1.2.1. Phân loại thiết bị quét 3D
2.2.193 Để có được thông tin thiết kế chi tiết, việc thu thập dữ liệu hình học một
cách chính xác luôn được coi là điểm khởi đầu cho mọi quá trình tái tạo hình học bề mặt của đối tượng quét. Quá trình số hóa là các bước thu thập dữ liệu bề mặt của các đối tượng và chuyển đổi dữ liệu sang dạng số. Đây là quá trình đầu tiên của quá trình tái tạo hình học bề mặt, vì vậy quá trình này có tác động quan trọng đến từng bước tiếp theo dựa trên sự lan truyền tính chính xác của các điểm dữ liệu được thu thập. Ngoài ra, quá trình số hóa đòi hỏi nhiều thời gian hơn so với các quá trình phía sau nó, vì các quá trình tiếp theo được hoàn thành bởi một tập hợp các thuật toán trong máy tính, thường nhanh hơn. Do đó, để có được các điểm dữ liệu với độ chính xác cao và tốc độ nhanh, các kỹ thuật được sử dụng trong quá trình số hóa đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong vài thập kỷ qua.
2.2.194 Quá trình số hóa hiệu quả có thể đạt được bằng cách sử dụng một số
kỹ thuật
khác nhau. Mỗi kỹ thuật lại sử dụng một cơ chế vật lý để trực tiếp hoặc gián tiếp có được tọa độ của các mảnh bề mặt chi tiết cụ thể. Phân loại của các thiết bị hiện có dựa theo kỹ thuật được trình bày trong hình 1.3.
2.2.195 So với các thiết bị sử dụng đầu dò tiếp xúc với bề mặt, các thiết bị không
tiếp xúc không có tiếp xúc cơ học với chi tiết cần đo, đồng thời cần ít thời gian hơn cho quá trình quét. Tuy nhiên nhược điểm của các thiết bị này là không xác định được hình dạng của các vật thể rỗng hoặc các phân vùng nhỏ trên bề mặt vật liệu trong suốt. Các thiết bị không tiếp xúc được chia thành hai nhóm kỹ thuật chủ động và kỹ thuật bị động. Các thiết bị hoạt động theo kỹ thuật chủ động thực hiện việc chiếu năng lượng lên chi tiết, sau đó ghi lại năng lượng truyền hoặc phản xạ và chuyển nó thành thông tin hình học.
2.2.196
2.2.197 Hiện nay, các thiết bị quét 3D quang học rất được ưa thích vì các thiết bị
này cho phép linh hoạt hơn trong việc số hóa các bề mặt đồng thời cung cấp độ phân giải và độ chính xác cao hơn khi so sánh với các thiết bị khác. Cụ thể, các hệ thống quét 3D quang học có thể thu được một lượng lớn dữ liệu, hàng triệu điểm, trong một khoảng thời gian ngắn. vài giây, đồng thời độ chính xác của các hệ thống này thường dao động từ 1ym tới 2mm. Ngoài ra, độ nhạy của các thiết bị này không phụ thuộc vào người sử dụng. Như đã phân loại trong hình 1.3, các thiết bị quét 3D quang học bao gồm máy quét 3D laser, máy quét 3D ánh sáng cấu trúc và máy quét 3D ToF.
1.2.2. Máy quét 3D laser
2.2.198 Máy quét 3D laser, một thiết bị được thiết kế dựa trên nguyên lý tam giác
phân nổi tiếng, là một hệ thống bao gồm nguồn phát và thu ánh sáng laser để thu nhận thông tin từ điểm đo lường trên chi tiết. Hình 1.4 minh họa nguyên lý làm việc của máy quét 3D laser. Các điểm PL và PC được coi như là các điểm biểu diễn cửa ra của nguồn phát và cửa vào của nguồn thu, S' là hình chiếu của điểm S thuộc đối tượng trên mặt phẳng ảnh. Điểm tham chiếu B cho trước, do đó, góc a cũng biết trước. Vì vậy, theo tài liệu [12], tọa độ của điểm S được xác định bởi
2.2.199 dl
2.2.200 zs = B'S' + l tan(0) ’
Hình 1.3: Sơ đồ phân loại thiết bị số hóa bề mặt 3D
(1.1)
2.2.201
2.2.2022.2.203 Hình 1.4: Nguyên lý làm việc của máy quét laser (nguồn: [12])
2.2.204 xs = zs tan(ớ) (1.2)
2.2.205 trong đó zs và xs là các tọa độ trên trục X và Z của điểm S trong hệ tọa độ
3D; d là khoảng cách giữa hai điểm PL và PC; góc 0 là góc giữa tia laser phát ra và trục Z; l là khoảng cách giữa cửa vào nguồn thu và mặt phẳng ảnh.
2.2.206 Ứng dụng của máy quét 3D laser rất rộng rãi từ việc đo chi tiết vùng cỡ
micro trong các ngành công nghiệp điện tử cho tới việc dựng lại các bản đồ số của bề mặt trái đất. Trong tài liệu [13], một phương pháp ứng dụng RE với các phép đo của máy quét 3D laser cho máy bay sáu bậc tự do được giới thiệu.
Cụ thể, các đặc tính khối lượng và khí động học của máy bay không người lái JAVELIN được xác định bằng máy quét 3D và sau đó xử lý dữ liệu hình học để thu được mô hình CAD. Nhằm đánh giá kết quả thu được, quỹ đạo của chế độ bay dạng xoáy ốc được dẫn động bởi mô-men xoắn động cơ máy bay không người lái này được mô phỏng và so sánh với các dữ liệu đã công bố trước đó của AEROSONDE. Kết quả so sánh cho thấy hai quỹ đạo của chế độ bay dạng xoáy ốc của hai máy bay có hình dạng giống nhau. Ngoài ra, để xác nhận thêm tính hợp lệ của phương pháp đã đề xuất, quy trình RE được áp dụng cho mô hình CAD đã công bố của AEROSONDE và các tham số sáu bậc tự do liên quan được tính toán. Sử dụng các tham số này, một quỹ đạo xoắn ốc được tạo ra bằng cả các tham số đã công bố và vừa tính toán. Hai quỹ đạo khớp với nhau, điều này khẳng định tính đúng đắn của phương pháp mà họ đề xuất cũng như minh chứng hiệu quả cho phương pháp RE.
2.2.207 Quá trình quét của máy quét 3D laser thường được tiến hành theo lớp, bắt
đầu từ lớp dưới cùng của chi tiết, sau đó tiến lên từng lớp, hoặc từ lớp thẳngđứng, sau đó tiến sang trái hoặc phải với khoảng cách giữa các lớp do người sử dụng xác định. Do đó, khi quá trình quét hoàn tất, dữ liệu là tập hợp các vị trí của các điểm được tổ chức theo các lớp mặt cắt có khoảng cách bằng nhau, có thể được sử dụng để tiền xử lý thành đám mây điểm hữu ích. Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau. Một số thiết bị quét 3D laser được giới thiệu trong bảng 1.1.
2.2.208 Bảng 1.1: Một số máy quét 3D laser thương mại 2.2.209 THÕNGTIN
CHUNG
2.2.210 ĐẶC TÍNH Kỹ
THUẬT
2.2.211 ỨNG
2.2.212 Tên: DỤNG
Ai810
2.2.213 Hãng:
ShapeGrabber
2.2.214 Giá thành:
2.2.215 Vùng đo: 1,25m
X 0, 8m
2.2.216 Tốc độ đo đến 350000 điểm/s
2.2.217 Độ phân giải:
2.2.219 Công nghiệp ô tô
Cơ khí chính xác Không gian
2.2.220 Y học 2.2.221 Tên:
HandySCAN 307 2.2.222 Hãng:
Creaform
2.2.223 Giá thành:
2.2.224 Vùng đo:
275////// X 250//////
2.2.225 Tốc độ đo đến 480000 điểm/s
2.2.226 Độ phân giải:
2.2.228 Công nghiệp chế tạo Phát triển sản phẩm Kiểm tra sản phẩm Tính linh hoạt cao 2.2.229 Tên:
Scanner HD
2.2.230 Hãng:
NextEngine
2.2.231 Giá thành:
2.2.232 Vùng đo:
343mm X 257mm
Tốc độ đo đến 50000 điểm/s Độ phân giải: 0,5mm
Độ chính xác: ±0, 3mm
2.2.233 Sản phẩm nhựa
2.2.234 Compos ite
2.2.235 Tạo 2.2.237 Tên: V2
2.2.238 Hãng:
Matter & Form
2.2.239 Giá thành:
750$
2.2.240 Vùng đo:
T180mm X 250mm
2.2.241 Thời gian đo 65s/lần
2.2.242 Độ phân giải:
2.2.244 Phục dựng tượng
Giáo dục
2.2.245 Phục hồi di tích
2.2.246
1.2.3. Máy quét 3D ánh sáng cấu trúc
2.2.247 Các thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc cũng sử dụng nguyên lý tam giác
phân trong quang học để tính toán thông tin hình học cần xác định. Thay vì một chùm hoặc một dải ánh sáng như trong máy quét 3D laser, thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc sử dụng máy chiếu để chiếu các mẫu ánh sáng (ánh sáng được mã hóa) lên bề mặt của chi tiết. Hình dạng của chi tiết làm thay đổi hình dạng của mẫu ánh sáng chiếu. Thông qua việc phân tích sự biến dạng của các mẫu ánh sáng kết quả được chụp bởi máy ảnh, thông tin hình học của bề mặt sẽ được nhận biết.
2.2.248 Phạm vi ứng dụng của thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc
đo các chi tiết kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích thước lớn như máy bay, tàu thủy. Trong tài liệu [14], các tác giả đã sử dụng máy quét 3D ánh sáng cấu trúc Opto-TOP HE Breuckmann để ứngdụng trong công nghiệp ô tô. Cụ thể trong nghiên cứu đó, các khuôn mẫu sử dụng trong các dây chuyền dập vỏ ô tô đã được thiết kế và chế tạo lại. Khoảng cách giữa các vị trí trên dụng cụ được tách riêng và lỗi trên các khuôn đã quét cũng được xác định. Ngoài ra, các thiết bị quét cũng được sử dụng cho mục đích kiểm tra trong quá trình sản xuất. Các chi tiết cơ khí dạng tấm sản xuất hàng loạt được kiểm tra và lập báo cáo chất lượng trong khoảng thời gian rất ngắn.
Dung sai với các chi tiết bảng điều khiển của ô tô khi đo bằng phương pháp truyền thống thường dao động khoảng 0,5mm, nhưng sử dụng thiết bị quét 3D dung sai có thể đạt 0,1mm. Hiện tại, các máy quét 3D ánh sáng cấu trúc đã trở thành một phần không thể thiếu của các dây chuyền tự động hóa sản xuất trong ngành công nghiệp ô tô.
2.2.249 Với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh và máy chiếu kỹ thuật số trong
những năm gần đây, kỹ thuật ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc cải thiện độ phân giải và độ chính xác của phép đo. Hơn nữa với ưu điểm về thời gian lấy mẫu nhanh, kỹ thuật ánh sáng cấu trúc cho phép thu thập đám mây điểm của chi tiết theo thời gian thực [15]. Tuy nhiên tốc độ đo của các thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc phụ thuộc vào tốc độ chiếu mẫu của máy chiếu, tốc độ thu của máy ảnh và đặc tính phản xạ bề mặt của chi tiết đo. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều máy quét 3D ánh sáng cấu trúc của các hãng khác nhau. Trong bảng 1.2 giới thiệu một số thiết bị thông dụng đang có mặt trên thị trường thế giới và Việt Nam.
2.2.250 Bảng 1.2: Một số máy quét 3D ánh sáng cấu trúc thương mại 2.2.251 THÕNGTIN
CHUNG
2.2.252 ĐẶC TÍNH Kỹ
THUẬT
2.2.253 ỨNG 2.2.254 Tên: DỤNG
ATOS Triple Scan 2.2.255 Hãng:
GOM
2.2.256 Giá thành:
2.2.257 Vùng đo:
850mm X 64mm
2.2.258 Máy ảnh: 2 X
12MP
2.2.259 Độ phân giải:
2.2.261 Giám sát sản xuất
2.2.262 RE
2.2.263 Tạo mẫu nhanh
2.2.265 Tên: HDI Advance
2.2.266 Hãng:
LMI
2.2.267 Giá thành:
2.2.268 Vùng đo:
600mm X 600mm Độ phân giải: 0,08mm Độ chính xác: 0,05mm Khoảng cách quét: 0,4 — 1m
2.2.269 Ytế
2.2.270 Đồ gỗ mỹ nghệ
2.2.271 Chi tiết 2.2.273 Tên: nhựa
Rexcan CS2+
Hãng: Solutionix Giá thành: 30000$
2.2.274 Vùng đo:
400mm X 400mm
2.2.275 Máy ảnh: 2 và 6MP
2.2.276 Độ phân giải:
2.2.278 Tạo mẫu nhanh
Phát triển sản phẩm Kiểm tra sản phẩm Khuôn nhựa
2.2.279 Tên:
Kinect v1
2.2.280 Hãng:
Microsoft
2.2.281 Giá thành:
2.2.282 Vùng đo:
640pixel X 480pixel
2.2.283 Độ phân giải:
7cm
2.2.284 Độ chính xác:
2.2.286 Phân tích di chuyển
Bản đồ 3D trong nhà Theo dõi đối tượng 2.2.287
1.2.4. Máy quét 3D ToF
2.2.288 Kỹ thuật ToF đang cách mạng hóa ngành công nghiệp thị giác máy khi sử
dụng cảm biến hình ảnh CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) chi phí thấp cùng với nguồn sáng được điều chế chủ động nhằm cung cấp thông tin 3D. Thiết bị quét 3D ToF, hay còn gọi là máy ảnh ToF, tạo ra một ảnh độ sâu, mỗi điểm ảnh sẽ mã hóa khoảng cách tương ứng của các điểm trong khung cảnh đã thu được đến thiết bị. Những thiết bị này có thể được sử dụng để ước tính thông tin 3D trực tiếp mà không cần sự trợ giúp của các thuật toán thị giác máy truyền thống. Do đó, thiết bị ToF cung cấp một giải pháp phù hợp và hiệu quả để ghi lại thông tin hình học 3D của không gian vật lý theo thời gian thực. Cấu trúc nhỏ gọn, dễ sử dụng, cùng với độ chính xác và tốc độ khung hình cao giúp thiết bị ToF trở thành một giải pháp hấp dẫn cho nhiều ứng dụng.
2.2.289 Kỹ thuật ToF có thể được phát triển cho các ứng dụng từ công nghiệp
ô tô
cho đến chăm sóc sức khỏe, quảng cáo thông minh và giải trí. Trong lĩnh vực ô tô, thiết bị ToF là thiết bị thu nhận thông tin trong hệ thống tự lái. Đối với lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, nhận dạng cử chỉ cung cấp các tương tác giữa người và máy không tiếp xúc, thúc đẩy môi trường hoạt động vệ sinh hơn, nhất là hiện nay thế giới đang phải thực hiện cách ly xã hội nhằm hạn chế lây lan của đại dịch Covid-19 do virus SARS-CoV-2 gây ra. Trong lĩnh vực quảng cáo thông minh, thiết bị ToF được sử dụng để thu thập cử chỉ và nhận dạng con người hướng đến mục tiêu cá nhân hóa nội dung và phương tiện quảng cáo. Đối với các điện thoại thông minh hiện nay, thiết bị ToF được sử dụng nhằm gia tăng đáng kể độ chính xác trong các ứng dụng thực tế ảo và hợp nhất môi trường thực tại để mang lại một trải nghiệm hoàn toàn mới.
2.2.290 Việc sử dụng thiết bị ToF để tái tạo hình học bề mặt cũng đã được thực hiện
trong tài liệu [16]. Cụ thể, trong nghiên cứu này, một quá trình tối ưu hóa quy trình rửa xe sao cho đạt hiệu suất tổng thể tốt nhất đã được giới thiệu. Bằng cách thiết lập nhiều thiết bị ToF để xây dựng mô hình CAD cho ô tô, kết quả của quá trình tái tạo hình học bề mặt được cải thiện đáng kể. Hơn nữa một thuật toán hiệu chuẩn tối ưu cho phép bù sai số độ sâu liên quan đến biên độ tốt hơn cũng đã được đề xuất. Ngoài ra, các sai số ảnh hưởng bởi sự quá bão hòa, mất điểm ảnh, tạo tác chuyển động và môi trường xung quanh cũng đã được xử lý thành công bằng bước tiền xử lý đám mây điểm mở rộng.
2.2.291 Thiết bị ToF có một số ưu điểm nổi bật. Thứ nhất, thiết bị ToF không đòi
hỏi các phần mềm và thuật toán phức tạp để tính toán thông số hình học, do đó thời gian thực hiện quét sẽ nhanh hơn thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc.
Thứ hai, thiết bị ToF thường có kích thước nhỏ gọn hơn thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc. Thứ ba, thiết bị ToF hoạt động tốt hơn trong môi trường ánh sáng có độ sáng cao. Cuối cùng, do cấu tạo của thiết bị ToF nên giá thành rẻ hơn thiết bị quét 3D ánh sáng cấu trúc khi cùng một phạm vi đo. Một số thiết bị ToF đang có mặt trên thị trường thế giới và Việt Nam được giới thiệu trong bảng 1.3.
2.2.292 Qua so sánh trong các bảng 1.1, 1.2 và 1.3, hiện nay trên thị trường
thiết bị quét 3D, hai thiết bị Kinect v1 và v2 của Microsoft sản xuất là giá thành thấp
2.2.293 Bảng 1.3: Một số máy quét ToF thương mại 2.2.294 THÕNGTIN
CHUNG
2.2.295 ĐẶC TÍNH Kỹ
THUẬT
2.2.296 ỨNG
2.2.297 Tên: DỤNG
OPT8241NBN
2.2.298 Hãng: TI 2.2.299 Giá thành: 38000$
2.2.300 Vùng đo:
320pixel X 240pixel
2.2.301 Tốc độ: đến 150 frames/s
2.2.302 Độ phân giải:
2.2.304 An toàn công nghiệp
Đếm số lượng người Nhận dạng người Quét 3D
2.2.305 Tên:
Camcube 3.0
2.2.306 Hãng:
PMD
2.2.307 Giá
2.2.308 Vùng đo:
200pixel X 200pixel
2.2.309 Độ phân giải:
3mm
2.2.310 Độ chính xác:
2.2.312 Camera định vị
2.2.313 Ytế
2.2.314 Rob otics
2.2.316 Tên: D- IMAGER
2.2.317 Hãng:
Panasonic
2.2.318 Giá:
2.2.319 Vùng đo:
160'pixel X 120pixel
2.2.320 Độ phân giải:
3mm
2.2.321 Độ chính xác:
2.2.323 Logistic s
2.2.324 Y tế 2.2.325 Rob otics
2.2.327 Tên:
Kinect v2
2.2.328 Hãng:
Microsoft
2.2.329 Giá: 150$
2.2.330 Vùng đo:
512pixel X 424pixel
2.2.331 Độ phân giải: 2, 7cm
2.2.332 Độ chính xác:
2.2.334 Phân tích di chuyển
Bản đồ 3D trong nhà Theo dõi đối tượng 2.2.335
2.2.336 nhất. Tuy nhiên, hai thiết bị này được phát triển trên hai công nghệ
khác nhau.
Kinect v1 dựa trên kỹ thuật ánh sáng cấu trúc nhưng bản thân thiết bị này vừa mang nhược điểm của kỹ thuật ánh sáng cấu trúc, lại không phát huy được ưu điểm của ánh sáng cấu trúc vì độ chính xác công bố của Kinect v1 rất thấp.
Chính vì vậy việc lựa chọn Kinect v2 làm thiết bị cho quá trình tái tạo hình học bề mặt các sản phẩm cơ khí sẽ cho kết quả tốt hơn với giá thành tương đương.