Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy quét 3d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------

TRẦN ĐẮC TRỊNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
MÁY QUÉT 3D
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Mã số: 605268

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN ĐẮC TRỊNH

MSHV: 11390452

Ngày, tháng, năm sinh: 17/08/1990

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số: 605268

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÁY QUÉT 3D
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
o Tìm hiểu, phân tích, lựa chọn một phương pháp số hóa vật thể và một số phương
pháp xây dựng mơ hình 3D của vật thể.
o Thiết kế, chế tạo mơ hình máy qt 3D.
o Các phương pháp để nâng cao độ chính xác của thiết bị quét.
o Giá thành sản phẩm thấp, phù hợp với điều kiện chế tạo ở Việt nam.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đoàn Thế Thảo

Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

tháng

năm 2014

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


TĨM TẮT ĐỀ TÀI

Cơng nghệ 3D đã xuất hiện từ rất sớm. Từ giữa thế kỷ 20, những máy quét 3D đầu tiên
đã ra đời phục vụ nhiều mục đích của con người từ nghiên cứu, chế tạo đến y khoa. Công
nghệ máy quét 3D bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 1980 cùng sự phát triển mạnh
mẽ của cơng nghệ máy tính. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã ra đời nhằm nâng cao độ chính
xác và đơn giản quá trình thực hiện quét 3D cho vật thể.
Những năm cối thập niên 2000, công nghệ 3D lại bùng nổ mạnh mẽ như một cuộc cách
mạng công nghiệp mới làm thay đổi tư duy cổ điển về mơ hình hóa và chế tạo cũng như
phạm vi ứng dụng. Công nghệ 3D len lỏi vào đời sống ở những nước phát triển, và không
ngừng được quảng bá, ứng dụng rộng rãi nhờ những khả năng ưu việt của nó. Cùng với sự
ra đời của nhiều máy in 3D giá rẻ, hướng đến mọi đối tượng người dùng, máy quét 3D giá
rẻ cũng ra đời theo xu hướng đó.
Đề tài đã thực hiện những bước đi đầu tiên với mục tiêu hiểu và chế tạo được một máy
qt 3D có cấu hình đơn giản, có chi phí đầu tư thấp phục vụ cho nhu cầu trong nước với
nhiều đối tượng từ bình dân, đến sinh viên nghiên cứu khoa học. Để thực hiện được mục
tiêu trên, đề tài đã tham khảo và ứng dụng những phương pháp tiếp cận mới mẻ về giải
pháp phần mềm cùng việc phân tích đánh giá, tìm kiếm phương pháp tốt nhất để phát triển
sản phẩm như mục tiêu đề ra. Cuối cùng đề tài đã chế tạo được nguyên mẫu thử nghiệm
máy quét 3D giá thành thấp để kiểm chứng kết quả nghiên cứu và tạo nền tảng để tiếp tục
phát triển hoàn thiện sản phẩm, đưa ra ứng dụng vào thực tế.

i


LỜI CÁM ƠN

Với kết quả bước đầu thành công như mong đợi, một mình tác giả khơng thể thực hiện
hồn tồn cơng việc nếu khơng có sự giúp đỡ của thầy cơ, gia đình cũng như bạn bè.
Với bài báo cáo này, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Đồn Thế Thảo đã hết
lịng ủng hộ, chỉ bảo và tạo điều kiện để em hoàn thành từ đề cương đến luận văn tốt nghiệp

này. Xin cám ơn ba mẹ đã luôn đồng hành, cỗ vũ để con hồn thành tốt cả cơng việc và
học tập. Cám ơn các anh chị em trong công ty Robert Bosch Việt Nam đã ln ủng hộ, hỗ
trợ để mình có thời gian thực hiện đề tài này những lúc “nước sôi lửa bỏng” nhất.
Sự động việc và giúp đỡ của mọi người là niềm cổ vũ lớn lao và đáng quý nhất.

ii


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1
1.2 Ứng dụng của máy quét 3D ...................................................................................... 2
1.3 Các phương pháp số hóa vật thể ............................................................................... 4
1.4 Mục tiêu đề tài .......................................................................................................... 8
1.5 Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 9
1.6 Kết quả đạt được ....................................................................................................... 9
1.7 Bố cục đề tài.............................................................................................................. 9
CHƯƠNG 2 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ .................................................... 11
2.1 Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................ 11
2.1.1

Nguyên lý phương pháp quét đồng dạng ..................................................... 11

2.1.2

Phương pháp xác định tọa độ một điểm trong không gian .......................... 13

2.2 Mục tiêu thiết kế ..................................................................................................... 17
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MÁY QUÉT THỬ NGHIỆM ................................................ 19

3.1 Cấu tạo phần cứng của máy quét ............................................................................ 19
3.2 Camera .................................................................................................................... 24
3.2.1

Ca-líp cho camera ........................................................................................ 24

3.2.2

Xác định khoảng từ camera đến trục bàn xoay............................................ 30

3.2.3

Hạn chế của phần cứng camera và giải pháp ............................................... 32

3.3 Đèn laser ................................................................................................................. 33
3.3.1

Tính chất laser và lựa chọn .......................................................................... 33

3.3.2

Hiệu chỉnh laser ........................................................................................... 35

3.4 Phần mềm điều khiển và hiển thị ............................................................................ 38
3.4.1

Ngơn ngữ ..................................................................................................... 38

3.4.2

Chương trình và thuật toán .......................................................................... 39
iii


CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ....................................... 44
4.1 Kết quả chạy thử nghiệm ........................................................................................ 44
4.1.1

Thử nghiệm trong điều kiện ánh sáng yếu................................................... 44

4.1.2

Thử nghiệm trong điều kiện ánh sáng bình thường ..................................... 45

4.1.3

Thơng số máy qt thử nghiệm ................................................................... 47

4.1.4

Đề xuất phương án tạo lưới (Reconstruction) ............................................. 47

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 49
5.1 Kết luận ................................................................................................................... 49
5.1.1

Kết quả đạt được .......................................................................................... 49

5.1.2

Hạn chế của đề tài ........................................................................................ 49

5.2 Hướng phát triển ..................................................................................................... 50
5.2.1

Hướng phát triển thiết bị .............................................................................. 50

5.2.2

Ý tưởng khắc phục sai số bàn xoay ............................................................. 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 54
PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 56
7.1 PROCESSING SOURCE CODE ........................................................................... 56
7.2 ARDUINO SOURCE CODE ................................................................................. 68

iv


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các phương pháp chủ động xác định hình dạng của vật thể ........................... 5
Hình 1.2 Một loại máy CMM ......................................................................................... 6
Hình 1.3 Máy chụp CT sử dụng trong y tế .....................................................................6
Hình 1.4 Giới hạn phạm vi thực hiện của đề tài............................................................. 8
Hình 2.1 Bố trí các thành phần cấu thành của một máy quét 3D laser ........................ 12
Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động của máy quét ......................................................................13
Hình 2.3 Nguyên lý xác định tọa độ trong không gian bằng phương pháp đồng dạng với
đèn laser ............................................................................................................................. 14
Hình 2.4 Xác định tọa độ xo, zo của một điểm trên đường laser ..................................15
Hình 2.5 Xác định tọa độ yo của một điểm trên đường laser .......................................16

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối thiết bị ..................................................................................... 19
Hình 3.2 Arduino nano V3.0 ........................................................................................ 20
Hình 3.3 Mơi trường phát triển mã nguồn mở cho các phần cứng Arduino ................20
Hình 3.4 Động cơ bước có hộp số 1/64 cho 12bit độ phân giải đầu ra cùng driver
ULN2003 đi kèm ...............................................................................................................21
Hình 3.5 Khung máy thiết kế trên Solidworks ............................................................. 21
Hình 3.6 Các thành phần khung máy bố trí ra dạng tấm để cắt laser........................... 22
Hình 3.7 Khung thân máy hồn thiện...........................................................................23
Hình 3.8 Module camera 1/6” 640x480 điểm ảnh ....................................................... 24
Hình 3.9 Sự bóp méo ảnh do cấu tạo thấu kính. .......................................................... 26
Hình 3.10 Dụng cụ ca-lip cho hệ thống .......................................................................26
Hình 3.11 Thủ tục thực hiện ca-lip trên Matlab CameraCalibrator toolbox. ...............27
Hình 3.12 Tập dữ liệu phục vụ cho việc ca-lip camera................................................27

v


Hình 3.13 Giao diện sử dụng của CameraCalibrator toolbox ......................................28
Hình 3.14 Các loại thơng số thu được sau q trình ca-lip ..........................................28
Hình 3.15 Biểu diễn thơng số ngoại sau q trình ca-líp .............................................29
Hình 3.16 Sai số hiệu chỉnh trung bình cho từng mẫu hình sử dụng ........................... 29
Hình 3.17 Bố trí bàn xoay so với camera và laser ....................................................... 31
Hình 3.18 Xác định trục bàn xoay bằng 2 mặt phân giác ............................................31
Hình 3.19 Linear laser module 5mA trong nguyên mẫu thử nghiệm .......................... 33
Hình 3.20 Điểm focus của các nguồn sáng khác nhau .................................................34
Hình 3.21 Điều chỉnh vùng hội tụ của dải laser trải trên vùng không gian đặt vật thể 34
Hình 3.22 Xác định trọng tâm theo bề rộng của tia laser .............................................35
Hình 3.23 Phương án thiết kế xoay 2 trục cho đèn laser..............................................35
Hình 3.24 Hiệu chỉnh laser ........................................................................................... 36
Hình 3.25 Sau khi hiệu chỉnh, mặt phẳng laser và ảnh của nó qua mặt bàn xoay trùng

với nhau .............................................................................................................................. 37
Hình 3.26 Hiệu chỉnh mặt phẳng laser về tâm xoay của bàn .......................................37
Hình 3.27 Mơi trường phát triển mã nguồn mở Processing. ........................................38
Hình 3.28 Giao diện người dùng của phần mềm điều khiển........................................39
Hình 3.29 Sơ đồ hoạt động cơ bản của phần mềm điều khiển .....................................40
Hình 3.30 Quan hệ giữa các module chương trình chính.............................................41
Hình 3.31 Sơ đồ hoạt động của module Scan .............................................................. 42
Hình 3.32 Hình ảnh thơ thu được từ camera (trái) hình ảnh sau khi tách lấy kênh màu
đỏ (phải) ............................................................................................................................. 43
Hình 4.1 Hình ảnh chụp được và vị trí đường laser do phần mềm xác định trong điều
kiện thiếu sáng. ..................................................................................................................44
Hình 4.2 Máy quét vừa thực hiện quét vật thể vừa hiển thị online kết quả quét được 45

vi


Hình 4.3 Hình ảnh chụp được và vị trí đường laser do phần mềm xác định trong điều
kiện có ánh sáng huỳnh quang ........................................................................................... 46
Hình 4.4 Thử nghiệm trọng điều kiện ánh sáng tác động khơng có lọc màu ...............46
Hình 4.6 Giao diện đồ họa cơng cụ Meshlab ............................................................... 48
Hình 4.7 Surface reconstruction với Meshlab .............................................................. 48
Hình 5.1 Hiệu chỉnh trục xoay về vị trí mong muốn.................................................... 52

vii


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Khái niệm về máy quét 3D có thể xử lý dữ liệu hình ảnh và tái tạo vật thể thực
tế ở dạng số trên máy tính đã có từ giữa thế kỷ 20. Đến những năm 1980s, với
sự phát triển mạnh của công nghệ thống số (digital technology) và khả năng xử
lý ngày càng nhanh của máy tính, cơng nghệ xử lý ảnh ngày càng phát triển trong
đó có những nghiên cứu và ứng dụng về số hóa (digitization) và tái dựng
(reconstruction) vật thể trên máy tính.
Những năm cuối thập niên 2000s, cơng nghệ 3D có những bước tiến nhảy
vọt về mức độ phổ biến, như một cuộc cách mạng đối với thế giới. Máy in 3D,
quét 3D đã khơng cịn giới hạn trong phạm vi các phịng nghiên cứu, trung tâm
kỹ thuật hay nhà máy mà nó đã trở thành một sản phẩm quen thuộc với tất cả
mọi người, ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Tuy nhiên, giá thành của những
sản phẩm này vẫn còn khá cao so với thị trường Việt Nam, khó có khả năng được
ứng dụng rộng rãi.
Phương pháp quét đồng dạng (Triangulation) sử dụng camera và laser là
phương pháp được sử dụng rất phổ biến trên thế giới. Nhiều nhà nghiên cứu đã
tìm cách cải tiến độ chính xác khi sử dụng phương pháp như Soucy, Laurendeau,
Poussart và Auclair [1] quan sát và đưa ra đặc tính phân bố vùng sáng của tia
laser, Baribeau & Rioux [2] nghiên cứu ảnh hưởng của đốm sáng laser trong quá
trình quét vật thể. Curless & Levoy [3] đã đề xuất phương án cải tiến độ chính
xác của phương pháp “Trianglation” có sử dụng laser chỉ thị có tên là space-time
analysis, ơng cũng tổng hợp các nghiên cứu trước đó và đề xuất giải pháp hồn
chỉnh cho việc số hóa (Digitization) và tái xây dựng (Reconstruction) vật thể.
Besl & McKay [4] đề xuất phương pháp ICP (Iterative closest point) sáp nhập
các tập dữ liệu 3D. Fukai & Xu [5] đề xuất phương án cải tiến cho ICP giúp tăng
tốc độ xử lý dữ liệu số, ứng dụng sắp xếp dữ liệu online ngay trong quá trình
quét.
1

Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Từ năm 2011, cùng với sự bùng phát của cơng nghệ 3D, phịng thí nghiệm
robotics Willow Garage [6] ở Menlo Park, California cho ra đời bộ thư viện
nguồn mở PCL với khả năng hỗ trợ hoàn hảo các thao tác xử lý với dữ liệu tập
hợp điểm (pointclouds) và được sử dụng bởi nhiều công ty lớn như Leica, Nvidia,
Toyota, Fotonic, …
Ở Việt Nam, đề tài này còn khá mới mẻ, điển hình và mới nhất (đầu năm
2014) trong công nghệ này là máy quét 3D giá rẻ của phòng TN trọng điểm quốc
gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) ĐH Bách khoa TP.HCM.
Tuy nhiên, chiếc máy này nằm ở một phân khúc cao, đối tượng vẫn cịn bó hẹp
trong phạm vi của ngành cơ khí, chưa hướng đến đối tượng người dùng bình dân
và u thích cơng nghệ.
1.2 Ứng dụng của máy qt 3D
Các phương pháp số hóa và tái dựng 3D được ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong kỹ
thuật chế tạo, đồ họa, mô phỏng, khoa học thám hiểm, y khoa và sản phẩm tiêu
dùng. Các ứng dụng phổ biến nhất sau đây được đề cập trong [3].
1.1.1. Kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse engineering)
Hầu hết các linh kiện sản xuất ngày nay được thiết kế bằng các chương trình
CAD (Computer Aided Design). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, linh kiện
cần thay thế thuộc về hệ thống cũ, khơng có model trên máy tính hoặc đã được
sửa đổi bằng thủ cơng trong quá trình bảo dưỡng, sửa chửa máy. Trong những
trường hợp này, nếu linh kiện này khơng cịn được lưu giữ mẫu hoặc khng thì
cơng việc chế tạo lại linh kiện thay thế phải thực hiện bằng cách tháo linh kiện
hỏng khỏi hệ thống, số hóa nó và xây dựng lại model trên máy tính để sản xuất
lại.
1.1.2. Hợp tác thiết kế (Collaborative design)
Trong khi các chương trình CAD rất hữu dụng trong việc hỗ trợ thiết kế các bộ
phận máy móc, một số cơng việc thiết kế khác liên qua đến cảm nhận, tương tác

vật lý với vật thể như điêu khắc, thiết kế kiểu dáng xe, … đòi hỏi người thiết kế
phải thực hiện trên các chất liệu thực tế như đất sét với một tỷ lệ nào đó. Một khi

2


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy qt 3D

nhưng mơ hình này hồn thành, người ta tiến hành số hóa nó để lưu trữ trên máy
tính. Dữ liệu số này sau đó được gửi đi đánh giá tính khả thi cũng như và phần
tham khảo trên các chương trình CAD để thiết kế lại cho phù hợp với việc chế
tạo nguyen mẫu thực.
1.1.3. Kiểm tra (Inspection)
Sau khi nhà sản xuất đã tạo được model của vật thể, dù bằng phương pháp số
hóa hay trực tiếp thiết kế trên CAD đi nữa, vẫn có rất nhiều cách khác nhau để
chế tạo nó nhằm làm vật mẫu hoặc tạo ra quy trình cơng nghệ. Sản phẩm tạo ra
ban đầu lúc nào cũng xuất hiện sai số so với mong muốn trong thiết kế. Bằng
phương pháp quét 3D và dựng lại model của sản phẩm mẫu, người ta xác định
được sai số khi chế tạo từ đó có những thay đổi trong phương pháp sản xuất hoặc
thiết kế để cho ra sản phẩm đúng như mong muốn.
1.1.4. Hiệu ứng và giải trí (Special effects, games, and virtual worlds)
Hiệu ứng đồ họa là phần quan trọng không thể thiếu và ngày càng phát triển
trong cơng nghiệp giải trí bao gồm điện ảnh, trò chơi, vâng vâng. Tất cả các ứng
dụng 3D như trên đều u cầu mơ hình hóa từ thế giới thực hoặc từ các thiết kế
bằng tay như đất sét bởi những nghệ nhân làm trong lĩnh vực nghệ thuật. Q
trình số hóa vật thể vật lý như vậy là bước đầu tiên để hiện thực hóa khơng gian
ảo trên máy tính.
1.1.5. Bảo tàng trực tuyến (Dissemination of museum artifacts)
Những hiện vật trong bảo tàng luôn là niềm say mê với các nhà khoa học và
nhiều người khác. Theo truyền thống, để thấy được những hiện vật này, người ta

phải đến bảo tàng và trải nghiệm một cánh đơn điệu, khơng có tương tác (chạm,
cầm nắm). Bằng việc số hóa các hiện vật, tất cả mọi người ở bất kỳ đâu đều có
khả năng khám phá, trải nghiệm chúng một cách trực quan bằng giao diện tương
tác với đối tượng đồ họa 3D.
1.1.6. Y khoa (Medicine)
Ứng dụng của đồ họa 3D cũng rất rộng rãi trong y khoa. Bằng việc mơ hình hóa
hình dạng bộ phận khiếm khuyết của bệnh nhân, các bộ phận tay chân giả,
3


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

răng, … có thể được thiết kế một cách chính xác, mang lại sự thoải mái cho
người sử dụng. Các bộ phận nội tạng bằng plastic cũng có thể được thiết kế phù
hợp với vị trí được cấy ghép dựa trên cơng nghệ 3D. Trong q trình xạ trị, bác
sĩ cũng dễ dàng điều hướng cho thiết bị một cách chính xác dụng trên model đồ
họa của bệnh nhân.
1.1.7. Mua sắm tại gia (Home shopping)
Với sự phát triển của thương mại điện tử, nhà bán hàng có thể phổ biến mơ hình
3D của sản phẩm lên internet. Khách hàng của họ sẽ có thể trải nghiệm sản phẩm
một cách trực quan và có thể tương tác bằng mơ hình đó, mang lại khả năng trải
nghiệm hàng hóa tiên tiến và hiệu ứng quản bá sản phẩm mạnh.
1.3 Các phương pháp số hóa vật thể
Rất nhiều phương pháp xử lý dữ liệu hình học đã được phát triển từ thể kỷ trước.
Hầu hết các phương pháp này đi theo 2 hướng chính đó là: chủ động hoặc bị
động. Các phương pháp thụ động tiếp cận theo hương không làm ảnh hưởng đến
vật thể được quét trong khi các phương pháp chủ động thường tạo ra sự tiếp xúc
với vật thể hoặc tác động một năng lượng nhất định lên nó. Đối với cộng đồng
nghiên cứu về thị giác máy tính, hầu hết tập trung lên phương pháp thụ động, xử
lý, định dạng vật thể dựa trên các bức ảnh số. Các phương pháp thị giác máy tính

có thể kể đến như căn cứ vào hướng chiếu sáng của ảnh đơn, phương pháp stereo
dùng ảnh kép, sự đổ bóng, …Các phương pháp này không sử dụng nhiều phần
cứng đặc biệt, vì thế chúng cũng cho kết quả với độ chính xác khơng cao để có
thể áp dụng vào một số ứng dụng cụ thể.

4


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Hình 1.1 Các phương pháp chủ động xác định hình dạng của vật thể [3]
Ở phần tiếp theo của mục này đề cập đến các phượng pháp số hóa chủ động
đã và đang được sử dụng. Hình 1.1 mơ tả rõ hơn về các phân loại đang được
trình này, nội dung của phép phân loại này được tham khảo tại [7]. Trong số các
phương pháp này, ta có thể phân loại thành 2 loại chính đó là: có tiếp xúc và
không tiếp xúc. Với phương pháp tiếp xúc, một que thăm với đầu đo được gắn
và một cánh tay máy hoặc hệ thống pulley có cảm biến tại các vị trí khớp xoay.
Vị trí của đầu đo được xác định dựa vào vị trí xác định được ở các khớp. Người
dùng đưa đầu đo vào các vị trí trên bề mặt của vật thể và ghi nhận các thơng số.
Hệ thống CMM (Coordinate Measuring Machines) có độ chính xác cực kỳ cao
và đắt tiền. Chúng vẫn được sử dụng là cơng cụ kiểm tra chính trong các nhà
máy chế tạo chính xác. Một số nhược điểm của phương pháp này là: Chậm, khó
thao tác, thường địi hỏi sự vận hành của con người, phải tạo ra sự tiếp xúc, có
thể khơng phù hợp với vật thể dễ bị phá hủy.

5


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Hình 1.2 Một loại máy CMM
Với phương pháp không tiếp xúc, thông thường người ta chiếu một luồn năng
lượng vào vật thể, sau đó ghi nhận năng lượng xuyên qua hoặc phản xạ từ vật
thể. Phương pháp chụp CT (Industrial Computed Tomography) phóng một chum
tia năng lượng cao (tia X) qua vật thể và đo đạc năng lượng xun qua nó ở nhiều
hướng khác nhau. Thơng tin này dùng để xây dựng lại thơng tin về hình dạng
của vật thể. Nhìn chung, ưu điểm của phương pháp này là có thể qt được bên
trong vật thể, khơng nhạy cảm với các bề mặt vật thể có tính phản xạ cao. Tuy
nhiên, nhược điểm của chúng là rất đắt tiền, nhạy cảm với sự thay đổi mật độ vật
chất, và có nguy hại đến sức khỏe vì sử dụng tia năng lượng cao.

Hình 1.3 Máy chụp CT sử dụng trong y tế
Ở phương pháp phản xạ, ta lại chia làm 2 loại đó là: Sử dụng quang học, và
khơng quang học. Với phương pháp không sử dụng quang học, người ta dùng

6


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

sóng âm hoặc siêu âm để xác định khoảng cách đến vật thể bằng cách đo thời
gian cần thiết để một xung sóng âm hoặc siêu âm phát ra và phản xạ về từ vật
thể. Biên độ hoặc tần số liên tục cũng có thể được sử dụng kết hợp bằng cách đo
độ lệch pha hoặc lệch tần số phản xạ về. Phương pháp định vị bằng sóng âm cho
độ chính xác khơng cao. Phương pháp siêu âm được sử dụng nhiều trong các
phép đo khoảng cách lớn.
Cuối cùng của phần phân loại này là các phương pháp phản xạ quang học.
Với các phương pháp này, một nguồn sáng có cấu trúc xác định được chiếu lên
vật thể. Bằng cách đo đạc sự phản xạ từ bề mặt vật thể, ta xác định được hình
dạng của nó. Các pháp này an toàn hơn nhiều so với phương pháp chụp CT đề

cập bên trên. Nhược điểm của chúng là chỉ đo đạc được hình dạng mặt ngồi của
vật thể. Các phương pháp này bao gồm phương pháp radar ảnh (image radar),
giao thoa (interferometry), lấy nét (depth-from-defocus), stereo chủ động (active
stereo) và phương pháp đồng dạng (triangulation).
Phương pháp radar ảnh có nguyên lý hoạt động tương tự với phương pháp
sử dụng sóng siêu âm nhưng ở tần số của sóng ánh sáng. Với những vật thể lớn,
phương pháp này cho độ chính xác rất tốt. Với những vật thể nhỏ, với khoảng
cách nhỏ hơn 1 mét, phương pháp này đòi hỏi phần cứng điện tử rất tinh vi với
tần số lấy mẫu cực kỳ cao vì thời gian sai khác đến 10-12 giây [7].
Trong phương pháp giao thoa, người ta chiếu một mẫu (patern) ánh sáng thay
đổi có chu kỳ lên bề mặt vật thể, sau đó cho giao thoa sánh ánh sáng phản xạ về
với mẫu. Thông tin giao thoa này sau đó được xử lý để lấy được hình dạng. Tuy
nhiên phương pháp này khơng cho độ chính xác cao.
Stereo chủ động sử dụng 2 hoặc nhiều camera để quan sát các đặc điểm đặc
trưng của vật thể. Nếu đặc điểm này được xác định trên cả 2 camera, 2 đường
thẳng đi qua điểm này trên 2 bức hình sẽ cắt nhau tại 1 vị trí trên vật thể thực.
Xác định hình dạng dựa trên điểm lấy nét là phương pháp dựa trên tính chất
mờ đi của vật thể khi chúng ở càng xa điểm nét của camera. Tính tốn độ mờ
của những vị trí trên bức ảnh giúp xác định được vị trí của chúng so với camera.

7


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Một trong những phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong tất cả là
phương pháp đồng dạng (Triangulation). Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả,
dễ áp dụng với chi phí thấp, độ chính xác chấp nhận được và được lựa chọn để
thực hiện trong đề tài này. Cụ thể về phương pháp được trình bày ở chương tiếp
theo.

1.4 Mục tiêu đề tài
Đề tài được thực hiện nhằm tiếp cận, học hỏi cơng nghệ 3D cịn mới mẻ và
tìm kiếm phương án khả thi để phục vụ nhu cầu trong nước với mức đầu tư thấp,
có khả năng phổ biến đến nhiều đối tượng người dùng bình dân, ứng dụng trong
các lĩnh vực khơng địi hỏi khắc khe về độ chính xác như giải trí, mua sắm online,
hobbie, sinh viên nghiên cứu, ...
Kết quả của đề tài là xác định được phương pháp khả thi cho việc chế tạo một
máy quét 3D đơn giản nhất, tạo được nền tảng phần mềm cơ bản để phát triển
các sản phẩm hồn thiện, hướng đến đối tượng người dùng bình dân, sinh viên
nghiên cứu khoa học.
Để xây dựng mơ hình 3D của một vật thể trên máy tính, về cơ bản có 2 bước
chính: Số hóa (Digitization) và tái dựng (Reconstruction)
-

Số hóa (Digitization): Từ vật thể có hình dạng nhất định, bằng phương
pháp quét 3D thu được đám mây điểm bề mặt vật thể dưới dạng tọa độ số.
Có 2 bước nhỏ hơn trong bước này là phần số hóa (Digitation) để lấy số
liệu thô và vần xử lý dữ liệu thô sau khi quét (Post-processing).

-

Tái dựng (Reconstruction): Từ đám mây điểm của vật thể sau q trình số
hóa, tạo lưới (mesh) và xây dựng thành mơ hình vật thể hồn chỉnh.

Hình 1.4 Giới hạn phạm vi thực hiện của đề tài [3]
Từ những khái niệm trên, đề tài xác định mục tiêu cụ thể như sau:

8

Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy qt 3D

-

Tìm hiểu và thử nghiệm số hóa (Digitization) vật thể thành dữ liệu trên
máy tính bằng phương pháp đồng dạng (đề cập ở Chương 2).
Áp dụng kết quả nghiên cứu sẵn có để nâng cao độ chính xác của phương

-

pháp quét trên.
Ứng dụng tối đa các bộ công cụ miễn phí và phần cứng đơn giản để giảm

-

giá thành cho sản phẩm.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được, đề tài cần khai thác và áp dụng nhiều kiến thức mới về lĩnh
vực ảnh và xử lý ảnh cũng như nhiều ngơn ngữ lập trình và phương pháp lập
trình mới mẻ. Tác giả bắt đầu với các tìm hiểu cơ bản về ảnh, camera, màu, các
phương pháp xử lý và hiện thực bằng các ngơn ngữ lập trình.
Sau khi nắm được các kỹ năng cơ bản về ảnh và xử lý, tác giả tham khảo
nhiều tài liệu liên quan đến kỹ thuật quét 3D, liệt kê những phương pháp quét
hiện có, dựa trên ưu nhược điểm của chúng và lựa chọn phương án phù hợp với
đề tài.
Một mô hình hồn chỉnh của máy qt được chế tạo để thử nghiệm những
giải thuật đã chọn và kiểm tra độ chính xác, tìm kiếm phương án cải tiến và đề
xuất các hướng phát triển trong tương lai cho đề tài.
1.6 Kết quả đạt được
-

Thực hiện được phép số hóa vật thể (Digitization), xây dựng được mã
nguồn và thiết kế phần cứng cơ bản, làm nền tảng để phát triển các sản
phẩm máy quét 3D giá thành thấp.

-

Chế tạo được nguyên mẫu máy quét 3D để thử nghiệm.

-

Xây dựng được chương trình xử lý và giao diện người dùng trực quan.

1.7 Bố cục đề tài
Chương 2 phân tích cơ sở lý thuyết của phương pháp quét đồng dạng (phương
pháp được chọn áp dụng trong đề tài) và trình bày mục tiêu thiết kế cho mẫu thử
nghiệm.

9


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Chương 3 là nội dung của quá trình chế tạo, những công việc cần chuẩn bị và
thực hiện, các công cụ và ngôn ngữ đã được sử dụng, các ưu nhược điểm và
phương pháp khắc phục cho máy quét đạt độ chính xác cao hơn.
Kết quả thử nghiệm sản phẩm được trình bày ở Chương 4, đề tài tiến hành
phân tích dữ liệu thu được. Sau đó rút ra các kết luận về tính khả thi của đề tài
cũng như đề xuất các phương án để tiếp tục phát triển ở Chương 5.

10


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

2

CHƯƠNG 2 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ
Ở chương này, báo cáo trình bày về nguyên lý của phương pháp quét đã lựa chọn
là phương pháp quét đồng dạng cùng thông số mục tiêu thiết kế cho máy quét
thử nghiệm.

2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Nguyên lý phương pháp quét đồng dạng
Phương pháp đồng dạng (Triangulation) được sử dụng rất rộng rãi trong các
ứng dụng quét 3D hiện nay. Phương pháp này sử dụng 1 camera, 1 đèn laser và
1 cơ cấu để xoay vật thể cần quét. Vật thể cần được quét được đặt trên một bàn
xoay. Trục của bàn xoay song song với mặt phẳng camera. Mặt phẳng laser phát
ra chứa trục của bàn xoay. Camera có cạnh dưới song song với mặt bàn xoay,
trục quang của camera cắt trục bàn xoay tại 1 điểm xác định. Khoảng cách từ
trục bàn xoay đến pinhole là L xác định. Mặt phẳng laser tạo với trục quang của
camera một góc .
Hình 2.1 mơ tả ngun lý của phương pháp quét đồng dạng sử dụng 1 camera
và 1 đèn laser. Trong không gian 3D, một mặt phẳng ánh sáng laser được chiếu
lên bề mặt vật thể tạo nên một đường sáng dọc theo bề mặt vật thể. Vị trí trung
tâm của đường ánh sáng laser ghi nhận trên cảm biến ảnh thể hiện chính xác vị
trí chiếu sáng trên vật thể thực, từ các thông số ảnh và vị trí tương đối giữa
camera, đèn laser và bàn xoay vật thể, ta xác định được tập hợp tọa độ các điểm
trên bề mặt vật thể nơi được laser chiếu sáng. Hình dạng cuối cùng của vật thể
được xác định bằng cách xoay nó để tia laser quét qua khắp bề mặt của vật thể.

Sự sai số có thể xảy ra tùy theo sự thay đổi hình dạng và hệ số phản xạ của bề
mặt vật thể.

11


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy qt 3D

Hình 2.1 Bố trí các thành phần cấu thành của một máy quét 3D laser
Thủ tục thực hiện một lần quét vật thể được thể hiện như Hình 2.2. Sau khi
bật đèn laser, camera ghi khung hình thứ nhất, thuật tốn xử lý tìm kiếm trên
từng dịng điểm ảnh của bức ảnh chụp được để tìm ra vị trí của điểm sáng laser
trên bề mặt vật thể, từ đó tính tốn tọa độ của điểm đó. Khi thuật tốn qt đến
dịng cuối cùng của bức ảnh, bàn xoay được điều khiển xoay đi một góc cho
trước và thuật tốn tìm kiếm vị trí laser và tính tọa độ lại được gọi và cứ như vậy
đến khi vật thể được xoay hết 1 vịng quanh bàn xoay. Góc xoay vật thể càng
nhỏ thì độ phân giải của kết quả càng cao nhưng làm chậm đi tiến trình quét, tập
hợp điểm thu được cuối cùng cũng có thể sẽ có kích thước q lớn. Vì vậy phải
tùy vào u cầu chính xác cũng như cấu tạo hình dạng của vật thể mà thiết lập
giá trị bước quay phù hợp.

12


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động của máy quét
Phương pháp quét như trên giúp giảm yêu cầu về phần cứng nhưng vẫn đảm
bảo tính chính xác cho phép quét, tuy nhiên làm tăng thời gian quét cần thiết.
2.1.2 Phương pháp xác định tọa độ một điểm trong không gian

Phương pháp xác định tọa độ dưới đây được tham khảo từ phương pháp quét
bằng laser được giới thiệu trong [7]. Hình 2.3 mơ tả vị trí đường laser chiếu trên
vật thể và tọa độ của một điểm trên đường này trong hệ tọa độ camera. Với một
điểm P nằm trên bề mặt vật thể nơi ánh sáng laser có thể chiếu đến và camera có
thể nhìn thấy, gọi tọa độ của nó trong hệ tọa độ camera là P(xo, yo, zo). Tọa độ
điểm P được xác định dựa trên các thơng số ảnh, camera và vị trí tương đối của
camera, bàn xoay và mặt phẳng đèn laser như đã nêu. Việc xác định tọa độ này

13


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

được chia làm 2 bước: Xác định xo, zo bằng cách giải hệ phương trình tuyến tính
và xác định yo khi đã có zo.

Hình 2.3 Ngun lý xác định tọa độ trong không gian bằng phương pháp đồng
dạng với đèn laser
Trong q trình tính tốn tọa độ, các thông số đã biết bao gồm:
L: khoảng cách từ camera đến trục bàn xoay.
f : tiêu cự của camera.
D: khoảng cách giữa camera và đèn laser.
d: khoảng cách từ trục đứng của ảnh đến vị trí điểm ảnh trên đường laser theo
phương ngang.
h: khoảng cách từ trục ngang của ảnh đến vị trí điểm ảnh trên đường laser
theo phương dọc.

: góc hợp giữ trục quang camera và mặt phẳng laser.

14

Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Hình 2.4 Xác định tọa độ xo, zo của một điểm trên đường laser
Trong mặt phẳng y, quan hệ đồng dạng của được xác định như công thức 2.1,
giải hệ phương trình tuyến tính này cho ra xo và zo theo D, d, L và f
DdL

 d xo
xo 



Df  Ld
zo
f



 L  z o  xo
 z  DfL
o


Df  Ld
D
 L


(2.1)

Trong thực tế, camera sau khi ca-líp sẽ có 2 thơng số tiêu cự fx và fy, tương
ứng với phương x và phương y. trong mặt phẳng y, công thức 2.1 được viết lại
thành:
DdL

 xo  Df  Ld

x

 z  Df x L
 o Df x  Ld

(2.2)

Với xo và zo tính được ở trên, xét trong mặt phẳng x, ta cũng dễ dàng có được
quan hệ đồng dạng như mơ tả ở Hình 2.5. Giá trị tọa độ zo còn lại được xác định
với công thức 2.3.

15


Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D

Hình 2.5 Xác định tọa độ yo của một điểm trên đường laser
zh
h yo

 yo  o

f
zo
f

(2.3)

Tương tự như việc xác định xo và zo, trong mặt phẳng x, ta sử dụng tiêu cự
thực tế fy, công thức 2.3 được viết lại
yo 

zo h
fy

(2.4)

Như vậy, sau 2 lần xét tám giác đồng dạng, tọa độ một điểm bất kỳ trên đường
sáng laser so với hệ tọa độ camera chiếu trên vật thể có cơng thức tổng qt như
sau:

DdL
 xo 
Df x  Ld

zo h

 yo 
fy

Df x L


 z o  Df  Ld
x


(2.5)

Tập hợp điểm cần xác định có hệ tọa độ tham chiếu là hệ có tâm O1 là giao
điểm của trục quang camera và trục xoay của bàn xoay, các trục x, y, z của có
vector đơn vị cùng phương cùng hướng với hệ tọa độ camera như Hình 2.3. Như
vậy, hệ O1 là tịnh tiến của hệ tọa độ camera theo phương z một khoản L với ma
trận chuyển đổi như sau:
1
0
O1

T

C
0

0

0 
0 
0 1  L

0 0 1 

0 0
1 0

16

(2.6)