Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

Cơng trình được hồn 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 cơng
nghệ tồn 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

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2016


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 thơng 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 cơng 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 cơng nghệ đo, xây dựng cơ sở tính tốn 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

1

độ phản xạ khơng 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 cơng việc ứng dụng mã hóa Gray để gỡ pha
trong phương pháp dịch pha.
Xây dựng được mơ 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 tốn 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 cơng tác giảng dạy tại bộ mơn 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 cơng 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.

2


Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo
dựa trên mơ hình tốn học cho camera và máy chiếu là mơ 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
mơ hình tốn 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 q 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 tốn thiết kế:
CAD, MS - Office, phân tích dữ liệu ảnh: Image J, mơ 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 tốn 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.

3


 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 ngun lý tam giác lượng trong quang học. Với mơ

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 thơng 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 tốn tọa độ các điểm đo trên bề mặt vật đo.
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc

4


“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 khơng 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 khơng
gian lớn thơng 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 địi 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 mơ 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 mơ 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 vng góc mặt phẳng tham chiếu, trục quang

5


camera vng 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 ngồi 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 thơng 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 cơng 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.
Chiếu vân và
chụp ảnh vân
chiếu

Dựng pha
tuyệt đối

Phân tích
vân

Hiệu

chuẩn

Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp
chiếu mẫu vân
Mơ hình tốn học sử dụng cho camera và máy chiếu là mơ
hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ quang. Chuyển
đổi hệ tọa độ ngồi khơng gian vào hệ tọa độ camera xác định
được:
(𝐶) (𝐶) (𝐶)
[𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] = 𝑅 [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] + 𝑇
(1.36)

Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ

6


(𝑝)

(𝑑)

𝑓𝑥 𝛼𝑓𝑦 𝑢0
(1.41)
𝐴 = [ 0 𝑓𝑦 𝑣0 ]
𝑃
𝑃
0
0
1
1

1
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 dịng sản phẩm phục vụ cơng
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 khơng cao, phần mềm đóng gói khơng thể can thiệp,
các đối tượng đo thường mới phục vụ các dạng sản phẩm thủ
cơng mỹ nghệ, các chi tiết có biên dạng bề mặt khơng địi 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 cơng 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
𝑢𝑃
𝑢𝑃
[𝑣 (𝑝) ] = 𝐴. [𝑣 (𝑑) ] ,

7


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 tốn sử dụng mã hóa Gray
làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây
dựng mô hình tốn 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 tốn 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

8


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 ngun 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 khơng 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.

9


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

10


i

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

11


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
𝑤
𝑙𝑜𝑔2 𝑃 . 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 cơng 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 thơng tin về tọa độ các
điểm đo thông qua tọa độ điểm ảnh và giá trị pha.

Hình 2.12 Sơ đồ mơ hình tốn học cho thiết bị [31].
z H  HH ' 

L AB
d  AB

2.3.2. Xây dựng phương pháp xác định 𝑍
tọa độ điểm đo

12

(2.63)


Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo
Các bước để tính tốn 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 tốn từ tọa độ pixel
của chúng bằng cách sử dụng mơ hình camera lỗ nhỏ và các nội
tham số của camera.Tọa độ 3D của MR và NR có thể được tính
tốn bằng phương pháp đường giao đường:
M R  C  PN P .CM I , N R  C  PN P .CN I
2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn
Khi sử dụng các thiết bị đo ln cần q trình hiệu chuẩn để
xác định các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện đo đến độ chính
xác phép đo, xác định các thơng số kĩ thuật của camera bao
gồm: ma trận nội tham số gồm các thơng số giúp cho tính các
tọa độ của vật lên trên cảm biến hình ảnh của camera, bộ tham
số méo ảnh tính tốn 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

13


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:
𝑓𝑥 𝛼 𝑢0
(2.84)
Ma trận nội tham số:[ 0 𝑓𝑦 𝑣0 ]
0 0 1
(2.85)

Hệ số méo ảnh: [𝑘1 𝑘2 𝑘3 𝑘4 𝑘5 ]
𝑟11 𝑟12 𝑟13 𝑡1
(2.86)
Ma trận ngoại tham số: [𝑟21 𝑟22 𝑟23 𝑡2 ]
𝑟31 𝑟32 𝑟33 𝑡3
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.

14


Xây dựng lên thuật tốn sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở
cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây dựng mơ hình
tốn 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 tốn 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 tốn lựa chọn camera và máy chiếu
3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo.
Sau khi xây dựng được mơ hình tốn 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.
Đối tượng
đo
Cảm biến
(camera & máy chiếu)

Ảnh hiệu chuẩn

Giải thuật hiệu
chuẩn thiết bị

Mặt phẳng
tham chiếu

Mẫu ảnh chiếu
Giải thuật tạo
mẫu ảnh chiếu

Ảnh chụp
đối tượng

Giải thuật xây dựng ảnh
pha tuyệt đối

Thông số hiệu

chuẩn

Ảnh pha tuyệt
đối của đối
tượng

Ảnh pha của mặt
phẳng tham chiếu

Giải thuật xây
dựng đám mây
điểm đo

Đám mây
điểm 3D của
đối tượng

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

15


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 tốn cho thiết bị thực nghiệm STL– 1
3.4.1. Tính tốn 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 tốn 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 tốn 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 tồn bộ chi tiết. Xây dựng các thuật toán xử
lý xác định tọa độ điểm đo. Các giải thuật và lưu đồ thuật tốn
thể hiện q 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. Ngồi 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.

16