Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 9
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 9
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .......................................................... 10
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 10
4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 11
5. Nội dung luận án ..................................................................................................... 12
6. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 13
CHƢƠNG 1 ......................................................................................................................... 14
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................... 14
1.1. Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................................. 14
1.2. Nguyên lý phƣơng pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lƣờng biên dạng
3D .................................................................................................................................... 18
1.2.1. Nguyên lý phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc .............. 18
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc ......................................................... 19
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng ...................................................................................... 27
1.2.4. Hệ thu ảnh vân ................................................................................................... 29
1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phƣơng pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. ....... 31
1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan ........................................................ 32
1.3.2. Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa .......................................... 34
1.3.3. Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu .................................................................... 35
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc............................................................... 38
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 38
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...................................................................... 43
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án................................................................ 45
CHƢƠNG 2 ......................................................................................................................... 47
PHƢƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ

DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA .................................... 47
1


2.1. Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha ..................................................... 47
2.1.1. Cơ sở phƣơng pháp dịch pha ............................................................................. 47
2.1.2. Đo lƣờng biên dạng 3D bằng phƣơng pháp dịch pha ........................................ 49
2.1.3. Các thuật toán dịch pha. .................................................................................... 53
2.1.4. Các phƣơng pháp gỡ pha ................................................................................... 56
2.1.5. Đặc điểm phƣơng pháp dịch pha ....................................................................... 59
2.2. Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phƣơng pháp
dịch pha. .......................................................................................................................... 59
2.2.1. Phƣơng pháp mã hóa Gray ................................................................................ 59
2.2.2. Nghiên cứu phƣơng pháp gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phƣơng pháp dịch
pha. .............................................................................................................................. 62
2.3. Xác định tọa độ điểm đo trong phƣơng pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ
pha. .................................................................................................................................. 67
2.3.1. Nguyên lý tam giác lƣợng trong xác định tọa độ điểm đo [31]......................... 67
2.3.2. Xây dựng phƣơng pháp xác định tọa độ điểm đo .............................................. 70
2.4. Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn .......................................................................... 73
2.4.1. Phƣơng pháp hiệu chuẩn camera ....................................................................... 73
2.4.2. Xây dựng phƣơng pháp hiệu chuẩn hệ thống camera và máy chiếu ................. 74
2.5. Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 77
CHƢƠNG 3 ......................................................................................................................... 78
CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƢƠNG PHÁP DỊCH
PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA ............................................................... 78
3.1. Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................... 78
3.1.1. Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến ............................................. 79
3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu .............................. 80
3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo. ...................................................................... 81

3.2.1. Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu ............................................................................. 82
3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh .............................................................................. 89
3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo.............................................................. 93
3.2.4. Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống......................................................................... 97
3.3. Đánh giá các sai số ảnh hƣởng đến độ chính xác thiết bị đo .................................... 99
3.3.1. Ảnh hƣởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ chính xác [31] ........................ 100
2


3.3.2. Ảnh hƣởng độ chính xác pha đến độ chính xác phép đo ................................. 102
3.3.3. Ảnh hƣởng quang sai đến độ chính xác........................................................... 104
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 ............................................. 106
3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................................... 106
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển ........................................................... 108
3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển ....................................................................... 109
3.5. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 110
CHƢƠNG 4 ....................................................................................................................... 111
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................... 111
4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 ........................................................... 111
4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu .................................................................................................. 113
4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến ....................................................... 117
4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cƣờng độ sáng của máy chiếu. ................................... 117
4.3.2. Hiệu chuẩn màu cho cảm biến ......................................................................... 122
4.3.3. Hiệu chuẩn cƣờng độ sáng ảnh xám ................................................................ 122
4.3.4. Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ ................ 125
4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo ........................................................................... 127
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở ............................................................................. 127
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn ............................................................................................ 130
4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn ................................................................................... 133
4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 .................................................... 135

4.5.1. Kết quả đo tại một phƣơng chiếu .................................................................... 135
4.5.2. Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phƣơng chiếu136
4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh ........................................................ 138
4.6. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................. 139
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 140
KIẾN NGHỊ....................................................................................................................... 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 142
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 151
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 152

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
2D

Không gian 2 chiều

3D

Không gian 3 chiều

CNC

Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính)

I(x, y)

Cƣờng độ sáng tại điểm (x,y)

I0(x, y)

Cƣờng độ sáng thành phần nền

Imod(x, y)

Biên độ tín hiệu điều chế

(x, y)

Thành phần pha

θ

Hằng số dịch pha

u

Phƣơng ngang cảm biến ảnh

v

Phƣơng dọc cảm biến ảnh

α

Góc nghiêng hai phƣơng u, v

k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trƣng quang sai
fx

Tiêu cự theo trục x

fy

Tiêu cự theo trục y

R

Ma trận quay

T

Ma trận chuyển vị

X(C) Y( C) Z(C)

Hệ tọa độ camera

XYZ

Hệ tọa độ máy

X(P) Y( P) Z(P)

Hệ tọa độ máy chiếu

N

Số bƣớc dịch pha

n

Số ảnh trong phƣơng pháp dịch pha

p

Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha

Ф (x, y)

Pha tuyệt đối

L

Khoảng cách hệ tâm camera và máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu

d

Khoảng cách tâm camera và máy chiếu

CCD

Cảm biến camera

DMD

Cảm biến máy chiếu

IP

Cƣờng độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (IP = 0 ÷255)

IC

Cƣờng độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (IC = 0 ÷255)

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường ...................... 17
Bảng 2 Giá trị mã hóa bit trên mẫu chiếu Gray .............................................................................. 65
Bảng 3 Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray. ............................................................................... 113
Bảng 4 Ảnh hưởng cường độ và chu kì trong phương pháp dịch pha. .......................................... 120
Bảng 5 Kết quả xác định ảnh pha .................................................................................................. 121
Bảng 6 Kết quả hiệu chuẩn thiết bị................................................................................................ 126
Bảng 7 Kết quả đo chi tiết trụ chuẩn ............................................................................................. 132
Bảng 8 Kết quả đo chi tiết cầu chuẩn ........................................................................................... 134

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. ................................................. 14
Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18] ................................ 15
Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5] .......... 15
(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa ......................................................................................... 15
Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44] 16
Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ............................................ 16

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] .......................................................................................... 19
Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] ...................................................................................................... 20
Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong không
gian Hilbert [114] ............................................................................................................................ 20
Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61] ................................................................................. 21
Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132] ............................................................................................ 21
Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61] ........................................................... 22
Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách sử dụng màu sắc [61]........................................................ 22
Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] ....................................................... 23
Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61] ................................................ 23
Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110] ............................................................................................. 24
Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] .................................................... 24
Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] ............................................. 25
Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84] ...................................................................................................... 25
Hình 1.19 Mô hình lưới màu sắc [2] ............................................................................................... 26
Hình 1.20 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] ............................................................. 26
Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD ................................................................. 27
Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28]
.......................................................................................................................................................... 28
Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP .................................. 29
Cấu tạo cảm biến ảnh CCD ............................................................................................ 30
Phần tử điểm ảnh không lý tưởng................................................................................... 30
Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) ..................................................... 31
Hình 1.27 Mô hình toán học cho sơ đồ bố trí tổng quát[135]. ....................................................... 31
Hình 1.28 Hệ thống SMFP và mô hình toán học của Srinivasan [113] .......................................... 33
Hình 1.29 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa .................................... 34
Hình 1.30 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP do Hu đề xuất.................................................... 36
Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân .............................. 38
Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ................................................................................... 41
Hình 2.1 Phương pháp dịch pha trong giao thoa Twyman – Green [17] ....................................... 48

6


Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha ....................................................... 49
Hình 2.3 Nguyên lý xác định độ cao điểm đo trên chi tiết............................................................... 51
Hình 2.4 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha ....................................................... 52
Hình 2.5 Mẫu chiếu dạng mã Gray. ................................................................................................ 60
Hình 2.6 Quá trình đo theo phương pháp Gray. ............................................................................. 62
a) Ảnh chụp chi tiết đo, b) ảnh pha theo hai phương; c) ảnh mô phỏng điểm đo 3D ...................... 62
Hình 2.7 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh .............................................................................. 63
Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu ................................................ 64
Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit .................................................. 64
Hình 2.10 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray ........ 66
Hình 2.11 Xác định pha trong phương pháp kết hợp ...................................................................... 66
Hình 2.12 Sơ đồ mô hình toán học cho thiết bị [31]. ...................................................................... 67
Hình 2.13 Sơ đồ hình học xác định độ cao điểm đo ........................................................................ 68
Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo ................................................................................... 71
Hình 2.15 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau ............ 72
Hình 2.16 Xác định tọa độ 3D của điểm M ..................................................................................... 72
Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] ............................................... 74
Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc................................................................ 75
Quy ước hệ tọa độ gốc trên ảnh của camera và máy chiếu ............................................ 75
Hình 2.20 Nguyên lý hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc ......................................................... 76
Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. .................................................. 79
Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến.................................................... 80
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu .................................................................................... 80
Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo ...................................................................................................... 82
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh Gray ............................................................................... 85
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh sin ................................................................................... 86

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chiếu và chụp ảnh trong quá trình đo ................................................. 88
Hình 3.8 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp .................. 88
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán giải mã phương pháp mã hóa Gray ...................................................... 90
Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán xác định pha tương đối trong phương pháp dịch pha ......................... 91
Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối ......................................................................... 92
Hình 3.12 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.................. 93
Hình 3.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng ............. 93
Hình 3.14 Trung điểm p1,2(λ1,λ2) với giá trị bất kỳ (hình trái) của λ1,λ2 .......................................... 94
và với giá trị tối ưu (hình phải) ........................................................................................................ 94
Hình 3.15 Sơ đồ thuật toán xác định đám mây điểm đo theo phương pháp hai đường thẳng giao
nhau .................................................................................................................................................. 96
Hình 3.16 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chuẩn thiết bị .................................................. 97

7


Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn thiết bị dùng mẫu in ô vuông bàn cờ ................................ 98
Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống ΔL/L tới ΔZL/ΔZ ............................................... 101
Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δd/d tới ΔZd/ΔZ ................................................ 101
Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δα/α tới ΔZα/ΔZ với k là hằng số .................... 102
Hình 3.21 Hình trụ độ không đảm bảo đo của điểm đo ................................................................ 105
Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu ................................................................................ 107
Hình 3.23 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 ......................... 108
Hình 3.24 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ ............................................................................ 109
Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1...................................................................... 111
Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo ................................................................................ 112
Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo....................................................... 113
Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray. ......................................................................................... 114
........................................................................................................................................................ 115
Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha ................................................... 115

Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha ...... 116
Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha ................................................................ 117
Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng. ..................................... 118
Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d) .... 118
Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray
........................................................................................................................................................ 119
Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị .......................................... 122
Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến
........................................................................................................................................................ 123
Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu .................................................... 124
Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn ................................................... 124
Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ ............................. 125
Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng ............................................ 130
Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM ........................................ 131
Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được ....................................................................... 131
Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h ................. 132
........................................................................................................................................................ 133
Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn ...................................................................... 133
Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. ........................................................... 134
Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu .............................. 136
Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu .................................. 137
Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. ............................................................. 138

8


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 nhƣ: đo lƣờng kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lƣợng quá

trình sản xuất, công nghệ thiết kế ngƣợc, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng
tái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ.... Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên
dạng chi tiết dƣới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu đƣợc có thể tái tạo lại biên
dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thƣớc,
góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau…. Những thông tin thu đƣợc từ hình ảnh
3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn.
Hai nhóm phƣơng pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không
tiếp xúc. Phƣơng pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
nhƣ các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo.... Đặc điểm chính của phƣơng pháp đo tiếp
xúc là phƣơng pháp đo từng điểm, mỗi điểm đƣợc xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với
bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác
định mỗi điểm đo lên đến phần mƣời giây do đó để đo một chi tiết thƣờng rất lâu. Phép đo
có các sai số do kích thƣớc đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề
mặt không xác định. Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thƣờng rất cao do các bộ phận cảm
biến đầu dò đƣợc mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao.
Phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phƣơng pháp sử
dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo đƣợc phân loại thành 2 dạng
phƣơng pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phƣơng pháp đo không tiếp xúc chủ
động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt
chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý nhƣ: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam
giác lƣợng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phƣơng pháp đo không tiếp xúc bị động sử
dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phƣơng pháp ảnh lập
thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt ngƣời), phƣơng pháp quang trắc, phƣơng pháp
dựa vào bóng của vật. Phƣơng pháp đo không tiếp xúc có thể đo đƣợc bề mặt các chi tiết
có kích thƣớc rất lớn nhƣ: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề
mặt vô định hình. Phƣơng pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phƣơng pháp
đo bị động thƣờng có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm
cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số
điểm đo tƣơng ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo
quét các chi tiết trực tuyến. Trong đó, phƣơng pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc

cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên đƣợc 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 nên việc gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ
9


nhiều ngành công nghiệp nhƣ: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn
mẫu...đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D. Với các doanh
nghiệp trong nƣớc việc đầu tƣ một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D
khá khó khăn, các sản phẩm muốn kiểm tra thƣờng thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm
đo lƣờng dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất. Mặt khác, thiết bị
đo nhập khẩu tính năng kĩ thuật không đƣợc khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của
hãng cung cấp, quá trình bảo dƣỡng sửa chữa có tính chuyên gia nên không thể chủ động
khai thác thiết bị đạt hiệu quả. Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sử
dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng
rãi, nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ sự phát triển của ngành cơ khí. Phƣơng pháp đo lƣờng
biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lƣờng trong
nƣớc. 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 góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong
nƣớc giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên
tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lƣờng. Xuất
phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi
tiết bằng phƣơng pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
a) Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lƣờng 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là đo lƣờng các bề mặt 3D chi tiết cơ khí đƣợc gia
công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc.... Nghiên cứu phƣơng pháp đo dịch
pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phƣơng pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho
việc xây dựng phƣơng pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo.
 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 độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo
200x200x200 mm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
 Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày hệ thống phƣơng pháp đo ánh sáng cấu
trúc bằng phƣơng pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phƣơng pháp và
dụng cụ đo loại này.
 Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phƣơng pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong
10


phƣơng pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của
phƣơng pháp này.
 Xây dựng đƣợc mô hình toán học cũng nhƣ các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng
phƣơng pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị
khi đo.
 Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên
dạng 3D theo phƣơng 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, phƣơng pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị
đo lƣờng 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 đƣợc sử dụng trong đo lƣờng biên dạng 3D các

chi tiết và là thiết bị thí nghiệm phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác và
Quang học trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội.
 Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể ngƣời, kích thƣớc bàn chân.... phục
vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trƣờng trong lĩnh
vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trƣờng.
4. Các đóng góp mới của luận án

 Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lƣờng chi
tiết cơ khí. Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn
đề xuất nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo
độ phân giải cao và kết hợp phƣơng pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha.
Mã hóa Gray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm
nhiễu do bề mặt chi tiết đo và môi trƣờng đo đem lại. Để nâng cao độ chính xác gỡ pha
trong phƣơng pháp dịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm
các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phƣơng, với giải pháp kỹ thuật
này giúp cho quá trình giải mã có độ chính xác cao hơn từ đó nâng cao độ chính xác gỡ
pha trong phƣơng pháp dịch pha.

 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo để xây dựng đám mây
điểm đo: dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có
kể đến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mô hình kỹ thuật xây dựng nguyên lý
tam giác lƣợng theo phƣơng pháp hình học cho hệ thống đo không đề cập đến các yếu tố
ảnh hƣởng của quang sai hệ quang đến chất lƣợng ảnh chiếu và ảnh thu đƣợc từ camera.
Luận án đã xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phƣơng pháp đƣờng
giao đƣờng dựa trên các thông số xác định đƣợc từ quá trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chính
xác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo.
11


 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phƣơng

pháp hiệu chuẩn, xây dựng phƣơng 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: với mô hình toán học áp dụng cho
camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định đƣợc vị
trí tƣơng quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định đƣợc các nội tham số và ngoại
tham số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phƣơng pháp hiệu chuẩn camera
sử dụng ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phƣơng pháp chiếu kết hợp dịch pha và mã hóa
Gray cho việc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính
xác cao. Với đặc thù là phƣơng pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hƣởng của điều kiện đo
và đặc điểm bề mặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định
đƣợc các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh phù hợp để
nâng cao chất lƣợng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo.

 Đã xây dựng đƣợc thiết bị đo biên dạng 3D bằng phƣơng 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. Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu
của đề tài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử
dụng các phần mềm và các thiết bị có sẵn của nƣớc ngoài không thể thực hiện đƣợc, bởi
khi đó chỉ có thể thực hiện các phép đo theo các khuôn mẫu thuận tiện cho công nghiệp mà
các nhà chế tạo đã định sẵn.
5. Nội dung luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:
nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã đƣợc nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên
một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng
cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp từ đó
xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm
tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lƣờng các chi tiết cơ khí. Cuối chƣơng trình bày
các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.
Chƣơng 2: Nghiên cứu phƣơng pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch
pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. Phân tích các thuật toán dịch pha, các phƣơng

pháp gỡ pha từ đó xây dựng phƣơng pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ
độ chính xác gỡ pha. Xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phƣơng
án hiệu chuẩn hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tƣơng quan của máy chiếu
và camera. Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng nhƣ xây
dựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra.
Chƣơng 3: Xác lập cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu
trúc theo nguyên lý dịch pha. Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏa
mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống. Xây dựng các giải
12


thuật xử lý tín hiệu đo. Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá
các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác thiết bị đo. Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo
biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1.
Chƣơng 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1.
Tiến hành hiệu chuẩn đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi
đo. Đánh giá độ chính xác phƣơng pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so
sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu đƣợc đo trên các thiết bị CMM. Khảo sát sự ảnh
hƣởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị. Thực nghiệm đo biên dạng một số
chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị. Kết quả thực nghiệm là cơ sở
đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng nhƣ định hƣớng các hƣớng nghiên cứu tiếp
theo.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu và thực hiện đƣợc các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử
dụng phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình
thiết bị đo đƣợc chế tạo.
Dùng phƣơng pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng
trong đo lƣờng 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 hƣởng 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 lƣờng 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 lƣờng Việt
Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đƣa ra các kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu
phát triển cho thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã nghiên cứu.
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.

13


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC
Trong chƣơng này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phƣơng pháp đo biên
dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc và các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án. Mục
1.1 trình bày tổng quan về vai trò, ứng dụng và đặc điểm của phƣơng pháp đo lƣờng biên
dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Mục 1.2 trình bày nguyên lý đo, khái niệm ánh sáng cấu
trúc và các dạng ánh sáng cấu trúc đã đƣợc nghiên cứu ứng dụng vào đo lƣờng biên dạng
3D. Phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp từ đó xác định dạng ánh sáng
nghiên cứu của luận án. Mục 1.3 nghiên cứu các mô hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố trí
thiết bị và mô hình toán học cho từng loại sơ đồ. Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu
trong và ngoài nƣớc. Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.

1.1. Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lƣờng biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rất
quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lƣợng sản phẩm. Hình dáng và kích thƣớc
của chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phƣơng pháp tiếp xúc không
thể đáp ứng về tốc độ, không đo đƣợc các chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhằm đáp ứng
những yêu cầu cấp bách đó, phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc

đƣợc nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ.
Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam
giác lƣợng trong quang học. Mô hình nguyên lý là biến thể của phƣơng pháp stereo với
việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu.

Mẫu ảnh
chiếu

Chi tiết đo

Mặt phẳng
tham chiếu

Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.

Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc thể hiện trên hình 1.1.
Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D đƣợc thiết kế theo một phƣơng 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
14


đƣợc nhận biết thông qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phƣơng pháp
mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo.
Phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo
chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích
thƣớc lớn nhƣ xe bus, tàu thủy, máy bay…. Trên hình 1.2 là hình ảnh thiết bị quét biên
dạng SLS – 1 sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng cánh tuốc bin của các động cơ máy
bay. Đây là dạng sản phẩm khó đo do biên dạng cánh phức tạp, sử dụng phƣơng pháp đo
tiếp xúc rất khó khăn khi hệ thống đã đƣợc lắp đặt.

Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18]

Trên hình 1.3 thể hiện ứng dụng của phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
trong công nghiệp chế tạo cơ khí. Hình 1.3a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ô
tô. Hình 1.3b là ứng dụng phƣơng pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trong
ngành công nghiệp khuôn mẫu. Các dạng khuôn và chi tiết đƣợc chế tạo ra rất đa dạng với
hình dáng phức tạp, độ bóng cao…. Việc đo bằng phƣơng pháp tiếp xúc cần thời gian đo
rất lâu và khó đo. Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc sử dụng mang lại hiệu
quả rất cao trong lĩnh vực này. Với phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm
đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm đƣợc chế tạo ra so với bản thiết kế
CAD.

(a)

(b)

Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5]
(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa

15


Một ngành công nghiệp ứng dụng rất nhiều các thiết bị đo biên dạng chi tiết là công
nghiệp sản xuất ô tô, xe máy. Các thiết bị đo quét có mặt trong rất nhiều khâu của quá trình
sản xuất từ việc thiết kế tạo mẫu ban đầu cho đến các công đoạn sản xuất khuôn và thành
phẩm cũng nhƣ kiểm tra khung vỏ ô tô sau khi hàn ghép, sau khi sơn…. Việc đo kiểm so
sánh thành phẩm với bản thiết kế giúp các nhà sản xuất nâng cao chất lƣợng và hiệu quả
sản xuất. Trên hình 1.4 là ứng dụng phƣơng pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vào
việc thiết kế mẫu xe mới. Sau khi xe đƣợc chế tạo có thể đo quét để so sánh với mẫu.

Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44]

Một lĩnh vực công nghiệp đang rất phát triển là may mặc thời trang. Với phƣơng
pháp truyền thống khi may quần áo phải đo các thông số riêng lẻ cho từng ngƣời bằng
thƣớc dây, thông số đo chƣa biểu hiện hết các yếu tố về biên dạng cơ thể. Với công nghệ
đo lƣờng biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc giúp cho việc thiết kế, tạo mẫu khi có dữ
liệu quét đem lại tính thẩm mỹ cao hơn đặc biệt lợi thế trong việc may mặc tạo mẫu riêng
lẻ. Từ thông số biên dạng của cơ thể ngƣời có thể ứng dụng trong nhiều ngành thiết kế
khác nhau nhƣ: quần áo, giầy dép và các phụ kiện khác.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
(a) Quét biên dạng cơ thể người [24] , (b) quét biên dạng răng [19] , (c) quét vân tay 3D [6]

Phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc nghiên cứu và phát triển rất mạnh
trong lĩnh vực y tế có thể quét các bộ phận của cơ thể trong quá trình giải phẫu, ứng dụng
trong lĩnh vực nha khoa, ngoài ra còn các lĩnh vực nhƣ an ninh và trị liệu thẩm mỹ…. Hình
1.5 thể hiện một số ứng dụng của thiết bị đo ánh sáng cấu trúc: hình 1.5a là hình dạng cơ
thể ngƣời đƣợc mô phỏng sau khi quét ứng dụng trong các lĩnh vực thời trang; hình 1.5b là
hình ảnh mô phỏng hàm răng thể hiện ứng dụng đo 3D trong nha khoa; hình 1.5c là ứng
dụng đo 3D trong lĩnh vực an ninh với việc quét lại hình dạng vân tay.
16


Các hƣớng nghiên cứu phát triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp

thực sự bùng nổ và đƣợc thƣơng mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ
máy chiếu. Trên thị trƣờng hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau.
Một số thiết bị đƣợc giới thiệu nhƣ trong bảng 1.
Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

Thiết bị
HDI Blitz

Đặ tính kỹ thuật
 Vùng đo: 370x370 mm.
 Độ phân giải: 0,24 mm.
 Độ chính xác: 0,12 mm.
 Hãng sản xuất: 3D3
Solutions.

ATOS Triple Scan

 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ
khí, đồ mỹ nghệ, các chi
tiết nhựa…

 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ
khí, đồ mỹ nghệ, các chi
 Độ phân giải: 0,02 – 0,79
tiết nhựa…
mm.
 Có thể lắp dặt trên các hệ
 Độ chính xác: 0,05 mm.

thống dịch chuyển để tăng
 Vùng đo: 38 x 29 - 2000 x
1500 mm².

 Hãng sản xuất: GOM.
ARTEC EVA

Ứng dụng

 Vùng đo: 300x500 mm.
 Độ phân giải: 0,5 mm.
 Độ chính xác: 0,1 mm.
 Hãng sản xuất: ARTEC
GROUP.

linh hoạt của thiết bị quét.
 Thiết bị quét cầm tay tăng
tính linh hoạt khi quét.
 Quét các dạng chi tiết,
tƣợng, đồ mỹ nghệ, cơ thể
ngƣời…
 Ứng dụng trong sản xuất
tƣợng sáp.

LMI Advance R3x

 Vùng đo: 200x200 –
600x600 mm.
 Độ chính xác: 0,05 mm.

 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ
khí, đồ mỹ nghệ, các chi
tiết nhựa…

 Hãng sản xuất: LMI
technology.

 Quét các dạng chi tiết có
kích thƣớc trung bình.

 Độ phân giải: 0,25 mm

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc nghiên cứu và
phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới nhƣ: GOM, 3D3
Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology. Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích
thƣớc trung bình. Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét
các chi tiết lớn hơn. Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt đƣợc có thể đến
0,05mm. Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02mm trong phạm vi
17


đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thƣờng có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5
mm.
Nhƣ vậy, các phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ƣu
điểm so với phƣơng pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thƣớc
lớn, các bề mặt không xác định. Thiết bị đo sử dụng phƣơng pháp ánh sáng cấu trúc có thể
quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang
khác nên phép đo đƣợc tiến hành nhanh hơn, có thể đo đƣợc hơn một triệu điểm trong một
vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng. Để hƣớng tới nghiên cứu chế tạo một thiết bị

đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo 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 đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới,
luận án đặt mục tiêu thiết bị đo đƣợc nghiên cứu chế tạo đạt độ chính xác 0,05mm, độ phân
giải 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200 x200mm.

1.2. Nguyên lý phƣơng pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo
lƣờng biên dạng 3D
1.2.1. Nguyên lý phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
Phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam
giác lƣợng trong quang học. Thiết bị chiếu các mẫu ảnh 2D đƣợc thiết kế mà mỗi điểm ảnh
đƣợc mã hóa về màu sắc hoặc cƣờng độ. Khi chiếu các mẫu ảnh 2D lên bề mặt chi tiết thì
biên dạng 3D của bề mặt chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và đƣợc thu nhận bằng
hệ thống camera. Trên cơ sở các thông số hệ quang cơ thiết bị, dạng mã hóa ảnh mẫu 2D
để tính toán xác định các điểm đo trên bề mặt chi tiết theo phƣơng pháp tam giác lƣợng
quang học. Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc cấu tạo bởi 3 bộ phận
chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo tính toán tọa độ
các điểm đo trên bề mặt vật đo.
Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh đƣợc mã hóa lên bề mặt chi tiết cần đo. Ảnh
mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc
quang cơ phức tạp. Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống
giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình. Để đo chi tiết cơ khí thông dụng, chi tiết đo lớn, bộ
phận chiếu ảnh thƣờng là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số. Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng
đƣợc nâng cao chất lƣợng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế
tạo thiết bị đo.
Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu đƣợc
chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Ảnh thu đƣợc 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. Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng
tốc độ cũng nhƣ độ chính xác khi đo. Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống

18


cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc. Các camera hiện nay cung
cấp cho ngƣời sử dụng nhiều ƣu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lƣợng hình ảnh
cũng nhƣ giá thành ngày càng giảm.
Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình
chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định đƣợc đám mây điểm bề mặt chi tiết
đo. Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị đƣợc thiết kế chuyên biệt
nhằm tối ƣu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo.

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61]

Hình 1.6 minh họa một trƣờng hợp xác định độ cao điểm đo khi đó điểm P trên đối
tƣợng có thể xác định qua biểu thức.
(1.1)
Trong đó:
 h là khoảng cách từ camera đến điểm đo.
 d là khoảng cách của camera và máy chiếu.
 α1 và α2 là góc tạo bởi phƣơng nối tâm của camera và máy chiếu đối với điểm đo P.
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc
1.2.2.1. Khái niệm
Thuật ngữ ―ánh sáng cấu trúc‖ đƣợc Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh ―structured
light‖ (Do NCS chƣa có tài liệu trong nƣớc nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển
Wikipedia: structured light đƣợc miêu tả nhƣ sau:
―Structured light is the process of projecting a known pattern (often grids or
horizontal bars) on to a scene. The way that these deform when striking surfaces allows
vision systems to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, as
used in structured light 3D scanners. ‖ [108]
Có thể dịch khái niệm nhƣ sau: ―Structured light‖ là một quá trình chiếu các ảnh mẫu

lên vật đo, những biến dạng mẫu chiếu trên bề mặt vật đƣợc hệ thống quan sát thu đƣợc và
xác định đƣợc độ sâu và thông tin bề mặt của vật. Do đó ―structured light‖ đƣợc sử dụng
trong quét 3D.
19


Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tƣợng, sau khi
nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về ―structured light‖ NCS xin đƣợc đƣa ra khái niệm
ánh sáng cấu trúc nhƣ sau:
“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng đƣợc mã hóa về cƣờng độ
hoặc màu sắc.”
Mã hóa về cƣờng độ là sự điều biến biên độ cƣờng độ sáng theo dạng sin, tam giác,
nhị phân….trong không gian chiếu. Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác định
theo các quy luật định trƣớc nhƣ: dải màu nhƣ cầu vồng, các vạch màu xen kẽ nhau….
1.2.2.2. Các dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D
Có nhiều dạng ánh sáng cấu trúc khác nhau, có thể đƣợc cấu trúc cƣờng độ theo hai
hoặc ba phƣơng chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc với mục đích mã hóa các điểm đo trong
không gian chiếu để có thể xây dựng hệ lƣới điểm của bề mặt vật đo.
a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân
Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49] sử dụng các sọc
đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu chiếu. Độ
phân giải của phƣơng pháp đƣợc xác định bằng khoảng
trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu chiếu. Với mẫu chiếu
thứ n có 2n sọc. Hình 1.7 thể hiện một mô hình chiếu 5bit. Khi chuỗi này đƣợc chiếu lên một khung hình có
32 (25) khoảng đƣợc xác định theo phƣơng ngang. Tọa
độ 3D của một điểm đƣợc xác định bằng nguyên tắc
tam giác lƣợng. Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy
Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61]
và ít nhạy cảm với bề mặt vật quét (vì chỉ có một giá
trị nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh). Tuy nhiên, để đạt đƣợc độ phân giải cao cần

số lƣợng lớn các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo đƣợc các chi tiết theo
thời gian thực.
b) Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám
Mẫu chiếu cấp độ xám đƣợc nghiên cứu để giảm
số lƣợng mẫu chiếu so với phƣơng pháp mã hóa nhị
phân mà vẫn đo đƣợc chi tiết với độ phân giải cao hơn.
Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt về cƣờng độ
để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai nhƣ trong mã
nhị phân). Với N mẫu có thể có MN vạch. Mỗi mã
vạch có thể hình dung nhƣ là một điểm trong một
không gian cơ bản N chiều và mỗi chiều có M Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh
giá trị khác nhau. Nếu N = 3, và M = 4 thì tổng 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong
không gian Hilbert [114]
số vạch là 64 (43) tƣơng đƣơng 6 bit trong
phƣơng pháp nhị phân. Tuy nhiên, cần tối ƣu hóa trong thiết kế các mô hình mã hóa nhị
phân và mức xám để có thể phân biệt đƣợc những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo.
20


Trên hình 1.8 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng đƣợc xác
định. Đây là phƣơng pháp cho tốc độ cao hơn phƣơng pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ
bị ảnh hƣởng bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định.
c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.
Phƣơng pháp dịch pha [83] là
phƣơng pháp chiếu vân đƣợc nghiên cứu
nhiều nhất để thu đƣợc hình ảnh 3D của
một vật thể. Các mẫu chiếu có cƣờng độ
điểm ảnh đƣợc mã hóa dạng sin đƣợc
chiếu lên bề mặt đối tƣợng đo. Trƣờng
hợp đơn giản nhất là phƣơng pháp dịch

pha 3 bƣớc, cƣờng độ sáng cho mỗi
điểm ảnh của mẫu chiếu đƣợc mô tả trên
hình 1.9. Phƣơng pháp dịch pha xác định
đƣợc giá trị pha tƣơng ứng với biên dạng
3D của chi tiết đo do đó tọa độ 3D thực
tế cần phải xác định thông qua quá trình
hiệu chuẩn. Đây là phƣơng pháp có độ
phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ
thuộc vào độ chính xác gỡ pha. Các
Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61]
phƣơng pháp gỡ pha chịu nhiều ảnh
hƣởng môi trƣờng đo, bề mặt chi tiết đo, bóng của chi tiết khi chiếu sáng. . . gây ra các sai
số đo. Do đó, phƣơng pháp đo thƣờng đƣợc áp dụng cho các bề mặt 3D trơn, màu sắc ít
thay đổi....
d) Mẫu ảnh chiếu cầu vồng 3D
Hình 1.10 thể hiện nguyên lý
thiết bị quét 3D cầu vồng [132]. Không
giống phƣơng pháp quang trắc cần xác
định vùng đo trong nhiều ảnh khác
nhau, thiết bị quét 3D cầu vồng cho
phép chiếu dải ánh sáng có màu nhƣ
màu cầu vồng trên không gian chứa vật
thể đo. Mối quan hệ hình học giữa
camera cố định và quang phổ của vùng
chiếu sáng tƣơng ứng với các góc khác
Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132]
nhau giúp cho xác định đƣợc vị trí từng
điểm cần quét theo nguyên tắc tam giác lƣợng. Phƣơng pháp cho tốc độ quét cao do tốc độ
camera cao và chỉ cần một ảnh cung cấp đầy đủ thông tin 3D của không gian cần quét. Tuy
nhiên, phƣơng pháp gặp khó khăn khi đo các vật thể có màu sắc.

21


e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục
Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau đƣợc ghép lại để mã hóa các
vị trí không gian [47]. Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cƣờng độ biến
đổi liên tục với mỗi màu khác nhau. Khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho ta
một ảnh phổ biết rõ thông tin mã hóa. Chiếu mẫu chiếu kết hợp lên vật thể có thể xác định
thông tin 3D của dựa vào nguyên tắc tam giác lƣợng nhƣ phƣơng pháp camera cầu vồng
3D. Việc mã hóa từng mẫu chiếu riêng rẽ không nhất thiết chuẩn màu sắc cũng nhƣ cƣờng
độ chiếu không nhất thiết tuyến tính. Hình 1.11 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổi
cƣờng độ cho ba màu cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc nhƣ cầu
vồng. Phƣơng pháp có thể giảm số ảnh chiếu để tăng tốc độ đo, tuy nhiên khó đo các chi
tiết có màu sắc hoặc bề mặt có độ phản xạ không đồng đều.

Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc
Với mục đích làm tăng tốc độ quét cũng nhƣ
độ phân giải của ảnh quét thiết bị sử dụng cảm biến
hình ảnh thƣờng có ba dải màu độc lập, mỗi dải
tƣơng ứng với một băng tần. Sự kết hợp tuyến tính
giá trị của các thành phần màu sắc có thể tạo ra một
số lƣợng vô hạn màu sắc trên một ảnh chiếu. Ba
kênh 8-bit cho 224 màu sắc khác nhau. Trên hình
1.12 là một hình ảnh minh họa về sử dụng mẫu
chiếu đánh dấu đƣờng sử dụng màu sắc, sử dụng Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách
sử dụng màu sắc [61]
mẫu chiếu này kết hợp với các mẫu chiếu theo

phƣơng pháp dịch pha hoặc mẫu chiếu màu đơn sắc nhƣ trong nghiên cứu [62] có thể giảm
các lỗi khi gỡ pha. Đây là hệ thống mã màu có thể đạt đƣợc khả năng chụp ảnh bề mặt 3D
22


theo thời gian thực. Để giảm tỷ lệ lỗi giải mã, có thể thiết lập hệ màu sắc, trong đó mỗi
màu có một khoảng cách tới màu khác trong mẫu chiếu. Số lƣợng tối đa của màu sắc trong
mẫu đƣợc giới hạn trong khoảng cách giữa màu sắc tạo ra và bề rộng tối thiểu của vạch.
Phƣơng pháp đo cho tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc và độ phân giải
không cao.
g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn
Để phân biệt các đƣờng quét có thể tạo ra các đƣờng gián đoạn khi xây dựng lại biên
dạng 3D để nhận biết các đƣờng dựa trên sự mã hóa gián đoạn (hình 1.13). Phƣơng pháp
chỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng không quá phức tạp vì đặc điểm của bề mặt có
thể là nguyên nhân khó xác định đƣợc các đƣờng đã mã hóa.

Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69]

h) Mẫu chiếu các đường được đánh dấu bằng cách lặp đi lặp lại mẫu mức xám
Nếu có nhiều hơn hai mức cƣờng độ đƣợc sử dụng có thể sắp xếp mức cƣờng độ của
các đƣờng thành các nhóm đƣờng tạo ra các nhóm đƣờng mà không giới hạn số đƣờng
trong đó [82]. Nếu sử dụng ba cấp độ màu mã xám (màu đen, màu xám và trắng), mô hình
chiếu có thể đƣợc thiết kế nhƣ hình 1.14: BGWGBGWBGBWBGW. Phƣơng pháp sử
dụng một mẫu chiếu nhằm tăng tốc độ đo. Khi mã hóa các vạch, kích thƣớc nhỏ nhất bằng
một điểm ảnh. Do đó độ phân giải của phƣơng pháp không cao, khó đo các bề mặt có độ
phản xạ không đồng nhất, có màu sắc....

Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61]

i) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn

Một chuỗi tuần tự De Bruijn [27] cấp bậc n, kích thƣớc k có kn phần tử: trong đó mỗi
chu kì của độ dài n xuất hiện đúng một lần trong chu kì. Vòng tròn De Bruijn với n = 3 và
k = 2 (hai số 0, 1) có 23 = 8 phần tử ba chữ số mã hóa: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110,
111. Chuỗi tuần tự De Bruijn có thể đƣợc sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu có
các vạch không lặp lại [32, 33, 109].
23


Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110]

Việc sử dụng kết hợp mã nhị phân với màu R, G, B để tạo ra một dải màu đƣợc đánh
dấu dựa trên chuỗi De Bruijn. Xây dựng một chuỗi De Bruijn với k = 7, n= 3. Điều này
dẫn đến một chuỗi với 343 đƣờng. Nếu số sọc quá nhiều, ngƣời ta có thể sử dụng một
chuỗi De Bruijn bằng cách thiết lập k =5, n = 3 [65]. Số lƣợng sọc trong trƣờng hợp này
còn 125. Có một hạn chế trong việc xây dựng một chuỗi chỉ số đƣờng sử dụng kỹ thuật De
Bruijn là tất cả các sọc cạnh nhau phải có màu sắc khác nhau. Nếu một số sọc bằng hai
hoặc ba lần chiều rộng vạch sẽ xảy ra gây nhầm lẫn các thuật toán tái tạo 3D. Hình 1.16 thể
hiện một tập hợp các sọc màu sắc đƣợc đánh dấu theo chuỗi De Brụiin với các vạch cạnh
nhau có màu sắc khác nhau.

Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65]

Phƣơng pháp đo tạo ra mẫu chiếu duy nhất để chiếu lên chi tiết đo. Sự biến dạng các
vạch là cơ sở xác định độ cao các điểm đo. Tuy nhiên, phƣơng pháp khó đo các chi tiết có
màu sắc, độ phân giải không cao .
k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa mảng giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBA)
Một lƣới chỉ số sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBA) để tạo ra các
vùng lƣới có thể đƣợc đánh dấu bằng dấu chấm. Mô hình mã hóa của bất kỳ cửa sổ nhỏ
làm mặt nạ nhận dạng là duy nhất. Một PRBA đƣợc xác định bởi mảng mã hóa n1xn2 bằng
cách sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên, nhƣ vậy bất kỳ cửa sổ phụ có kích thƣớc k1xk2 trƣợt

trên toàn bộ mảng là duy nhất và hoàn toàn xác định tọa độ tuyệt đối của của sổ phụ (i, j)
trong mảng. Mô hình mã hóa của mảng nhị phân đƣợc tạo ra dựa trên một chuỗi nhị phân
giả ngẫu nhiên bằng cách sử dụng đa thức modulo 2n, trong đó 2n -1= 2k1k2 - 1, n1 = 2k1 - 1,
24


n2= 2n – 1/ n1. Hình 1.17 cho thấy một ví dụ về một PRBA tạo ra với k1 = 5, k2 = 2, và n1=
31, n2 = 33.

Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48]

l) Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã nhỏ
Thay vì sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên nhƣ trên có sử dụng mảng giả
ngẫu nhiên đa giá trị. Cũng giống phƣơng pháp tạo mảng ở trên có thể tạo ra các mẫu mã
đặc biệt nhỏ hơn tƣơng ứng chứa đầy đủ các giá trị tồn tại trong mảng chính, các cửa sổ
phụ thể hiện mã nhị phân cũng đƣợc xác định tƣơng tự [84]. Hình 1.18 mô tả ba giá trị
mảng giả ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng mô hình nhỏ cũng nhƣ cửa sổ phụ để xác
định vị trí các điểm lƣới mã hóa. Phƣơng pháp đo đƣợc áp dụng cho các chi tiết có biên
dạng không phức tạp, bề mặt phản xạ đồng đều. Tuy nhiên, độ phân giải không cao, tạo
mẫu ảnh chiếu và chiếu lên vật đo phức tạp.

Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84]

m) Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu
Một lƣới chỉ số mã hóa màu sắc cả hai chiều [2], các sọc mã hóa theo chiều dọc và
chiều ngang có thể là giống hoặc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình
1.19). Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hƣớng. Tuy nhiên, nếu bề
25