8
120 140 160 180 240 260 280 300 320
0 Ẹ Ễ,
200 220
Trục V (pixel)
I
!-2h
IỊp- -4 -
Hình 2.18: Độ lệch khoảng cách đo được của các điểm ảnh nằm trên trục song song với trục v đi qua tọa độ 256 của điểm cơ sở
2.4.1. Bề mặt phản xạ
2.2.766 Bề mặt phản xạ là mặt phân cách giữa môi trường xung quanh (thường là
không khí) và chi tiết. Sự tương tác của ánh sáng với mặt phân cách giữa hai vật chất tuân theo các phương trình Fresnel [72]. Theo các giả định của lý thuyết quang hình học, điều kiện để áp dụng các phương trình Fresnel này đòi hỏi mặt phân cách là mặt phẳng. Cụ thể, tia sáng chiếu lên bề mặt phẳng được chia thành tia phản xạ và tia khúc xạ. Hướng của tia phản xạ được biểu diễn bởi véctơ ri và tạo thành góc ỡi với véc tơ pháp tuyến n của mặt phân cách tương tự như góc tạo thành bởi véc tơ pháp tuyến n và véc tơ l nằm trên phương của tia tới, minh họa trong hình 2.19. Cũng theo tài liệu [72], véc tơ phản xạ được xác định theo công thức
2.2.767 (2.7)
2.2.768 2.2.769
2.2.770
2.2.771
2.2.7722.2.773 Hình 2.19: Sự phản xạ tại mặt phân cách phẳng (nguồn: [72])
2.2.774 Lượng ánh sáng phản xạ, như là một phần của ánh sáng tới, được mô
tả bằng
hệ số phản xạ Fresnel F, phụ thuộc vào góc tới oi. Ngoài ra, cũng theo lý thuyết quang hình học, sự phản xạ và khúc xa bị ảnh hưởng bởi chiết suất của hai vật chất mà ánh sáng đi qua. Giả sử chiết suất của môi trường xung quanh được ký hiệu là n1 và chiết suất của chi tiết được ký hiệu là n2. Khi đó các phương trình Fresnel mô tả mối quan hệ của hệ số Fresnel F với ỡi, n và n2.
2.2.775 Thay vì trình bày cụ thể các phương trình, bởi vì chúng khá phức tạp, một
nghiên cứu khác trong tài liệu [73], sự phản xạ ánh sáng trên một bề mặt thông thường được mô hình hóa và minh họa trong hình 2.20. Cụ thể, ba thành phần của một mô hình bề mặt phản xạ là bầu tán xạ, bầu phản xạ và đỉnh phản xạ.
Bầu tán xạ xảy ra khi sóng ánh sáng đi tới mặt phân cách không phẳng giữa hai vật chất, khi đó sóng phản xạ đi theo nhiều phương và nhiều vùng trên bề mặt đồng thời ánh sáng tán xạ trong bán cầu theo tất cả các hướng. Bầu phản xạ phân bố trong một giới hạn xung quanh đỉnh phản xạ mà góc phản xạ của
2.2.776 Máy ảnh 2.2.777
2.2.778 Bề mặt phản xạ
2.2.779 Hình 2.20: Cấc thành phần phản chiếu ánh sáng trong quá trình quét bề mặt
phản xạ (nguồn: [74])2.2.780
2.2.781 nó bằng góc tới. Thông thường, đối với một điểm sáng trong vùng bầu
phản xạ
và vùng đỉnh phản xạ, cường độ của nó cao hơn nhiều so với điểm nằm ở vùng bầu tán xạ. Độ lớn của giá trị cường độ ánh sáng phản xạ được thu phụ thuộc vào hướng thu ánh sáng và hướng chiếu ánh sáng. Khi quét một bề mặt phản xạ, cả ba thành phần này đều tồn tại. Tỷ lệ tương đối từng thành phần có liên quan đến độ nhám bề mặt.
2.2.782 Một nghiên cứu về mối quan hệ giữa hệ số phản xạ F và góc tới ỡị
cũng như
các tham số khác của ánh sáng đối với một số vật liệu được công bố trong tài liệu [72]. Trong hình 2.21, hàng trên cùng là đồ thị 3D của F như là một hàm số của bước sóng và góc tới. Cụ thể đối với vật liệu nhôm, hệ số phản xạ F giảm khi bước sóng tăng. Hàng thứ hai ở hình 2.21 hiển thị giá trị phổ của F cho từng góc tới được chuyển đổi thành giá trị của màu sắc và được vẽ dưới dạng các đường cong riêng biệt cho mỗi màu. Các đường cong cho vật liệu kính là trùng khớp vì độ phản xạ Fresnel F của nó là không màu. Qua quan sát đồ thị cho thấy nhôm là vật liệu có hệ số phản xạ rất lớn gần bằng một và gần như ít thay đổi khi góc tới ỡị thay đổi từ 0° tới 90°, cũng như theo màu sắc của ánh sáng. Trong hàng thứ ba của hình 2.21, các đường cong theo màu được vẽ theo giá trị sin của góc tới.
2.2.783 Như đã trình bày trong phần 1.5 của chương 1, các nghiên cứu liên
quan đến
quá trình tái tạo hình học các sản phẩm cơ khí bằng Kinect v2, đặc biệt là các sản phẩm sau khi gia công cắt gọt, hầu như chưa được thực hiện. Chính vì vậy, trong phần tiếp theo của luận án này, ảnh hưởng của phản xạ bề mặt một số vật liệu thông dụng trong lĩnh vực Cơ khí sau khi gia công cắt gọt đến quá trình tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ khí sử dụng Kinect v2 sẽ được khảo
sát và đánh giá.
2.2.784
2.2.785 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 ĩ.o 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 2.2.786 Hình 2.21: Đồ thị mô tả mối quan hệ của góc tới và hệ số phản xạ Fresnel F
của ba vật liệu: kính, đồng và nhôm (từ trái sang phải) (nguồn: [72])2.2.787
2.4.2. Phần mềm KSCAN3D
2.2.788 Với mục đích hướng đến phương pháp số hóa rẻ hơn, phần mềm KScan3D,
phần mềm mã nguồn mở, được sử dụng. Phần mềm KScan3D được phát triển bởi LMI Technologies, một nhà phát triển hàng đầu về công nghệ quét 3D, đo lường, số hóa dữ liệu giúp giải quyết các vấn đề phức tạp một cách đơn giản.
Với thiết bị Kinect v2 và phần mềm KScan3D, giao diện được mô tả trong hình 2.22, chúng ta có thể quét, chỉnh sửa, xử lý và xuất dữ liệu để sử dụng với phần mềm mô phỏng 3D thích hợp.
2.2.789 Phần mềm KScan3D chuyển đổi màu sắc và chiều sâu dữ liệu thu nhập được
bởi Kinect v2 thành lưới 3D. Bằng cách chụp dữ liệu từ nhiều góc độ, chúng ta có thể tạo lưới 360 độ hoàn chỉnh. Khi đã thu nhận đủ dữ liệu, chúng ta có thể xóa các điểm không cần thiết, tạo lưới, làm mịn dữ liệu. Cuối cùng lưới được xuất dưới các định dạng .fbx, .obj, .stl, .ply, và .asc để sử dụng với nhiều mục đích như hiệu ứng hình ảnh, phát triển trò chơi, in 3D, CAD/CAM, hiển thị trực tuyến và nhiều ứng dụng khác.
2.2.790 Phần mềm KScan3D và thiết bị Kinect v2 có khả năng quét nhiều loại vật
thể khác nhau, từ người đến đồ gia dụng trong phòng và nhiều vật thể khác. Do
độ phân giải của thiết bị và khoảng cách quét tối thiểu khoảng 0 , 5m, việc quét các vật thể rất nhỏ sẽ thu nhận được rất ít dữ liệu quét. Các vật thể rất mỏng
2.2.791
2.2.792 Hình 2.22: Giao diện phần mềm KScan3D 2.2.793
2.2.794 cũng cho kết quả quét không tốt. Nói chung, những vật thể tốt nhất để
quét là
màu trung tính, mờ và đục. Các bề mặt tối, phản chiếu và/hoặc trong suốt rất khó khăn thậm chí không thể quét được và phải được xử lý trước khi quét.
2.2.795 Các yếu tố môi trường như vùng làm việc, ánh sáng và sự chuyển động của
đối tượng đóng vai trò đáng kể trong sự thành công hay thất bại của quá trình quét. Đối với vật thể có kích thước lớn, khối lượng nặng, thiết bị Kinect v2 sẽ được di chuyển để có thể thu nhận được toàn bộ đối tượng từ mọi góc độ. Đối với vật thể nhỏ và nhẹ hơn thì có thể xoay ở một vị trí khi thiết bị Kinect v2 vẫn đứng yên. Nói chung, tốt nhất nên quét một vật thể trong một môi trường ánh sáng chiều từ mọi phía. Nếu vật thể hoặc các bộ phận của vật thể di chuyển trong quá trình quét, quá trình sắp xếp tự động có thể không hoàn thành hoặc không được chấp nhận. Tuy nhiên, tùy thuộc vào tốc độ di chuyển và trường hợp cụ thể, có thể thu được dữ liệu ở mức độ chấp nhận được.
2.2.796 Phần mềm KSCAN3D tương đối dễ sử dụng, các công cụ hỗ trợ và các chức năng cũng đa dạng. Ngoài chức năng thu thập đám mây điểm, phần mềm KSCAN3D còn có một số chức năng xử lý đám mây điểm, bao gồm công cụ sắp xếp đám mây điểm và tạo lưới. Tuy nhiên, các chức năng này khá đơn giản, chưa có chức năng loại bỏ điểm ngoại lai, phân mảnh và nhận dạng vùng bề mặt cũng như tạo mô hình CAD như các phần mềm CAD/CAM thương mại đang có mặt trên thị trường. Chính vì vậy, phần mềm KSCAN3D chỉ phù hợp với bước thu thập thông tin hình học trong quá trình số hóa bề mặt của quá trình tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ khí sử dụng Kinect v2.
2.4.3. Thiết lập thực nghiệm
2.2.797 Như đã phân tích ở phần trước, nhôm là một trong những loại vật liệu
có hệ
số phản xạ bề mặt cao gần bằng một, hơn nữa loại vật liệu này cũng phổ biến trong gia công khuôn mẫu. Do đó, trong phần thực nghiệm này, đầu tiên một vật mẫu được lựa chọn là chi tiết vật liệu nhôm hình hộp chữ nhật kích thước 120mm X 120mm X 14mm gia công trên máy phay CNC Manford MCB-850. Tiếp theo, hai loại vật liệu thép và nhựa cũng được sử dụng để chế tạo hai vật mẫu khác cùng hình dáng hình hộp chữ nhật kích thước 120mm X 120mm X 14mm như chi tiết vật liệu nhôm. Ba vật mẫu đã chọn được minh họa trong hình 2.23.
2.2.798
2.2.799 Hình 2.23: Các vật mẫu của thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng phản xạ bề mặt2.2.800
2.2.801 Trong thí nghiệm này, Kinect v2 được gá trên giá đỡ như hình 2.24. Vị trí
của thiết bị được điều chỉnh sao cho trục quang học của thiết bị vuông góc với bề mặt của mặt phẳng tham chiếu. Khoảng cách từ mặt phẳng tham chiếu tới gốc tọa độ của hệ tọa độ máy ảnh là 1263,7mm. Thiết bị được giữ ổn định trong toàn bộ thí nghiệm để không có sai số sinh ra từ chuyển vị nhỏ nhất có thể có của thiết bị. Cấu hình máy tính và cách thức kết nối vẫn giữ nguyên như các thí nghiệm trước đó.
2.2.802 Các vị trí khảo sát ảnh hưởng của phản xạ bề mặt tới quá trình tái tạo hình
học bề mặt các sản phẩm cơ khí sử dụng thiết bị Kinect v2 được lựa chọn và minh họa trong hình 2.25. Cụ thể, vị trí số 5 sẽ nằm trên trục quang học cảm biến IR của thiết bị Kinect. Các vị trí 1, 4, 7 nằm bên trái của cảm biến IR (phía nguồn sáng), còn các vị trị 3, 6, 9 nằm bên phải cảm biến IR (phía cảm biến màu). Các vị trí 1, 2, 3 nằm phía chân của thiết bị Kinect v2 và các vị trí 7, 8 , 9 nằm cùng phía với đỉnh của thiết bị Kinect v2 so với trục quang học cảm biến IR. Khoảng cách giữa hai vị trí liền kề là 120mm. Khi thực hiện thí nghiệm, quá trình đặt vật mẫu vào vị trí khảo sát được tiến hành sao cho tâm
của vật mẫu nằm trên đường vuông góc đi qua các vị trí khảo sát.
2.2.803 Khác với các thí nghiệm đã thực hiện trước đó, trong thí nghiệm này, đám
mây điểm của các vật mẫu sẽ được tái tạo. Sử dụng phần mềm KSCAN3D để
2.2.804
2.2.8052.2.806 Hình 2.24: Cấu hình thí nghiệm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt
2.2.807 thu thập đám mây điểm, tiến hành cài đặt phần mềm KSCAN3D vào
máy tính
cá nhân đã sử dụng trong các thí nghiệm trước. Một quy trình thực hiện công việc thu thập đám mây điểm được đề xuất theo thuật toán 2.4.
2.2.808
2.2.809 Hình 2.25: Các vị trí khảo sát ảnh hưởng phản xạ bề mặt
2.2.810 Thuật toán 2.4 Thu thập đám mây điểm bằng phần mềm KSCAN3D 2.2.811 INPUT : Đối tượng quét
2.2.812 OUTPUT: Đám mây điểm (lưu dưới dạng file .ply) 2.2.813 1: Khởi tạo dự án mới
2.2.814 2: Đặt đối tượng quét sao cho điểm chính giữa của đối tượng quét
trùng với vị
trí khảo sát
2.2.815 3: Chọn hướng tiếp cận với bề mặt của đối tượng quét sao cho trục
quang học
của cảm biến IR trùng với pháp tuyến của mặt cần quét
2.2.816 4: Xác định kích thước khung hình phù hợp với đối tượng quét 2.2.817 5: Chọn chế độ Points
2.2.818 6: Bấm SCAN
2.2.819 7: Lưu dữ liệu đám mây điểm
2.4.4. Kết quả và đánh giá
2.2.820 Quá trình thực nghiệm được tiến hành lần lượt theo thứ tự vật liệu nhôm,
thép, nhựa đồng thời chi tiết được đặt lần lượt theo vị trí từ 1 đến 9 như đã thiết lập trong hình 2.25. Kết quả thực nghiệm được lọc dữ liệu theo khối hình hộp có kích thước 130////// X 130////// X 10mm để thu được đám mây điểm cho bề mặt được quét 120mm X 120////// của vật mẫu.
2.2.821 Đối với vật liệu nhựa, tất cả các vị trí đều không thu được đám mây điểm
trong khu vực đã lọc. Sử dụng khối lọc 130 X 130 X 30mm, giá trị trung bình của tọa độ trục z các điểm trong đám mây điểm thu được là 1267, 3mm, gần bằng giá trị khoảng cách tham chiếu từ gốc tọa độ hệ trục tọa độ máy ảnh tới mặt phẳng tham chiếu. Dường như vật liệu nhựa đã bị tia IR xuyên qua, đám mây điểm thu được có giá trị tọa độ trục z tương ứng với giá trị khoảng cách từ gốc tọa độ hệ trục tọa độ máy ảnh tới mặt phẳng tham chiếu. Chính vì vậy, muốn sử dụng thiết bị Kinect v2 để tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ khí vật liệu nhựa, cần phải xây dựng nghiên cứu độ dày bị xuyên thủng của các chi tiết vật liệu nhựa, qua đó làm cơ sở lý thuyết để xây dựng thuật toán bù khoảng cách khi quét nhằm thu được kết quả chính xác hơn.
2.2.822 Để tiện so sánh mức độ ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt theo vật
liệu, kết
quả các đám mây điểm ở vị trí số 1 được minh họa trong hình 2.26. Cụ thể, đám mây điểm thu được của vật liệu nhôm có 206 điểm và của vật liệu thép là 171 điểm. Cả hai đám mây điểm thu được đều không thể hiện rõ hình dạng ban đầu, rất nhiều vùng trống dữ liệu (flying fixels). Về thông số độ sâu, độ sâu trung bình đám mây điểm thu được của vật liệu nhôm là 1251,3mm, với độ lệch chuẩn là 2, 35mm. Độ sâu trung bình đám mây điểm thu được của vật liệu thép là 1250,8mm, với độ lệch chuẩn là 2, 34mm.
2.2.823 Tương tự, kết quả đám mây điểm ở vị trí số 2 được mô tả trong hình
2.27.
Trong đó, số điểm thu được của đám mây điểm vật liệu nhôm là 339, còn số điểm thu được của đám mây điểm vật liệu thép là 63. Cả hai đám mây điểm này
2.2.824
2.2.825 Hình 2.26: Đám mây điểm thu được ở vị trí khảo sát số 1
2.2.826 cũng không thể hiện rõ hình dạng ban đầu của vật mẫu, đồng thời vùng trống
dữ liệu lớn hơn rất nhiều các vùng thu được dữ liệu. Đối với thông số độ sâu, độ sâu trung bình đám mây điểm thu được của vật liệu liệu nhôm là 1252, 2mm, độ lệch chuẩn của các giá trị độ sâu là 1,78mm. Với vật liệu thép, độ sâu trung bình của các điểm thu được là 1251, 7mm, tương ứng với độ lệch chuẩn là 2, 36mm.
2.2.827 Tiếp theo là kết quả tại vị trí số 3, các đám mây điểm được thể hiện trong
hình 2.28. Số điểm thu được của đám mây điểm vật liệu nhôm là 289 và số điểm thu được của đám mây điểm vật liệu thép là 83. Các đám mây điểm này cũng
2.2.8282.2.829
6 2.2.830 —11 1— —11 1— —11 1— —11 1—
—11 1— —11 1— 2.2.831
60 2.2.832 —11 —11 —11 —11
—11 —11
2.2.8332.2.834
4 0
2.2.835 2.2.836
40
2.2.837 2.2.8382.2.839
2 0
2.2.840 2.2.841
20
2.2.842 2.2.8432.2.8442.2.845 2.2.8462.2.847 2.2.8482.2.8492.2.850 2.2.851 2.2.852 2.2.8532.2.8542.2.855 2.2.8562.2.857 2.2.8582.2.8592.2.860 2.2.8612.2.862 2.2.8632.2.8642.2.865 2.2.8662.2.867 2.2.8682.2.8692.2.870 2.2.8712.2.872 2.2.8732.2.874
- 2.2.875 2.2.876
-20 2.2.877 2.2.8782.2.879
- 4
2.2.880 2.2.881
-40
2.2.882 2.2.8832.2.884
- 6
2.2.885 2.2.886
-60
2.2.887
2.2.888 100 120 140 160 180 200 220 100 120 140 160 180
200 220
2.2.889 Trụcy(mm) Trụcy(mm)
2.2.890 (a) Vật liệu nhôm (b) Vật
liệu thép
2.2.891
180
160
140
80
60
100 120 140 160 180 200 220
Trụcy (mm)
(a) Vật liệu nhôm
EE. 120 Xo Ế
100
180
160
140
100
80
60
£Ễ.120 Xo
£
100 120 140 160 180 200 220
Trụcy(mm)
(b) Vật liệu thép
2.2.892 Hình 2.27: Đám mây điểm thu được ở vị trí khảo sát số 2
2.2.893 Hình 2.28: Đám mây điểm thu được ở vị trí khảo sát số 3
2.2.894 không thể hiện rõ hình dạng ban đầu của vật mẫu, trong đó vùng trống dữ liệu
lớn hơn nhiều so với các vùng thu được dữ liệu. Với thông số độ sâu, các điểm trong đám mây điểm vật liệu nhôm có độ sâu trung bình là 1252,5mm tương ứng với độ lệch chuẩn là 2,01mm. Các điểm trong đám mây điểm vật liệu thép có độ sâu trung bình là 1251,7mm, tương ứng với độ lệch chuẩn là 2, 36mm.
2.2.895 Kết quả tiếp theo tại vị trí số 4, các đám mây điểm được minh họa trong
hình 2.29. Số điểm thu được trong đám mây điểm lần lượt của vật liệu nhôm là 246 và của vật liệu thép là 127. Ở vị trí này, các đám mây điểm thu được cũng
2.2.896 -20
0 20 40
60 80 100
2.2.897 Trụcy (mm)
-60
-80
-100
-160
-180 E£,-120 Xg
H -140
100 120 140 160 180 200 220
Trục y (mm)
(a) Vật liệu nhôm
-60
-80
-100
-140
-160
-180 EỄ.-120 X
100 120 140 160 180 200 220
Trụcy (mm)
(b) Vật liệu thép
180 180
160 160 -
140 140 -
100 100 -
80 80 -
60 60 -
E E. 120 X
-20 0 20 40 60 80 100
Trục y (mm)
(a) Vật liệu nhôm
Ẹ
E.120 - Xg
2-