Ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến sai số phép đo 3D bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc

bộ giáo dục và đào tạo
tr-ờng đại học bách khoa hµ néi
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CHI TIẾT ĐẾN
SAI SỐ PHÉP ĐO 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP
ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LÊ QUÝ THUẦN

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN VĂN VINH

HÀ NỘI – 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến
sai số phép đo 3D bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc” là cơng trình nghiên cứu của riêng
tơi và chưa được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác. Các số liệu nêu trong luận văn
là trung thực.
Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2018
Tác giả luận văn

Lê Quý Thuần


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 3
Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 3
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ................. 4
Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 5
Nội dung của luận án............................................................................................... 5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC ................................................................................................................ 6
1.1 Các phương pháp đo biên dạng 3D ................................................................... 6
1.1.1 Phương pháp đo thời gian truyền sáng (Time of Flight- TOF) ................... 7
1.1.2 Phương pháp stereo vision .......................................................................... 7
1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ...................................................... 9
1.2.1 Phương pháp dịch pha .............................................................................. 16
1.2.2 Phương pháp mã Gray .............................................................................. 17
1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray ........................................................ 20
1.2.4 Ứng dụng phương pháp quét 3D ............................................................... 20
1.3 Nội dung nghiên cứu của luận văn .................................................................. 28
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA
KẾT HỢP MÃ GRAY .............................................................................................. 29
2.1 Phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray ......................................................... 29
2.2 Hiệu chuẩn hệ thống đo .................................................................................. 34
2.3 Ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đo .............................................................. 45
2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................... 48
Chương 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CHI TIẾT ĐẾN SAI
SỐ PHÉP ĐO............................................................................................................ 49
3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ..................................................................... 49
3.2 Khảo sát thực nghiệm đo mặt phẳng trong vùng đo ....................................... 52
3.3 Thực nghiệm các chi tiết hình dạng khác nhau ............................................... 58
3.2.1 Khảo sát đo các bề mặt lỗ, rãnh, bậc ....................................................... 58
3.2.2 Khảo sát đo các bề mặt chuẩn trụ ............................................................ 65
3.2.3 Đo các bề mặt dạng tự do ......................................................................... 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 74
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 76


Danh mục các chữ viết tắt
Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

CNC

Computer numerical control

Điều khiển 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 and Gray code method

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

DOF

Depth of field

Độ sâu trường ảnh

DFP

Digital fringe projection

Chiếu vân kỹ thuật số

SNR

Signal-to-Noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SVD

Singular value decomposition


Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

t

rad

Pha tuyệt đối

w

rad

Pha tương đối

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

Hệ tọa độ hệ thống

(Oc ; xc , y c , z c )

Hệ tọa độ máy ảnh

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

Hệ tọa độ máy chiếu
Tọa độ mặt phẳng ảnh

(O; u, v)
s

Scale ratio

Hệ số tỉ lệ

R

Rotation matrix

Ma trận quay

Translation vector

Véc-tơ tịnh tiến

t

mm

fuc , f vc

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

u0c , v0c

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

Pu , Pv

Chu kỳ vân chiếu theo phương
ngang và phương thẳng đứng

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

The number f

Số f

Focal langth

Tiêu cự thấu kính

N= f D

f

mm



Độ (  )

Góc giữa trục tung của máy ảnh và
máy chiếu


R0

Reference plane

Mặt phẳng chuẩn



Độ (  )

Góc mở của máy chiếu theo phương
ngang



Độ (  )

Góc mở của máy chiếu theo phương
thẳng đứng

OO = b

mm

L

mm

Base line

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

chiếu)
Khoảng cách từ đường cơ sở đến mặt
phẳng chuẩn R P


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
_Toc525112486

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí máy ảnh trong phương pháp stereo vision……………….. 8
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc………………………. 9
Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray ……………………………………..18
Hình 1.4 Ứng dụng đo kiểm sản phẩm………………………………………….. 22
Hình 1. 5 Ứng dụng đo trong gia cơng cơ khí như đo chi tiết cơ khí. ……………22
Hình 1. 6 Ứng dụng trong cơng nghiệp sản xuất ơ tơ……………………………. 23
Hình 1. 7 Thiết kế ngược …………………………………………………………23
Hình 1. 8 Ứng dụng quét biên dạng cơ thể người phục vụ lĩnh vực thời trang may
mặc, da giày……………………………………………………………………… 24
Hình 1.9 Ứng dụng quét biên dạng các chi tiết cơ khí. …………………………..25
Hình 1. 10 Biên dạng 3D hàm răng. ………………………………………………25
Hình 1. 11 Ứng dụng trong y tế………………………………………………….. 26
Hình 1. 12 Quét tượng ……………………………………………………………27
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC ……………………………………30
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo ………………………….31
Hình 2.3 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân …………………33
Hình 2.4 Mơ hình máy ảnh lỗ nhỏ ……………………………………………….35
Hình 3.1 Mơ hình thiết bị thực nghiệm …………………………………………..50
Hình 3.2 Ảnh phần mềm hiệu chuẩn hệ thống………………………………….. .51
Hình 3.3 Kết quả hiệu chuẩn hệ thống ……………………………………………52
Hình 3.4 Sơ đồ vị trí và góc của mặt phẳng chuẩn mẫu trong vùng đo …………53
Hình 3.5 Ảnh đo chi tiết mẫu phẳng chuẩn kích thước 190 125 mm …………...54

1


Hình 3.6 Kết quả phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn ở trị trí 1……... 55
Hình 3.7 Kết quả phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn ở trị trí 2 ………55
Hình 3.8 Kết quả phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn ở trị trí 3 ………56
Hình 3.8 Kết quả phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn ở trị trí 4 ……..56
Hình 3.9 Kết quả phù hợp đám mây điểm mặt phẳng mẫu chuẩn ở trị trí 5 ……..57
Hình 3.10 Ảnh chi tiết mẫu…………………………………………………..….. 58
Hình 3.11 Các kích thước danh nghĩa của chi tiết mẫu …………………………..59
Hình 3.12 Các kích thước trung bình của chi tiết mẫu đo bằng máy CMM ……….59
Hình 3.13 Đám mây điểm đo chi tiết mẫu ……………………………………….60
Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn kết quả đo các đường kính lỗ ……………………….60
Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn kết quả đo các kích thước chiều dài …………………61
Hình 3.16 Giao diện chương trình đo chi tiết chỉnh phẳng ………………………62
Hình 3.17 Đám mây điểm chi tiết chỉnh phẳng …………………………………..63
Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn kết quả đo các kích thước chiều dài 3 cạnh của chi tiết
…………………………………………………………………………………….63
Hình 3.19 Giao diện chương trình đo chi tiết bậc trụ gá dao …………………….64
Hình 3.20 Đám mây điểm chi tiết bậc trụ gá dao ………………………………..64
Hình 3.21 Đo chi tiết dạng trụ cơn với bền mặt thực ……………………………65
Hình 3.22 Đo chi tiết dạng trụ côn với bền mặt được phủ giảm phản xạ ………..66
Hình 3.23 Đo chi tiết khn vật liệu nhơm và nhựa ……………………………..68
Hình 3.24 Đo chi tiết bánh răng ………………………………………………….69
Hình 3.25 Đo chi tiết xốp………………………………………………………… 70
Hình 3.26 Đo chi tiết nhựa ……………………………………………………….71

2

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nhu cầu về sản xuất các thiết bị sản phẩm cơng
nghệ cao với độ chính xác ngày càng cao. Việc ứng dụng các phương pháp đo lường
kiểm tra trong công nghiệp cơ khí là rất cần thiết nâng cao năng suất và đảm bảo
chất lượng. Công nghệ sản xuất linh hoạt hỗ trợ sản xuất các chi tiết với năng suất
và chất lượng cao đặc biệt là các bề mặt tự do với nhiều loại vật liệu và bề mặt hoàn
thiện khác nhau. Các bề mặt được sản xuất với hai tiêu chí về thầm mỹ và hiệu suất
như: trong công nghiệp ô tô, máy bay, hàng tiêu dùng, tiểu thủ công nghiệp. Để đảm
bảo yêu cầu phù hợp giữa thiết kế và sản xuất cần phải sử dụng các cơng nghệ đo
lường phù hợp.
Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của đối tượng là: đo tiếp xúc
và không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt
đối tượng cần đo như các máy đo ba tọa độ CMM (Coordinate Measuring Machine),
tay máy đo.... Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo từng
điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với bề mặt cần đo đồng
thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác định, đối
tượng quét lớn sẽ phải mất nhiều thời gian để quét. Phép đo có các sai số do kích
thước đầu dị và khó đo các đối tượng hình dạng phức tạp hoặc có bề mặt khơng xác
định và bề mặt khơng định hình. Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao
do các bộ phận cảm biến đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí địi hỏi độ chính
xác cao.
Cơng nghệ đo lường 3D không tiếp xúc là hướng nghiên cứu phát triển mới
trong lĩnh vực đo lường 3D. Trong đó, cơng nghệ đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng
là phương pháp đo lường 3D quang học thơng qua hình ảnh, bằng quét ánh sáng
laser hoặc chiếu ánh sáng mã hóa, đang được thế giới quan tâm nghiên cứu, phát
triển và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như trong cuộc sống
như: sản xuất thông minh, khoa học y tế, khoa học máy tính, an ninh quốc gia và

giải trí. Phương pháp này có thể thu thập được nhiều thông tin bề mặt của nhiều chi

3


tiết đo mà không cần tiếp xúc bề mặt chi tiết đo, với sự kết hợp giữa lý thuyết về
quang học với khoa học máy tính hiện đại và cơng nghệ điện tử. Những ưu điểm
vượt trội của phương pháp này như: đo nhiều chi tiết đo cùng lúc, tốc độ đo nhanh,
độ phân giải cao và dễ dàng thực hiện.
Độ chính xác của phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc phụ thuộc rất nhiều
vào tính chất bề mặt của chi tiết đo, hình dạng của chi tiết đo, thơng số hình học của
hệ thống quang và phương pháp xử lý dữ liệu 3D. Do vậy, việc ứng dụng phương
pháp trong việc đo lường để đo các biên dạng bề mặt khác nhau vẫn còn tồn tại một
số hạn chế như: dựng hình 3D có độ chính xác chưa cao và ảnh thu được phụ thuộc
rất nhiều vào bề mặt biên dạng và mức độ phản xạ bề mặt chi tiết đo. Nguyên nhân
là do sai số hiệu chuẩn các thông số của hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Hệ
thống cần phải được hiệu chuẩn chính xác mới thu được kết quả dựng hình chính
xác. Hơn nữa, phương pháp này khi đo các chi tiết đo với biên dạng bề mặt khác
nhau gây ảnh hưởng đến sai số phép đo. Các vấn đề nghiên cứu trên đang được các
nhà khoa học tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo. Các
phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã được thế giới nghiên
cứu như: Phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp.
Trong đó, phương pháp đo sử dụng ánh sáng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC)
được nghiên cứu ứng dụng để đo các chi tiết với các biên dạng bề mặt khác nhau.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của luận văn nghiên cứu tổng quan về đo lường 3D biên dạng
chi tiết, ứng dụng phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để
đo lường các chi tiết với hình dạng khác nhau. Thơng qua đó phân tích thực nghiệm

kiểm chứng ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến sai số phép đo.
Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu khả năng đo lường của
phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc và ảnh hưởng của hình dạng chi tiết
đến sai số phép đo

4


Phạm vi nghiên cứu

Thông qua việc xác định ảnh hưởng của hình dạng chi tiết luận văn nghiên cứu
tập trung đến độ chính xác kích thước và sai lệch hình dáng của các chi tiết đo bằng
phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray.
Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công cụ toán học
kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm
Nội dung của luận án

Luận án bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.
Chương 2: Phương pháp đo bằng ánh sáng dịch pha kết hợp mã Gray.
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đến sai số phép đo.
Trong luận văn, các kết quả được chọn lọc phân tích, kế thừa các kết quả
nghiên cứu đã có để thực nghiệm kiểm chứng ảnh hưởng của hình dạng chi tiết đo
đến độ chính xác của kết quả đo. Phương pháp đo quét biên dạng 3D bằng ánh sáng
cấu trúc là một phương pháp đo mới, đang được các nhà khoa học trên thế giới
nghiên cứu và phát triển để hồn thiện. Do vậy, trong luận văn này khơng tránh khỏi

những thiếu sót về mặt tính tốn cũng như nội dung. Em rất mong được sự góp ý
của thầy cơ giáo để luận văn được hoàn thiện tốt nhất.
Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Văn Vinh cùng tồn thể thầy cô trong bộ môn đã tạo điều kiện tốt
cho em hoàn thành luận văn này.

5


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG BIÊN DẠNG 3D BẰNG
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. Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số phép đo được trình bày,
đặc biệt tập trung yếu tố hình dạng chi tiết đo đến sai số phép đo. Thơng 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 Các phương pháp đo biên dạng 3D
Hệ thống đo lường quang học 3D được thiết kế cho các ứng dụng phạm vi gần
theo kiểu một hoặc nhiều nguồn chiếu sáng chiếu dạng điểm, dạng đường hoặc mơ
hình ánh sáng có cấu trúc lên bề mặt hoặc bề mặt cần đo. Phản xạ từ ánh sáng chiếu
được phát hiện trong một hoặc nhiều thiết bị hình ảnh và các phép đo được thực
hiện liên quan đến vị trí, cường độ và màu tùy chọn của hình ảnh. Tọa độ của các vị
trí trên bề mặt có thể được tính tốn trực tiếp bằng các thơng tin hình ảnh chiếu sáng
và hình ảnh hoặc gián tiếp thơng qua phân tích các tần số không gian của ánh sáng
mẫu chiếu.
Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo
mặt có khả năng thu được tồn 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. 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. Hiện nay, có rất nhiều mơ 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. Đối với phương pháp đo bằng ánh sáng
cấu trúc đo biên dạng bề mặt bằng cách phân tích ánh sáng phản xạ, như vậy đặc
tính quang học của bề mặt phải gần với bề mặt Lambertian hoặc có thể được mơ
hình hóa bằng tốn học. Để xác định hệ thống đo có phù hợp hay khơng có thể kiểm
tra bằng cách đo các bề mặt tiêu biểu khác nhau.

6


1.1.1

Phương pháp đo thời gian truyền sáng (Time of Flight- TOF)

Phương pháp đo thời gian truyền sáng (TOF) là một phương pháp quang học
tương tự như hệ thống siêu âm của một con dơi đó là thời gian ánh sáng phát ra và
phản xạ trở lại từ bề mặt đích tới các cảm biến. Do ánh sáng di chuyển với một tốc
độ không đổi, các thông tin về khoảng cách, độ sâu có thể được xác định từ thời
điểm chiếu đến thời điểm nhận tín hiệu. Thay vì trực tiếp đo thời gian khác nhau,
công nghệ TOF thường đánh giá sự thay đổi pha cho việc truyền ánh sáng bằng cách
điều chỉnh ánh sáng phát ra với một tín hiệu định kỳ hình sin khác nhau, có thể được
mơ tả tốn học như sau:
𝑆(𝑖) = 𝐴(𝑖)𝑒 𝑗(𝑖)

(1.1)

Trong đó: A(i) là biên độ của tín hiệu

(i) là thơng tin pha.
Tần số fm = 20MHz, chiều sâu z tỉ lệ thuận với pha:
𝑧 (𝑖 ) =

𝑐
4𝜋𝑓𝑚

 (𝑖 )

(1.2)

Với c là tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s
Để đo được tín hiệu mã hóa được mơ tả trong phương trình (1.1) ta phải đo
cả cường độ và pha. Do quá trình sản xuất bộ cảm biến TOF phức tạp đồng thời độ
phân giải còn khá thấp (~ 320 x 240), độ phân giải độ sâu cũng không cao. Dù độ
phân giải về khơng gian và chiều sâu cịn hạn chế nhưng với thiết kế nhỏ gọn công
nghệ TOF vẫn được ứng dụng trong công nghiệp ô tô.
1.1.2

Phương pháp stereo vision

StereoVision sử dụng hai camera để chụp hai hình ảnh 2D từ các góc nhìn khác
nhau và dựng lại hình ảnh 3D bằng phương pháp tam giác lượng tương tự phương
pháp tam giác lượng laser. Kỹ thuật StereoVision cho phép đo toàn bộ bề mặt trong
một lần đo không cần quét và phù hợp với các ứng dụng đo lường tốc độ cao.

7

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí máy ảnh trong phương pháp stereo vision
Hình học epipolar là hình học chiếu liên quan tới hai ảnh. Hình học epipolar độc
lập với cấu trúc ảnh chỉ phụ thuộc vào các tham số trong của camera.
Chiếu điểm từ không gian 3D sang 2D được biểu biễn bởi:
𝑥
𝑢
𝑦
𝑠 {𝑣 } = 𝐴[𝑅, 𝑡 ] { 𝑧 }
1
1

(1.3)

Trong đó: s – hệ số tỉ lệ độ sâu của vùng chiếu 3D
R – ma trận quay 3x3, t – vectơ tịnh tiến 3x1
[R, t] – biểu diễn thông số ngoại tham số của hệ thống, chuyển đổi từ
tọa độ thực 3D sang hệ tọa độ thấu kính 3D.

Và:

𝑓𝑢
𝐴 = [0
0

𝛼
𝑓𝑣
0

𝑢0
𝑣0 ]

1

(1.4)

A là thông số nội tham số của Camera: 𝑓𝑢 , 𝑓𝑣 là tiêu cự theo phương u, v; α là
độ nghiêng của điểm ảnh trên Camera (thường bằng 0 với các Camera hiện đại);
(𝑢0 , 𝑣0 ) là tâm quang của Camera.

8


Nếu cả hai camera được hiệu chuẩn trong cùng một hệ tọa độ thực thì hệ
thống StereoVision sẽ cung cấp hai cặp điểm. Điều quan trọng của hệ thống
StereoVision là tìm các cặp điểm tương ứng từ hai camera, một khi các cặp tương
ứng được thiết lập hệ tọa độ (x, y, z) có thể được giải quyết bằng phương pháp bình
phương nhỏ nhất vì có 6 phương trình và 5 ẩn số. Trong hệ thống này hai hình ảnh
chụp từ góc nhìn khác nhau được sử dụng để tìm các điểm tương ứng trong một góc
nhìn để dựng lại hình 3D.
Nhược điểm của phương pháp stereo vision: Việc trích xuất dữ liệu khó khăn,
các phép tốn so sánh sự tương quan điểm ảnh giữa hai ảnh rất phức tạp và tốn thời
gian.

1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
Phương pháp ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam giác lượng với công
nghệ ảnh số 3D. Các phương pháp tam giác lượng đã được nghiên cứu như: phương
pháp tam giác lượng theo điểm, phương pháp tam giác lượng theo đường và phương
pháp tam giác lượng theo mặt.
Một hệ thống tam giác lượng theo điểm và đường điển hình bao gồm một
nguồn laser, một cảm biến và một thấu kính hội tụ chùm tia laser lên cảm biến. Nếu
một điểm của nguồn laser xác định được trên một điểm trên cảm biến thì thơng tin

độ của vật thể có thể xác định được giả sử hệ thống có thể hiệu chuẩn được [5].

a,

b,

c,

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc

9


a, Phương pháp tam giác lượng theo điểm
b, Phương pháp tam giác lượng theo đường
c, Phương pháp tam giác lượng theo mặt
Dạng quét laser có thể theo từng điểm hoặc theo đường tùy thuộc vào ứng
dụng, địi hỏi độ chính xác và thời gian yêu cầu thực tế, bề mặt chi tiết thường nhấp
nhơ, do đó tính phản xạ của bề mặt chi tiết bị giảm đi khi dùng ánh sáng thường.
Cường độ phản xạ lúc này thay đổi theo độ dốc của bề mặt chi tiết.
Đối với những bề mặt có độ nhấp nhơ càng cao thì cường độ tia phản xạ thu
được càng yếu tăng cường độ của tia phản xạ thì phải dùng một hệ quang và
nguồn phát thích hợp thoả mãn:
− Bước sóng dài
− Góc mở nhỏ
− Cường độ cao
Nguồn sáng laser có thể thoả mãn yêu cầu trên.
Hệ thống đo sử dụng phương pháp tam giác lương theo mặt có khả năng thu
được tồn bộ bề mặt 3D tốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng thực hiện hơn so
với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường.

Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc theo các mơ hình mẫu 2D có hai
phương pháp cơ bản là dùng giao thoa ánh sáng và dùng phương pháp chiếu.
Phương pháp mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa dùng
giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [15] hay bước sóng dải rộng
(ánh sáng trắng) [13]. Tạo ra các mơ hình giao thoa với các mẫu chiếu là các vân
cách đều nhau. Kích thước mơ 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 mơ
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.
Theo quang học vật lý, dạng sóng ánh sáng của nguồn sáng có thể được mô tả như
sau:

10


w(x, y, t) = a(x, y)ei[(x,y)],

(1.5)

Trong đó x và y là tọa độ khơng gian, a(x,y) là biên độ sóng và pha được xác định:
Ф(x,y) =

2𝜋ℎ(𝑥,𝑦)

(1.6)

𝜆

Trong đó  là bước sóng, và h(x,y) là quãng đường ánh sáng truyền từ điểm chuẩn
Giả sử có hai nguồn sáng, một nguồn sóng chuẩn 𝑤𝑟 (x,y) và một nguồn sóng thử

nghiệm 𝑤𝑡 (x,y) với cùng bước sóng tương ứng, được biểu diễn:
𝑤𝑟 (x,y) = 𝑎𝑟 (x,y)𝑒 𝑖[ Ф𝑟(𝑥,𝑦)] ,

(1.7)

𝑤𝑡 (x,y) = 𝑎𝑡 (x,y)𝑒 𝑖[Ф𝑡 (𝑥,𝑦)],

(1.8)

Trong đó 𝑎𝑟 (x,y ) và 𝑎𝑡 (x,y ) là biên độ sóng tương ứng và Ф𝑟 (𝑥, 𝑦) và Ф𝑡 (𝑥, 𝑦)
là pha của sóng. Khi sóng chuẩn và sóng thử nghiệm gặp nhau dạng sóng tương
đương có thể được biểu diễn:
w(x,y) = 𝑤𝑟 (x,y) + 𝑤𝑡 (x,y)

(1.9)

Cường độ của dạng sóng với ảnh mẫu vân giao thoa có thể được viết như sau:
I (x,y,t) = |𝑤𝑟 (x, y) + 𝑤𝑡 (x, y)|2

(1.10)

Hoặc:
I (x,y,t) = I’(x,y) + I’’(x,y)cos [Ф𝑡 (𝑥, 𝑦) - Ф𝑟 (𝑥, 𝑦)]

(1.11)

Trong đó cường độ trung bình được xác định:
I’(x,y) = 𝑎𝑟2 (x,y) + 𝑎𝑡2 (x,y)

(1.12)

I’’(x,y) = 2𝑎𝑟 (x,y ) 𝑎𝑡 (x,y )

(1.13)

Trong đó:
Là vân hay cường độ điều biến. Nếu chúng ta định nghĩa độ lệch pha
ϕ(x, y) = Ф𝑡 (𝑥, 𝑦) - Ф𝑟 (𝑥, 𝑦)]

(1.14)

Thu được công thức cơ bản của kỹ thuật đo hình dạng 3D dựa trên cơ sở phân tích
vân:
I(x,y) = I’(x,y) + I’’(x,y)cos [ϕ(x, y)]

(1.15)

Trong đó I’(x,y) độ lệch cường độ hoặc thành phần 1 chiều (DC), I’’(x,y) là
một nửa từ đỉnh tới chân của cường độ điều biến, và ϕ(x, y) là pha chưa biết liên
quan đến độ lệch pha thời gian của sự biến đổi sin so với dạng sóng chuẩn.

11


Nếu φ (x, y) nằm trong khoảng 2kπ (k = 0, 1, 2, ...), ảnh vân giao thoa ở đỉnh
của nó khi quãng đường đi của sóng chuẩn và sóng thử nghiệm là số nguyên lần
bước sóng λ; và mẫu vân giao thoa nằm ở đáy khi quãng đường quang học là (2n +
1) λ (n = 0, 1, 2)
Nếu có sự thay đổi thời gian δ(t) ở dạng sóng thử nghiệm, pha của sóng ở vị
trí đó có thể dễ dàng tính tốn bằng dịch pha thời gian tồn bộ bản đồ của pha chưa

xác định ϕ(x, y) có thể đo được bằng sự định lượng và so sánh sự thay đổi thời gian
của tất cả các điểm đo. Từ phương trình, khoảng cách giữa sóng chuẩn và sóng kiểm
tra có thể tính tốn như sau:
h(x,y) =

ϕ(x,y) λ
2𝜋

(1.16)

Giả sử rằng pha ϕ(x, y) thu được ở đây khơng có các đoạn pha gián tiếp 2.
Giả định rằng pha của sóng có thể được đo trực tiếp với các phương pháp đo biên
dạng dựa trên sự tán xạ, ánh sáng đi tới và phản xạ lại thì mối quan hệ giữa chiều
cao bề mặt và pha có tỉ lệ ½
h(x,y) =

ϕ(x,y) λ
4𝜋

(1.17)

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu có nhiều dạng mẫu ánh
sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn sáng qua cách tử nhiễu xạ [12].
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.
Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình
bên trong máy chiếu, thơng thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc
DLP [3]. Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai cơng 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 khơng lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.

12


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 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 khơng bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu và lỗi dịch pha. Tuy nhiên, phương pháp
DFP có thể tạo ra chất lượng vân chiếu không mong muốn, để tạo ra vân chiếu dạng
sin chất lượng cao thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiên cứu kỹ, và ngay cả
giao diện giữa máy tính và máy chiếu cũng cần được xử lý cẩn thận. 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 và 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.
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 [12]. Một số tác giả đã đánh giá chi tiết
các kỹ thuật khác nhau [7] như: phương pháp mã nhị phân Gray code [5] phương
pháp mã dịch pha, phương pháp mã hóa màu, phương pháp kết hợp mã dịch pha và

Gray.
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 thực tiễn và có nhiều
ưu điểm nhất cho phép đo các bề mặt 3D không liên tục và phức tạp. Gần đây việc
kết hợp mã Gray và dịch pha trở thành một xu hướng phát triển và điểm nóng nghiên
cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc [14]. Phương pháp kết hợp này để

13


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. Các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn hoặc bề
mặt khơng liên tục cũng được đo một cách chính xác.
Phương pháp đo PSGC sử dụng ánh sáng mẫu và thu ảnh chi tiết đo thơng
qua hệ thống quang nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào một số thơng số: thơng
số hiệu chuẩn hệ thống, quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết
đo, hình dạng chi tiết đo, cường độ ánh sáng nền, nhiễu. Trong phương pháp đo ánh
sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được mơ hình hóa và các thơng số của mơ hình
được thu với một q trình hiệu chuẩn. Các thơng số hình học của các thiết bị quang
học được tính tốn như: vi trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu. Tuy
nhiên các mơ hình khơng thể chứa tất cả các thông tin của hệ thống quang học như:
quang sai của hệ quang, sai lệch của 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 thơng số của hệ quang thì độ chính xác của hệ thống càng cao. Để
hiệu chuẩn chính xác yêu cầu hiệu chuẩn các thơng số của thiết bị thu phát tín hiệu
và mối quan hệ hình học giữa hai thiết bị này. Độ chính xác hiệu chuẩn ảnh hưởng
trực tiếp đến độ chính xác của hệ thống đo. 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 rộng rãi trong
nhiều năm qua.

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. Dữ liệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn khơng 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 mơ hình giải mã. Những
đoạn mã bị nhiễu sau khi được giải mã sẽ bị sai lệch. Do vậy dữ liệu được phân tích
sẽ khơng chính xác. Các giải pháp thông thường để giải quyết vấn đề phản xạ bề
mặt là sử dụng phương pháp đo tiếp xúc, hay phun phủ bề mặt chi tiết đo làm giảm
phản xạ bề mặt khi đo bằng các phương pháp quang học [7]. Tuy nhiên, các phương

14


pháp giải quyết này có một số hạn chế là thời gian đo lớn đối với phương pháp đo
tiếp xúc. Thêm nữa cần có cơng đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trước và sau
khi đo làm tăng chi phí khi đo bằng phương pháp đo quang học. 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.
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 cơng 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 khơng 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.
Mặc dù đây là phương pháp đã được đề cập đến trong một số nghiên cứu tuy nhiên
với đặc thù riêng đo các chi tiết cơ khí nên vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên
cứu sâu và nâng cao độ chính xác, khả năng của hệ thống đo.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc có thể được phân loại thành 3 loại. Loại thứ nhất là

phương pháp mã hóa ánh sáng cấu trúc theo khơng gian. Đối với phương pháp này,
ảnh mẫu được chiếu theo một cách nhất định và sau đó giải mã hình ảnh được chụp
bằng cách so sánh chúng với các mẫu chuẩn. Phương pháp này có tốc độ đo cao và
phù hợp cho đo lường chi tiết động, nhưng nó cũng có nhược điểm về mật độ lấy
mẫu thấp, khả năng chống nhiễu thấp và độ chính xác đo thấp. Loại thứ hai là mã
hóa ánh sáng cấu trúc trực tiếp, trong đó mỗi điểm ảnh được mã hóa duy nhất được
xác định bởi cường độ hoặc màu sắc của điểm ảnh. Phương pháp này có tốc độ đo
nhanh nhất và mật độ lấy mẫu có thể đạt được cỡ pixel điểm ảnh. Tuy nhiên, do
thực tế các mã cỡ điểm ảnh được kết hợp trong một mơ hình mẫu chiếu, sử dụng
các cấp độ xám hoặc phổ màu sắc rất rộng, và do đó, độ chính xác đo thấp. Loại
cuối cùng là ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian. Phương pháp này chiếu các
mơ hình mẫu ánh sáng khác nhau theo trình tự thời gian và giải mã bằng cách kết

15


hợp chuỗi mẫu ánh sáng được mã hóa. So với hai phương pháp trên thì phương pháp
này có tỷ lệ lấy mẫu hay mật độ lấy mẫu cao và độ chính xác đo cao. Nhưng nhược
điểm của phương pháp này là tốc độ đo thấp hơn so với hai phương pháp trên và sử
dụng nhiều mẫu mã hóa.
Phương pháp ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian cũng có thể được chia
thành ánh sáng có cấu trúc mã hóa thời gian dạng số [6], trong đó mẫu được mã hóa
dạng số và ánh sáng được mã hóa theo thời gian dạng tương tự, trong đó mẫu được
mã hóa với số lượng tương tự. phương pháp mã hóa theo thời gian dạng số được sử
dụng rộng rãi là chuỗi vân nhị phân mã Gray [4]. Với mã Gray, một mã nhị phân
chỉ khác một bit so với mã lân cận của nó, điều này giúp giảm thiểu việc mã hóa
nhầm. phương pháp này có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ, nhưng nó cũng có độ
phân giải đo lường thấp cho mật độ lấy mẫu được giới hạn ở một không gian con.
Đối với phương pháp tiếp cận ánh sáng có cấu trúc được mã hóa theo thời gian dạng
tương tự, kỹ thuật dịch pha là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi (dịch

pha dạng sin [8], dịch pha dạng tam giác [12] và dịch pha dạng hình thang)
1.2.1

Phương pháp dịch pha

Phương pháp phân tích vân và thuật tốn dịch pha được hình thành từ giao thoa
laser và lý thuyết cơ sở của các phương pháp này dựa trên quang học vật lý.
Theo quang học vật lý dạng sóng ánh sáng của nguồn sáng có thể mơ tả như sau:
w(x, y, t) = a(x, y)ei[(x,y)]

(1.18)

Trong đó: - x, y là tọa độ khơng gian
-

a(x,y) là biên độ sóng

-

(x,y) = 4πh(x,y)/  là pha của sóng

-

 là bước sóng

-

h(x,y) là khoảng cách từ nguồn đến điểm khảo sát

Độ biến thiên (𝑥, 𝑦) = 𝑡 (𝑥, 𝑦) − 𝑟 (𝑥, 𝑦), biểu thức cường độ sáng tại một

điểm trên trường giao thoa là:

16


I(𝑥, 𝑦, 𝑡) = 𝐼′ (𝑥, 𝑦) + 𝐼 " (𝑥, 𝑦) cos[(𝑥, 𝑦) + (𝑡)]

(1.19)

(t) là thành phần pha biến thiên theo thời gian, (x, y) là độ trễ pha của điểm có tọa
độ (x, y) trên bề mặt chi tiết so với mặt phẳng tham chiếu. Ảnh pha (x, y) có thể
được xác định bằng cách kiểm tra và so sánh độ trễ pha tại tất cả các điểm đo. Từ
cơ sở này xây dựng lên phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha.
Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu: gỡ pha không gian và
gỡ pha thời gian. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha thời gian
không địi hỏi phải biết các thơng tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ pha. Gỡ
pha không gian xoay quanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận; và
do đó địi hỏi bề mặt mịn. (Ví dụ, bề mặt hình học khơng thể gây ra những thay đổi
pha 2π). Thuật tốn gỡ pha khơng gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng
và khơng có vùng bị gián đoạn. Do đó 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 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 [9] hoặc một thuật tốn mã hóa nhị phân và dịch
pha [12] mã hóa Gray kết hợp dịch pha, mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha để đạt
được từng điểm ảnh trên bản đồ pha tuyệt đối.
1.2.2

Phương pháp mã Gray

Phương pháp Gray cho phép mô tả 2n hướng 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 bị cô lập. 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. 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. Mỗi vạch trên mẫu chiếu cuối cùng tương ứng một

17


mã nhị phân riêng biệt và duy nhất. Các điểm ảnh trên cùng một vạch có cùng mã
nhị phân do đó khi tính tốn 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. Việc mã hóa và giải mã ánh sáng cấu trúc dựa trên biên của vân chiếu để
có được số thứ tự vân trong mơ hình mã hóa hoặc sự tương ứng giữa biên của vân
với cường độ trong hình ảnh mã hóa. Q 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 [7].

Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray
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 tốn 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 mội bit bằng mã của tất cả các
điểm ảnh trên CCD. Danh giới của hai từ mã được xác định thơng 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.
Độ phân giải càng cao thì càng yêu cầu nhiều ảnh mẫu chiếu. Để tăng độ phân
giải theo các phương 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

18


chiếu của camera sử dụng. Trước khi giải mã các điểm ảnh cần phải tìm biên của
hai vân liên tiếp nhau. Việc mã hóa và giải mã ánh sáng cấu trúc dựa trên biên của
vân chiếu mục đích là để có được số thứ tự vân trong mơ hình mã hóa hoặc sự tương
ứng giữa biên của vân với cường độ trong hình ảnh mã hóa. Q trình này có thể
gặp phải sai số do hình ảnh vân mã hóa Gray không sắc nét trong các đường biên
chuyển đổi từ đen sang trắng. Trong kỹ thuật tìm kiếm biên của vân một số thuật
toán được sử dụng: Thuật toán xác định ngưỡng và thuật toán chiếu bit 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 [5]. 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 tồn bộ hình ảnh có thể khơng đáp ứng
được u cầu. Do vậy phương pháp chiếu mã Gray thuận nghịch được áp dụng để
là giảm thiểu sai số xác định biên của vân. 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. 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 [14], số thứ tự của vân được biểu thị thông qua công thức sau:
𝑘 = 2𝑛−𝑖 + 2((𝐺0 𝐺1 𝐺2 … 𝐺𝑖−1 )2 )10 . 2𝑛−𝑖+1

19

(1.20)