[Tóm tắt] Luận án Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH PGS.TS. NGUYỄN LINH GIANG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2013) Nghiên cứu ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo biên dạng 3D chi tiết cơ khí, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ III, trang 829-834. 2. Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh, Nguyen Duc Duong (2014) Calibration of camera for 3D scanner using structured light, ISEPD 2014 International Symposium on Eco- materials Processing ang Design, pp .399-403. 3. Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh (2014) Improve accuracy fringe projection model in structured light measurement devices using a digital projecto, RCMME 2014 proceedings the 7th AUN/SEED-Net Regional Conference in Mechanical and Manufacturing Engineering 2014, pp. 220-224. 4. Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, Hội nghi khoa học kĩ thuật đo lường toàn quốc lần thứ VI, trang 233-238. 5. Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Nghiên cứu hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng mẫu ô vuông bàn cờ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 8, trang 71-75. 6. Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2015) Đo biên dạng 3D chi tiết bằng ánh sáng cấu trúc dạng mã hóa Gray, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10, trang 68-73. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Quang Trà NGHIÊN CỨU ĐO BIÊN DẠNG 3D CỦA CHI TIẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2016 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và các ngành khoa học kỹ thuật. Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm. Những thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ gia công trên máy CNC, nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D rất lớn. Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong nước. Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách giúp doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên tiến hiện đại trên thế giới, thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. a) Mục đích của đề tài Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam. b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc.... Nghiên cứu phương pháp đo dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác gỡ pha. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo trên các chi tiết có 2 độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi 200x200x200 mm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và dụng cụ đo loại này. Nghiên cứu thành công việc ứng dụng mã hóa Gray để gỡ pha trong phương pháp dịch pha. Xây dựng được mô hình toán học cũng như các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác. Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. b) Ý nghĩa thực tiễn Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo là thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân.... phục vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnh vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường. 4. Các đóng góp mới của luận án Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi tiết cơ khí, sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha, đề xuất sử dụng thêm các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương từ đó nâng cao độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha. 3 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai, xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đường giao đường. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi đo 200x200x200 mm. 5. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thiết bị đo được chế tạo. Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo. Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt Nam. Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab.... để thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra. Bố cục luận án  Chương I: Trình bày kết quả khảo sát về các phương pháp đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc và xác định hướng nghiên cứu về phương pháp kết hợp dịch pha và mã Gray.  Chương II: Nghiên cứu cơ sở phương pháp kết hợp dịch pha và mã Gray nhằm nâng cao độ chính xác gỡ pha.  Chương III: Xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo thực nghiệm. Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cho thiết bị đo. 4  Chương IV: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo . CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học. Với mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu ảnh mẫu. Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo phương pháp mã hóa nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được nhận biết thông qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo. 1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng 3D 1.2.1. Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng trong quang học. Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu, tính toán tọa độ các điểm đo trên bề mặt vật đo. 1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc 5 “Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc màu sắc.” Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm đo trên không gian chiếu. Độ phân giải của phương pháp đo (khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độ phân giải của hệ thống chiếu vân và camera. Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới lớn (độ phân giải thấp). Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc. 1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu xạ, dùng máy chiếu. Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế. Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số. 1.2.4. Hệ thu ảnh vân Để thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được chiếu lên bề mặt chi tiết đo cần sử dụng hệ thu ảnh vân thường là các camera. Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên vật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo mang lại. 1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. Đo biên dạng 3D cần xác định tọa độ lưới điểm trong không gian 3 chiều XYZ. Để xác định độ cao điểm đo Z sử dụng phương pháp tam giác lượng trong quang học. Các mô hình biến thể kỹ thuật thể hiện cách bố trí thiết bị trong cụm cảm biến so với mặt phẳng tham chiếu. Có các cách bố trí gồm: trục quang máy chiếu vuông góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang 6 camera vuông góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang của camera và máy chiếu bố trí tự do. 1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan 1.3.2. Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa 1.3.3. Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp chiếu vân có thể xác định thông qua 4 bước theo sơ đồ hình 1.31. Trong khoảng 30 năm trở lại đây việc sử dụng ánh sáng cấu trúc trong đo lường được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ. Các công trình nghiên cứu tập trung vào những vấn đề tồn tại trong các bước và một số nghiên cứu đối tượng áp dụng của phương pháp. Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân Mô hình toán học sử dụng cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ quang. Chuyển đổi hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác định được: [𝑥𝑃 (𝐶) , 𝑦𝑃 (𝐶) , 𝑧𝑃 (𝐶) ] = 𝑅 [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃] + 𝑇 (1.36) Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ Hiệu chuẩn Dựng pha tuyệt đối Phân tích vân Chiếu vân và chụp ảnh vân chiếu 7 [ 𝑢𝑃 (𝑝) 𝑣𝑃 (𝑝) 1 ] = 𝐴. [ 𝑢𝑃 (𝑑) 𝑣𝑃 (𝑑) 1 ] , 𝐴 = [ 𝑓𝑥 𝛼𝑓𝑦 𝑢0 0 𝑓𝑦 𝑣0 0 0 1 ] (1.41) Ma trận A được gọi là ma trận nội tham số của camera, với fx, fy là tiêu cự theo phương x, y; α là hệ số nghiêng của cảm biến ảnh giữa hai phương u và v; (u0, v0) là tọa độ tâm cảm biến ảnh. Những nghiên cứu đã được các hãng ứng dụng chế tạo các thiết bị đo bằng ánh sáng cấu trúc như GOM, FARO, ARTEC,... và cho ra đời các dòng sản phẩm phục vụ công nghiệp. Tuy nhiên, các thiết bị đo kể trên thường sử dụng hệ vân chiếu mã hóa Gray hoặc mã hóa nhị phân do đó cho độ phân giải không cao, phần mềm đóng gói không thể can thiệp, các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ công mỹ nghệ, các chi tiết có biên dạng bề mặt không đòi hỏi độ chính xác cao. Do đó, cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo này trong lĩnh vực cơ khí làm chủ về kỹ thuật và công nghệ, hiểu rõ phương pháp đo của lĩnh vực này giúp cho sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị đã có đồng thời tạo khả năng tự chế tạo. Góp phần phổ cập nâng cao chất lượng sản xuất cơ khí tại Việt Nam và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: y tế, thời trang, an ninh 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, lĩnh vực đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc vẫn còn khá mới mẻ. Khi NCS lựa chọn đề tài nghiên cứu năm 2011 chưa thấy có công trình nào nghiên cứu về vấn đề này thậm chí khái niệm ánh sáng cấu trúc chưa có tài liệu nào trong nước đề cập đến. Một số đề tài nghiên cứu của sinh viên và học viên cao học ngành Máy chính xác, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà nội được bắt đầu từ năm 2012. Các đề tài chủ yếu nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp và tính năng của các thiết bị đo này. Nhìn chung các hướng nghiên cứu tại Việt Nam chưa đáp ứng được yêu cấu tìm hiểu khai thác lĩnh vực đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng 8 dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí. 1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau:  Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. Phân tích các dạng ánh sáng cấu trúc để lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo là các chi tiết cơ khí  Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha, nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha, đây là một phương pháp ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha đồng thời nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo.  Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo trên bề mặt vật đo.  Nghiên cứu xác định phương pháp hiệu chuẩn cho thiết bị đo.  Nghiên cứu xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, xây dựng các thuật toán điều khiển và xử lý dữ liệu đo.  Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo, xác định độ chính xác thiết bị đo, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo, kiểm chứng khả năng chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc tại Việt Nam. CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA 2.1. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha Phương pháp dịch pha là một phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực đo 9 lường sử dụng laser với nghiên cứu được công bố sớm nhất bởi Carré năm 1966 [8] 2.1.1. Cơ sở phương pháp dịch pha 2.1.2. Đo lường biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha Khi ứng dụng cơ sở đo biên dạng bề mặt của phương pháp đo giao thoa laser vào phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc, việc tạo vân giao thoa thay đổi khi dịch chuyển mặt phẳng tham chiếu được thay thế bằng thiết bị chiếu lần lượt các vân chiếu dạng sin lệch pha nhau. Camera ghi lại các hình ảnh để phân tích dữ liệu đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha 2.1.3. Các thuật toán dịch pha. Trong phương pháp dịch pha một yếu tố quan trọng là xác định các thuật toán dịch pha, với các thuật toán khác nhau sẽ xác định quy trình đo và cách xử lý dữ liệu đo khác nhau 2.1.3.1. Thuật toán 3 bước dịch pha 2.1.3.2. Thuật toán ba bước dịch pha kép 2.1.3.3. Thuật toán dịch pha Carré 2.1.3.4. Giải thuật Hariharan 2.1.4. Các phương pháp gỡ pha Trong phương pháp dịch pha các điểm đo được mã hóa bởi các giá trị pha. Theo lý thuyết thì giá trị pha được xác định và có phân bố liên tục. Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bị giới hạn bởi mức độ xám, nhiễu xuất hiện trên ảnh, bóng vật thể. . . và các điểm không xác định khi giá trị pha có bước nhảy lớn hơn 2π. Quá trình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha tuyệt đối là bước quan trọng quyết định độ chính xác phép đo sử dụng phương pháp dịch pha. 2.1.4.1. Phương pháp gỡ pha không gian 2.1.4.2. Phương pháp gỡ pha theo thời gian 2.1.5. Đặc điểm phương pháp dịch pha. 10 Phương pháp dịch pha có những ưu điểm đặc trưng như: độ chính xác cao, độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Trong quá trình đo cần dựng lại ảnh pha tuyệt đối bằng phương pháp gỡ pha, đây là bước chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo, đặc điểm hình dạng màu sắc độ phản xạ của chi tiết đo 2.2. Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phương pháp dịch pha. 2.2.1. Phương pháp mã hóa Gray Mã hóa Gray là một dạng ánh sáng cấu trúc được sử dụng trong phương pháp quét biên dạng 3D của chi tiết với các mẫu chiếu chỉ có các vạch trắng và đen xen kẽ. 2.2.2 Nghiên cứu gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch pha. Các mẫu chiếu được điều chế cường độ sáng theo công thức: 𝐼1(𝑥, 𝑦) = 𝐼0(𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑(𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) ] (2.51) 𝐼2(𝑥, 𝑦) = 𝐼0(𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑(𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 𝜋/2] (2.52) 𝐼3(𝑥, 𝑦) = 𝐼0(𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑(𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 𝜋] (2.53) 𝐼4(𝑥, 𝑦) = 𝐼0(𝑥, 𝑦) + 𝐼𝑚𝑜𝑑(𝑥, 𝑦)𝑐𝑜𝑠[Ø(𝑥, 𝑦) + 3𝜋/2] (2.54) Từ đó giá trị pha được xác định bởi công thức: Ø(𝑥, 𝑦) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 [ 𝐼2(𝑥, 𝑦)− 𝐼4(𝑥, 𝑦) 𝐼1(𝑥, 𝑦)− 𝐼3(𝑥, 𝑦) ] (2.61) Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì mẫu chiếu sin Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit 11 Hình 2.10 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray Hình 2.11 Xác định pha trong phương pháp kết hợp i 12 Ảnh pha tuyệt đối cung cấp thông tin đo được xác định trên vùng diện tích chiếu của máy chiếu trên ảnh của camera, do đó độ phân giải đo phụ thuộc vào độ phân giải của máy chiếu. Xét ảnh pha theo phương ngang x tương đương bề rộng wP của ảnh chiếu, độ rộng vạch của mã hóa Gray nhỏ nhất thu được là 𝑙𝑜𝑔2 𝑤𝑃 . Tại một điểm i cần khảo sát trong chu kì thứ k của phương pháp dịch pha có giá trị pha tuyệt đối là Фki, có giá trị pha tương đối xác định theo phương pháp dịch pha là Øki, theo phương pháp mã hóa Gray vạch liền kề phía trước điểm i có giá trị pha là GCk. Khi đó pha tuyệt đối được xác định bởi: Фki = GCk + Øki/2π (2.62) Từ công thức 2.62 có thể xây dựng thuật toán xác định ảnh pha tuyệt đối. 2.3. Xác định tọa độ điểm đo trong phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha. 2.3.1. Nguyên lý tam giác lượng trong xác định tọa độ điểm đo [31] Ảnh pha tuyệt đối sau khi xác định theo phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray cung cấp thông tin về tọa độ các điểm đo thông qua tọa độ điểm ảnh và giá trị pha. Hình 2.12 Sơ đồ mô hình toán học cho thiết bị [31]. z 'H LAB HH d AB    𝑍 (2.63) 2.3.2. Xây dựng phương pháp xác định tọa độ điểm đo 13 Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo Các bước để tính toán vị trí 3D của điểm M như sau: Xác định tọa độ pixel của điểm NI thông qua việc chiếu ánh sáng mẫu mã hóa Gray lên mặt phẳng chuẩn. Điểm này đã được mã hóa chính là điểm NP (nằm trên mặt phẳng ảnh của máy chiếu) Tọa độ 3D của điểm MI, NI được tính toán từ tọa độ pixel của chúng bằng cách sử dụng mô hình camera lỗ nhỏ và các nội tham số của camera.Tọa độ 3D của MR và NR có thể được tính toán bằng phương pháp đường giao đường: .R P IM C PN CM  , .R P IN C PN CN  2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn Khi sử dụng các thiết bị đo luôn cần quá trình hiệu chuẩn để xác định các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện đo đến độ chính xác phép đo, xác định các thông số kĩ thuật của camera bao gồm: ma trận nội tham số gồm các thông số giúp cho tính các tọa độ của vật lên trên cảm biến hình ảnh của camera, bộ tham số méo ảnh tính toán các dạng quang sai do hệ ống kính camera gây nên, ma trận ngoại tham số tính được tọa độ các điểm trên ảnh thu được về tọa độ máy 2.4.1. Phương pháp hiệu chuẩn camera 2.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ thống camera và máy chiếu 14 Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh camera, máy chiếu của thiết bị đo biên dạng 3D dùng ánh sáng cấu trúc cần xác định được bộ tham số gồm: Ma trận nội tham số:[ 𝑓𝑥 𝛼 𝑢0 0 𝑓𝑦 𝑣0 0 0 1 ] (2.84) Hệ số méo ảnh: [𝑘1 𝑘2 𝑘3 𝑘4 𝑘5] (2.85) Ma trận ngoại tham số: [ 𝑟11 𝑟12 𝑟13 𝑡1 𝑟21 𝑟22 𝑟23 𝑡2 𝑟31 𝑟32 𝑟33 𝑡3 ] (2.86) 2.5. Kết luận chương Trong chương này đã khảo sát phân tích về phương pháp đo biên dạng 3D chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha, trong quá trình đo cần xác định ảnh pha tuyệt đối đây là bước chịu ảnh hưởng của đặc điểm quang học bề mặt đo làm giảm độ chính xác của phương pháp. Để khắc phục nhược điểm này cần sử dụng phương pháp kết hợp nâng cao độ chính xác gỡ pha. Giải pháp được nghiên cứu là sử dụng kết hợp với mã hóa Gray, đây là một phương pháp ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha. 15 Xây dựng lên thuật toán sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn cụm cảm biến xác định các thông số của camera và cả máy chiếu. CHƯƠNG 3 CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA 3.1. Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến 3.1.1. Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến 3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu 3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo. Sau khi xây dựng được mô hình toán học và xác định các thuật toán cho phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp kết hợp mã hóa Gray và dịch pha mục 2.3, cần xác lập các giải thuật để xác định đám mây điểm đo của chi tiết. Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo 3.2.1. Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu 3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh 3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo 3.2.4. Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống 3.3. Đánh giá các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo 3.3.1. Ảnh hưởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ chính xác Mẫu ảnh chiếu Ảnh chụp đối tượng Giải thuật xây dựng ảnh pha tuyệt đối Giải thuật hiệu chuẩn thiết bị Thông số hiệu chuẩn Đám mây điểm 3D của đối tượng Giải thuật xây dựng đám mây điểm đo Cảm biến (camera & máy chiếu) Ảnh hiệu chuẩn Ảnh pha tuyệt đối của đối tượng Ảnh pha của mặt phẳng tham chiếu Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu Mặt phẳng tham chiếu Đối tượng đo 16 3.3.2. Ảnh hưởng độ chính xác pha đến độ chính xác phép đo 3.3.3. Ảnh hưởng quang sai đến độ chính xác 3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL– 1 3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến 3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển 3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển 3.5. Kết luận chương 3 Trong chương 3 đã nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề như:  Xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo thực nghiệm. Đi sâu vào bài toán thiết kế, lựa chọn hệ camera và máy chiếu thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống: là cơ sở cho việc tính toán thiết kế lựa chọn cấu hình của một thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc.  Xây dựng hệ thống điều khiển phục vụ quá trình đo đảm bảo có thể đo được toàn bộ chi tiết. Xây dựng các thuật toán xử lý xác định tọa độ điểm đo. Các giải thuật và lưu đồ thuật toán thể hiện quá trình thực hiện một phép đo cho phép người sử dụng có thể tùy chỉnh phù hợp với yêu cầu đối tượng đo.  Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cho thiết bị đo. Với các thiết bị đo quá trình hiệu chuẩn là rất cần thiết, để đảm bảo độ chính xác cần hiệu chỉnh trong mỗi lần đo, phương pháp hiệu chuẩn đơn giản chính xác góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị đo. Ngoài ra có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo như bản thân thiết bị đo cũng như điều kiện đo đem lại. CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Thiết bị đo được chế tạo vừa là mục đích vừa là phương tiện kiểm chứng phương pháp đo. Để có thể đánh giá kết quả nghiên cứu về phương pháp đo, kỹ thuật đo và công nghệ đo sử dụng phương pháp dịch pha dạng sin kết hợp mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha cần các nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị đo chế tạo được. 17 4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1 4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu Sử dụng phần mềm được xây dựng dựa trên giải thuật mục 3.3.1, để tạo các mẫu chiếu ảnh Gray và ảnh sin. Các ảnh mẫu được tạo ra được thể hiện với hình 4.4 là hình ảnh các mẫu chiếu dạng mã hóa Gray. 4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến Các thiết bị đo sau khi chế tạo cần hiệu chuẩn để đảm bảo và nâng cao độ chính xác khi đo, đặc biệt khi phép đo có độ chính xác cao. Việc xác định tọa độ điểm đo trên chi tiết cần đầy đủ các thông số của cụm cảm biến do đó yêu cầu quá trình hiệu chuẩn bao gồm:  Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu.  Hiệu chuẩn màu.  Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám.  Hiệu chuẩn tìm hệ thống thông số kỹ thuật và vị trí của camera và máy chiếu. 4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu. 4.3.2. Hiệu chuẩn màu cho cảm biến 18 Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị 4.3.3. Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn 4.3.4. Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ Hình 4.16 Giao diện mô tả kết quả hiệu chuẩn của 1 vị trí đặt ô vuông bàn cờ 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 C ư ờ n g đ ộ s án g I C Số ảnh mẫu chiếu Cường độ mẫu chiếu Cường độ ảnh RED Cường độ ảnh GRAY Cưởng độ ảnh GREEN 0 100 200 300 0 100 200 300C ư ờ n g đ ộ s án g ả n h I C Cường độ sáng mẫu chiếu IP 19 4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo 4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở Độ phân giải cơ sở của thiết bị là khoảng cách tương ứng với một điểm ảnh thu được trên cảm biến ảnh. Độ phân giải cơ sở tại vùng có sự phân bố đồng đều nhất khi sử dụng mẫu chiếu Gray 10 bit là (0,27x0,278 mm)/ điểm ảnh, tuy nhiên đối với tọa độ các điểm đo xuất hiện nhiều vùng có sự phân bố không đồng đều, điều này cũng tương tự xảy ra với các mẫu chiếu 9 bit. Như vậy, việc sử dụng mã hóa Gray cho phép đo độc lập có độ phân giải không cao, khó đạt độ phân giải của một điểm ảnh (xuất hiện các vùng mất dữ liệu như hình 4.16f). Với mẫu chiếu 8 bit cho thấy sự phân bố đồng đều giữa các điểm đo, đó là cơ sở để luận án lựa chọn số mã hóa Gray 8 bit khi kết hợp với phương pháp dịch pha. 4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h 0.25 0.27 0.29 0.31 0.33 0.35 0.37 0 50 100 150 200 Đ ộ p h ân g iả i cơ s ở ( m m ) Khoảng dịch chuyển h (mm) Độ phân giải theo phương X 20 Độ phân giải biến đổi tuyết tính theo chiều cao cụm cảm biến tới bàn đo. Khoảng cách càng xa độ phân giải cơ sở càng thấp. Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn Kết quả đo bán kính trụ chuẩn cho thấy ít sụ phụ thuộc vào vị trí đặt vật trong không gian đo của thiết bị 4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. Xử lý kết quả đo theo phân phối Student với độ tin cậy 95 % ta có kết quả đo bán kính cầu chuẩn là: 25.032 ± 0,017 (mm). Kết quả đo trên máy CMM R = 25,039 ± 0.007 mm. Như vậy, kết quả đo trung bình sai khác 0,007 mm. Kết quả đo quả cầu cho thấy độ ổn định và độ chính xác của thiết bị đo. Các phép 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0 50 100 150 200 B án k ín h t rụ ( m m ) Khoảng dịch chuyển h (mm) R1 R2 R3 R4 R5 21 đo trên một vị trí được lặp lại và cho kết quả đo trung bình đạt độ chính xác cao so với các kết quả đo trên máy CMM. 4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 4.5.1. Kết quả đo tại một phương chiếu Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu 4.5.2. Ảnh mô phòng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu 22 4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh Dựng lại các mẫu vật hữu cơ, các vết lốp xe, dấu giày, vết thương...., có thể truy cập vào các hồ sơ lưu tình tiết hoặc thông tin hiện trường trực quan và không bị hạn chế bởi thời gian tồn tại của các dấu vết đó.... Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. 4.6. Kết luận chương 4 Thiết bị thực nghiệm STL-1 được chế tạo theo phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. Đã xây dựng quy trình và tiến hành thực nghiệm hiệu chuẩn đặc tính quang của cảm biến, xây dựng được đặc tuyến cường độ sáng ảnh tương tác giữa máy chiếu và camera từ đó tiến hành hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác ảnh chiếu. Hiệu chuẩn xác định được các thông số kỹ thuật và thông số vị trí của camera và máy chiếu để đảm bảo độ chính xác đo. Thực nghiệm xác định độ chính xác thiết bị thông qua việc đo kiểm trụ chuẩn mẫu và quả cầu chuẩn. Kết quả thực nghiệm cho thấy: kết quả đo ít phụ thuộc vào vị trí đặt vật trong trường đo, độ chính xác khi đo các quả cầu chuẩn đạt: 0,05 mm , trụ chuẩn có thể đạt 0,01mm. Thiết bị thực nghiệm STL -1 hoạt động ổn định, có thể đo được toàn bộ chi tiết trong phạm vi 200x200x200 mm với thời gian đo khoảng 3 phút. Ứng dụng thiết bị đo một số mẫu chi tiết cơ khí được gia công trên các thiết bị CNC, đúc, rèn dập cho kết quả đạt yêu cầu về mô phỏng biên dạng thực của chi tiết đo. Có thể ứng dụng thiết bị trong các ngành khác như đo hình dáng kích thước cơ thể người, đo dựng hiện trường an ninh.... 23 KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu, tìm hiểu, nắm được và xây dựng cơ sở lý thuyết, kỹ thuật để tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể đo lường biên dạng bề mặt các chi tiết cơ khí trong công nghệ gia công CNC. Các nội dung chính mà luận án đã thực hiện nghiên cứu và đạt được các kết quả sau:  Nghiên cứu khảo sát phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. Phân tích các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong nước và trên thế giới, đánh giá các ưu nhược điểm của từng phương pháp, khảo sát các dạng ánh sáng cấu trúc từ đó xác định dạng ánh sáng cấu trúc trong phương pháp dịch pha kết hợp mã hóa Gray để gỡ pha là hướng nghiên cứu chính của luận án. Phương pháp này kết hợp ưu điểm độ phân giải cao của phương pháp dịch pha với độ chống nhiễu tốt của phương pháp Gray làm cơ sở đảm bảo và nâng cao độ chính xác gỡ pha và đảm bảo độ chính xác đo của thiết bị, phù hợp cho việc đo biên dạng các chi tiết cơ khí gia công bằng công nghệ CNC.  Xây dựng mô hình toán học và các giải thuật xử lý dữ liệu đo để xác định được đám mây điểm đo trên chi tiết đo. Sử dụng mô hình toán học cho hệ camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai. Tọa độ điểm đo được xác định theo phương pháp đường giao đường.  Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc, kết quả hiệu chuẩn xác định được các thông số kỹ thuật bao gồm các nội tham số, các hệ số đặc trưng ảnh hưởng bởi quang sai, ma trận ngoại tham số đặc trưng vị trí tương quan của camera và máy chiếu, giúp đảm bảo độ chính xác khi đo.  Xây dựng, xác lập cơ sở, giải thuật, cho việc tính toán 24 thiết kế thiết bị từ đó có thể xác định được các tiêu chí thiết kế, cách xác định độ phân giải, tính toán lựa chọn cấu hình cho cụm cảm biến.  Phân tích xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo, xây dựng được đặc tuyến quang thể hiện tương quan quan hệ thu phát cường độ sáng ảnh của máy chiếu và camera, từ đó có thể hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác tạo mẫu vân chiếu, góp phần đảm bảo độ chính xác đo.  Đã xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp dịch pha và mã hóa Gray đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm, phạm vi đo 200x200x200 mm. Thiết bị đã hoạt động đáp ứng đo quét một số chi tiết cơ khí được gia công trên thiết bị CNC, đúc, rèn dập và các ứng dụng khác trong lĩnh vực thời trang và an ninh. Thiết bị có thể sử dụng đo quét các bề mặt như một thiết bị công nghiệp, cho thấy khả năng tự chế tạo loại thiết bị đo này tại Việt Nam. KIẾN NGHỊ Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đạt được trên thiết bị nghiên cứu thực nghiệm STL – 1, để tiếp tục nâng cao chất lượng làm việc về độ chính xác, tốc độ đo cần thiết tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các mặt:  Tăng tốc độ đo của thiết bị: Với phương pháp áp dụng chỉ có thể đo được các chi tiết tĩnh do cần nhiều mẫu ảnh chiếu do đó việc đo quét theo thời gian thực không tiến hành được.  Tối ưu hóa các chương trình: Xây dựng các chương trình xử lý dữ liệu ảnh nhằm tăng tốc độ và độ chính xác khi xử lý dữ liệu đo. Nghiên cứu tìm hiểu các thuật toán nhằm nâng cao độ chính xác khi đo.