Nghiên cứu hệ thống đo 3D chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp mã gray và dịch đường.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN NGỌC TÚ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ
BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY
VÀ DỊCH ĐƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN NGỌC TÚ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ
BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY
VÀ DỊCH ĐƯỜNG
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Mai
2. TS. Phạm Hồng Tuấn

HÀ NỘI - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG
ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ
GRAY
VÀ DỊCH ĐƯỜNG” là cơng trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, thực hiện
dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Những nội dung, các số liệu sử
dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung
thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa có
tác giả nào cơng bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 07 tháng 06 năm 2022
Tập thể hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Mai TS. Phạm Hồng Tuấn

iii

NCS Nguyễn Ngọc Tú


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo
-bộ phận sau Đại học, trường Cơ khí, nhóm chun mơn Cơ khí Chính xác &
Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin được cảm ơn PGS.TS.
Nguyễn Thị Phương Mai, TS. Phạm Hồng Tuấn đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi

những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chun mơn
trong suốt q trình học tập, thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy
cô trong Bộ mơn Cơ khí chính xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã đóng góp cho tơi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi về
thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tơi xin chân thành cảm ơn Trung
Tâm Quang Điện tử - Viện Ứng dụng Công nghệ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ
sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm, sắp xếp cơng việc trong q trình nghiên cứu
và cơng tác để tơi có điều kiện thực hiện nhiệm vụ. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc nhất đến các gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ
những khó khăn trong suốt q trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Ngọc Tú


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ...................................................ix
MỞ ĐẦU......................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT
3D CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC.............................................6
1.1

Các hệ thống đo quang học dựa trên phương pháp tam giác đạc..........6

1.2

Phương pháp thu nhận ảnh ba chiều dựa trên ánh sáng cấu trúc..........9

1.3

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước.........................................12

1.3.1

Tình hình nghiên cứu trên thế giới.............................................12

1.3.2

Tình hình nghiên cứu trong nước...............................................24

1.4

Mục tiêu, khó khăn và những nghiên cứu chính của luận án..............26

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH
SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG............................28
2.1

Phương pháp mã hóa vân cho ánh sáng cấu trúc................................28

2.1.1

Mã hóa vân Graycode................................................................28

2.1.2

Mã Large-Gap Graycode...........................................................31

2.1.3

Vân dịch chuyển đường.............................................................34

2.2

Định nghĩa vùng chiếu vân.................................................................35

2.3

Giải mã vân Graycode và dịch đường................................................36

2.3.1

Giải mã vân Gray.......................................................................36

2.3.2

Bộ dị đỉnh vạch chiếu...............................................................37

2.4

Cơ sở tốn học và mơ hình hệ thu ảnh của máy ảnh..........................42

2.4.1

Cơ sở tốn học tam giác đạc trong ánh sáng cấu trúc................42

2.4.2

Mơ hình lỗ nhỏ của máy ảnh.....................................................50

2.4.3

Mơ hình khử méo ảnh cho hệ thu ảnh........................................53

2.4.4

Hiệu chuẩn máy ảnh..................................................................54

2.5

Cơ sở toán học sử dụng trong mơ hình hệ máy ảnh nổi.....................56

2.5.1

Tam giác đạc trong hệ máy ảnh nổi...........................................56

2.5.2

Hình học Epipolar......................................................................58


2.5.3
2.6

Hiệu chuẩn hệ máy ảnh nổi và căn ảnh......................................60

Cơ sở tính tốn các thơng số của hệ thống.........................................62

2.6.1

Tính tốn độ phân giải của máy chiếu, tiêu cự hệ quang của máy
ảnh.............................................................................................62

2.6.2

Tính tốn khoảng cách đường cơ sở giữa 2 máy ảnh.................64

2.7

Kết luận..............................................................................................66

Chương 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ
BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG......67
3.1

Nghiên cứu nâng cao độ chính xác khi đo 3D các chi tiết cơ khí.......67

3.1.1

Nghiên cứu kỹ thuật ảnh động dải rộng cho ánh sáng cấu trúc 67

3.1.2

Kỹ thuật HDR đối với mã Gray và dịch chuyển đường.............67

3.1.3

Phương pháp hiệu chuẩn cho hệ thống đo 3D............................71

3.1.4

Xác định ma trận chuyển vị của bàn máy với đầu đo.................79

3.2

Tính tốn lựa chọn cấu hình hệ thống thu nhận ảnh 3D bằng ánh sáng
cấu trúc...............................................................................................84

3.2.1

Lựa chọn thiết bị chiếu vân........................................................84

3.2.2

Lựa chọn máy ảnh.....................................................................86

3.2.3

Tính tốn lựa chọn thấu kính cho máy ảnh và đường cơ sở.......86

3.3

Kết luận..............................................................................................90

Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY
DỰNG..................................................................................................................... 91
4.1

Xây dựng thiết bị quét 3D..................................................................91

4.1.1

Thông số và cấu tạo thiết bị quét...............................................91

4.1.2

Đồng bộ tín hiệu giữa máy ảnh và máy chiếu...........................94

4.1.3

Xây dựng phần mềm xử lý thu nhận ảnh 3D của chi tiết cơ khí
96 4.2
Xác định thơng số của hệ thống.................................................98

4.3

Thực nghiệm xác định ma trận chuyển vị các vị trí của bàn máy.....101

4.3.1

Bàn máy theo trục U................................................................104

4.3.2

Bàn máy theo trục W...............................................................104

4.3.3

Bàn máy theo trục Z................................................................105

4.4

Thực nghiệm thu ảnh 3D của chi tiết cơ khí.....................................106


4.4.1

Tạo ảnh chiếu mã Large-Gap Graycode và dịch đường...........106

4.4.2

Thông số thiết lập cho hệ thống...............................................107

4.4.3

Chiếu và thu nhận ảnh vân.......................................................107

4.4.4

Tính toán ảnh 3D sử dụng ảnh độ sâu......................................109

4.5

Thực nghiệm phương pháp ảnh động dải rộng đối với vân graycode và
dịch đường.......................................................................................113

4.5.1

Thí nghiệm 1: Thay đổi giá trị cường độ dịng điện LED của máy
chiếu........................................................................................114

4.5.2

Thí nghiệm 2: Thay đổi giá trị phơi sáng vân của máy chiếu. .115

4.5.3

Thí nghiệm 3: Thay đổi giá trị khuếch đại số của máy ảnh......116

4.5.4

Thí nghiệm 4: Thay đổi giá trị tốc độ cửa trập của máy ảnh....117

4.6

Hiệu chuẩn dữ liệu quét 3D của hệ thống.........................................120

4.6.1

Hiệu chuẩn với quả cầu chuẩn.................................................120

4.7

Đánh giá độ chính xác đo của hệ thống xây dựng được sử dụng căn
mẫu chuẩn........................................................................................127

4.8

Thực nghiệm quét và đo với một số chi tiết cơ khí..........................129

4.8.1

Thực nghiệm đo kích thước với chi tiết puly...........................129

4.8.2

Thực nghiệm đo chi tiết piston................................................131

4.8.3

Quét một số chi tiết khác.........................................................134

4.9

Kết luận............................................................................................136

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN...................................................137
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.....................................................138
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................139
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.....148
PHỤ LỤC.....................................................................................................1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Thuật ngữ tiếng Anh

Giải thích

1.
2.

SL
3D

Structured Light
Three-dimensional

3.

CMM

4.

LCD

Coordinates Measuring
Machine
Liquid Crystal Display

5.

DLP

Digital Crystal Display

6.

BNF

7.

GMNF

8.

ICP

9.

CAD

10.

SICP

11.

PS-R

12.

RPMS

Reference Point Markers

13.
14.

HDR

High Dynamic Range
Unwrap Phase

: Các điểm đánh dấu tham chiếu
được sử dụng cùng với tính năng
quét 3D để đảm bảo độ chính xác
cao trong phép đo. Các điểm đánh
dấu được dán lên chi tiết trước khi
quét.
: Ảnh động dải động.
: Mở pha

Pin Hole

: Lỗ nhỏ

15.

: Ánh sáng cấu trúc.
: Khơng gian ba chiều là một mơ
hình hình học có ba thông số là
chiều dài, chiều rộng, chiều cao.
: Máy đo tọa độ.

: Màn hiển thị tinh thể lỏng.

: Công nghệ xử lý ánh sáng kỹ
thuật số, dùng các gương rất nhỏ
để phản chiếu ánh sáng.
: Bộ lọc dựa trên giá trị trung bình
Bilateral Normal Filter
các chuẩn lân cận theo cách
không đẳng hướng.
Guided Mesh Normal
: Bộ lọc sử dụng chiến lược lọc
Filtering
lưới điểm theo pháp tuyến được
hướng dẫn.
: Thuật toán được sử dụng để
Iteractive Closest Point
giảm thiểu sự khác biệt giữa hai
đám mây điểm trong không gian
3D.
Computer-aided design
: Thiết kế được sự hỗ trợ của máy
tính
Sparse Iteractive Closest Point : Thuật tốn tối ưu hóa ICP sử
dụng các chỉ tiêu gây ra sự phân
tán.
: Đăng ký tập hợp điểm, còn được
Point-Set Registration
gọi là đăng ký đám mây điểm
hoặc đối sánh qt, là q trình
tìm kiếm sự biến đổi khơng gian

giúp căn chỉnh hai đám mây điểm.


16.
17.
18.
19.

CCD

20

CMOS

21

Epipolar
Scroll Shutter
Global Shutter
Charge Coupled Device

Complementary MetalOxide-Semiconductor
Stereo Vision

22.

Correspondence Problem

23.

Depth Map

: Ảnh của tâm chiếu của máy ảnh
: Màn trập dạng cuộn
: Màn trập dạng tồn cục
: Cảm biến chuyển đổi hình ảnh
quang học sang tín hiệu điện trong
các máy thu nhận hình ảnh dưới
dạng nhị phân.
: Cảm biến máy ảnh sử dụng bộ
lọc màu RGB sau đó chuyển sang
dữ liệu dạng số.
: “Tầm nhìn nổi”, Phương pháp sử
dụng hai máy ảnh để tái cấu trúc
vật thể dưới dạng 3D.
: Vấn đề xác định phần nào của
một hình ảnh tương ứng với phần
nào của hình ảnh khác.
: Ảnh độ sâu.

SLS

Structured-light Stereo

25.

PS

Phase Shifting

: Kỹ thuật lai khi sử dụng hai máy
ảnh và một máy chiếu vân ánh
sáng cấu trúc.
: Dịch pha

26.

GC

Graycode

: Mã hóa mức xám

27.

Structured Pattern

: Mẫu vân được cấu trúc

28.

Mask-Image

: Ảnh mặt nạ, giá trị không xác
định là giá trị bằng 0 và giá trị xác
định có thể bằng 1 hoặc 255

24.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Các phương pháp đo trong ánh sáng cấu trúc Slavi 2010 (nguồn: [19])
12 Bảng 1-2 Ưu và nhược điểm của các loại kỹ thuật HDR (nguồn [53])
.................................................................................................................................
22
Bảng 2-1 Bảng mã Gray cho 16 bit.........................................................................29
Bảng 2-2 Bảng mã Graycode mã hóa cho vân chiếu...............................................29
Bảng 2-3 Độ phân giải của hệ thống với giá trị 2n.................................................. 31
Bảng 3-1 Thơng số tính tốn FOV và độ phân giải theo khoảng cách T.................86
Bảng 3-2 Bảng thông số FOV và độ phân giải của máy ảnh theo chiếu sâu Z........89
Bảng 4-1 Thông số hiệu chuẩn máy ảnh và hệ máy ảnh nổi..................................101
Bảng 4-2 Bảng các thông số thiết lập PWM cho các LED....................................115
Bảng 4-3 Thông số thiết lập các giá trị phơi sáng của vân khác nhau..................116
Bảng 4-4 Thiết lập các giá trị khuếc đại số khác nhau cho máy ảnh.....................116
Bảng 4-5 Thiết lập các giá trị Shutter speed khác nhau cho camera.....................117
Bảng 4-6 Bảng so sánh số ảnh lấy mẫu và thời gian thực hiện giữa các phương
pháp HDR
...............................................................................................................................
120
Bảng 4-7 Sai số phép đo cho dữ liệu hình cầu áp dụng phương pháp bình phương
nhỏ nhất
...............................................................................................................................
123
Bảng 4-8 Bảng giá trị phương trình hiệu chuẩn cho các trục tọa độ.....................125
Bảng 4-9 Sai số phép đo cho dữ liệu hình cầu áp dụng phương trình hiệu chuẩn 126
Bảng 4-11 Bảng kết quả đo chi tiết Puly (các số liệu đo được thể hiện trong bảng 5
PHỤ
LỤC
2)
...............................................................................................................................

131
Bảng 4-12 Bảng kết quả đo đường kính piston......................................................134


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1-1 Phương pháp đo khoảng cách tam giác.....................................................6
Hình 1-2 Hệ thống đo khoảng cách 3D thụ động......................................................6
Hình 1-3 Hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác chủ động sử dụng
máy ảnh CCD làm phần tử thu
...................................................................................................................................
7
Hình 1-4 Hệ thống đo khoảng cách 3 chiều chủ động với một nguồn Laser.............8
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])
.................................................................................................................................
10
Hình 1-6 Sơ đồ tổng quan các kỹ thuật sử dụng vân chiếu trong phương pháp ánh
sáng cấu trúc (nguồn: [17])....................................................................................11
Hình 1-7 Mơ hình hệ thống sử dụng ánh sáng cấu trúc a) sử dụng 1 máy ảnh + 1
máy chiếu, b) sử dụng 2 máy ảnh + 1 máy chiếu
.................................................................................................................................
15
Hình 1-8 Mơ hình hệ thống thu nhận ảnh 3D Jens Gühring (nguồn: [33]).............17
Hình 1-9 Chuỗi vân mã Gray 4bit (phía trên) và chuỗi vân dịch chuyển đường bước
6 (phía dưới) (nguồn: [33])
.................................................................................................................................
18
Hình 1-10 Sơ đồ các bước thực hiện trong quá trình xử lý tạo ra đám mây điểm 3D
sử dụng mã Gray và dịch đường Jens Gühring (nguồn: [33])
.................................................................................................................................

19
Hình 1-11 Mơ hình so sánh đám mây điểm qt sử dụng ICP.................................20
Hình 2-1 Minh họa mã hóa 3bit nhị phân và thứ tự thay đổi tối thiểu giữa 2 giá trị
theo khoảng cách hamming (nguồn: [71])
.................................................................................................................................
28
Hình 2-2 Mã hóa theo mã nhị phân (nguồn: [71])..................................................28
Hình 2-3 Mã hóa theo dạng Mã Gray đối xứng (nguồn: [71])................................28
Hình 2-4 Chuỗi ảnh mã Gray..................................................................................29
Hình 2-5 Minh họa vân chiếu Graycode 10 bit........................................................30
Hình 2-6 Các ảnh của vân chiếu của mã Graycode với 10 bit................................30
Hình 2-7 Mã vân Graycode và Large-Gap Gray code 7 bit (nguồn: [74])..............32
Hình 2-8 So sánh kích thước bước giữa các vân của mã Gray và mã Large-Gap
Graycode tại các bit khác nhau (nguồn: [75])
.................................................................................................................................
33
Hình 2-9 Vân chiếu mã Gray tại bit thứ 9 lên mặt phẳng nghiêng theo trục Z........33


Hình 2-10 Vân chiếu mã Large-Gap Graycode tại bit thứ 10 lên mặt phẳng nghiêng
theo trục Z
.................................................................................................................................
34
Hình 2-11 Chuỗi vân mã Gray 4bit (phía trên) và chuỗi vân dịch chuyển đường
bước 6 (phía dưới) (nguồn: [33])
.................................................................................................................................
34
Hình 2-12 Ảnh chiếu a) ảnh là các bit BẬT và ảnh b) toàn bộ bit TẮT...................35
Hình 2-14 Biểu diễn một biểu đồ mức xám của một ảnh.........................................39
Hình 2-15 Đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác đạc..................................42

Hình 2-16 Nguyên lý đo quang học sử dụng tam giác đạc......................................43
Hình 2-17 Biểu diễn điểm dưới dạng điểm và véc tơ...............................................44
Hình 2-18 Biểu diễn chùm tia chiếu tới vật thể dưới dạng mặt phẳng.....................45


Hình 2-19 Tam giác đạc giao điểm giữa mặt phẳng và đường thẳng (nguồn: [79])
..................................................................................................................................
46
Hình 2-20 Tam giác đạc bởi giao điểm giữa 2 đường thẳng (nguồn: [79]).............47
Hình 2-21 Xác định giao điểm gần đúng của 2 đường thẳng (nguồn: [79])............48
Hình 2-22 Mơ hình hệ thu ảnh lỗ nhỏ (nguồn: [79])...............................................50
Hình 2-23 Mơ hình hệ thu ảnh lỗ nhỏ chuyển đổi (nguồn: [79]).............................50
Hình 2-24 Mặt phẳng ảnh được xác định bởi đường thẳng trên ảnh và tâm chiếu .
52 Hình 2-25 Méo xuyên tâm
.................................................................................................................................
54
Hình 2-26 Bàn cờ được sử dụng để hiệu chỉnh máy ảnh 9x12 ơ đen trắng.............55
Hình 2-27 Mơ hình 2 máy ảnh đã được khử méo,

,Or

Ol

là tâm phép chiếu; P là điểm

thực cần được đo khoảng cách Z (nguồn: [83])......................................................57
Hình 2-28 Hệ tọa độ của ảnh trong máy ảnh nổi (nguồn: [83]).............................58
Hình 2-29 Mặt phẳng Epipolar tạo bởi điểm và hai tâm chiếu của hai máy ảnh; hai
điểm epipole là các giao điểm của đường thẳng nối hai tâm chiếu 𝑂 𝑂, 𝑂 𝑂 với hai
mặt

phẳng
ảnh
.................................................................................................................................
59
Hình 2-30 Mối tương quan giữa hai máy ảnh được thể hiện trong ma trận chứa các
thơng
tin
về
ma
trận
quay
và
chuyển
vị
.................................................................................................................................
60
Hình 2-31 Sơ đồ hệ thống đo với thị giác nổi bằng ánh sáng cấu trúc....................62
Hình 2-32 Thơng số cơ bản của ống kính máy ảnh.................................................64
Hình 2-33 Mơ hình tính mặt phẳng chênh lệch trong hệ máy ảnh nổi.....................65
Hình 3-1 Định nghĩa vùng của cảm biến a) Cảm biến dạng quét theo đường, điểm
b) Cảm biến dạng quét hình ảnh chiếu vân ảnh 2 chiều [ISO 10360-8:2013] (nguồn
[95])
.................................................................................................................................
71
Hình 3-2 Biểu diễn giá trị . 𝑂ℎ. 1 × 25:
𝑂: 𝑂𝑂𝑂 và . 𝑂ℎ. 1 × 25: 𝑂: 𝑂𝑂𝑂
[ISO 10360-8:2013] (nguồn [95])...........................................................................72
Hình 3-3 Biểu diễn 3 kiểu đo khi thực hiện với quả cầu chuẩn a) Dịch chuyển, b)
Dạng xoay, c) Dạng tĩnh [ISO 10360-8:2013] (nguồn [95])
.................................................................................................................................

72
Hình 3-4 Hai kiểu hàm lỗi được sử dụng trong ước lượng phương trình mặt cầu
(theo [107])
.................................................................................................................................
74


Hình 3-5 xác định điểm nằm trên mặt cầu...............................................................77
Hình 3-6 Giao điểm của đoạn thẳng giữa tâm O của hình cầu với điểm điểm đo mp
và điểm mS thuộc hình cầu
.................................................................................................................................
78
Hình 3-7 Mơ hình lỗ nhỏ và chuyển vị tọa độ ảnh sang tọa độ thực (nguồn [108])
80 Hình 3-8 Bộ kit máy chiếu DLP LightCrafter 4500 và cấu tạo hệ chiếu sáng
.................................................................................................................................
84
Hình 3-9 Sơ đồ bố trí hình học của gương DMD 0.45inch dạng kim cương...........85
Hình 3-10 Máy ảnh Grasshopper GS3-U3-32S4C-C do hãng FLIR sản xuất.........86
Hình 3-11 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=80mm.......................87
Hình 3-12 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=100mm.....................87
Hình 3-13 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ phân giải với T=120mm.....................87
Hình 3-14 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=80mm.....................88


Hình 3-15 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=100mm...................88
Hình 3-16 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ độ chênh lệch với T=120mm...................89
Hình 4-1 Sơ đồ thiết kế hệ thống đo 3D................................................................... 91
Hình 4-2 Cấu tạo bên trong của thiết bị quét 3D..................................................... 91
Hình 4-3 Thiết bị thực nghiệm thu nhận ảnh 3D chi tiết cơ khí...............................92
Hình 4-4 Thiết kế 3D và thiết bị sau khi chế tạo...................................................... 92

Hình 4-5 Sơ đồ cấu tạo và điều khiển thiết bị qt 3D............................................ 93
Hình 4-6 Thiết lập kích khởi của máy ảnh trong chế độ “Mode 0” do hãng
pointgrey cung cấp
.................................................................................................................................
94
Hình 4-7 Thiết lập kích khởi của máy ảnh trong chế độ Mode 14 chồng chập 2 lần
phơi sáng
.................................................................................................................................
94
Hình 4-8 Sử dụng kích khởi cho chiếu vân lightcrafter 4500..................................95
Hình 4-9 Sơ đồ điều khiển và đồng bộ tín hiệu trong hệ thống................................ 95
Hình 4-10 Sơ đồ đồng bộ tín hiệu của 2 máy ảnh và máy chiếu theo thời gian.......96
Hình 4-11 Giao diện của phần mềm........................................................................ 96
Hình 4-12 Phần mềm được xây dựng cho quá trình hiệu chuẩn..............................99
Hình 4-13 Hiệu chỉnh tiêu cự và khẩu độ trên ống kính máy ảnh............................ 99
Hình 4-14 Điều chỉnh độ sáng tối của máy ảnh....................................................... 99
Hình 4-15 Sơ đồ thuật tốn hiệu chuẩn và phần mềm........................................... 100
Hình 4-16 Chụp ảnh và phát hiện các giao điểm ơ bàn cờ trên phần mềm...........100
Hình 4-17 Sơ đồ các khâu khớp của hệ đồ gá tự động..........................................101
Hình 4-18 Sơ đồ khối tiến trình chụp ảnh mẫu bàn cờ cho mỗi trục chuyển động
102 Hình 4-19 Sơ đồ khối tiến trình tìm ma trận quay R và T cho từng vị trí
...............................................................................................................................
103
Hình 4-20 Phần mềm thực hiện tìm ma trận chuyển vị của trục quay...................103
Hình 4-21 Dữ liệu các vị trí 3D giao điểm ơ bàn cờ khi quay trục U và dữ liệu sau
khi thực hiện phép quay và tịnh tiến về điểm gốc tọa độ bàn máy
...............................................................................................................................
104
Hình 4-22 Biểu đồ sai lệch tổng của từng vị trí so với điểm gốc tọa độ trục U.....104
Hình 4-23 Dữ liệu các vị trí 3D giao điểm ô bàn cờ khi quay trục W và dữ liệu sau

khi thực hiện phép quay và tịnh tiến về điểm gốc tọa độ bàn máy
...............................................................................................................................
105
Hình 4-24 Biểu đồ sai lệch tổng của từng vị trí so với điểm gốc tọa độ trục W.....105


Hình 4-25 Dữ liệu các vị trí 3D giao điểm ô bàn cờ khi dịch chuyển tịnh tiến theo
trục Z và dữ liệu sau khi thực hiện phép quay và tịnh tiến về gốc tọa độ bàn máy
105 Hình 4-26 Biểu đồ sai lệch tổng của từng vị trí so với điểm gốc tọa độ tịnh
tiến Z
................................................................................................................................
106
Hình 4-27 Nạp ảnh vân vào bộ nhớ của thiết bị chiếu Light craft 4500................107
Hình 4-28 Sơ đồ thuật tốn và q trình chụp ảnh vân chiếu lên chi tiết đo.........108
Hình 4-29 Sơ đồ xử lý tính tốn ảnh 3D từ tập ảnh chụp từ máy ảnh....................109
Hình 4-30 a)Ảnh giải mã nhị phân máy ảnh bên Trái, b) Chuyển từ mã nhị phân
theo tham chiếu giá trị cho mã Large-Gap Graycode........................................... 110
Hình 4-31 a) Ảnh giải mã nhị phân máy ảnh bên Phải, b) chuyển từ mã nhị phân
theo tham chiếu giá trị cho mã Large-Gap Graycode........................................... 110
Hình 4-32 Vùng xác định chiếu sáng và loại bỏ các vùng có độ chênh lệch thấp .
110 Hình 4-33 Biểu diễn các đỉnh vạch dịch đường của máy ảnh bên trái............111
Hình 4-34 Ảnh độ sâu của chi tiết quét.................................................................. 111
Hình 4-35 Ảnh 3D thu được của chi tiết quét trên phần mềm thực nghiệm...........112
Hình 4-36 Ảnh dữ liệu 3D của chi tiết trục cam và chi tiết nhơm mặt máy...........113
Hình 4-37 a) Ảnh chụp chi tiết cơ khí, b) biểu đồ mức xám................................... 114
Hình 4-38 Biểu đồ tỷ lệ giữa xung PWM và giá trị dòng điện thiết lập cho các LED
RED, GREEN và BLUE (nguồn hãng TI).............................................................. 114
Hình 4-39 Ảnh HDR sau khi tái tạo, ảnh 3D, hàm phản hồi của máy ảnh đối với các
giá trị mức xám khác nhau khi thay đổi dòng điện LED........................................ 115
Hình 4-40 Ảnh tái tạo HDR, ảnh 3D và hàm phản hồi của máy ảnh khi thay đổi giá

trị phơi sáng vân chiếu.......................................................................................... 116
Hình 4-41 Ảnh tái tạo HDR, dữ liệu và hàm phản hồi của máy ảnh khi thay đổi
khuếch đại số......................................................................................................... 117
Hình 4-42 Ảnh tái tạo HDR và dữ liệu 3D và hàm phản hồi của máy ảnh khi thay
đổi các giá trị tốc độ cửa trập của máy ảnh.......................................................... 117
Hình 4-43 Sơ đồ xử lý tạo ảnh HDR cho quét 3D chi tiết...................................... 118
Hình 4-44 a) Ảnh tổng hợp HDR theo phương pháp đề xuất,................................ 119
Hình 4-45 Dữ liệu 3D thu được a) Với một giá trị phơi sáng b) phương pháp hợp
nhất đa phơi sáng c) Phương pháp đề xuất
...............................................................................................................................
120
Hình 4-46 Phần mềm tính toán hiệu chuẩn dữ liệu quét 3D với quả cầu chuẩn....121
Hình 4-47 Dữ liệu quét sau khi thực hiện phương pháp bình phương nhỏ nhất cho
biên dạng hình cầu
...............................................................................................................................
122
Hình 4-48 biểu đồ phân bố chuẩn Gaussian của 4 mẫu quét................................124


Hình 4-49 Dữ liệu quét áp dụng phương trình hiệu chuẩn cho từng trục tọa độ...126
Hình 4-50 Bộ căn mẫu chuẩn cấp 0 của hãng Mitutoyo........................................ 127
Hình 4-52 Tạo mặt phẳng trên bậc 1 bằng phần mềm Gom Inspect......................128
Hình 4-53 Phép đo khoảng cách giữa 1 điểm thuộc mặt phẳng 1 so với mặt phẳng 2
................................................................................................................................
128
Hình 4-54 Dựng các mặt phẳng bậc và đo khoảng cách.......................................129
Hình 4-55 Chi tiết Puly trong động cơ ơ tơ THACO.............................................. 130
Hình 4-56 Dữ liệu quét 3D toàn bộ chi tiết puly trên phần mềm thực nghiệm.......130
Hình 4-57 Đo các kính thước trên phần mềm Gom Inspect...................................131
Hình 4-58 Sơ đồ tính tốn đường kính lỗ nhỏ nhất có thể đo được tại vị trí góc

nghiêng của chi 45o
...............................................................................................................................
132
Hình 4-59 Chi tiết piston động cơ xe máy và dữ liệu quét 3D chi tiết piston trên
phần mềm thực nghiệm
...............................................................................................................................
133
Hình 4-60 Đo đường kính ngồi chi tiết piston trên phần mềm Gom Inspect........134
Hình 4-61 Dữ liệu quét chi tiết bằng vật liệu đồng............................................... 135
Hình 4-62 Dữ liệu quét vật thể hình con cá bằng nhựa được mạ bằng vàng 24K.
135 Hình 4-63 Dữ liệu quét khi đã ghép nối các góc quét của tượng hổ bằng vật
liệu sáp
................................................................................................................................
136


MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong nền sản xuất công nghiệp hiện nay, các hệ thống tự động đo lường, kiểm tra
có vai trị hết sức quan trọng cho mục đích quản lý chất lượng sản phẩm. Trong vài
thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành trong lĩnh vực đo lường
dựa trên thông tin hình học 3D, do vậy độ chính xác của các chi tiết chế tạo đã được
nâng cao đáng kể.
Việc sử dụng các cảm biến Laser cho thu nhận thông tin 3D đã có những cải tiến
trong q trình thu thập dữ liệu cả về thời gian và hiệu năng tính tốn. Tuy nhiên đối
với q trình kiểm sốt chất lượng cho đến nay, vì thiếu các kỹ thuật thích hợp để xử
lý và kiểm tra dữ liệu đám mây điểm quét 3D nên chưa đạt được độ chính xác cao. Do
đó, việc quản lý chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp vẫn buộc phải sử
dụng phương pháp truyền thống kết hợp với máy đo CMM mặc dù quá trình xử lý này
mất rất nhiều thời gian.

Cùng với sự phát triển lâu đời của phương pháp quét Laser, phương pháp thu nhận
hình ảnh 3D của chi tiết sử dụng ánh sáng cấu trúc có những bước đột phá về nghiên
cứu trong nhiều năm trở lại đây giúp cho việc nâng cao độ chính xác của dữ liệu 3D
thu được. So với phương pháp sử dụng Laser, phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc
(là một trong những phương pháp sử dụng tam giác đạc) có những ưu điểm vượt trội
về thời gian lấy mẫu, số lượng điểm ảnh, kết cấu nhỏ gọn, không tiếp xúc đến bề mặt
vật thể đo.
Các thiết bị quét và đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thế giới hiện nay có
thể kể đến các hãng như: Gom – CHLB Đức (hệ thống quét 3D và giải pháp đo lường
tự động trong công nghiệp), Rescan của hãng Solutionix – Hàn Quốc (Thiết bị và giải
pháp quét mẫu 3D), 3D Creaform – Canada nổi tiếng với sản phẩm Handyscan 3D
(các thiết bị quét cầm tay tốc độ cao)… Độ chính xác đạt được của các thiết bị này tốt
nhất là 0.01mm. Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị quét 3D rất cao từ 50.000 USD
cho thiết bị quét và 100.000 USD khi có thêm phần mềm đo, kiểm tra.
Với sự phát triển của ngành chế tạo máy và phụ trợ công nghiệp đáp ứng các nhu
cầu đặt hàng không chỉ trong nước và các doanh nghiệp FDI, kiểm soát chất lượng sản
phẩm là một trong những thách thức hiện nay. Việc áp dụng các kỹ thuật đo nhanh, độ
chính xác cao trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu, nhất là với các chi tiết có
hình dáng phức tạp (các chi tiết cơ khí trong ơ tơ, máy in, khn mẫu,…), nhiều kích
thước cần đo với các chuẩn gốc kích thước ảo. Do vậy, việc nghiên cứu để nội địa hóa
chế tạo và thương mại các thiết bị đo nhanh là một trong những mục tiêu mà nền khoa
học của Việt Nam cần nghiên cứu để thực hiện.
Luận án “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH
SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG” với mục tiêu nghiên

18


cứu có tính cấp thiết cả về khía cạnh khoa học – công nghệ ứng dụng, đáp ứng nhu cầu
cấp thiết hiện nay cho q trình kiểm sốt – số hóa chất lượng sản phẩm trong sản xuất

cơ khí và theo kịp xu hướng phát triển của các hệ thống đo lường quang học hiện đại.
1.2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Mục đích chính của luận án là nghiên cứu phương pháp đo hình học 3 chiều của
các chi tiết cơ khí trên cơ sở bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa mã Gray và dịch
đường. Cơ sở lý thuyết về phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo
và đề xuất phương án nâng cao độ chính xác. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo hình học 3
chiều của chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa mã Gray và dịch đường.
Luận án cần thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:
-

Nghiên cứu phương pháp ánh sáng cấu trúc khi sử dụng kết hợp giữa mã Gray
và dịch đường.
Nghiên cứu xác định các thông số của các thành phần và của hệ thống đo.
Nghiên cứu lựa chọn, đánh giá mẫu vân Gray giảm nhiễu trong quá trình giải
mã vân khi chiếu lên bề mặt vật.
Nghiên cứu tối ưu quá trình xác định các đỉnh vân chiếu dịch đường.
Nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng ảnh 3D của bề mặt vật khi đo
các chi tiết cơ khí có độ sáng, bóng.
Phân tích lựa chọn sơ đồ nguyên lý và các thành phần khi xây dựng mơ hình
thiết bị đo; thiết kế chế tạo thiết bị thực nghiệm và phương pháp hiệu chuẩn.
Thực nghiệm đo đạc, xử lý kết quả, so sánh và rút ra các kết luận cơ sở cho các
phương hướng nghiên cứu tiếp theo, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng
đến đặc tính và hoạt động của mơ hình.
1.3 Đối tượng nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là phương pháp đo bề mặt 3D của chi tiết cơ khí
sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa mã Gray và dịch đường. Trong đó luận án tập
trung vào phương pháp kết hợp giữa mã Gray và dịch đường, các thành phần trong hệ
thống, độ chính xác của thiết bị, các thuật toán tái tạo bề mặt 3D của chi tiết.
Đối tượng đo mà luận án tập trung là bề mặt 3D của chi tiết sau khi gia cơng cơ khí.

1.4 Phương pháp nghiên cứu của luận án
Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu tính tốn lý thuyết và thực nghiệm
Các nội dung nghiên cứu tập trung vào: Mơ hình tốn học của phương pháp dựng
điểm 3D của nguyên lý tam giác đạc từ ảnh độ sâu, phương pháp mã hóa vân chiếu và
xử lý tập dữ liệu sau khi thu nhận.
Phương pháp thực nghiệm tập trung vào: Xây dựng, hiệu chỉnh và đánh giá thực
nghiệm đặc tính kỹ thuật của thiết bị, đồng bộ tín hiệu giữa các linh kiện quang cơ
điện tử; khảo sát đo đạc một số mẫu chi tiết cơ khí từ đó so sánh với kết quả mơ
hình biết


trước để xác định các thơng số đặc tính của bề mặt vật liệu nhằm đưa ra các nghiên cứu
nâng cao, cải tiến về mặt phương pháp và kỹ thuật.
1.5 Phạm vi nghiên cứu
Xây dựng mơ hình thiết bị đo cấu trúc hình học 3D của bề mặt chi tiết cơ khí sử
dụng cơng nghệ ánh sáng cấu trúc.
Thiết bị dùng để đo cấu trúc hình học 3D của bề mặt chi tiết cơ khí yêu cầu độ
chính xác kích thước ± 20 µm; phạm vi đo tối đa: 200x200x200 mm (Diìrngìcao),
phõn gii nh nht 140 àm.
1.6 í ngha khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
a) Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu:
- Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày cơ sở phương pháp đo 3D chi tiết cơ khí
sử dụng phương pháp mã Gray kết hợp dịch chuyển đường, giúp làm chủ lý thuyết và
kỹ thuật đo của phương pháp này.
- Nghiên cứu một số các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo đề
xuất.
- Đề xuất phương án sử dụng kỹ thuật ảnh động dải rộng để thu nhận bề mặt các chi tiết
cơ khí có độ sáng bóng cao.
- Xây dựng và hồn thiện phần mềm đo quét 3D chi tiết cơ khí sử dụng mã Gray và dịch
đường.

b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu:
- Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo 3D bằng phương pháp sử dụng mã Gray
và dịch đường.
1.7 Những đóng góp mới
Những điểm mới của luận án được đề cập dưới đây chưa được thể hiện trong
bất kỳ công bố khoa học nào khác:
- Nghiên cứu phương pháp mã hóa các điểm trên bề mặt vật sử dụng mã vân
Gray bước lớn thay thế cho mã vân Gray đối xứng làm tăng độ phân giải hệ thống,
tăng chiều sâu thu nhận và giảm lỗi trong quá trình giải mã.
- Nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp xác định vùng chiếu vân nhằm giảm
thời gian tính tốn và đảm bảo độ chính xác, loại bỏ được các vùng không xác định tại
biên của vùng chiếu vân.
- Nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp xác định tâm của vạch sáng trên vân
dịch chuyển đường khi xét đến độ mở của vạch và các điều kiện biên để tăng độ chính
xác của đỉnh vạch sáng dưới đơn vị điểm ảnh.


- Nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp tạo ảnh động dải rộng mới khi chụp
mẫu vân chiếu với các giá trị thiết lập thời gian cửa sổ trập khác nhau đối với máy ảnh
nhằm tăng khả năng thu nhận ảnh bề mặt 3D đối với các chi tiết có độ sáng, bóng cao
hoặc các chi tiết có màu tối với thời gian xử lý và khối lượng tính tốn thấp.
- Đánh giá được các tham số của máy ảnh và máy chiếu tác động đến quá trình đo chi
tiết cơ khí có đặc tính độ bóng cao, bề mặt sáng, từ đó chọn lựa được bộ thơng số thiết
lập phù hợp cho quá trình thu nhận với các chi tiết khác có cùng tính chất bề mặt
tương tự.
- Nghiên cứu sử dụng phương trình hình cầu và quả cầu chuẩn để xác định phương trình
hiệu chuẩn cho các trục OX, OY, OZ.
- Xây dựng thành công mô hình thu nhận ảnh 3D của các chi tiết cơ khí đạt được kết
quả:
+ Độ phân giải điểm ảnh 140 µm.

+ Thời gian quét ảnh 1,2 ms, thời gian tính tốn tối đa: 30 µs.
+ Số điểm ảnh 3D tối đa thu được: 1.039.680 điểm ảnh có dạng: tọa độ 3D: X, Y,
Z và giá trị màu tương ứng: Đỏ, xanh lá cây, xanh da trời.
- Đã ứng dụng hệ thống này để tái tạo bề mặt 3D và đo kích thước của một số chi tiết cơ
khí.
1.8 Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm: Phần mở đầu, bốn chương, kết luận.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan các phương pháp thu nhận bề mặt 3D của vật thể bằng
ánh sáng cấu trúc
Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp trong công nghệ ánh sáng
cấu trúc bao gồm: Các phương pháp đo không tiếp xúc chủ động và bị động, phân
nhóm các phương pháp trong ánh sáng cấu trúc, các phương pháp sử dụng kỹ thuật
ảnh động dải rộng (HDR) để thu nhận bề mặt các chi tiết cơ khí có độ bóng cao, một
số cơng trình nghiên cứu trong nước từ đó luận giải lý do chọn lựa phương pháp kết
hợp mã Gray và dịch đường làm đối tượng nghiên cứu cho đo đạc bề mặt 3D của chi
tiết cơ khí.
Chương 2: Phương pháp đo 3D chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp
mã gray và dịch đường
Trong phần chương 2: Trình bày phương pháp mã hóa vân sáng theo Gray và dịch
đường, các phương pháp xử lý để xác định vùng chiếu vân và giải mã vân. Mơ hình
tốn học và hiệu chn của hệ máy ảnh nổi. Cơ sở tính tốn, thiết kế cho hệ thống thu
ảnh sử dụng ảnh độ sâu bằng ánh sáng cáu trúc mã Gray và dịch đường.


Chương 3: Nâng cao độ chính xác đo 3D chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu
trúc kết hợp mã gray và dịch đường
Trong phần chương 3: Trình bày nâng cao độ chính xác của hệ thống đo bằng ánh
sáng cấu trúc, trong đó bao gồm: Phương pháp tạo ảnh động dải rộng để giúp cho thu

nhận các chi tiết cơ khí có độ bóng cao, phương pháp hiệu chuẩn bằng quả cần chuẩn,
phương pháp xác định thông số dịch chuyển của bàn máy cho quá trình ghép nối dữ
liệu qt 3D tự động và chính xác. Tính tốn, lựa chọn thông số và linh kiện cho hệ
thống quét 3D bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng ảnh độ sâu trong hệ máy ảnh nổi.
Chương 4: Thực nghiệm trên thiết bị và phần mềm xây dựng
Trong phần chương 4: Trình bày hệ thiết bị thu ảnh 3D sử dụng 2 máy ảnh kết hợp
với 1 máy chiếu xây dựng phần mềm xử lý ảnh, lưu đồ các bước thực hiện để qt 3D
chi tiết cơ khí, cùng với đó là quá trình thực hiện dựa trên phần mềm do NCS tự xây
dựng để quét một số chi tiết cơ khí và một số chi tiết khác. Thực nghiệm xác định các
thông số của máy ảnh và máy chiếu đến khả năng thu nhận của các chi tiết có độ bóng,
sáng qua đó xác định được thơng số tối ưu và thực nghiệm sử dụng phương pháp HDR
để quét chi tiết cơ khí.


Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT 3D
CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
1.1 Các hệ thống đo quang học dựa trên phương pháp tam giác đạc
Phương pháp tam giác đạc [1] dựa trên một tiên đề quan trọng của lượng giác.
Theo tiên đề này, nếu biết trước độ dài của một cạnh và hai góc của một tam giác thì
có thể xác định được độ dài của các cạnh còn lại cũng như độ lớn của góc thứ ba. Định
luật Sin có thể được sửa lại như sau để biểu diễn độ dài của cạnh B theo độ dài của
cạnh A và

hai góc θ và φ : “Trong các ứng dụng đo khoảng cách, đối với các cảm biến đã biết trước
đường cơ sở A, độ dài của cạnh B chính là khoảng cách tới điểm P3 trên đối tượng”.
P1


B

A

P3




P2

Hình 1-1 Phương pháp đo khoảng cách tam giác.
Các hệ thống đo quang học dựa trên phương pháp tam giác đạc được chia thành
hai loại: Thụ động (chỉ dùng ánh sáng xung quanh đối tượng khảo sát) và chủ động
(dùng một nguồn năng lượng để chiếu sáng lên bề mặt đối tượng khảo sát).

Hình 1-2 Hệ thống đo khoảng cách 3D thụ động


a) Phương pháp đo thụ động
Các thiết bị dò hướng (máy quay phim, mảng cảm biến ảnh bán dẫn,…) của hệ
thống thụ động được đặt tại vị trí của điểm P1 và P2. Hai cảm biến hình ảnh được bố trí
để cùng nhìn đến điểm tạo thành một tam giác ảo. Bằng cách đo hai góc φ và θ, kết
hợp
với hướng và khoảng cách A đã biết của hai cảm biến ảnh, ta có thể xác định được
khoảng cách tới đối tượng quan tâm.
b) Phương pháp đo chủ động
Phương pháp đo chủ động là một dạng khác của phương pháp đo khoảng cách dựa
trên chênh lệch hệ máy ảnh nổi. Tuy nhiên, một trong hai máy ảnh được thay thế bởi
một nguồn sáng Laser (hoặc là đèn LED) chiếu vào bề mặt của đối tượng quan tâm.
Máy ảnh còn lại được bố trí cách nguồn sáng một khoảng cách cho trước và phải đảm
bảo rằng các điểm được chiếu sáng nằm trong vùng quan sát.

Các hệ thống chủ động đặt một nguồn ánh sáng điều khiển được (ví dụ như nguồn
phát tia Laser) tại điểm P1 hoặc điểm P2 và hướng về điểm P3. Một cảm biến ảnh sẽ
được đặt tại điểm còn lại và cũng hướng về điểm P3. Ánh sáng phát ra từ nguồn sáng
sẽ được phản xạ tại đối tượng, một phần của ánh sáng phản xạ sẽ truyền đến bộ thu. Vị
trí
của chùm sáng đó trên bộ dị cho phép xác định góc
được khoảng cách tới đối tượng.

φ , áp dụng định luật Sin sẽ tìm

Hình 1-3 Hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác chủ
động sử dụng máy ảnh CCD làm phần tử thu
Đối với các bộ dò kiểu mảng một chiều hoặc hai chiều thì khoảng cách được
xác định từ khoảng cách cơ bản A và vị trí tương đối của điểm sáng trên mặt phẳng
ảnh.
Đối với các bộ thu đơn có thể dịch chuyển như điốt quang hoặc transistor quang
thì góc quay của cảm biến và nguồn sáng được xác định tại thời điểm cảm biến quan
sát các điểm được chiếu sáng. Mối quan hệ lượng giác giữa các góc này và khoảng


cách cơ sở A cho phép xác định khoảng cách đến vật. Để có được thơng tin về những
vùng ba