Nghiên cứu đo biến 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 ............................................................................................................................... 8
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 8
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................ 9
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 10
4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 10
5. Nội dung luận án ..................................................................................................... 11
6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 11
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................... 13
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................... 13
1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................................. 13
1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng
3D .................................................................................................................................... 15
1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc .............. 15
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc ......................................................... 16
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng ...................................................................................... 22
1.2.4. Hệ thu ảnh vân ................................................................................................... 23
1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. ....... 26
1.3.1. Hệ thống đo dạng 1............................................................................................ 26
1.3.2. Hệ thống đo dạng 2............................................................................................ 29
1.3.3. Hệ thống đo dạng 3............................................................................................ 31
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................... 32
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 32
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 36
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án................................................................ 38
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 39
PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ

DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA .............................................................................. 39
1


2.1. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha ..................................................... 39
2.1.1. Nguyên lý đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha ................................. 39
2.1.2. Các thuật toán dịch pha. .................................................................................... 43
2.1.3. Các phương pháp gỡ pha ................................................................................... 46
2.1.4. Đặc điểm phương pháp dịch pha ....................................................................... 48
2.2. Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phương pháp
dịch pha. .......................................................................................................................... 49
2.2.1. Phương pháp mã hóa Gray ................................................................................ 49
2.2.2. Nghiên cứu phương pháp gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch pha.
..................................................................................................................................... 51
2.3. Xác định tọa độ điểm đo trong phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ
pha. .................................................................................................................................. 55
2.3.1. Xác định tọa độ theo hai phương x,y................................................................. 55
2.3.2. Xác định tọa độ theo phương z .......................................................................... 55
2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh .......................................................................... 60
2.4.1. Phương pháp hiệu chỉnh camera........................................................................ 60
2.4.2. Phương pháp hiệu chỉnh hệ thống camera và máy chiếu .................................. 61
2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................................... 63
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 65
CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA
SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA ........................................................................ 65
3.1. Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................... 65
3.1.1. Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến ............................................. 66
3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu .............................. 67
3.1.3. Xây dựng cơ sở thiết kế dựa trên độ phân giải đo ............................................. 68
3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo. ...................................................................... 71

3.2.1. Thuật toán tạo mẫu ảnh chiếu ............................................................................ 72
3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh .............................................................................. 74
3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo.............................................................. 76
3.2.4. Thuật toán hiệu chỉnh hệ thống ......................................................................... 77
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo.................................................. 78
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 ............................................... 79
2


3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến ....................................................................... 79
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển ............................................................. 80
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................... 81
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................................... 82
XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D STL-1 VÀ THỰC NGHIỆM ................... 82
4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 ............................................................. 82
4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu .................................................................................................... 84
4.3. Hiệu chỉnh đặc tính quang của cụm cảm biến .......................................................... 88
4.3.1. Hiệu chỉnh sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu. ..................................... 88
4.3.2. Xác định đặc tính màu của cụm cảm biến ......................................................... 93
4.3.3. Hiệu chỉnh cường độ sáng ảnh xám .................................................................. 93
4.3.4. Hiệu chỉnh thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ ................... 96
4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo ............................................................................. 98
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở ............................................................................... 98
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn ............................................................................................ 101
4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn ................................................................................... 104
4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 .................................................... 106
4.5.1. Kết quả đo tại một phương chiếu .................................................................... 106
4.5.2. Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu107
4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh ........................................................ 109
4.6. Kết luận chương 4 .................................................................................................. 110

KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 111
KIẾN NGHỊ....................................................................................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 122
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 123

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)

Cường độ sáng tại điểm (x,y)

I0(x, y)

Cường 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

Phương ngang cảm biến ảnh

v

Phương dọc cảm biến ảnh

α

Góc nghiêng hai phương u, v

k1, k2, k3, k4, k5

Hệ số đặc trưng 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 bước dịch pha

n

Số ảnh trong phương 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

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

IC

Cường 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 ...................... 14
Bảng 3: Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray. ................................................................................ 84
Bảng 4 Ảnh hưởng cường độ và chu kì trong phương pháp dịch pha. ............................................ 91
Bảng 5 Kết quả xác định ảnh pha .................................................................................................... 92
Bảng 6: Kết quả hiệu chỉnh thiết bị ................................................................................................. 97
Bảng 7: Kết quả đo chi tiết trụ chuẩn ............................................................................................ 103
Bảng 8: Kết quả đo chi tiết cầu chuẩn.......................................................................................... 105

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Ứng dụng phương pháp quét sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghệ cơ khí [5] ..... 13
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. ................................. 15
Hình 1.3 Mẫu mã nhị phân [61] ...................................................................................................... 17
Hình 1.4 Mã hóa cấp độ xám với N= 3, M= 3 [114] ...................................................................... 17
Hình 1.5 Ảnh mẫu chiếu và cường độ sáng phân bố trên 3 ảnh trong phương pháp dịch pha 3 bước
[61] ................................................................................................................................................... 18
Hình 1.6 Ảnh phổ mẫu chiếu trong Camera cầu vồng 3D [134] .................................................... 18
Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [134] ........................................................... 19

Hình 1.8 Đánh dấu đường sử dụng màu sắc [62] ........................................................................... 19
Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] ......................................................... 19
Hình 1.10 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] .................................................... 20
Hình 1.11 Mảng 31 x 33 với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] ........................................................ 20
Hình 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84]...................................... 20
Hình 1.13 Mô hình lưới màu sắc [2] ............................................................................................... 21
Hình 1.14 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] ............................................................. 21
Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27] ................................................................ 22
Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD ............................................................................................ 23
Hình 1.17 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng................................................................................... 24
Hình 1.18 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) ..................................................... 24
Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ trong mô hình camera lỗ nhỏ [133] ................................................. 25
Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống đo của Srinivasan [113] ........................................................................ 27
Hình 1.21 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa .................................... 28
Hình 1.22 Mô hình toán học cho hệ thống đo của Hu [87]............................................................. 29
Hình 1.23 Mô hình hình học cho sơ đồ bố trí tổng quát [137]. ...................................................... 31
Hình 1.24 Sơ đồ các hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân ....... 32
Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha ....................................................... 40
Hình 2.2 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha ....................................................... 42
Hình 2.3 Mẫu chiếu dạng mã Gray. ................................................................................................ 49
Hình 2.4 ảnh thể hiện quá trình đo theo phương pháp Gray. ......................................................... 50
Hình 2.5 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh .............................................................................. 52
Hình 2.6 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu ................................................ 52
Hình 2.7 Ví dụ về mã hóa Gray ....................................................................................................... 53
Hình 2.8 Phân bố pha trong không gian mã hóa Gray ................................................................... 53
Hình 2.9 Ví dụ quét biên dạng 3d chi tiết bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ
pha. ................................................................................................................................................... 54
Hình 2.10 Mô hình xác định đám mây điểm đo[133] ...................................................................... 56
Hình 2.11 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau ............ 57
Hình 2.12 Xác định tọa độ 3D của điểm M ..................................................................................... 57

Hình 2.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng [6] ....... 58
Hình 2.14 Trung điểm p12(λ1,λ2) với giá trị bất kỳ (hình trái) của p12(λ1,λ2) và với giá trị tối ưu
(hình phải) [6] .................................................................................................................................. 59

6


Hình 2.15 Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] ............................................... 61
Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc................................................................ 62
Hình 2.17 Quy ước hệ tọa độ gốc trên ảnh của camera và máy chiếu [28].................................... 62
Hình 2.18 Nguyên lý hiệu chỉnh hệ thống ánh sáng cấu trúc [28] .................................................. 63
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. .................................................. 65
Hình 3.2 Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến.................................................... 66
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu .................................................................................... 67
Hình 3.4 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit .................................................. 69
Hình 3.5 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray .......... 70
Hình 3.6 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo ...................................................................................................... 72
Hình 3.7 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp .................. 74
Hình 3.8 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................... 76
Hình 3.9 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chỉnh thiết bị ..................................................... 77
Hình 3.10 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 ........................... 80
Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1........................................................................ 82
Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo .................................................................................. 83
Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo......................................................... 84
Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray. ........................................................................................... 85
Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha ..................................................... 86
Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha ........ 87
Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha .................................................................. 88
Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng. ....................................... 89
Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d) ...... 89

Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray
.......................................................................................................................................................... 90
Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị ............................................ 93
Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến
.......................................................................................................................................................... 94
Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu ...................................................... 95
Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chỉnh ...................................................... 95
Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ ............................... 96
Hình 4.16 Giao diện mô tả kết quả hiệu chỉnh của 1 vị trí đặt ô vuông bàn cờ .............................. 97
Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng ............................................ 101
Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM ........................................ 102
Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được ....................................................................... 102
Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h ................. 103
Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn ...................................................................... 104
Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. ........................................................... 105
Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu .............................. 107
Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu .................................. 108
Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. ............................................................. 109

7


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 như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng quá trình
sản xuất, công nghệ thiết kế ngược, 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 dưới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu được 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 thước…. Những

thông tin thu được từ hình ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính
xác hơn.
Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không
tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
như các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo.... Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp
xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được 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 mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu. Phép đo
có các sai số do kích thước 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 thường rất cao do các bộ phận cảm biến
đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao.
Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử
dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng phương
pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương 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 như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam giác lượng
(đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử dụng các hình
ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập thể (mô phỏng lại
cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp dựa vào bóng của vật.
Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết có kích thước rất lớn như:
các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề mặt vô định hình. Phương
pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp đo bị động thường có tốc độ
đo nhanh hơn.
Các thiết bị đo sử dụng camera làm cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao, số
điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh và có khả năng đo
quét các chi tiết trực tuyến. Phương pháp đo chủ động 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. Để phân tích rõ ưu điểm của phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc có thể
phân tích phương pháp quét laser và quang trắc làm căn cứ so sánh: Phương pháp quét laser
sử dụng tia laser chiếu lên bề mặt chi tiết cần đo, với camera đặt một góc so với phương

8


chiếu xác định được các điểm hoặc đường trên bề mặt chi tiết quét dựa trên nguyên lý tam
giác lượng. Kỹ thuật quét laser cung cấp độ chính xác cao, dữ liệu đo dễ xử lý và máy quét
có thể được làm với kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, máy quét laser là một thiết bị quét dạng
điểm hoặc đường, khi cần quét toàn bộ chi tiết đo cần hệ thống dẫn động như các thiết bị đo
tọa độ nên việc đo toàn bộ vật thể cần có thời gian. Trong khi đó, thiết bị đo sử dụng phương
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 được tiến hành nhanh hơn. Một máy quét
laser có thể đo hàng ngàn hoặc hàng chục ngàn điểm trong một giây thì thiết bị đo ánh sáng
cấu trúc có thể đo được hơn một triệu điểm trong một vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần
cứng. Phương pháp quang trắc sử dụng nhiều camera quan sát vật đo từ nhiều góc khác nhau.
Sử dụng các ảnh đó để nội suy ra tọa độ 3D của vật quét. Trong phương pháp này, khó khăn
lớn nhất là đánh dấu các điểm trùng nhau trên các bức ảnh. Bằng việc nghiên cứu những
thuật toán và cách đánh dấu của nhà nghiên cứu tạo ra các mặt nạ giúp cho việc đánh dấu
được chính xác, tuy nhiên các phương pháp đó làm cho việc đo toàn bộ vật thể gặp khó khăn
cũng như các điểm đo bị hạn chế do các mặt nạ đem lại.
Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ
gia công trên máy CNC đã chế tạo ra các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ nhiều ngành
công nghiệp như: 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 nước việc
đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D khá khó khăn, các sản
phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm đo lường 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 được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình
bảo dưỡng 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 lượng cũng
như sự phát triển của ngành cơ khí. 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 góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước 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 lường. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh
sáng cấu trúc”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
a) Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên
dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế,
9


chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam.
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu của luận án là 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 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

 Luận án đã nghiên cứu và trình bày một số phương pháp trong hệ thống đo sử dụng
ánh sáng cấu trúc; tập trung vào đo biên dạng ngoài 3D.

 Nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng mô hình toán học trong phương pháp kết hợp giữa mã
hóa Gray và dịch pha. Trong đó, việc sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha thể hiện được khả
năng nâng cao chất lượng và độ chính xác của dữ liệu đo.

 Từ những lỹ thuyết đã nghiên cứu, xây dựng được mô hình thiết bị đo sử dụng phương
pháp mã hóa Gray kết hợp với dịch pha để thu nhận thông tin từ bề mặt của một số chi tiết
cơ khí và dữ liệu có khả năng thực hiện các phép đo hình học trong môi trường 3D.
b) Ý nghĩa thực tiễn
Đã thực hiện nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp được một thiết bị đo quét biên
dạng của chi tiết có kích thước đối xứng 2D, sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp phương pháp
mã hóa Gray và dịch pha. Thiết bị đảm bảo độ tin cậy phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa
học. Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường 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 trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Mở ra hướng nghiên cứu, ứng dụng phương
pháp đo sử dụng thiết bị chiếu và camera vào đo lường biên dạng 3D trong các lĩnh vực
thuộc công nghiệp, may mặc thời trang, an ninh.... tại Việt Nam.
4. Các đóng góp mới của luận án

 Ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường
biên dạng cơ khí.

 Xây dựng được phần mềm khảo sát quá trình đo, phần mềm xử lý tín hiệu đo, phần
mềm hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động hiệu quả.

 Lần đầu tiên xây dựng được một thiết bị đo biên dạng chi tiết đối xứng 2D ở Việt Nam
bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa dịch pha và mã Gray từ những

10

thành phần kết cấu có sẵn phạm vi đo (200x200x200) mm.
5. Nội dung luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:
tìm hiểu nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo
nên một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh
sáng cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương 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 lường các chi tiết cơ khí. Cuối chương trình bày
các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu phương 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 phương
pháp gỡ pha từ đó xây dựng phương 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 phương
án hiệu chỉnh hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu và
camera. Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng như xây dựng
quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra.
Chương 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 thuật xử
lý tín hiệu đo. Xây dựng thuật toán hiệu chỉnh cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá các yếu tố
ảnh hưởng 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.
Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1.
Tiến hành hiệu chỉnh đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi đo.
Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so sánh
với các mẫu chuẩn dạng trụ và dạng cầu được đo trên các thiết bị CMM. Khảo sát sự ảnh
hưởng 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 như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp theo.

6. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử
dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình
thiết bị đo được chế tạo.
Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng
trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống

11


quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu
chỉnh 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
làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng 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.

12


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC
Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên
dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc từ đó xác định 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 phương pháp đo lường
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 được nghiên cứu ứng dụng vào đo lường biên dạng
3D. Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương 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
nước. Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.

1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rất
quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm. Hình dáng và kích thước của
chi tiết cơ khí ngày càng đa dạng dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không thể đáp
ứng về tốc độ, không đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhằm đáp ứng những yêu
cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên
cứu và áp dụng rất mạnh mẽ.
Phạm vi ứng dụng của phương 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
thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay…. Trên hình 1.1 thể hiện ứng dụng của phương
pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp chế tạo cơ khí. Hình 1.1a thể hiện hình
ảnh đo lốc máy trong động cơ ô tô. Hình 1.1b là ứng dụng phương pháp đo biên dạng sử
dụng ánh sáng cấu trúc trong ngành công nghiệp khuôn mẫu.

(a)

(b)

Hình 1.1 Ứng dụng phương pháp quét sử dụng ánh sáng cấu trúc trong công nghệ cơ khí [5]
(a) Quét lốc máy động cơ ô tô; b) Quét khuôn trong ngành khuôn mẫu

13

Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng với hình dáng phức tạp, độ bóng
cao…. Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đo rất lâu và khó đo. Các thiết bị
đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệu quả rất cao trong lĩnh vực này.
Với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp
sai số khi sản phẩm được chế tạo ra so với bản thiết kế CAD. Các hướng nghiên cứu phát
triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp thực sự bùng nổ và được thương mại
hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ máy chiếu. Trên thị trường hiện có rất
nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau. Một số thiết bị được giới thiệu như 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

Ứng dụng

 Vùng đo: 38 x 29 ÷ 2000 x
1500 mm².

 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 tiết nhựa…

 Độ phân giải: 0, 02 – 0, 79
 Có thể lắp đặt trên các hệ
mm.
thống dịch chuyển để tăng
 Độ chính xác: 0, 05 mm.
tính linh hoạt của thiết bị
 Hãng sản xuất: GOM.
quét.
ARTEC EVA

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

LMI Advance R3x

 Vùng đo: 200x200 ÷
600x600 mm.
 Độ phân giải: 0,25 mm
 Độ chính xác: 0, 05 mm.
 Hãng sản xuất: LMI
technology.

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

 Quét biên dạng 3D các dạng
sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ
mỹ nghệ, các chi tiết nhựa….
 Quét các dạng chi tiết có
kích thước trung bình.

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát
14


triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3 Solutions,
ARTEC GROUP, LMI technology. Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích thước trung
bình. Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét các chi tiết lớn.
Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến 0,05mm. Độ phân giải tốt
nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02 mm trong phạm vi đo 38x39 mm, còn lại các
dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5 mm.
Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu
điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước
lớn, các bề mặt không xác định. Thiết bị đo sử dụng phương 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 được tiến hành nhanh hơn. Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp 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 khoa học cho việc tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với
điều kiện tại Việt Nam đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới.

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 phương pháp 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.

Mẫu ảnh
chiếu

Chi tiết đo

Mặt phẳng
tham chiếu

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.

Nguyên lý thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình
1.2. Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo một phương pháp mã hóa
nhất định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu
và được nhận biết thông qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp
mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo. 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

15


ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo.

Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh được 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 thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số. Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng được
nâng cao chất lượng 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 được
chiếu lên bề mặt chi tiết đo. 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. Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng tốc độ
cũng như độ chính xác khi đo. Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống cảm biến
cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc. Các camera hiện nay cung cấp cho
người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh cũng như
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 được đám mây điểm bề mặt chi tiết
đo. Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệt
nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo.
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc
1.2.2.1. Khái niệm
Thuật ngữ “ánh sáng cấu trúc” được Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh “structured light”
(Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển Wikipedia
[108] miêu tả như 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. ”
Khái niệm được dịch như sau: ánh sáng có cấu trúc là quá trình chiếu các mẫu đã biết
lên khung hình, những biến dạng bề mặt cho phép để tính toán độ sâu và thông tin bề mặt

của đối tượng trong khung hình, được sử dụng trong thiết bị quét 3D bằng ánh sáng có cấu
trúc.
Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khi nghiên
cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệm ánh sáng
cấu trúc như sau:
“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ hoặc
màu sắc.”
16


Mã hóa về cường độ là sự điều biến biên độ cường độ sáng trong không gian chiếu
theo dạng sin, tam giác, nhị phân….. Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác định
theo các quy luật định trước như: dải màu như 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
Trong đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc các ảnh mẫu rất đa dạng tùy thuộc vào đối
tượng đo và phương pháp xử lý tín hiệu đo. Ảnh mẫu có thể được cấu trúc theo cường độ
sáng hoặc cấu trúc theo màu sắc nhằm mục đích mã hóa các điểm trong không gian chiếu để
có thể xây dựng hệ lưới điểm của bề mặt vật đo.
a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân
Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49, 61] sử dụng
các vệt đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu
chiếu. Độ phân giải của phương pháp được xác định
bằng khoảng trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu
chiếu. Với mẫu chiếu thứ n có 2n sọc. Hình 1.3 thể
hiện một mô hình chiếu 5 bit. Khi chuỗi này được
chiếu lên một khung hình có 32 (25) khoảng được
xác định theo phương ngang. Tọa độ 3D của một
điểm được xác định bằng nguyên tắc tam giác
lượng. Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy 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
Hình 1.3 Mẫu mã nhị phân [61]
nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần số lượng lớn
các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo được các chi tiết theo thời gian thực.
b) Mẫu ảnh chiếu mã hóa theo cấp độ xám
Mẫu chiếu mã hóa theo cấp độ xám được
nghiên cứu để giảm số lượng mẫu chiếu so với
phương pháp mã hóa nhị phân mà vẫn đảm bảo độ
phân giải. Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt
về cường độ để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai
như trong mã nhị phân). Với N mẫu tạo ra MN vạch.
Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mô hình
mã hóa nhị phân và mức xám để có thể phân biệt
được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo.
Trên hình 1.4 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 Hình 1.4 Mã hóa cấp độ xám với N= 3,
M= 3 [114]
mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng được xác định. Đây
là phương pháp cho tốc độ cao hơn phương pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ bị ảnh hưởng
bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định.

17


c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.
Phương pháp dịch pha là phương pháp
chiếu vân được nghiên cứu nhiều nhất để thu
được hình ảnh 3D của một vật thể. Các mẫu
chiếu mã hóa dạng sin cường độ điểm ảnh theo
không gian chiếu. Trường hợp đơn giản nhất là
phương pháp dịch pha 3 bước [61, 83], cường

độ sáng cho mỗi điểm ảnh của mẫu chiếu được
mô tả trên hình 1.5. Phương pháp dịch pha xác
định được giá trị pha tương ứng với biên dạng
3D của chi tiết đo. Đây là phương pháp có độ
phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ thuộc
vào độ chính xác gỡ pha. Các phương pháp gỡ
pha chịu nhiều ảnh hưởng môi trường đo, bề
mặt chi tiết đo, bóng của chi tiết khi chiếu sáng.
Hình 1.5 Ảnh mẫu chiếu và cường độ sáng
. . gây ra các sai số đo. Do đó, phương pháp đo phân bố trên 3 ảnh trong phương pháp dịch
pha 3 bước [61]
thường được áp dụng cho các bề mặt 3D trơn,
màu sắc ít thay đổi....
d) Mẫu ảnh chiếu cầu vồng 3D
Hình 1.6 thể hiện nguyên lý thiết bị quét
3D cầu vồng [134], thiết bị chiếu dải ánh sáng
có màu như màu cầu vồng trên không gian chứa
vật thể đo. Mối quan hệ hình học giữa camera
và quang phổ của vùng chiếu sáng với các góc
khác nhau giúp cho xác định được vị trí từng
điểm cần quét theo nguyên tắc tam giác lượng.
Phương pháp cho tốc độ quét cao do tốc độ
camera cao và chỉ cần một ảnh. Tuy nhiên,
phương pháp gặp khó khăn khi đo các vật thể có Hình 1.6 Ảnh phổ mẫu chiếu trong Camera
cầu vồng 3D [134]
màu sắc.
e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục
Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau được ghép lại để mã hóa các vị
trí không gian [47, 61, 134]. Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cường độ
màu biến đổi liên tục, khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho một ảnh phổ biết

rõ thông tin mã hóa. Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổi cường độ cho ba màu
cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc như cầu vồng. Phương 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.

18


Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [134]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc
Trên hình 1.8 là một hình ảnh minh họa về sử
dụng mẫu chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc, sử
dụng mẫu chiếu này kết hợp với các mẫu chiếu theo
phương pháp dịch pha hoặc mẫu chiếu màu đơn sắc
như trong nghiên cứu [62] có thể giảm các lỗi khi gỡ
pha. Độ phân giải của phương pháp phụ thuộc vào số
lượng màu độ rộng vạch mã hóa. Phương pháp đo cho
tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc
Hình 1.8 Đánh dấu đường sử dụng
và độ phân giải không cao.
màu sắc [62]
g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn
Mẫu ảnh chiếu có thể được mã hóa với
các đường gián đoạn (hình 1.9). Phương 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 được các
Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa
đường đã mã hóa.

gián đoạn [69]
h) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn
Một chuỗi tuần tự De Bruijn [26] cấp bậc n, kích thước 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 [110] 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 được sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu
có các vạch không lặp lại [32, 33, 109]. Hạn chế trong việc xây dựng mẫu chiếu 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 1.10
19


thể hiện một tập hợp các sọc màu sắc được đánh dấu theo chuỗi De Brụiin [65].

Hình 1.10 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65]

Phương pháp chỉ cần chiếu một mẫu chiếu duy nhất lên chi tiết đo do đó có tốc độ đo
cao, tuy nhiên khó đo các chi tiết có màu sắc.
k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa ngẫu nhiên nhị phân
Ảnh mã hóa theo lưới chỉ số sử dụng một
mảng nhị phân ngẫu nhiên để tạo ra các vùng
lưới có thể được đánh dấu bằng dấu chấm. Mô
hình mã hóa của mảng nhị phân được tạo ra
dựa trên một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên bằng
cách sử dụng đa thức modulo 2n, trong đó 2n 1= 2k1k2 - 1, n1 = 2k1 - 1, n2= 2n – 1/ n1. Hình
1.11 thể hiện mẫu chiếu tạo ra với k1 = 5, k2 =2,
và n1= 31, n2 = 33.
Hình 1.11 Mảng 31 x 33 với kích thước cửa
sổ phụ 5x 2 [48]

k) Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã nhỏ
Thay vì sử dụng một mảng nhị phân ngẫu nhiên như trên có thể sử dụng mảng ngẫu
nhiên đa giá trị [84]. Hình 1.12 mô tả ba giá trị mảng ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng
nhỏ cũng như cửa sổ phụ để xác định vị trí các điểm lưới mã hóa. Phương pháp đo được 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 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84]

20


m) Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu
Một lưới 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
1.13). Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng. Tuy nhiên, nếu bề rộng
các đường quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến sự tin cậy khi xác định các điểm cần đo làm giảm độ
phân giải của phương pháp đo.

Hình 1.13 Mô hình lưới màu sắc [2]

n) Mẫu ảnh chiếu 2 chiều mã hóa đốm màu
Có nhiều phương pháp khác tạo ra các mảng giả ngẫu nhiên [85] đề xuất một thuật
toán để tạo ra một mảng giữ được sự duy nhất của cửa sổ phụ. Phương pháp này là tương
đối trực quan để thực hiện trong các thuật toán máy tính. Ví dụ hình 1.14 (bên trái) cho thấy
mảng 6x6 với kích thước cửa số phụ 3x3 sử dụng ba màu (R, G, B). Các quá trình tạo mảng
như sau: đầu tiên lấp đầy trên góc bên trái của mảng 6 x 6 với một mẫu được chọn ngẫu
nhiên. Sau đó thêm một cột ba yếu tố trên vào bên phải ngẫu nhiên. Tiếp tục bổ sung các cột
cho đến khi tất cả các cột được làm đầy với mã ngẫu nhiên và mặt nạ cửa sổ phụ được xác
định. Tương tự như vậy, thêm ngẫu nhiên hàng theo hướng đi xuống từ vị trí mặt nạ ban đầu.

Sau đó, thêm mã ngẫu nhiên mới theo hướng đường chéo. Lặp lại các quá trình cho đến khi
tất cả các dấu chấm được điền đầy màu sắc. Hình 1.14 (bên phải) thể hiện một mảng giả
ngẫu nhiên với kích thước 20 x 18.

Hình 1.14 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85]

Nhận xét: Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm
đo trên không gian chiếu. Để thuận tiện cho quá trình xử lý dữ liệu đo các mẫu chiếu cần
đảm bảo mỗi điểm trên lưới đo có sự phân biệt với toàn bộ các điểm khác. Tốc độ đo phụ
thuộc số mẫu chiếu trong phương pháp sử dụng. Một số phương pháp sử dụng nhiều mẫu
21


chiếu và một số phương pháp chỉ cần một mẫu chiếu. Độ phân giải của phương pháp đo
(khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độ
phân giải của hệ thống chiếu vân và camera. Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến
phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ
thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian
lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút lưới
lớn (độ phân giải thấp). Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các phương
pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc.
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc cần phải chiếu mẫu vân sáng lên bề mặt chi
tiết đo. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của vân chiếu được tạo
ra. Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử nhiễu
xạ, dùng máy chiếu. Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ phù
hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng chiếu
có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp đòi hỏi độ chính xác rất cao
cũng như phạm vi đo hạn chế. Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản phẩm có
kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số DLP.

Công nghệ Digital Light Processing là giải pháp hiển thị kỹ thuật số sử dụng một vi
mạch bán dẫn quang học, gọi là thiết bị vi gương số DMD (Digital Micromirror Device) để
tái hiện dữ liệu nguồn.

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27]

Trên hình 1.15 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu DLP. Một chip DMD
được tích hợp ma trận vi gương, mỗi vi gương tương ứng một điểm ảnh. Tần số dao động
của gương hàng ngàn lần/ giây và thể hiện được 1024 cấp độ xám. Để thể hiện hình ảnh màu,
một bánh quay màu (color wheel) được đặt giữa nguồn sáng và DMD. Phổ biến hiện nay là
hệ thống sử dụng bánh quay 4 màu gồm đỏ, lục, xanh dương, trắng để lần lượt tạo và xuất
ra 4 ảnh đơn sắc trong một chu kỳ. Công nghệ máy chiếu DLP có các ưu điểm sau:
 Các chip DMD cho độ phân giải cao, kích thước máy chiếu nhỏ. Mỗi điểm ảnh có thể
điều khiển 256 mức cường độ xám khi chiếu ảnh xám.

22


 Điều khiển chính xác cường độ sáng của điểm ảnh: các mẫu chiếu được thiết kế trên
máy tính được số hóa và truyền tín hiệu điều khiển xuống máy chiếu đơn giản và cho độ
chính xác cao.
 Giá thành các thiết bị chiếu theo công nghệ DLP ngày càng giảm.
1.2.4. Hệ thu ảnh vân
Cấu tạo camera bao gồm hai bộ phận chính: hệ quang để tạo ảnh và một phần tử nhạy
sáng thu nhận hình ảnh từ hệ quang gọi là cảm biến ảnh.
a) Cảm biến hình ảnh của camera
Trong các camera thông thường, tại vị trí mặt phẳng ảnh là một cảm biến ma trận ảnh.
Cảm biến này là thiết bị lấy mẫu cho cảm biến đầu vào và biến đổi tín hiệu quang thành tín
hiệu điện. Cảm biến ảnh cấu tạo bởi các lưới điểm nhạy với ánh sáng, nó có thể là CCD hoặc
CMOS. Cách sắp xếp các điểm ảnh này theo hệ trục tọa độ ảnh hình 1.16. Mỗi điểm ảnh có

diện tích là 𝑑𝑖𝑢 × 𝑑𝑖𝑣 và khoảng cách giữa các điểm ảnh theo chiều dọc và ngang tương ứng
là 𝑑𝑠𝑢 𝑣à 𝑑𝑠𝑣 . Khoảng cách tâm giữa hai điểm ảnh theo chiều dọc và ngang sẽ là:
𝑑𝑢 = 𝑑𝑖𝑢 + 𝑑𝑠𝑢 𝑣à 𝑑𝑣 = 𝑑𝑖𝑣 + 𝑑𝑠𝑣 .

(1.1)

Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD

Biểu thức trên ở dạng đơn giản khi coi các phần tử của cảm biến là hình vuông (tỷ lệ
các cạnh là 1:1) và không bị xiên. Tuy nhiên, giả định này không phải lúc nào cũng đúng, ví
dụ như hệ ảnh TV NTSC định nghĩa các điểm ảnh hình chữ nhật có tỉ lệ 10:11. Trong thực
tế, tỉ lệ này theo tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất. Trong trường hợp thiết bị thu ảnh theo
từng khung hình riêng biệt (frame grabber), trong quá trình đồng bộ các khung hình có hiện
tượng các điểm ảnh bị xiên hình 1.17. Vì các lý do trên nên trong mô hình camera đưa thêm
23


vào hai tham số là hệ số tỉ lệ pixel mu, mv và hệ số xiên pixel 𝛾 = 𝑚𝑢 𝑐𝑜𝑡𝜃.

Hình 1.17 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng

b) Hệ quang học
Theo quy ước hệ quang học phân tích theo phương pháp quang hình. Do sự ảnh hưởng
không đáng kể tới mục đích nghiên cứu nên ta không dùng quang sóng (như nhiễu xạ). Coi
thấu kính đối xứng trục, trục đó gọi là trục quang (hệ quang không có gương, lăng kính. …).
Mọi hệ quang đều có quang sai ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được (làm ảnh bị
mờ, ảnh bị biến dạng). Xuất phát từ định luật khúc xạ (định luật Snell):
𝑛1 𝑠𝑖𝑛(𝜃1 ) = 𝑛2 𝑠𝑖𝑛(𝜃2 )
(1.2)
Khai triển Taylor ta được:

∞

(−1)𝑛
𝑥3 𝑥5 𝑥7
2𝑛+1
𝑠𝑖𝑛 𝑥 = ∑
.𝑥
=𝑥− + − +⋯
(2𝑛 + 1)!
3! 5! 7!

(1.3)

𝑛=0

Khi góc tới rất nhỏ cho gần đúng sin 𝑥 ≈ 𝑥 nghĩa là các tia tới rất gần trục quang hệ
quang được coi là hoàn hảo, không có quang sai ở miền gần trục. Khi góc tới tăng lên,
sin 𝑥 = 𝑥 −

𝑥3
3!

, có quang học bậc 3, khi này các tia sáng không còn gần trục nữa và hệ quang

xuất hiện quang sai bậc 3. Như vậy, việc thay thế hàm số sin bằng chuỗi gần đúng trong định
luật khúc xạ cùng với sự phi tuyến của hàm số sin mô tả sai lệch của đường truyền thực qua
hệ quang học khỏi đường truyền cận trục, sai lệch này dẫn tới sự sai khác vị trí điểm ảnh tức là quang sai. Trên hình 1.18 thể hiện sự sai khác vị trí điểm ảnh do quang sai gây ra.

(a)

(b)

Hình 1.18 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b)

24


c) Mô hình toán học cho camera và máy chiếu có tính đến quang sai.
Để xác định chính xác tọa độ điểm ảnh sử dụng mô hình toán học cho camera và máy
chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ thống ống kính quang học. Đây
là phương pháp được áp dụng cho hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực quang trắc, quan
sát máy hoặc đồ họa máy tính.
Xây dựng mô hình toán học cho camera cũng như máy chiếu, quy ước hệ tọa độ như
hình 1.19: OCX(C)Y(C)Z(C)là hệ tọa độ camera, O1uv là hệ tọa độ cảm biến ảnh, OXYZ là hệ
tọa độ vật lý có thể quy ước là hệ tọa độ bàn máy khi dựng đám mây điểm. Khi đó OCZ(C)
vuông góc và đi qua tâm cảm biến trên O1uv.

Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ trong mô hình camera lỗ nhỏ [133]

Một điểm P(xP, yP, zP) trong trường camera được tạo ảnh P’ trên cảm biến và được
xác định như sau:
Chuyển đổi tọa độ điểm P từ hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác
định được:
(𝐶)

(𝐶)

(𝐶)

[𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] = 𝑅 [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] + 𝑇

(1.4)

Trong đó: R, T là ma trận quay và ma trận chuyển vị.
Ảnh của điểm P trên cảm biến ảnh là P’(u, v) khi đó theo tọa độ camera tọa độ điểm
P’ được xác định bởi:
(𝐶)

[𝑢𝑃 , 𝑣𝑃 , −1] = [

𝑥𝑃

(𝐶)

−𝑧𝑃

(𝐶)

,

𝑦𝑃

(𝐶)

−𝑧𝑃

(𝐶)

,

𝑧𝑃

(𝐶)

−𝑧𝑃

]

(1.5)

Do điểm P được tạo ảnh trên cảm biến khi đi qua hệ quang do đó các yếu tố quang sai
(d)

(d)

ảnh hưởng đến quá trình tạo ảnh xác định được (uP , vP ) là tọa độ điểm ảnh thu được trên
cảm biến; (𝑢𝑃 , 𝑣𝑃 ) là tọa độ điểm ảnh lý tưởng khi không có quang sai. Theo các nghiên cứu
của các tác giả [18, 19, 128, 133], tọa độ điểm ảnh P được xác định bởi:
25