Báo cáo thực tập tốt nghiệp tại phòng lab 307 bộ môn cơ khí chính xác và quang học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----Viện Cơ Khí ---***

BÁO CÁO
THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
GVHD : TS. Nguyễn Trọng Doanh

Hà Nội: 5/2019
1


MỤC LỤC
PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHÒNG LAB C45-307............................4
1.1. Khái quát chung về phòng Lab C45-307.........................................................4
1.2. Một số thành tựu đạt được...............................................................................5
PHẦN II : NỘI DUNG THỰC TẬP.........................................................................7
2.1. Tổng quan phương pháp đo ánh sáng cấu trúc................................................7
2.2. Một số ứng dụng của công nghệ quét 3D......................................................10
2.3. Tình hình nghiên cứu.....................................................................................12
PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC SỬ DỤNG
MÃ GRAY KẾT HỢP DỊCH PHA.........................................................................13
3.1. Phương pháp dịch pha...................................................................................13
3.2. Phương pháp mã hóa Gray............................................................................15
3.3. Phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray............................................16
PHẦN IV : XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM.....................18
4.1. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm.......................................................18
4.2. Hiệu chuẩn hệ thống......................................................................................23
4.3. Quét và xây dựng biên dạng 3D....................................................................24
4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến đo quét và biện pháp khắc phục.........................33
PHẦN V: KẾT LUẬN.............................................................................................36

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa để đưa đất
nước phát triển sánh bằng với các cường quốc trên thế giới. Trong công cuộc phát triển
đó, vai trò của ngành Cơ khí là không thể thiếu, đóng vai trò quan trọng trong việc đặt
nền tảng cho việc phát triển các ngành công nghiệp, dịch vụ.
Để theo kịp và phát triển cùng trình độ với các nước có nền sản xuất Cơ khí hàng đầu thế
giới, việc đào tạo nguồn nhân lực với trình độ chuyên môn, tay nghề cao là việc làm hết
sức quan trọng để đào tạo ra những kỹ sư giỏi vừa có kiến thức vừa biết vận dụng kiến
thức để giải quyết vấn đề.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là trường đại học có bề dày truyền thống đào tạo
ngành Cơ khí của cả nước. Trong chương trình đào tạo có nhiều học phần giúp sinh viên
tiếp cận được với thực tế sản xuất cơ khí như: Nhập môn kỹ thuật cơ khí, Thực tập kỹ
thuật, Các buổi thí nghiệm của các môn học, cuối cùng là thực tập tốt nghiệp.
Học kì 20162 vừa qua, chúng em đã hoàn thành học phần thực tập tốt nghiệp tại phòng
lab 307 bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học với mã học phần ME5011. Dưới sự
hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Vinh và cô Nguyễn Thị Kim Cúc chúng em đã tiếp thu
được nhiều kiến thức về máy móc thiết bị, được vận dụng những kiến thức đã học trên
lớp vào việc vận hành và chạy máy gia công sản phẩm.
Dưới đây là nội dung bài báo cáo:
 Tìm hiểu tổng quan về phòng Lab 307
 Nhiệm vụ và công việc của chúng em trong quá trình thực tập ở phòng lab 307.
 Tổng kết

3


PHẦN I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PHÒNG LAB C45-307

1.1. Khái quát chung về phòng Lab C45-307

Thầy phụ trách: PGS.TS Nguyễn Văn Vinh
Email:
SĐT: 0913022190
Hướng nghiên cứu :
- Xây dựng phương pháp đo các thông số bánh răng trên máy đo CMM
- Nghiên cứu độ chính xác của tay đo toạ độ cực
- Nghiên cứu điều khiển dịch chuyển chính xác vị trí đầu đo trong máy đo CMM
- Công nghệ đo trên máy CMM
- Nghiên cứu độ chính xác khi đo Profile bề mặt chi tiết máy bằng phương pháp quét
Laser
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thực nghiệm chuyển đổi đo dịch chuyển độ nhậy cao
- Nghiên cứu phương pháp đo phổ phát xạ hồng ngoại để xác định thành phần các chất
- Điều khiển thiết bị quét tự động thu quang phổ
-Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo độ nhám
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo độ tròn

4


-Nghiên cứu, chế tạo chuyển đổi đo dịch chuyển chính xác bằằ̀ng laser theo phương pháp
tam giác lượng
- Nghiên cứu, chế tạo chuyển đổi đo dịch chuyển chính xác bằng laser theo phương pháp
điều tiêu tự độngNghiên cứu phương đo phổ tần số bằng giao thoa kế laser kiểu
Maichelson với gương tự động
-Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy in 3D
-Nghiên cứu các phương pháp đo quét biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
1.2. Một số thành tựu đạt được
Đề Tài “Thiết kế chế tạo máy in chi tiết nhựa 3D” đạt giải Nhất giải thưởng “Tài

năng Khoa học trẻ Việt Nam năm 2014”
Thành viên nhóm nghiên cứu:
1.
2.
3.
4.
5.

Hoàng Quốc Bình K54
Đỗ Đồng Chiến K54
Lê Duy Nhân K55
Nguyễn Thành Quyết K54
Nguyễn Doãn Thông K55

hình 1. 1 Ảnh nhóm sinh viên đạt giải tài năng khoa học trẻ
Đề Tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bám mục tiêu tự động lắp đặt trên tàu
Hải quân Việt Nam” đạt giải Nhất sinh viên Nghiên cứu khoa học cấp Trường 2015.
Thành viên nhóm:
1. Nguyễn Doãn Thông K55
2. Nguyễn Văn Hùng K55

1.2 Ảnh nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học
5


Đề Tài “Đo kích thước cơ thể người bằng máy quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc”
đạt sinh viên nghiên cứu khoa học cấp Trường giải Nhì đồng thời đạt giải Nhất bộ
môn cơ khí chính xác và quang học
Thành viên nhóm:
1.

2.
3.
4.

Nguyễn Đại Mã Lập Phong CĐT1 – K56
Đặng Huy Dương CĐT2 – K56
Mai Thị Huyền Thu KTCK08 – K57
Hoàng Thị Nhài KTCK05 –K57

Đề Tài : “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mảnh vá hộp sọ xương người bằng công nghệ
in 3D sử dụng nhựa PEEK” đạt giải ý tưởng sáng tạo nhất 2018
Thành viên nhóm:
Nguyễn Hữu Hiệp CĐT-K59
Nguyễn Thị Thu Hương KTCK-K58
Ngô Văn Ninh KTCK-K58
Nguyễn Văn Sơn CĐT-K59

PHẦN II : NỘI DUNG THỰC TẬP
Nhiệm vụ được giao :
-

Tìm hiểu phương pháp quét 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
6


-

Nghiên cứu phương pháp quét 3D bằng ánh sáng cấu trúc sử dụng mã gray kết
hợp dịch pha
Thực nghiệm quét các chi tiết.

2.1. Tổng quan phương pháp đo ánh sáng cấu trúc
Trên thế giới hiện nay công nghệ đo lường quang học với việc thu nhận và xử lý thông
tin qua ảnh để nhận biết, đo lường kiểm tra đối tượng được coi là một trong những lĩnh
vực đo lường hiện đại đang được quan tâm nghiên cứu phát triển, ứng dụng rộng rãi bởi
phương pháp này thu nhận được nhiều thông tin của đối tượng đo mà không cần tác động
trực tiếp đến đối tượng. Cho đến những năm đầu thập kỷ 90, hàng loạt các thế hệ máy đo
quang học ra đời với độ chính xác ngày càng cao đã mở rộng rất nhiều khả năng ứng
dụng các giải pháp 3D không chỉ trong công nghiệp, mà còn sử dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nữa như: y học, kiến trúc, khảo cổ học, điêu khắc, phim hoạt hình…
Trong các phương pháp đo quang học, phương pháp đo lường bằng ánh sáng cấu trúc
được nghiên cứu và phát triển khá nhanh trong mấy thập niên gần đây.Việc sử dụng ánh
sáng cấu trúc trong các thiết bị kiểm tra, đo đạt độ chính xác cao, thời gian lấy mẫu
nhanh, có thể dựng ảnh 3D đối tượng nhanh chóng với tốc độ cao đạt hàng ngàn phép đo
trên giây để thực hiện các phép đo theo thời gian thực. 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 kết quả đo trên sản phẩm. Sự kết hợp này tạo nên lĩnh vực khoa học là
thị giác - máy tính, đang thay thế mắt người trong việc nhận dạng ảnh và tự động xử lý
dữ liệu. Trong công nghiệp, máy quét 3D bằng ánh sáng có thể số hoá nhanh chóng hình
dáng của các chi tiết công nghiệp khác nhau. Các dữ liệu số hoá có thể mô phỏ ng một
cách chính xác đối tượng được thể hiện trên màn hình máy tính. Bằng cách so sánh dữ
liệu quét với tài liệu thiết kế khi sử dụng phần mềm ứng dụng, có thể đưa ra các kết quả
đo kiểm một cách nhanh chóng dựa trên phân tích sai số hình dạng, độ dày kích thước
hình học… Khả năng này cho phép nâng cao chất lượng trong quá trình sản xuất một
cách rõ rệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hệ thống chiếu bằng ánh sáng cấu trúc quét
nhanh hơn so với các hệ thống dựa trên nguồn laser

7

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cáu trúc
Máy đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc là một thiết bị để đo hình dạng ba chiều
của một đối tượng sử dụng các mẫu ánh sáng và một hệ thống camera. Phương pháp quét
3D bằng ánh sáng cấu trúc là chiếu các vân sáng (ảnh 2D) lên đối tượng đo, (như hình
1.1) vân sáng xuất hiện trên bề mặt 3D của đối tượng được thu lại bởi hệ thống camera,
sự biến dạng của vân sáng trên vật so với vân sáng mẫu cho thông tin về kích thước 3
chiều của vật cần đo. Dựa trên các quan hệ hình học giữa máy chiếu và camera, sự phân
bố đặc biệt giữa không gian, thời gian và cường độ có thể xác định được độ sâu của vật
thể dựa vào phương pháp tam giác lượng.
Công nghệ đo bằng ánh sáng cấu trúc có thể đo được những phép đo mà phương pháp đo
truyền thống không thực hiện được như đo biên dạng bề mặt phức tạp, diện tích bề mặt,
chia cắt từng phần hoặc thể tích. Dữ liệu đo nhận được nhiều hơn và có thể được sử dụng
nhiều lần, lưu trữ lâu dài. Cuối cùng công nghệ quét này hu được kết quả ở định dạng kỹ
thuật số có thể tích hợp với các hệ thống khác một cách nhanh chóng. Máy đo sử dụng
ánh sáng cấu trúc mã nhị phân có cấu tạo gồm các bộ phận chính:
- Đầu đo: Camera, Projecter
- Hệ thống cơ khí dịch chuyển đầu đo, bàn gá đối tượng đo
- Máy tính, phần mềm xử lý
Nhưng lại có các tính năng đặc biệt và nổi trội hơn so với các máy quét CMM như:
- Có khả năng đo quét toàn bộ bề mặt sản phẩm và dựng lại biên dạng 3D bề mặt đối
tượng một cách nhanh chóng,tốc độ quét lớn
8


- Có thể kiểm tra được nhiều thông số hình học khác nhau trong một lần kiểm tra như
kích thước, sai lệch hình dáng độ đảo, song song, đồng trục… và nhiều loại dung sai
khác.

Hình 2.2: Ảnh một số máy quét
Trên hình 1.2 là hình ảnh một số máy quét sử dụng công nghệ quét bằng ánh sáng cấu

trúc trên thế giới. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất máy quét 3D bằng ánhsáng cấu
trúc như: GOM, DAVID, Faro Arm, Hexagon, Metris … Sản phẩm của mỗi hãng thường
có kết cấu, phần mềm quét, độ chính xác khác nhau và sử dụng nguồn sáng dạng mã hóa,
cũng như có các phạm vi ứng dụng khác nhau và rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
2.2. Một số ứng dụng của công nghệ quét 3D
Ứng dụng trong thiết kế ngược : Trong ngành cơ khí, có yêu cầu thiết kế phải dựng
lại những chi tiết đã có sẵn gọi là bộ phận thiết kế ngược để phục vụ vào các công việc
như:
+ Thiết kế lại khuôn cho chi tiết.
+ Dựng lại mô hình 3D để đưa vào gia côg lại chi tiết.
+ Cải tiến một số bộ phận nào đó trên chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm việc
của chi tiết
Ứng dụng trong đo lường, kiểm tra chất lượng sản phẩm: Các sản phẩm cơ khí
luôn cần thiết phải kiểm tra chất lượng bề mặt có đảm bảo độ chính xác gia công theo
thiết kế. Việc kiển tra trên toàn bộ bề mặt đòi hỏi số lượng phép đo là rất lớn. Ưu điểm
của phương pháp đo ánh sáng cấu trúc là tốc độ đo nhanh, có thể kiểm tra được các kích
thước hoặc các bề mặt phức tạp.

9


Hình 2.3 : Kiểm tra đường kính đường tròn, kích thước, khoảng cách
Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu: Ngoài việc dựng lại chi tiết để làm khuôn
như đã nói ở trên thì việc kiểm tra lại các kích thước của lòng lõi khuôn trước khi đưa
vào sản xuất có ý nghĩa quyết định trong ngành khuôn mẫu. Khi đó, cần đo các kích
thước trong lòng lõi khuôn và so sánh với các kích thước khuôn thiết kế từ đó tìm ra các
sai lệch giữa chúng để có phương án sửa chữa cho phù hợp.
Ứng dụng trong cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu của thị trường hiện nay, ngoài
việc các sản phẩm sản xuất ra cần được nâng cao về tính năng thì yêu cầu về thẩm mĩ
cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc tiêu thụ sản phẩm. Các ngành sản xuất xe

máy, ôtô, điện thoại di động… là những lĩnh vực phát triển rất mạnh hiện nay và có yêu
cầu về tính thẩm mĩ cao. Vì vậy, trong các ngành công nghiệp này, luôn luôn cần cải tiến
kiểu dáng cho sản phẩm. Với các chi tiết cần cải tiến, có thể chỉ cần cải tiến một phần nào
đó trên sản phẩm. Khi đó, công nghệ quét 3D bằng ánh sáng trở nên rất hữu ích để lấy
mẫu chi tiết cần cải tiến. Sau đó dùng phần mềm thiết kế dựng lại chi tiết đó và điều
chỉnh cấu trúc, hình dáng các bề mặt cần cải tiến. Bằng phương pháp này, chi tiết thiết kế
ra vẫn đảm bảo tính lắp ghép với các chi tiết khác mà vẫn tạo nên được kiểu dáng mới
cho sản phẩm

10


Ứng dụng trong gia công cơ khí, công nghiệp ô tô : Ngày nay kĩ thuật quét 3D này
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề lĩnh vưc : cơ khí, ngành dệt may da giày
thời trang. Trong cơ khí dùng để thiết kế khuôn ngược, da giày thời trang thì công nghệ
được ứng dụng để đo quét biên dạng người đưa ra các thông số cơ thể người như : chiều
cao, kích thước 3 vòng… phục vụ hiệu quả cho việc may đo quần áo mà không cần sử
dụng cách đo trực tiếp cơ thể người. Scan 3D hỗ trợ mạnh trong kiểm tra 3D vậy nên
không thể không nói đến ứng dụng đo và kiểm tra sản phầm của công nghệ scan 3D này.
Sản phẩm sau khi sản xuất xong sẽ phải qua bước kiểm tra chất lượng, quy cách trước khi
nhà sản xuất đưa nó ra thị trường. Với sản phẩm có bề mặt phức tạp (đặc biệt là các chi
tiết cơ khí, điện tử, vi mạch…) đòi hỏi độ chính xác cao, công nghệ scan 3D sẽ giúp
doanh nghiệp thực hiện bước này nhanh hơn và độ tin cậy caohoz
Công nghệ 3D trong lĩnh vực y tế ngày càng trở nên hữu ích : Máy quét 3D có khả
năng chụp lại khuôn mặt và cơ thể người một cách dễ dàng và nhanh chóng từ đó tạo ra
các sản phẩm y tế cho các bệnh nhân như tạo niềng răng, hàm; tạo ra các mô hình mặt nạ
để điều trị cho các bệnh nhân bỏng; làm găng tay tùy biến cho các bệnh nhân; làm chân
tay giả;…
Từ những ứng dụng trên quả thực không thể phủ nhận vai trò của công nghệ 3D cũng như
máy quét 3D. Các giải pháp được tạo ra từ công nghệ 3D dự kiến sẽ còn phát triển nhiều

hơn nữa góp phần to lớn trong việc nâng cao chất lượng sản xuất và đời sống
2.3. Tình hình nghiên cứu
Trong quá trình đo các đối tượng, sử dụng ánh sáng cấu trúc hình ảnh thu được chứa
thông tin chiều cao thông qua sự biến dạng về pha so với vân chiếu mẫu do đó quá trình
xử lý cần tính toán các pha điều biến bằng phân tích ảnh với một kĩ thuật phân tích vân
chiếu như: Biến đổi furie, phương pháp dịch pha, phương pháp xác định không gian
pha…. Sau đó sử dụng giải thuật gỡ pha phù hợp nhằm xác định sự phân bố pha liên tục
tương ứng là độ cao của đối tượng cần đo. Để xác định chính xác tọa độ thực của đối
tượng đo các thiết bị đo cần hiệu chuẩn gỡ bỏ phân bố pha nhằm đưa ra tọa độ 3D thực
của đối tượng đo .Có thể nói, tình hình nghiên cứu phương pháp quét biên dạng 3D sử
dụng ánh sáng cấu trúc rất đa dạng và đang được phát triển mạnh mẽ. Theo hướng chủ
yếu là tăng độ chính xác, giảm thời gian quét và hướng tới quét theo thời gian thực, giảm
giá thành thiết bị quét, quét được đối tượng phức tạp….Tuy nhiên, trong lĩnh vực đo
lường các chi tiết cơ khí việc đưa ứng dụng các nghiên cứu vào từng hãng sản xuất thiết
bị quét là bí quyết công nghệ và việc mua phần mềm xử lý cũng như bí quyết công nghệ
đó có giá thành rất cao. Việc nghiên cứu chế tạo một thiết bị cụ thể trong điều kiện của
Việt Nam đáp ứng được yêu cầu quét các chi tiết cơ khí là rất cần thiết. Vì vậy đòi hỏi có
những nghiên cứu chuyên sâu kế thừa tích hợp các phương pháp đã được nghiên cứu

11


đồng thời đưa ra những giải pháp về công nghệ cụ thể đáp ứng được yêu cầu đo quét biên
dạng chi tiết cơ khí
Trên thế giới, phương pháp quét 3D đã được ứng dụng trong nhiều thiết bị đo 3D, phục
vụ đa dạng trong nhiều lĩnh vực. Thiết bị đo quét biên dạng bề mặt bằng ánh sáng đã
được nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng trong công nghiệp thuộc dạng công nghệ
cao và rất ít tài liệu kỹ thuật và công nghệ được công bố.Việc ứng dụng phương pháp đo
quang học và kĩ thuật xử lí ảnh để đưa ra kết quả đo cho phép giải quyết được việc đo
đồng thời nhiều thông số và mô phỏng hình học bề mặt chi tiết một cách thuận tiện. Với

các ứng dụng thiết thực và hiệu quả đó, đề tài đặt ra mục đích nghiên cứu chế tạo thiết bị
quét dựa trên công nghệ đo không tiếp xúc ứng dụng ánh sáng cấu trúc mã nhị phân tại
Việt nam.Ở Việt Nam, lĩnh vực này còn rất mới và cũng đã có một số công trình nghiên
cứu khoa học bước đầu về ánh sáng cấu trúc và đã đạt được một số kết quả.Trong đề tài
này nghiên cứu chú yếu về 2 phương pháp đó là phương pháp dịch pha và phương pháp
sử dụng mã gray từ những nghiên cứu trên chúng tôi đã nghiên cứu và đưa ra phương
pháp dịch pha kết hợp gray với mục đích kết hợp những ưu điểm của hai phương pháp
này đưa ra một phương pháp tối ưu hơn giải quyết những nhược điểm của hai phương
pháp trên với những ưu điểm nổi trội hơn như thời gian đo quét nhanh hơn,giảm nhiễu...

12


PHẦN III: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU
TRÚC SỬ DỤNG MÃ GRAY KẾT HỢP DỊCH PHA
3.1. Phương pháp dịch pha
Phương pháp dịch pha là phương pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh
vực đo lường quang học như giao thoa vân moi- rơ và chụp ảnh giao thoa laser kĩ thuật
số. Các thuật toán dịch pha đã được sử dụng rộng rãi để đo hình dạng 3D đối tượng một
các chính xác và nhanh chóng. Trong những năm qua có rất nhiều thuật toán dịch pha
được phát triển như thuật toán dịch pha 3 bước, 4 bước và 5 bước. Ánh sáng cấu trúc mã
dịch pha được phân loại theo mã hóa ảnh mẫu chiếu có hai loại là : dịch pha dạng nhị
phân và dịch pha dạng sin.
Với các kỹ thuật chiếu của máy chiếu sẵn có kỹ thuật chiếu vân dịch pha dạng sin gặp
phải sai số do sự phi tuyến của gamma máy chiếu. Phương pháp dịch pha nhị phân được
nghiên cứu để loại bỏ sai số trên.
Trong phương pháp dịch pha thu được giá trị pha của điểm trên bề mặt vật cần đo, từ
đó xác định vị trí 3D của điểm đo. Trong quá trình đo như sơ đồ hình 2.1, vân chiếu dạng
sin được chiếu lên bề mặt đối tượng cần đo, hình ảnh chiếu trên đối tượng được camera
chụp lại gửi vào bộ phận xử lý (thường là máy tính). Máy tính phân tích xác định pha của

ảnh thu được (tạo ảnh Wraped và ảnh Unwraped), giá trị pha là một ma trận 2 chiều
tương ứng với kích thước của ccd máy ảnh. Mỗi điểm ảnh xác định được một điểm đo
trên bề mặt vật. Ma trận giá trị pha đó thường được gọi là “bản đồ pha” dùng để dựng lại
biên dạng 3D vật cần quét.
Việc nghiên cứu đã tập trung vào các vấn đề sau:
- Các thuật toán dịch pha: số bước dịch pha, sự kết hợp dịch pha với các phương
pháp khác, xác định tọa độ điểm đo….
- Sơ đồ nguyên lý: cách bố trí sơ đồ hình học của hệ thống.
- Các nghiên cứu phát triển hệ thống tạo ánh sáng trong phương pháp dịch pha.
- Các phương pháp gỡ pha.
- Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phương pháp: hiệu chuẩn hệ thống, thuật
toán gỡ pha, xử lý nhiễu….
- Nghiên cứu đo toàn bộ vật thể.
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp dịch pha: ứng dụng trong đo lường kiểm tra
chất lượng các sản phẩm công nghiệp, ứng dụng trong y học, công nghệ thời
trang, an ninh….
13


Hình 3.1: Vân chiếu dạng sin

3.2. Phương pháp mã hóa Gray
Mã hóa Gray là một dạng ánh sáng cấu trúc được sử dụng trong phương pháp quét biên
dạng 3D của chi tiết với các mẫu chiếu chỉ có các vạch trắng và đen xen kẽ do đó mẫu
chiếu mã hóa Gray còn được gọi là mẫu chiếu nhị phân. Ý tưởng cơ bản của phương
pháp này là chiếu các mẫu chiếu sao cho chia không gian chiếu thành các phần riêng biệt
và mỗi phần có thể nhận biết bằng một mã nhị phân dựa trên các mẫu chiếu tuần tự.
Như vậy, trong phương pháp mã hóa Gray nếu có n mẫu chiếu khi đó ta sẽ có 2 n vùng
được đánh dấu trong không gian chiếu. Để độ phân giải theo phương ngang tăng lên phải
tăng số mẫu chiếu. 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 camera sử dụng. Tương tự như
phương pháp dịch pha mỗi điểm ảnh thu được trên camera sẽ tương ứng với điểm trên chi
tiết cần đo. Việc xác định độ cao của điểm đo được xác định theo nguyên tắc tam giác
lượng trong quang học. Phương pháp Gray sử dụng hệ thống vân có tính chất đối nghịch
nhau để làm giảm bớt sự sai lệch của các bít và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu
sáng.
Gartner et. Al đã đưa các tiêu chuẩn sau đây để đánh giá một mã nhị phân:
- Nhận dạng duy nhất: Mỗi mã trong bộ mã được xác định bởi một thuật toán mã
nhị phân cần phải là duy nhất và không có sự trùng lặp giữa các mã.

14


- Khả năng tự thích nghi: Để xác định mã cho một điểm ảnh sử dụng ngưỡng cường
độ tạo thành bản đồ bit. 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 toàn bộ
hình ảnh có thể không đáp ứng được yêu cầu. 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 khác.
Các khoảng Hamming giữa mã tiếp giáp bằng 1. Khoảng Hamming được định nghĩa là số
bit khác nhau khi so sánh hai mã theo vị trí tương ứng. Ví dụ, các khoảng Hamming giữa
"10011001" và "10111011" là 2 vì hai bit trong mã thứ 3 và thứ 7 là khác nhau. Do kích
thước các điểm ảnh là hữu hạn do đó một điểm ảnh có thể chứa ranh giới giữa vân trắng
và vân đen do đó việc xác định mã bit của điểm ảnh đó trở lên khó khăn và gây ra lỗi
trong quá trình tính toán. Tuy nhiên, nếu khoảng cách Hamming giữa các vùng mã liền kề
luôn luôn là 1 có thể giúp cho thuật toán có thể xác định các điểm mơ hồ từ đó xác định
được các điểm nhiễu để có thể ứng dụng các phương pháp xử lý nhiễu khác. Như vậy, đối
với cách chiếu vân sử dụng mã nhị phân cơ bản có các khoảng Hamming có giá trị biến
thiên sẽ gặp những bất lợi trong giải thuật tính toán so với phương pháp chiếu sử dụng

mã hóa Gray

Hình 3.2: Phương pháp mã Gray

15


3.3. Phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray
Nghiên cứu phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray trình bày về sự kết hợp này
đồng thời đánh giá ứng dụng phương pháp kết hợp trong lĩnh vực đo lường các chi tiết cơ
khí. Phương pháp dịch pha có thể sử dụng nhiều bước dịch pha, trong đề tài sử dụng dịch
pha 4 bước, một phương pháp có tính ứng dụng cao và có nhiều ưu điểm về khả năng
giảm nhiễu,thời gian đo quét nhanh hơn. Các mẫu chiếu được điều chế cường độ theo
công thức như sau:
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Trong đó : tương ứng là cường độ phân bố tại tọa độ (x, y) của 4 mẫu chiếu; I0(x,y) là
cường độ thành phần nền, Imod(x, y) là biên độ tín hiệu điều chế, (x, y) là thành phần pha.
Các công thức trên được viết lại như sau:
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
Khi đó:

Suy ra:
(2.16)
Từ đó giá trị pha được xác định bởi công thức:

Trong đó:

(2.18)

16


Hình 3.3: Phương pháp dịch pha và gray code

PHẦN IV : XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
4.1. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm
Máy đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc là một thiết bị để đo hình dạng ba chiều
của một đối tượng sử dụng các mẫu ánh sáng và một hệ thống camera. Phương pháp quét
3D bằng ánh sáng cấu trúc là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc (ảnh 2D) lên đối tượng
đo, (như hình 2.1) vệt sáng xuất hiện trên bề mặt 3D của đối tượng được thu lại bởi hệ
thống camera, sự biến dạng của vệt sáng trên vật so với vệt sáng mẫu được chiếu học
giữa máy chiếu và camera, sự phân bố đặc biệt giữa không gian, thời gian và cường độ có
thể xác định được độ sâu của vật thể dựa vào phương pháp tam giác lượng cung cấp

17


thông

tin

về

Hình 3.1: hệ thực nghiệm
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp gray sử dụng 1 camera và 1

máy chiếu. Với phương pháp stereo đã nghiên cứu trước đây thì vai trò của 2 camera
giống như mắt người có thể dựng lại vật thể. Tuy nhiên yêu cầu tính toán rất lớn do phải
tìm sự tương đồng các pixel trên 2 ảnh thu được từ camera mà không có thông tin mã hóa
cụ thể, dẫn tới sai số và thời gian xử lý lớn. Hơn nữa, do hai ảnh thu được ở 2 camera tại
hai vị trí khác nhau bị ảnh hưởng của độ sáng ảnh khác nhau, dẫn tới việc sai số khi tìm
điểm tương ứng giữa 2 ảnh.

18


Hình 4.2: Vùng của vật thể bị che khuất (Vùng a) khi hệ thống dùng 1 camera
Lợi thế của việc sử dụng thêm ánh sáng cấu trúc mã dịch pha chiếu bằng máy chiếu:
chiếu vân dịch pha 4 bước sẽ cho ta 2 ảnh được mã hóa sin thu được trên camera, từ đó ta
tính ra được pha tuyệt đối dựa theo phương pháp chiếu đường tâm lên vật => giảm thời
gian tính toán và độ chính xác cao do không bị ảnh hưởng của môi trường
Mô hình máy quét 3D sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc được chế tạo bước đầu
đáp ứng được việc dựng lại hình ảnh 3D của vật quét bao gồm: một máy chiếu sử dụng
công nghệ DLP, camera thu ảnh được bố trí thành cụm đầu đo có khả năng dịch chuyển
tịnh tiến lên xuống theo phương Z nhờ bộ truyền đai
Bàn đặt vật đo được thiết kế giúp cho có thể quay vật thể cần quét đảm bảo diện tích quét
trên vật đo được tối đa với chuyển động chính là quay tròn trên mặt phẳng chứa vật. Bàn
quay để đặt chi tiết cần đo lên quét. Bàn quay này có thể chuyển động quay tròn quanh
trục Oz nhờ động cơ được gắn vào một đai răng dẫn động cho bàn quay

19


Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý máy đo ánh sáng cấu trúc
Bộ phận cơ khí được điều khiển bởi 1 máy tính cá nhân: Máy tính kết nối với máy
chiếu điều khiển hình ảnh vân chiếu lên vật cần quét và thực hiện các kết nối điều khiển

quá trình chuyển động của đầu đo, bàn gá vật, thu nhận và xử lý hình ảnh thu được từ các
camera. Phần mềm cho thiết bị bao gồm các phần mềm điều khiển cấu trúc vân cho máy
chiếu, phần mềm điều khiển sự dịch chuyển của các bộ phận và phần mềm thu nhận xử lý
ảnh dựng lại hình ảnh 3D của vật thể. Các phần mềm viết trên visual c++
Ảnh vân mẫu mã hóa Gray và mã dịch pha được tạo ra nhờ phần mềm mã hóa ánh
sáng cấu trúc với 4 ảnh dịch pha và 38 ảnh Graycode. Sau đó ảnh mẫu sẽ được xuất ra
máy chiếu chiếu lên bề mặt vật. Hai camera sẽ thu ảnh vân mẫu chiếu lên vật cùng lúc ở
hai góc nhìn khác nhau đối với vật. Máy tính sẽ xử lý và lưu ảnh của hai camera.Trong
quá trình thực hiện phép đo. Máy tính điều khiển quá trình chiếu và chụp ảnh của cụm
cảm biến, vị trí đo của chi tiết cũng như cảm biến được điều khiển từ máy tính thông qua
bảng mạch vi xử lý arduino uno R3, bo mạch xử lý này điều khiển các driver tác động lên
các động cơ dẫn động cho bàn quay
Nhìn tổng thể vào chương trình điều khiển máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc ta thấy
được chương trình gồm các module chính sau :
 Phần kết nối cổng COM với vi điều khiển.
 Phần hiển thị thị hình ảnh camera thu được.
 Phần điều khiển bàn quay
20


Hình 4.4: Giao diện chương trình điều khiển bàn quay

Hình 4.5: Bo mạch Arduino uno R3 và nguồn tổ ong 24V

21


Hình 4.6: Bàn quay và bộ điện điều khiển
4.2. Hiệu chuẩn hệ thống.
Trong hầu hết các phương pháp đo hình dạng thông thường, các hệ thống quang

học được mô hình hóa và các tham số của mô hình được thu với một quá trình hiệu chỉnh
bằng cách tính toán các thông số hình học của các thiết bị quang học như: vị trí tâm của
ống kính máy ảnh và máy chiếu. Tuy nhiên, các mô hình không thể chứa tất cả các thông
tin của hệ thống quang học như biến dạng thấu kính, sai lệch cường độ của một cách tử,
độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu và máy ảnh, v.v. Thiếu các thông tin trên
sẽ gây sai số phép đo. Hơn nữa, khi tính toán tọa độ không gian sử dụng các thông số này
nên sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo. Để thiết bị đạt được độ chính xác cao máy
chiếu và camera cần được hiệu chỉnh chính xác.
Tính toán chọn khoảng cách L, B
L – khoảng cách từ camera đến vùng chiếu
B – khoảng cách tâm ống kính camera và tâm máy chiếu.

22


α=
�
Suy ra L = (h/2)/tanα ;  = 130. Vậy B= L x tg 
4.3. Quét và xây dựng biên dạng 3D
Vấn đề quan trọng của việc xây dựng biên dạng 3D chính xác của vật thể là hiệu
chuẩn từng yếu tố trong hệ thống đo: 1. Phương pháp dựa trên các mạng nơron. Phương
pháp điều chỉnh gói, 2.phương pháp 10 pha tuyệt đối … đã được phát triển. Trong đó quá
trình hiệu chuẩn phụ thuộc
và các thông tin thông số sẵn có của hệ thống và thiết lập hệ thống. Quá trình hiệu chuẩn
thường phức tạp và tốn thời gian.
Trong hệ thống đo lường ánh sáng cấu trúc máy ảnh được quy về dạng máy ảnh lỗ nhỏ
với các thông số bên trong bao gồm : chiều dài tiêu cự, điểm nguyên tắc, điểm ảnh các
yếu tố nghiên, kích thước điểm ảnh. Các thông số bên ngoài bao gồm: quay và tịnh tiến
từ hệ tọa độ thực đến hệ tọa độ camera.
23

Hình 4.7: Ảnh chiếu ánh sáng cấu trúc và hiển thị trên phần mềm

Hình 4.8: Giao diện chương trình xử lý dữ liệu sau khi quét

24


Hình 4.9: Kết quả sau khí calib trên bảng calib 17x10
Sau calib giữ nguyên hệ thống không xê dịch, đặt vật lên bàn xoay và chụp với nhiều góc
khác nhau.

25