Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí

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

NGUYỄN THỊ KIM CÚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐO CHI TIẾT CƠ KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà nội - 2018


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................. xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án ......................................................................................... 1
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án .............................................. 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 4
5. Kết cấu của luận án ........................................................................................................ 4
6. Các kết quả mới .............................................................................................................. 5
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC ........................................................................................................................... 6
1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc................................................................. 6
1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray .................................. 11

1.2.1 Phương pháp dịch pha ......................................................................................... 11
1.2.2 Phương pháp mã Gray ......................................................................................... 13
1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray ................................................................... 14
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí .................................. 20
1.3.1 Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống. ..................................................................... 23
1.3.2 Ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí ............. 31
1.3.2.1 Mô hình phản xạ bề mặt ................................................................................. 31
1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt ............................. 37
1.3.3 Đánh giá độ chính xác hệ thống PSGC ............................................................... 41
1.4 Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 48
1.5 Hướng nghiên cứu của luận án .................................................................................. 48
Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
ĐO PSGC ............................................................................................................................ 49
2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) ......................... 49
2.2 Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ ................................................... 53
2.2.1 Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu ........................................................ 58
2.2.2 Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn .................................................................. 59
2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực .................................................................... 59
2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w  h  d) ............................................................... 62


2.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm ................................................................... 66
2.4 Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ .................................... 72
2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ ......................................................... 72
2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn .................................................... 77
2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn .................... 82
2.5 Kết luận chương 2 .................................................................................................. 86
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT ............... 87
3.1 Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa của CCD máy ảnh ................................. 87
3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp .................. 91

3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ ................................................. 96
3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt .................................. 100
3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp ................. 103
3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm .................................................................... 103
3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 .................................................................. 108
3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn.......................................... 113
3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp ................................................. 113
3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc ......................................................... 115
3.5 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 117
Chương 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO
PSGC ................................................................................................................................. 118
4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác ............................................................ 118
4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 ...................................................... 118
4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 .................................................... 122
4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 125
4.2 Khảo sát độ chính xác hệ thống ............................................................................... 126
4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn ........................................................ 126
4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu ........................................................................................ 130
4.2.3 Khảo sát độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 131
4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí. ................................................................... 131
4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 134
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 135
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................................. 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 143
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các chữ viết tắt

Viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

CNC

Computer numerical control

Điều khiển số bằng máy tính

CMM

Coordinate measuring machine

Máy đo tọa độ

DMD

Digital micromirror device

Thiết bị vi gương kỹ thuật số

DLP

Digital light processing

Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

PSGC

Phase shift combined with Gray
code

Phương pháp đo sử dụng ánh
sáng cấu trúc dịch pha kết hợp
mã Gray

DOF

Depth of field

Độ sâu trường ảnh

HDR

High dynamic range

Dải tương phản động mở rộng

RP

Reference phase

Bản đồ pha mặt phẳng chiếu

OP

Object phase

Bản đồ pha khi có vật

DFP

Digital fringe projection

Chiếu vân kỹ thuật số

SNR

Signal-to-Noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

BRDF

Bidirectional reflectance
distribution function

chức năng phân bố phản xạ hai
chiều khác nhau

MIGL

Maximum input graylevel

Mức xám đầu vào tối đa

ICP

Iterative Closest Points

Các điểm lặp gần nhất

RANSAC

RANdom SAmple Consensus

Phương pháp đồng nhất mẫu
ngẫu nhiên.

SVD

Singular value decomposition

STD

Standar deviation

Độ lệch chuẩn


Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

t

rad

Unwrapped phase or
absolute phase

Pha tuyệt đối

w

rad

Wrapped phase

Pha tương đối

kG

-

Gray code value

Giá trị mã Gray

(Ow ; x w , y w , z w )

-

World-coordinate system

Hệ tọa độ hệ thống

(Oc ; xc , y c , z c )

-

Camera-coordinate system

Hệ tọa độ máy ảnh

(O p ; x p , y p , z p )

-

Projector coordinate system Hệ tọa độ máy chiếu

-

Image-coordinate system

Tọa độ mặt phẳng ảnh

sc

-

Camera scale ratio

Hệ số tỉ lệ máy ảnh

sp

-

Projector scale ratio

Hệ số tỉ lệ máy chiếu

R

-

Rotation matrix

Ma trận quay

t

mm

Translation vector

Véc-tơ tịnh tiến

Pc

m

Pixel size

Kích thước điểm ảnh

(O; u, v)

Np Mp

Điểm ảnh Projector resolution

Độ phân giải máy chiếu

Nc Mc

Điểm ảnh Camera resolution

Độ phân giải máy ảnh
Kích thước thực cảm biến CCD
máy ảnh

Cu Cv

m

fuc , fvc

Điểm ảnh

Tiêu cự máy ảnh theo hai trục u, v
của cảm biến ảnh

f up , f v p

Điểm ảnh

Tiêu cự máy chiếu theo hai trục u,
v của cảm biến ảnh

A

Điểm ảnh

Ma trận nội thông số

k1, k2, k3

-

Radial distortion
coefficients

Các hệ số méo hướng tâm

p1, p2, p3

-

Tangential distortion
coefficients

Các hệ số méo tiếp tuyến

CCD size


Tọa độ điểm gốc (giao điểm trục
quang và mặt phảng ảnh)

u0c , v0c

-

Tu , Tv

Điểm ảnh

nTu, nTv

-

h w  d

mm

Height  Width  Depth

Kích thước vùng đo theo chiều cao
 rộng  sâu

D

mm

Aperture diameter

Đường kính khẩu độ ống kính

N= f D

-

The number f

Số f

f

mm

Focal langth

Tiêu cự thấu kính



Độ (  )

R0

-

S

Chu kỳ vân chiếu theo phương
ngang và phương dọc
Số chu kỳ vân Gray theo phương
ngang và phương dọc

Góc giữa trục quang của máy ảnh
và máy chiếu
Reference plane

Mặt phẳng tham chiếu

mm

Checker size

Kích thước ô vuông bàn cờ

BB

mm

Checkboard size

Kích thước bảng hiệu chuẩn



Độ (  )

Góc mở của máy chiếu theo
phương ngang



Độ (  )

Góc mở của máy chiếu theo
phương dọc

OO = b

mm

L

mm

Khoảng cách từ đường cơ sở đến
mặt phẳng tham chiếu R0

I c (u, v)

Mức xám

Cường độ ánh sáng thu được từ
máy ảnh

I p (u, v)

Mức xám

Cường độ ánh sáng chiếu từ máy
chiếu

Im

Mức xám

Cường độ ánh sáng môi trường
xung quanh

RA

-

Base line

Đường cơ sở (Khoảng cách giữa
quang tâm của máy ảnh và máy
chiếu)

Hệ số phản xạ bề mặt tại điểm A


tc

ms

Exposure time

Thời gian phơi sáng của máy ảnh

tp

ms

Wait time

Thời gan trễ của máy chiếu



-

Độ nhạy của máy ảnh

In

-

Nhiễu của máy ảnh

c

µm

n

-

Số điểm ảnh trong đám mây điểm

Si

-

Các vùng mức xám

l

-

Thứ tự mức xám trên thang độ xám
từ 0 đến 255 mức

Ik

Mức xám

p(Si )

%



-

k

-

m

-

Inlier

Số điểm trong tập

p

%

The probability of a
successful detection

Xác xuất thành công của thuật toán

Circle of confusion

Kích thước vòng tán xạ

Giá trị mức xám thứ k
Tỉ lệ tổng số điểm ảnh có cùng
mức xám trong vùng Si
threso

Ngưỡng sai số cho phép
Số lần lặp


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất của vật liệu màu sắc đặc trưng với các hệ số phản xạ bề mặt ......... 33
Bảng 1.2 Các loại tiêu chuẩn đo ..................................................................................... 42
Bảng 2.1 Kết quả hiệu chuẩn trong hai trường hợp (a) và (b) ........................................ 82
Bảng 4.1 Dữ liệu đo chiều cao bậc ở các vị trí cắt khác nhau .................................... 1289
Bảng 4.2 Kết quả đo chi tiết bậc………………………………………………………………………………………131

Bảng 4.3 Dữ liệu đo phù hợp mặt phẳng ở các vị trí và hướng khác nhau................... 131


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc ................................................ 7
Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; [95] ........................................................ 11
Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14] ........................................................... 13
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC ................................................................ 15
Hình 1.5 Mã hóa các mặt phẳng ánh sáng với n=3 trên bản đồ pha ............................... 15
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo ................................................. 16
Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân ................................... 19
Hình 1.8 Giải mã bản đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98] .............................. 20
Hình 1.9 Thuật toán RANSAC phù hợp dữ liệu đám mây điểm [86] ............................ 22
Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống bằng cách di chuyển chính xác mẫu hiệu chuẩn [95] .. 24
Hình 1.11 Mô hình máy ảnh lỗ nhỏ [102] ...................................................................... 25
Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch khi có méo ảnh. ............................................................ 27
Hình 1.13 Biến dạng pha trên các điểm góc của bảng hiệu chuẩn. [98]......................... 30
Hình 1.14 Mô hình quang học hệ thống đo [42] ............................................................. 31
Hình 1.15. Đồ thị biểu diễn ảnh mối quan hệ của góc chiếu vật liệu và phản xạ bề mặt của
các vật liệu khác nhau [60] ............................................................................................. 32
Hình 1.16 Mô hình phản xạ với hai thành phần phản xạ và tán xạ [60] ......................... 34
Hình 1.17 Bề mặt phản xạ với các độ nhám khác nhau [60] .......................................... 35
Hình 1.18 Ảnh chi tiết đo khi đo bằng ánh sáng cấu trúc ............................................... 36
Hình 1.19 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A1 [28] ........................................................ 42
Hình 1.20 Đánh giá các giá trị được định chuẩn cho loại A1 [28] ................................. 43
Hình 1.21 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A2 [28] ........................................................ 43
Hình 1.22 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B2 [28] ......................................................... 44
Hình 1.23 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B3 [28] ......................................................... 44
Hình 1.24 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu C3 ................................................................ 45

Hình 1.25 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D1 ................................................................ 45
Hình 1.26 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D2 ................................................................ 46
Hình 1.27 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu E2................................................................. 46
Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray ................... 49
Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán phương pháp đo sử dụng phương pháp PSGC ..................... 52
Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống ....................................................... 53


Hình 2.4 Sai lệch phép chiếu ảnh. .................................................................................. 54
Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn hệ thống. ............................................................. 57
Hình 2.6 Bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ ..................................................................... 58
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm thiết lập góc ô vuông bàn cờ ....................... 59
Hình 2.8 Khoảng cách từ các điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp. .............................. 60
Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống. ............................................... 62
Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh ............................................................ 63
Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm ........................................................................ 66
Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo ........................................................... 68
Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h. ............................................................... 69
Hình 2.14 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương ngang ......................................... 71
Hình 2.15 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương dọc ............................................. 71
Hình 2.16 Xác định góc ô vuông bàn cờ ........................................................................ 72
Hình 2.17 Kết quả hiệu chuẩn bàn cờ kích thước (NxS)=(12 x 15) ............................... 74
Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn.... 76
Hình 2.19 Kết quả phù hợp mặt phẳng của các đám mây điểm 3D ............................... 80
Hình 2.20 Đồ thị mối quan hệ giữa góc ô vuông bàn cờ và lỗi phù hợp mặt phẳng ...... 81
Hình 2.21 Quan hệ giữa  và F trong ∆ ...................................................................... 82
Hình 2.22 Đồ thị mối quan hệ giữa ánh sáng môi trường xung quanh và các hệ số méo
ảnh của máy ảnh a, và máy chiếu b, ............................................................................... 84
Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn ......................... 85
Hình 3.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng của một bề mặt .................................................. 88

Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số phản xạ bề mặt ......................................... 89
Hình 3.3 Biểu đồ Histogram đánh giá chất lượng ảnh và mức phơi sáng. ..................... 93
Hình 3.4 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng nhỏ hoặc mức độ phản xạ bề mặt
thấp.................................................................................................................................. 94
Hình 3.5 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng lớn hoặc mức độ phản xạ lớn ..... 94
Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp...... 95
Hình 3.7 Ghép hai đám mây điểm bằng phương pháp ICP [72] .................................... 98
Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ giữa cường độ chiếu ảnh và độ rọi. ................................ 101
Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian phơi sáng và cường độ ảnh thu ............... 102
Hình 3.10 Đo độ nhám bề mặt của các chi tiết nhôm ................................................... 103
Hình 3.11 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết khuôn với các độ phơi sáng khác nhau .. 106
Hình 3.12 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =16ms ..................................... 106


Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm ............ 107
Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu ..... 107
Hình 3.15 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết nhôm với các độ phơi sáng khác nhau... 110
Hình 3.16 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =12,5 ms ................................. 111
Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm ............ 111
Hình 3.18 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu a, .. 112
Hình 3.19 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng. ............................................... 114
Hình 3.20 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng. ............................................... 116
Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định nhiều mặt phẳng ................................................... 121
Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang xác định bán kính cầu theo tiêu chuẩn E1 .................... 122
Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán xác định mặt cầu. ................................................................ 124
Hình 4.4 Sơ đồ mô tả vị trí và hướng của mặt phẳng mẫu đo. ..................................... 126
Hình 4.5 Giao diện phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng ............................................ 127
Hình 4.6 Giao diện chức năng Create Cross Section a, ................................................ 127
Hình 4.7 Chi tiết mẫu dạng bậc và mặt cắt ngang ........................................................ 128
Hình 4.8 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả cầu bán kính R1=25 (mm) .......... 130

Hình 4.9 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả quả cầu bán kính R2=36.50 (mm)
...................................................................................................................................... 130
Hình 4.10 Dựng lại biên dạng của chi tiết khuôn trong hai trường hợp (a) và (b). ...... 132
Hình 4.11 Hình ảnh đo chi tiết khuôn trên máy đo 3 tọa độ (a) ................................... 132
Hình 4.12 Ảnh xây dựng biên dạng 3D của chi tiết cơ khí .......................................... 134


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công
bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng
phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí
trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp
đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ
yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM,
máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính
xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài
phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn
bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng
hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học.
Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích
thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một
giây.
Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển
và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh
stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có
độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp
hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính
xác thấp hơn phương pháp quét tia laser.
Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng

cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm
cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo.
Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự
thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong
ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu
ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua
phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến bộ của khoa
học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D
quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao,
có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18].
Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là
có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh
hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh
1


sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường
các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng
nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm
bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi
tiết cơ khí [20], [61], [62].
Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như:
phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương
pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên
độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng
3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính
xác đo cao. Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được
điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi
điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ
phân giải cao. Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử

hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp
này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết
phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá
trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray
(PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có
nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức
tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống
nhiễu cao.
Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC
gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn
về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều
khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế
giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương
pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí.
Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo
lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do
chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm
chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo
trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về
công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D
biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao
về kinh tế và kỹ thuật.

2


Như vậy, một trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực
đo lường 3D biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc là đảm bảo độ chính xác, cải thiện
những hạn chế của phương pháp đo này khi đo chi tiết cơ khí. Với mục đích nghiên
cứu các phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất

lượng sản phẩm trong sản xuất cơ khí, tăng được tính chủ động trong công nghệ đo
lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật công nghệ, phần mềm và giảm chi phí nhập khẩu
từ nước ngoài. Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án:
Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo
chi tiết cơ khí.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu
Mục đích chính của luận án là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phép đo sử
dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên
dạng 3D các chi tiết cơ khí được gia công bằng công nghệ CNC.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu luận án là hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng
máy ảnh và máy chiếu số để đo lường các chi tiết được gia công bằng công nghệ phay
CNC.
Cụ thể là nghiên cứu các phương pháp làm tăng độ chính xác tích hợp và hiệu
chuẩn hệ thống máy đo PSGC. Đo lường các chi tiết cơ khí có độ phản xạ cao.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng
đến độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bằng bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn
cờ. Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi đo
các chi tiết hợp kim nhôm khi phay tinh bằng máy phay CNC.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Đã nghiên cứu xác lập được một số vấn đề về cơ sở lý thuyết xây dựng quy
trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo các chi tiết cơ khí gia
công bằng công nghệ CNC. Với khả năng lựa chọn các thông số cấu hình hợp lý, yêu
cầu phạm vi đo và độ phân giải đảm bảo nâng cao độ chính xác phép đo.
-

Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt bằng

phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp và ghép đám
mây điểm bù vùng bóng cho các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao và hình
dáng biến đổi nhiều.
3


Xây dựng được một quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo bề mặt 3D
thông qua các tiêu chuẩn quốc tế.
Ý nghĩa thực tiễn
Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết có
thể ứng dụng trực tiếp trong phép đo mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo
nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp.
Quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống sẽ giúp cho việc nghiên cứu hoàn
thiện độ chính xác các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc.
-

Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở xây dựng lựa chọn, tích hợp các thông số

hợp lý cho một hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo và độ phân giải xác định
giúp quá trình tính toán thiết kế hệ thống đo đạt độ chính xác cao nhất.

4. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận án đã sử
dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công
cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp các công trình
nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

của luận án để xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp
diễn dịch trong lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số
làm việc của hệ thống đo PSGC. Xây dựng các thuật toán và chương trình xử lý tín
hiệu đo.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm của
phương pháp PSGC phù hợp với các nội dung nghiên cứu của luận án, cho phép thực
nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo của hệ thống đo PSGC.
Thu thập, phân tích số liệu và xử lý các kết quả thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng,
giữa các kết quả thực nghiệm với lý thuyết bằng các phần mềm xử lý kết quả thực
nghiệm.

5. Kết cấu của luận án
Luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sử dụng phương pháp ánh sáng cấu
trúc.
Chương 2: Phương pháp nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC.
Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí.
Chương 4: Xây dựng quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo PSGC.

4


6. Các kết quả mới
Luận án đã nghiên cứu xác định một số thông số chính ảnh hưởng đến độ chính
xác của phương pháp đo PSGC: các thông số cấu trúc hệ thống, độ chính xác phương
pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt và phương pháp xử lý dữ liệu 3D.
Xây dựng thuật toán và phần mềm chương trình đo sử dụng phương pháp ánh
sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn đã xác
định được các thông số hợp lý về: kích thước ô vuông bàn cờ, độ chính xác ô vuông
bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép trong hiệu chuẩn và ảnh hưởng của ánh sáng

môi trường.
Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết
bằng cách ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp
Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết
bằng cách đo chi tiết ở các hướng khác nhau và ghép đám mây điểm bù vùng bóng.
Xây dựng quy trình đánh giá sai số của hệ thống đo PSGC dựa trên các tiêu
chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ chính xác hệ thống đo trong nghiên cứu và chế tạo
sử dụng.

5


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT
CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
Chương này trình bày tổng quan về phương pháp đo biên dạng bề mặt 3D sử
dụng ánh sáng cấu trúc với phương pháp PSGC, làm rõ các ưu nhược điểm của phương
pháp khi đo các chi tiết cơ khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hệ thống cũng
được đề cập đến nhằm phân tích các vấn đề đã được giải quyết và các vấn đề còn tồn
tại. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này như: thông
số hình học của hệ thống, đặc tính bề mặt, vật liệu của chi tiết đo, phương pháp xử lý
dữ liệu 3D, thông số kĩ thuật của thiết bị. Khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài
nước, đặc biệt tập trung hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác là độ chính xác hiệu
chuẩn và đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo. Thông qua việc trình bày tình hình nghiên
cứu, phần kết luận chương 1 tổng quát hóa về các vấn đề được trình bày và đề xuất
phương án nghiên cứu.

1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh số, máy
chiếu kỹ thuật số và công nghệ thông tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D bằng ánh sáng cấu
trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào rất nhiều ngành như: công

nghiệp, an ninh, thời trang và giải trí. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được
ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn đoán
bệnh trong y tế, bảo tồn di sản trong khảo cổ học hay đo lường kích thước cơ thể người
trong công nghệ thời trang và giải trí. Với phép đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy
mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh 3D chi tiết đo nhanh chóng có thể thực hiện theo thời
gian thực [21]. Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ giúp đáng kể cho
con người trong việc thiết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các kích thước đo trên
sản phẩm. Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể số hoá nhanh
chóng hình dáng của các chi tiết khác nhau. Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏng một
cách chính xác biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo và được thể hiện trên màn hình máy
tính, có thể tạo tùy biến phù hợp cho bất kỳ số lượng chi tiết đo. Bằng cách so sánh dữ
liệu đo với dữ liệu thiết kế sử dụng phần mềm ứng dụng, có thể đưa ra các báo cáo đo
kiểm một cách nhanh chóng và nhất quán, dựa trên phân tích sai số tổng thể, kích thước
hình học, sai lệch hình dáng chi tiết đo. Việc này cho phép cải tiến tốc độ và chất lượng
trong quá trình sản xuất một cách rõ rệt đặc biệt là trong ngành cơ khí. Các ứng dụng
đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được một số ưu điểm của phương pháp
đo lường quang học như [69]:
- Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn so với các
phương pháp đo tiếp xúc. Do phương pháp này đo được nhiều điểm của một vùng bề
6


mặt chi tiết trong một lần đo. Tốc độ đo của phương pháp này phụ thuộc vào tốc độ
chiếu mẫu ánh sáng của nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh của phần tử thu và đặc tính phản
xạ bề mặt của chi tiết đo.
- Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc,
không ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo. Phương pháp này
cũng không làm mài mòn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành không đúng.

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc

Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, thông
thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình ảnh và một
bộ xử lý, phân tích ảnh. Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thu ảnh có
thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu
một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh
sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy
ảnh. Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm
ảnh trên cảm biến ảnh. Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha
của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng
chuẩn. Mặt phẳng chuẩn là mặt phẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và
máy chiếu và song song với đường nối giữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu.
Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo
vùng bề mặt có khả năng thu được toàn bộ bề mặt 3D tốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và
dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường [19], [69].
Với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser
được điều biến theo dạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Để đo toàn
bộ bề mặt 3D phải kết hợp cả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo
lường dịch chuyển phức tạp. Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các
7


tọa độ theo điểm hoặc đường, do vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [29].
Hiện nay, có rất nhiều mô hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa
chọn công cụ và phương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là
rất quan trọng. Trong luận án này, phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo
phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựa chọn để nghiên cứu và giải quyết các
vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí. Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi
trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển động của đầu đo hay chi tiết đo
trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ

bề mặt cao.
Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mô hình mẫu
chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là: dùng giao thoa
ánh sáng và dùng phương pháp chiếu.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa
Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [66],
[76] hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng) [13]. Tạo ra các mô hình giao thoa với
các mẫu chiếu là các vân cách đều nhau. Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu
được bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia. Phương pháp này cho phép thu được
chính xác các mô hình mẫu với vùng có độ sâu không hạn chế. Tuy nhiên, để xây dựng
hệ thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí lớn.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu
- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.
Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn
sáng qua cách tử nhiễu xạ [8], [84]. Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ quang
chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc.
- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFP- Digital
Fringer Project).
Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình bên
trong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc DLP [22].
Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, công nghệ này liên quan
đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh, phương
pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu DLP lại sử
dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh. Kỹ thuật chiếu ảnh DLP
có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình ảnh mượt hơn
không lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.
Những lợi thế của kỹ thuật DFP so với các kỹ thuật khác trong việc đo hình dạng
3D chính là việc tạo ra các vân mẫu dạng số một cách tự nhiên. Về nguyên tắc, các
8

đường vạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới
điểm ảnh trên màn hình. Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được
bỏ qua. So với các phương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua
cách tử thì phương pháp DFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn,
so sánh với phương pháp tạo vân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP không
bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu và lỗi dịch pha. Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo
ra chất lượng vân chiếu không cao, vì vậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao
thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiên cứu kỹ. Do vậy cấu hình phần cứng của
thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnh hưởng của thiết bị. Độ phân giải quang
học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộng của vân được sử dụng, chất lượng
của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng. Độ phân giải của
hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnh trên diện tích bề mặt cảm
biến ảnh [38]. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP
với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùng nhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm)
nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ.
Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và
phát triển giải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể.
Trong đó phương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống
nhiễu tốt khi đo các bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ
phân giải không gian hoặc thời gian cao [100]. Một số tác giả [7], đã đánh giá chi tiết
các kỹ thuật khác nhau như: phương pháp mã nhị phân Gray code [22] phương pháp
mã dịch pha [33], [58], phương pháp mã hóa màu [51], phương pháp kết hợp mã dịch
pha và Gray [63], [94].
Trong các phương pháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời
gian thì phương pháp kết hợp được coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn
nhất [90], [103] cho phép đo các bề mặt 3D không liên tục và phức tạp. Gần đây việc
kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thành một xu hướng phát triển và điểm nóng
nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc [10]. Phương pháp kết hợp
này tận dụng lợi thế và hạn chế các nhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm

nâng cao độ chính xác và hiệu suất đo để đo các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn
hoặc bề mặt không liên tục.
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thu ảnh chi tiết đo thông qua hệ thống
quang nên độ chính xác phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hiệu chuẩn hệ
thống, quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết đo, cường độ ánh
sáng nền, nhiễu. Trong phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được
mô hình hóa khi tính toán các tọa độ điểm đo và các thông số của mô hình được xác
định qua quá trình hiệu chuẩn. Các thông số hình học của các thiết bị quang học cần
được tính toán xác định như: vị trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu.
Để hiệu chuẩn chính xác yêu cầu hiệu chuẩn các thông số của thiết bị thu phát tín hiệu
và mối quan hệ hình học giữa hai thiết bị này. Tuy nhiên các mô hình chưa tính đến
tất cả các thông tin của hệ thống quang học như: quang sai của hệ quang, sai lệch của
9


cường độ phát so với cường độ thu, độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu
và máy ảnh. Như vậy, việc hiệu chuẩn chính xác càng nhiều thông số của hệ quang thì
độ chính xác của hệ thống càng cao. Việc hiệu chuẩn hệ thống để đạt được kết quả
dựng hình 3D với độ chính xác cao cũng như việc nghiên cứu các quy trình hiệu chuẩn
đơn giản đạt được độ chính xác cao đã được nghiên cứu đề cập trong nhiều năm qua
[34], [50].
Đối với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, đặc tính bề mặt cũng như
ánh sáng mẫu chiếu tới bề mặt chi tiết đo ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu
được [30], [52]. Dữ liệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn không thể
thu được một cách chính xác. Do hiệu ứng phản xạ bề mặt có thể làm thay đổi giá trị
cường độ các vân mẫu chiếu trong ảnh giải mã chúng làm nhiễu mô hình giải mã.
Những đoạn mã bị nhiễu sau khi được giải mã sẽ bị sai lệch. Vì vậy dữ liệu được phân
tích sẽ không chính xác. Một phương pháp hiện thường dùng để giải quyết vấn đề phản
xạ bề mặt là sử dụng phương pháp phun phủ bề mặt chi tiết đo làm giảm phản xạ bề
mặt khi đo bằng các phương pháp quang học [57]. Sử dụng phương pháp phun phủ bề

mặt cần có công đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trước và sau khi đo làm tăng chi
phí khi đo. Như vậy, khi nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc để đo
các chi tiết có phản xạ bề mặt cao vấn đề về ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cần được
nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chính xác của hệ thống.
Đặc điểm của chi tiết cơ khí với vật liệu kim loại thành phần truyền qua là rất
nhỏ coi như bằng không, thành phần phản xạ bề mặt là rất lớn. Do bề mặt vật liệu kim
loại có mức biến đổi cường độ cao hơn rất nhiều so với bức xạ thông thường. Mức độ
phản xạ và tán xạ của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào nhám và biên dạng bề mặt, đặc
tính vật liệu của bề mặt. Cường độ phản xạ bề mặt thu được phụ thuộc vào hướng
chiếu và thu ánh sáng
Có thể thấy rằng, phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đang được
nghiên cứu sâu và ngày càng phát triển, vì vậy vấn đề nghiên cứu và phương pháp đo
3D là cấp thiết để phục vụ phát triển công nghiệp nói riêng và hiện đại hóa đất nước
nói chung. Với phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray này tận dụng
được khả năng chống nhiễu tốt của mã Gray, và có thể gỡ pha tuyệt đối của mã hóa
tương tự mà không có sự tích lũy lỗi. Hơn nữa sử dụng kỹ thuật dịch pha để thực hiện
phép đo với mật độ lấy mẫu cao, độ phân giải cao và độ chính xác cao.
Để giải quyết vấn đề đo các chi tiết cơ khí gia công CNC với bề mặt phức tạp có
phản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray
là phương pháp phù hợp nhất. Muốn vậy cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu các phương
pháp đảm bảo và nâng cao độ chính xác lên hơn nữa cũng như giải quyết vấn đề giảm
ảnh hưởng của phản xạ bề mặt.

10


1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp
Gray
Trong các phương pháp đo bằng ánh sáng cầu trúc, phương pháp dịch pha có độ
phân giải cao nhất nhờ việc, xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy

chiếu trong một chu kỳ sin. Tuy nhiên đối với bề mặt có độ dốc lớn hoặc không liên
tục thì sẽ khó phân biệt được từng chu kỳ sin. Mặc dù phương pháp Gray có độ phân
giải thấp song có giá trị mã hóa mỗi vân mẫu là duy nhất. Do vậy, dùng phương pháp
mã hóa Gray để xác định duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm lỗi gỡ pha. Phương
pháp kết hợp cho mối quan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và các điểm
ảnh của máy chiếu sao cho mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép chiếu 2D của
cùng 1 điểm trong tọa độ thực 3D.
1.2.1 Phương pháp dịch pha
Phương pháp dịch pha là phương pháp tiêu biểu trong đo lường không tiếp xúc
sử dụng ánh sáng cấu trúc do có ưu điểm lớn nhất đem lại độ phân giải cao, độ chính
xác cao do việc xử lý tín hiệu có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến.
Bề mặt 3D của chi tiết đo được xác định một cách chính xác và nhanh chóng [27],
[87].

a,

b,

Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; Ảnh vân trên mặt phẳng tham chiếu b, [95]

Hình 1.2a, biểu diễn hình dạng của một sóng ánh sáng được điều biến dạng sin
theo mặt cắt ngang vuông góc với mặt phẳng tham chiếu và ảnh của vân dạng sin được
chiếu lên mặt phẳng tham chiếu. Hình 1.2b là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóa theo chu
kỳ sin được chiếu lần lượt và lệch pha nhau. Ảnh mẫu thu được từ bề mặt chi tiết đo
với sự biến đổi pha của cường độ điều biến chứa thông tin chiều cao của các điểm trên
bề mặt của đối tượng đo. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào giá trị pha theo
biểu thức sau [85]: Equation Chapter (Next) Section 1
Ii (x, y, t) = I’(x, y) + I’’(x, y) cos [ (𝑥, 𝑦) + (𝑡)]

(1.1)

Trong đó: Ii (x, y, t) là cường độ ánh sáng của các ảnh mẫu chiếu được chiếu
bằng máy chiếu. I’(x, y) là cường độ ánh sáng nền, I’’(x, y) là cường độ ánh sáng điều
biến, (x, y) là thành phần pha lý tưởng, (𝑡) =

2𝜋
4

𝑖 là hằng số góc dịch pha, i=1, 2,

3, 4. Mỗi thuật toán dịch pha được lựa chọn sẽ có quy trình đo và xử lý dữ liệu khác
11


nhau. Các thuật toán dịch pha đã được phát triển như: Dịch pha 3 bước [27], [11], dịch
pha 4 bước, dịch pha 5 bước [96]. Số bước dịch pha sử dụng càng nhiều thì ảnh hưởng
của nhiễu càng nhỏ. Tuy nhiên, dùng nhiều bước vân mẫu dịch pha thì quá trình gỡ
pha sẽ rất phức tạp.
Ảnh mẫu dịch pha 4 bước với pha là [107]:

I1 ( x, y) = I ' ( x, y) + I '' ( x, y) cos  ( x, y) 

(1.2)



I 2 ( x, y) = I ' ( x, y ) + I '' ( x, y ) cos  ( x, y) + 
2


(1.3)

I3 ( x, y) = I ' ( x, y) + I '' ( x, y) cos  ( x, y) +  

(1.4)

3 

I 4 ( x, y) = I ' ( x, y ) + I '' ( x, y ) cos  ( x, y) + 
2


(1.5)

Trong đó I1 (x, y), I2 (x, y), I3 (x, y), I4 (x, y) tương ứng là cường độ sáng phân
bố tại tọa độ (x, y) của 4 ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham chiếu. Từ phương trình
(1.2), (1.3), (1.4), (1.5) sẽ xác định được các giá trị pha tương đối 𝑤 (𝑥, 𝑦) của các
điểm đo:
 I 4 ( x, y ) − I 2 ( x, y) 

 I1 ( x, y ) − I 3 ( x, y) 

w ( x, y ) = arctan 

(1.6)

Giá trị pha 𝑤 là ma trận 2 chiều tương ứng với kích thước của CCD. Hàm
arctan gián đoạn ở 2, nên pha tương đối chỉ được phân bố liên tục trong phạm vi từ
0 đến 2. Khi trên bề mặt vật đo có hai mặt phẳng tạo nên độ lệch pha lớn hơn 2π sẽ
gây ra các điểm không xác định. Nếu tần số sóng sin được sử dụng trong ảnh mẫu mã

hóa ánh sáng cấu trúc là 1 chu kỳ trên toàn bộ vùng chiếu, thì thuật toán gỡ pha là
không cần thiết song độ phân giải các điểm đo sẽ thấp nhất. Tần số sóng sin càng cao
thì độ phân giải càng lớn nhưng sẽ chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu và cần phải sử
dụng thuật toán gỡ pha. Bản chất của quá trình gỡ pha là quá trình xác định các vị trí
gián đoạn 2. Sau đó di chuyển các đoạn pha tương đối này bằng cách thêm hoặc bớt
đi một số lượng kG(x, y) modul pha 2 để nối tiếp các pha tương đối thành pha tuyệt
đối liên tục trên toàn bộ vùng không gian đo.
Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu ứng dụng [73]: gỡ pha
không gian và gỡ pha thời gian. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha
thời gian không đòi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ
pha. Gỡ pha không gian quayquanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận
và do đó đòi hỏi bề mặt liên tục. (Ví dụ, bề mặt hình học không thể gây ra những thay
đổi pha 2π). Thuật toán gỡ pha không gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng
và không có vùng bị gián đoạn. Ngược lại phương pháp gỡ pha thời gian là phù hợp
để đo chi tiết đo có bề mặt hình học tùy ý. Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua một
12


số phương pháp gỡ pha thời gian đã được nghiên cứu: thêm các dấu trên ảnh liên tục,
sử dụng thuật toán dịch pha nhiều tần số hoặc một thuật toán mã hóa nhị phân và dịch
pha [96], mã hóa Gray kết hợp dịch pha [105], mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha [81].
1.2.2 Phương pháp mã Gray
Phương pháp mã Gray cho phép mô tả 2n vùng chiếu khác nhau của máy chiếu.
Số chỉ thị của hướng chiếu có thể được xác định rõ ràng bằng số lượng từ mã sử dụng
hai mức xám (trắng và đen) với ưu điểm thiết lập hệ thống đơn giản và chống nhiễu
tốt và có thể đo các bề mặt gián đoạn hoặc các bề mặt đơn độc. Tuy nhiên phương
pháp này lại có nhược điểm: độ phân giải thấp và dải động thấp. Tùy thuộc vào độ
phân giải của phép đo mà số lượng mẫu chiếu được sử dụng khác nhau [59]. Độ phân
giải càng cao thì càng yêu cầu nhiều ảnh mẫu chiếu. Để tăng độ phân giải theo các
phương, phải tăng số ảnh mẫu chiếu, tuy nhiên việc tăng số mẫu chiếu bị giới hạn bởi

phần cứng hệ thống chiếu cũng như khả năng phân biệt vùng đen trắng trên nền chiếu
của máy ảnh sử dụng.

Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14]

Hình 1.3 các ảnh mẫu chiếu mã Gray được chiếu tuần tự theo thời gian. Sau
khi tất cả các mẫu được chụp bằng máy ảnh, một từ mã nhị phân tại mỗi điểm ảnh
được tính toán dựa trên cường độ chiếu tới điểm ảnh đó trong toàn bộ thời gian chiếu.
Ảnh mẫu cuối cùng là ảnh được phối hợp với một bit bằng mã của tất cả các điểm ảnh
trên CCD. Danh giới của hai từ mã được xác định thông qua việc tìm kiến biên hay
tâm của vân mẫu. Trong kỹ thuật tìm kiếm biên của vân, một số thuật toán được sử
dụng là: thuật toán xác định ngưỡng và thuật toán chiếu ảnh mẫu thuận nghịch. Thuật
toán xác định ngưỡng phù hợp với từng điểm ảnh được nghiên cứu với điều kiện vùng
mã trên vật quét phải tồn tại giá trị nhị phân tức là có thể mang bit 0 ở mẫu chiếu này
thì phải mang bit 1 ở mẫu chiếu bên cạnh. Mỗi vạch trên mẫu chiếu cuối cùng tương
ứng một mã nhị phân riêng biệt và duy nhất. Các điểm ảnh trên cùng một vạch có cùng
mã nhị phân do đó khi tính toán bằng phương pháp tam giác lượng xác định tọa độ các
điểm đo cần xác định vị trí tâm vạch hoặc biên của vạch trên vật để dựng lại lưới điểm
quét [23]. Việc mã hóa và giải mã ánh sáng cấu trúc dựa trên biên của vân chiếu để có
13


được số thứ tự vân trong mô hình mã hóa hoặc sự tương ứng giữa biên của vân với
cường độ trong hình ảnh mã hóa. Quá trình này có thể gặp phải sai số do hình ảnh vân
mã hóa Gray không sắc nét trong các đường biên của vân chuyển đổi từ đen sang trắng.
Do ảnh hưởng của ánh sáng môi trường và sự phản xạ của các bề mặt chi tiết đo
làm cho cường độ tỉ lệ xám của vân sáng và vân tối trong ảnh có thể thay đổi trên các
vùng khác nhau của hình ảnh. Vì vậy, một giá trị ngưỡng cố định để xác định biên của
vân cho toàn bộ hình ảnh có thể không đáp ứng được yêu cầu. Do vậy phương pháp
chiếu mã Gray thuận nghịch được áp dụng để giảm thiểu sai số xác định biên của vân

[83]. Phương pháp Gray sử dụng hệ thống vân có tính chất thuận nghịch để làm giảm
bớt sự sai lệch của các bít và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng. Sau đó
tìm giao điểm của hai ảnh chiếu thuận và ảnh chiếu nghịch để tìm vị trí của biên. Vì
ranh giới giữa mã 0 và mã 1 khi chiếu lên bề mặt sẽ có biên dạng phi tuyến nên việc
nội suy tuyến tính sẽ được sử dụng giữa các điểm lấy mẫu gần nhất (mức xám của các
điểm ảnh gần đó). Phương pháp mã hóa Gray dựa trên biên của vân thông qua giá trị
mã xám của điểm biên trong ảnh dạng cường độ tương ứng với các điểm trong ảnh mã
hóa. Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham
chiếu. Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự của
vân trong ảnh cường độ. Khi xác định số thứ tự vân trong các ảnh mẫu được chiếu mã
Gray xác định bởi giá trị mức xám 0 hoặc 1 ở vị trí tương ứng với biên của vân sau khi
nhị phân hóa trong ảnh cường độ.
1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray
Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương
pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code)
là phương pháp được quan tâm nhiều nhất. Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí.
Nguyên lý đo 3D của phương pháp PSGC là chiếu tuần tự các ảnh mẫu dịch pha và
mã Gray lên chi tiết đo (như hình 1.4), vân mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D của chi
tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh, sự biến dạng của vân mẫu ánh sáng trên chi
tiết so với vân mẫu ánh sáng được chiếu phụ thuộc vào hình dạng bề mặt chi tiết đo
[22]. Thông qua các quan hệ hình học giữa vị trí máy chiếu và máy ảnh, giữa cường
độ các điểm ảnh và mẫu chiếu thu được có thể xác định được độ sâu của các điểm bề
mặt chi tiết đo dựa vào phương pháp tam giác lượng.
Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thứ tự vân kG(x, y) tương ứng
với mỗi chu kỳ pha 2π, với kG(x, y) là số nguyên đại diện cho thứ tự vân. Mục tiêu của
thuật toán gỡ pha là tìm được thứ tự mỗi chu kỳ sin một cách chính xác cho mỗi điểm
ảnh. Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gỡ bằng thuật toán dịch
pha để thu được bản đồ pha tương đối, còn giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác
định bằng thuật toán Gray. Nhờ đó thuật toán dịch pha kết hợp mã Gray có khả năng
đo biên dạng bề mặt 3D của các chi tiết phức tạp có bề mặt không liên tục và độ dốc

lớn mà không cần sử dụng thuật toán gỡ pha phức tạp. Ngoài ra, phương pháp kết hợp
này còn có thể giảm thiểu được nhiễu khi gỡ pha tuyệt đối.

14