NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN MỀM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH 3D

Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

1


LỜI CẢM ƠN
Trải qua những năm tháng Sư Phạm Kỹ Thuật đáng nhớ, ta mới biết tuổi trẻ
đáng trân trọng nhường nào. Trân trọng khơng hẳn vì có nhiều lúc khó khăn ập đến
tưởng chừng như gục ngã, khơng hẳn vì ta biết mình trưởng thành đến đâu mà đơn giản
là vì ta đã đi qua tất cả cùng ai.
Cảm ơn Sư Phạm Kỹ thuật! 4 năm là quản thời gian đáng nhớ, có lẽ 4 năm
chẳng đáng là bao so với cuộc đời dài đằng đảng nhưng nó có thể là tất cả tuổi thanh
xuân. Không biết Sư Phạm kỹ thuật đã cho mình bao nhiêu, lấy đi những gì, chỉ biết
rằng tuổi trẻ có Sư Phạm Kỹ Thuật và chắn chắn sẻ không bao giờ quên được những
điều đó.
Lời cảm ơn em xin chân thành gửi đến quý thầy, cô bộ môn Cơ điện tử, khoa
Đào tạo chất lượng cao đã giành cho em tất cả tận tình, u thương. Khơng có từ nào
thích hợp để bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và sự tơn trọng đối với giảng viên hướng dẫn
PGS. TS. Nguyễn Ngọc Phương và giảng viên hỗ trợ hướng dẫn ThS. Tưởng Phước
Thọ. Các thầy đã truyền cảm hứng cho em và tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư duy
và cách làm việc khoa học. Đó là những góp ý hết sức quý báu khơng chỉ trong q
trình thực hiện đồ án này mà còn là hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học

tập và lập nghiệp sau này. Lời cảm ơn chân thành của em cũng phải đến các thành viên
của hội đồng. Họ hào phóng giành thời gian của họ để cho em những đánh giá có giá
trị để cải thiện đồ án của em
Lời cảm ơn chân thành đến những người bạn tuyệt vời. Họ đã động viên và
khích lệ em để vượt qua những khó khăn trong quá trình làm đồ án, những người bạn
đã cùng nhau trải qua thời gian ở Sư Phạm Kỹ thuật, cổ vũ và ăn mừng cho mỗi thành
tựu.
Em vô cùng cảm ơn cha mẹ vì sự tin tưởng vơ điều kiện, sự khích lệ kịp thời và
sự kiên nhẫn vơ tận. Chính tình u của họ đã nâng em lên một lần nữa khi em mệt
mỏi. Sự cỗ vũ chân thành, động viên em những lúc tưởng chừng bế tắc cha mẹ ln
bên cạnh. Chính tình u của họ đã khiến em có sức mạnh đương đầu với những căng
thẳng, những khó khăn trong q trình làm đề tài tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!



TĨM TẮT
Cơng nghệ qt 3D là một cơng nghệ có khả năng phân tích và tổng hợp các
thơng tin, dữ liệu để tạo nên một sản phẩm ảo giống hệt sản phẩm thực. Điểm vượt trội
của quét 3D so với các cơng nghệ trước đây chính chính là tái tạo khơng gian ba chiều
kỹ thuật số giống thật đến khó tin. quét 3D được đánh giá là một trong những công
nghệ hiện đại bậc nhất trên thế giới.
Từ công nghệ này, Máy Quét 3D hỗ trợ Quét 3D linh hoạt và thuận tiện
với Công Nghệ hiện đại trong lĩnh vực In, Quét 3D. Máy quét 3D là một thiết bị phân
tích một đối tượng trong thế giới thực hay mơi trường để thu thập dữ liệu về hình dạng
và đặc trưng bề mặt của nó. Các dữ liệu thu thập sau đó có thể được sử dụng để xây
dựng mơ hình ba chiều kỹ thuật số.
Máy Quét 3D (máy scan 3D) đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành
nghề, với những mục đích khác nhau, một số ngành nghề tiêu biểu như: Thiết kế và gia
công khuôn mẫu, Kiến trúc và điêu khắc, khảo cổ, Composite, giao thông, …

Hiện nay trên thế giới, để tạo ra một máy quét 3D các nhà khoa học đã áp dụng
những phương pháp, công nghệ và nền tảng lý thuyết khác nhau như: Công nghệ quét
3D tam giác laser, công nghệ quét 3D cấu trúc ánh sang, Nhiếp ảnh (Photogrammetry
3D scanning technology), Công nghệ quét 3D dựa trên sự tiếp xúc (Contact-based 3D
scanning technology), Công nghệ quét 3D bằng xung laser. Mỗi phương pháp, mỗi
cơng nghệ đều có những mặc thuận lợi và khó khăn riêng được nghiên cứu và áp dụng
bởi nhiều nhà khoa học và các công ty nổi tiếng hàng đầu trên thế giới.
Ở đồ án tốt nghiệp này, chúng em quyết định lựa chọn áp dụng phương pháp
quét 3D bằng cảm biến ánh sáng laser. Vì phương pháp này đáp ứng những tiêu chí của
đồ án tốt nghiệp, thiết kế hệ thống tối ưu đơn giản và có tính ứng dụng cao. Phương
pháp này sử dụng một cảm biến khoảng cách laser VL53L0X sẽ đọc và trả về khoảng
cách từ vị trí của vật đến cảm biến ta gọi là d. Sau q trình lập trình, tính toán ta thu
được từng khoảng cách từ khoảng cách từ tâm bàn xoay đến biên dạng ngoài của vật,
tập hợp những điểm này ta thu được đám mây điểm (Point Cloud). Sau đó ta dùng các
phần mềm chun sâu, thơng dụng để chuyển đám mây điểm (Point Cloud) sang file
mesh và xuất ra file cad bằng phần mềm meshlab.
Kết quả của q trình nghiên cứu nhìn chung là tích cực khi thuật tốn có thể xử
lý một cách khá chính xác. Tất nhiên là vẫn cịn có những sai sót trong q trình qt
và xử lý vì phần cứng khơng đáp ứng được nhu cầu nhưng không quá đáng kể. Những
sai lệch này vẫn có thể được chấp nhận và có khả năng được cải tiến về sau.


ABSTRACT
3D scanning technology is a technology capable of analyzing and synthesizing
information and data to create a virtual product identical to a real product. The
remarkable point of 3D scanning compared to previous technologies is the incredibly
realistic digital three-dimensional reproduction. 3D scanning is considered one of the
most modern technologies in the world.
From this technology, 3D Scanner supports flexible and convenient 3D Scan with
modern Technology in the field of 3D Printing, Scanning. A 3D scanner is a device that

analyzes a real-world object or environment to collect data about its shape and surface
properties. The collected data can then be used to build digital three-dimensional
models.
3D Scanners are widely used in all industries, with different purposes, some typical
professions such as: Design and machining of molds, Architecture and sculpture,
archeology, composite, traffic, …
Currently in the world, to create a 3D scanner, scientists have applied different
methods, technologies and theoretical backgrounds such as: 3D laser scanning
technology, 3D scanning technology of light structures. sang, Photography
(Photogrammetry 3D scanning technology), Contact-based 3D scanning technology,
3D scanning technology by laser pulse. Each method, each technology has its own
advantages and disadvantages that are researched and applied by many leading
scientists and companies in the world.
In this graduate project, we decide to choose a 3D scanning method with laser light
sensor. Since this method meets the criteria of the graduate project, the optimal system
design is simple and highly applicable. This method uses a laser distance sensor
VL53L0X that will read and return the distance from the position of the object to the
sensor we call d. After the programming process, we calculate each distance from the
distance from the center of the turntable to the outer profile of the object, and for this
set of points we obtain the Point Cloud. Then we use specialized and popular software
to convert Point Cloud to mesh file and export to cad file using meshlab software.
The results of the research are generally positive as the algorithm can be processed
quite accurately. Of course, there are still errors in the scanning and processing, as the
hardware doesn't meet the needs, but it's not so significant. These deviations are still
acceptable and are likely to be improved later.


MỤC LỤC
Trang phụ bìa...................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ii

TĨM TẮT..................................................................................................................... iii
ABSTRACT..................................................................................................................iv
MỤC LỤC...................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ............................................................................x
Chương 1: TỔNG QUAN...............................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề.........................................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................1
1.3. Mục tiêu đề tài..................................................................................................2
1.4. Phạm vi đề tài...................................................................................................2
1.5. Bố cục đề tài.....................................................................................................2
1.6. Ý nghĩa thực tiễn...............................................................................................3
1.7. Giới thiệu cơng nghệ thiết kế thuận..................................................................3
1.7.1. Khái niệm................................................................................................3
1.7.2. Quy trình cơng nghệ thiết kế thuận..........................................................3
1.8. Giới thiệu công nghệ thiết kế nghịch................................................................5
1.8.1. Khái niệm................................................................................................5
1.8.2. Tình hình cơng nghệ thiết kế ngược trong và ngồi nước........................6
1.8.3. Quy trình cơng nghệ thiết kế ngược.........................................................7
1.9. Giới thiệu sơ lượt về máy quét 3D....................................................................8
1.10. Tổng quan về công nghệ quét 3D....................................................................9
1.11. Các phương pháp quét 3D...............................................................................9


1.11.1. Công nghệ quét 3D tam giác laser (LASER triangulation 3D scanning
technology)........................................................................................................9
1.11.2. Công nghệ quét 3D cấu trúc ánh sáng (Structured light 3D scanning
technology)......................................................................................................10
1.11.3. Nhiếp ảnh (Photogrammetry 3D scanning technology).......................11
1.11.4. Công nghệ quét 3D dựa trên sự tiếp xúc (Contact-based 3D scanning

technology)......................................................................................................12
1.11.5. Công nghệ quét 3D bằng xung LASER (LASER pulse-based 3D
scanning technology).......................................................................................13
1.12. Ứng dụng công nghê quét 3D.......................................................................14
1.12.1. Ứng dụng trong đo kiểm tra sản phẩm................................................14
1.12.2. Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu......................................................15
1.12.4. Ứng dụng trong thiết kế sản phẩm mới................................................17
1.12.5. Ứng dụng trong nghành khảo cổ.........................................................18
1.12.6. Ứng dụng trong lĩnh vực y học............................................................18
1.12.7. Ứng dụng trong giao thông.................................................................20
1.12.8. Nhà máy và công nghiệp sử lý.............................................................20
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................22
2.1. Khái niệm máy quét 3D..................................................................................22
2.1.1. Định nghĩa máy quét 3D........................................................................22
2.1.2. Khái niệm công nghệ quét 3D...............................................................23
2.1.3. Ưu nhược điểm của máy quét 3D..........................................................23
2.1.4. Lựa chọn phương pháp quét 3D............................................................24
2.2. Nguyên lý hoạt động.......................................................................................24
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của quét 3D bằng xung laser...............................24
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến khoảng cách laser VL53L0X..........25


2.3. Cơ cấu máy quét 3D........................................................................................28
2.3.1. Cấu tạo..................................................................................................28
2.3.2. Chức năng.............................................................................................28
2.3.3. Phương thức hoạt động.........................................................................29
Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ....................................................................................30
3.1. Đặc tính của thiết bị........................................................................................30
3.2. u cầu của thiết bị.........................................................................................30
3.2.1. Thơng số cần chế tạo.............................................................................30

3.2.2. Yêu cầu về chụp ảnh, truyền và xử lý dữ liệu........................................30
3.3. Nguyên lý hoạt động của máy quét 3D...........................................................31
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy......................................................31
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của máy................................................................32
3.4. Thiết kế máy quét 3D......................................................................................32
3.5. Thiết kế hệ thống bàn xoay.............................................................................33
3.6. Thiết trục tịnh tiến lên xuống..........................................................................33
3.7. Bản vẽ lắp hoàn chỉnh toàn bộ máy quét 3D...................................................34
3.8. Thông Số Kỹ thuật..........................................................................................36
3.8.1. Động cơ bước........................................................................................36
3.8.2. Cảm biến khoảng cách Time-of-flight VL53L0X....................................39
3.8.3. Trục vít me.............................................................................................41
3.8.4. Vòng bi trượt trục..................................................................................42
3.8.5. Thanh trượt...........................................................................................43
3.8.6. Bàn xoay................................................................................................45
3.8.7. Raspberry Pi..........................................................................................45
3.8.8. TB6600 Stepper Motor Driver...............................................................49


Chương 4: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN...............................................................51
4.1. Giải thuật máy quét 3D dùng cảm biến đo khoảng cách.................................51
4.1.1. Giới thiệu ngơn ngữ lập trình python....................................................51
4.1.2. Giới thiệu về Tkinter..............................................................................52
4.1.3. Sơ đồ giải thuật.....................................................................................53
4.2. Giao diện chương trình điều khiển máy quét 3D......................................55
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT...................................................................68
5.1. Kết quả so sánh...............................................................................................68
5.2. Nhận xét kết quả.............................................................................................71
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................73
6.1. Kết luận...........................................................................................................73

6.2. Hướng phát triển.............................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................74


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CAD: Computer-Aided Design
CAE: Computer-Aided Engineering
CAM: Computer-Aided Manufacturing
CNC: Computer Numerical Control
RP: Rapid Prototyping
DLP: Digital Light Processing
I²C: Inter-Integrated Circuit
SCL-SDA: Serial Clock - Serial Data
TOF: Time-of-Flight
GPIO: General-purpose input/output
PoE: Power over Ethernet
ICE: Internet Communications Engine
Tcl: Tool Command Language
GUI: Graphical User Interface
Tk: Tkin
PC: Point Cloud


DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1. 1: Quy trình thiết kế thuận...........................................................................5
Hình 1. 2: Quy trình thiết kế nghịch.........................................................................7
Hình 1. 3: Máy quét 3D...........................................................................................8
Hình 1. 4: Sơ lượt quét 3D tam giác laser..............................................................10
Hình 1. 5: Quét 3D cấu trúc ánh sáng....................................................................11
Hình 1. 6: Máy đo tọa độ CMM.............................................................................13

Hình 1. 7: Lidar......................................................................................................14
Hình 1. 8: Ứng dụng trong việc đo kiểm tra sản phẩm...........................................15
Hình 1. 9: Một số sản phẩm 3D từ cơng nghệ qt 3D..........................................16
Hình 1. 10: Mơ hình quy trình thiết kế cải tiến kiểu dáng......................................17
Hình 1. 11: Ứng dụng 3D trong việc thiết kế sản phẩm mới..................................17
Hình 1. 12: Mẫu tượng được tạo ra từ công nghệ quét 3D.....................................18
Hình 1. 13: Bộ phận được quét và in bằng cơng nghệ 3D......................................19
Hình 1. 14: Đường, cầu được qt và dựng lại bằng cơng nghệ.............................20
Hình 1. 15: Mơ hình một phần nhà máy dựng lại dựa trên quét 3D.......................21
Hình 2. 1: Máy quét 3D hãng ATOS đang quét mẫu vật........................................22
Hình 2. 2: Ảnh quét 3D gương mặt........................................................................22
Hình 2. 3: Sơ đồ khối quét 3D bằng xung laser......................................................24
Hình 2. 4: Sơ đồ khối VL53L0X............................................................................26
Hình 2. 5: Miêu tả nguyên tắc TOF........................................................................26
Hình 2. 6: Biểu đồ thể hiện khoảng cách được đọc từ cảm biến (ở chế độ mặc định)
.......................................................................................................................27
Hình 2. 7: Ảnh 3D về máy quét 3D sử dụng cảm biến khoảng cách laser..............29
Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy quét 3D........................................31


Hình 3. 2: Khung máy............................................................................................32
Hình 3. 3: Bàn xoay...............................................................................................33
Hình 3. 4: Trục lên xuống......................................................................................34
Hình 3. 5: Bản vẽ lắp máy hồn chỉnh...................................................................35
Hình 3. 6: Động cơ bước........................................................................................36
Hình 3. 7: Phương pháp điều khiển cấp xung........................................................37
Hình 3. 8: Cảm biến khoảng cách Time-of-flight VL53L0X.................................39
Hình 3. 9: Khoảng cách được đọc (chế độ mặc định)............................................40
Hình 3. 10: khoảng cách được đọc (chế độ tầm xa)...............................................41
Hình 3. 11: Trục vít me..........................................................................................42

Hình 3. 12: Vịng bi trượt.......................................................................................42
Hình 3. 13: Thanh Trượt........................................................................................43
Hình 3. 14: Bàn xoay.............................................................................................45
Hình 3. 15: Chân kết nối GPIO..............................................................................46
Hình 3. 16: Raspberry Pi 3 model B......................................................................47
Hình 3. 17: Driver TB6600....................................................................................49
Hình 3. 18: Cài đặt cường độ dòng điện (bên trái) và vi bước cho driver (bên phải)
.......................................................................................................................50
Hình 4. 1: Cảm biến đang đo khoảng cách.............................................................54
Hình 4. 2: Mơ phỏng cách tính các tọa độ điểm khi quét.......................................55
Hình 4. 3: Giao diện điều khiển máy quét 3D........................................................55
Hình 4. 4: Trục Z khi về Home..............................................................................56
Hình 4. 5: Tập hợp các tọa độ điểm (Point Cloud).................................................56
Hình 4. 6: Hình tập hợp các điểm trong tọa độ(Point Cloud).................................57
Hình 4. 7: Biểu đồ biểu diễn sự ổn định sau khi sử dụng bộ lọc Kalman...............59


Hình 4. 8: Các điểm tập hợp trước khi dùng bộ lọc Kalman..................................60
Hình 4. 9: Các điểm tập hợp sau khi dùng bộ lọc Kalman.....................................60
Hình 4. 10: Mơ phỏng vật thể 3D dưới dạng lưới..................................................61
Hình 4. 11: Kết nối các điểm lại với nhau tạo thành lưới.......................................61
Hình 4. 12: Kết cấu bề mặt của lưới tốt và khơng tốt.............................................62
Hình 4. 13: File Point Cloud cần chọn...................................................................64
Hình 4. 14: Các điểm được phần mềm MeshLab hiển thị lên................................64
Hình 4. 15: Tính tốn các quy tắc của các tập hợp điểm........................................65
Hình 4. 16: Tái tạo bề mặt cho các tập hợp điểm...................................................66
Hình 4. 17: Kết quả................................................................................................66
Hình 4. 18: Lưu file CAD của vật mẫu..................................................................67
Hình 5. 1: Máy Scan 3D.........................................................................................68
Hình 5. 2: Giao diện điều khiển máy Scan 3D.......................................................68

Hình 5. 3: Quả chuối khi đang được scan..............................................................69
Hình 5. 4: Các tập hợp điểm được trình chiếu trên khơng gian 3D........................69
Hình 5. 5: Trình chiếu các tập hợp điểm sau khi scan của quả chuối trong phần
mềm MeshLab...............................................................................................70
Hình 5. 6: Ảnh CAD của quả chuối sau khi được xử lý trên phần mềm MeshLab 70
Hình 5. 7: So sánh vật mẫu thực tế và vật sau khi scan..........................................72


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.

Đặt vấn đề

Nền công nghiệp nước nhà trong thời gian qua đã có sự phát triển mạnh mẽ,
đóng góp nhiều cho sự phát triển đất nước. Tuy nhiên thị trường các sản phẩm nói
chung và đặc biệt là sản phẩm cơ khí, nhựa ngày càng địi hỏi yêu cầu cao hơn về chất
lượng, độ chính xác gia cơng, mức độ tự động hóa trong sản xuất cao hơn, yêu cầu về
mẫu mã sản phẩm phải được thay đổi thường xuyên, linh hoạt. Nhu cầu về thiết kế phát
triển sản phẩm mới hoặc chép mẫu và thiết kế lại từ các sản phẩm đã có, cũng như nhu
cầu về sản xuất, chế tạo các bộ khn mẫu có độ chính xác và độ phức tạp cao là rất
lớn. Để đáp ứng được yêu cầu trên, ta phải nghiên cứu phát triển, áp dụng các cơng
nghệ mới, trong đó có cơng nghệ CAD/CAM/CNC và cơng nghệ thiết kế ngược.
Cơng nghệ thiết kế ngược đã được đưa vào áp dụng ở nước ta, nhưng mới chỉ áp
dụng được ở mức độ cơ bản, xử lí được các đối tượng đơn giản và mới chỉ xử lí một
cơng đoạn trong quy trình tái tạo phục hồi chi tiết. Đồ án của chúng em sẽ thể hiện
thêm các công đoạn của quy trình thiết kế ngược, từ cơng đoạn qt và xử lý mơ hình
mẫu đến thiết kế, dựng mơ hình 3D bằng phần mềm MeshLab.

1.2.

Tính cấp thiết của đề tài

Khi thiết kế thuận, chúng ta phải đo đạt, tính tốn để dựng lại mơ hình 3D từ vật
mẫu có sẵn. Để làm giảm bớt khó khăn nên cơng nghệ thiết kế ngược ra đời để phù hợp
với thời đại công nghiệp hiện đại. Cơng nghệ qt 3D là một điển hình cho công nghệ
thiết kế ngược.
Trên thế giới, công nghệ quét 3D được sử dụng rất phổ biến, khi áp dụng hệ
thống quét giúp đẩy mạnh năng suất, tiết kiệm thời gian và chi phí, tuy nhiên giá thành
của một hệ thống quét 3d rất cao. Từ những suy nghĩ đó, nhóm em đã xây dựng mơ
hình máy qt 3D để quét mẫu kiểm tra, dựng hình tạo mẫu ngược để áp dụng trong
việc tích hợp ở các dây chuyền kiểm tra mẫu, trong các ứng dụng tạo hình, tạo mẫu.
Hiện tại các thiết bị máy quét và phần mềm chủ yếu vẫn là của nước ngồi, do
đó chúng em quyết định chọn đề tài này nghiên cứu để đưa công nghệ quét 3D đến gần
với mọi người có cùng đam mê nghiên cứu và có thể áp dụng cho học tập.

1


1.3.

Mục tiêu đề tài

-

Tìm hiểu những phương pháp quét 3D hiện nay để tham khảo và đưa ra ý tưởng
thiết kế phần mềm quét 3D, nghiên cứu và ứng dụng những thuật tốn, cơng
nghệ, chương trình đã được học vào phần mềm.

-

Giải quyết bài toán điều khiển, giúp người điều khiển có thể giám sát từ xa.
Thiết kế phần mềm qt và xử lý mơ hình mẫu và dựng lại mơ hình 3D bằng
phần mềm MeshLab.
Phạm vi đề tài

1.4.

Do những giới hạn nhất định về mặt trình độ và kinh nghiệm xử lý các thuật
tốn vì vậy trong đề tài này chúng em đã thực hiện một số phần phù hợp với khả năng
của mình gồm các bước như thiết kế phương án điều khiển và nghiên cứu, thiết kế
phần mềm xây dựng hình ảnh 3D hồng ngồi. Bên cạnh đó, dùng các phần mềm khác
hỗ trợ xử lí đáp ứng nhu cầu của người dùng.
1.5.

Bố cục đề tài

Đề tài này trình bày gồm có sáu chương. Xun suốt các chương, chúng em sẽ
giới thiệu và trình bày giải pháp dùng để tiết kế phần mềm xây dụng hình ảnh 3D laser.
Chương 1: Tổng quan
Trong chương 1, chúng tối sẽ trình bày những vấn đề về cơng nghệ và máy quét
3D dẫn nhập lý do chọn đề tài, những mục tiêu đề ra cùng với những nhiệm vụ cần
phải giải quyết, giới hạn và bố cục đề tài. Giới thiệu công nghệ thiết kế thuận và
nghịch, tổng quan sơ lượt về công nghệ và máy quét 3D, nêu ra một số phương pháp và
ứng dụng của công nghệ quét 3D.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày về lý thuyết và ưu nhược điểm của máy quét 3D,
nguyên lý hoạt động phương pháp quét 3d sử dụng cảm biển, nguyên lý hoạt động của
cảm biến dùng trong phương pháp này và cơ cấu máy quét 3D
Chương 3: Thiết kế cơ khí
Chi tiết về nguyên lý hoạt động, cấu trúc của máy quét 3D. Ngoài ra chương này

cũng sẽ đề cập về thông số kỹ thuật và lựa chọn thiết bị.

2


Chương 4: Giải thuật và điều khiển
Chương này sẽ giải thích về giải thuật điều khiển và phương án lấy dữ
liệu và tổ hợp hình ảnh 3D.
Chương 5: Kết quả, thực nghiệm và nhận xét
Việc đánh giá kết quả đạt đượt trong quá trình quét 3d, đưa ra thực nghiệm kiểm
nghiệm kiểm nghiệm độ chính xác của dữ liệu từ đó rút ra nhận xét.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Từ kết quả đã đạt được bên trên, chương này sẽ kết luận những gì đã và chưa
đạt được, từ đó sẽ đưa ra hướng phát triển về sau cho đề tài.
1.6.

Ý nghĩa thực tiễn

- Việc nghiên cứu và thiết kế phần mềm quét 3D laser là một bước ngoặc lớn trong việc
tạo ảnh, phát triển mạnh hơn trong thời gian tới, ngang tầm với các nước phát triển trên
thế giới, đem lại chất lượng cuộc sống cao hơn người tiêu dùng với sự tiện nghi tối đa.
Thiết bị có thể sử dụng cho tất cả các vật thể nhỏ đến lớn, tùy theo nhu cầu người bán
hàng.
- Sinh viên sử dụng các kiến thức đã học để áp dụng vào cuộc sống, đem lại chất lượng
cao hơn. Kết hợp giữa việc học lý thuyết với thực hành, chứng tỏ việc học luôn đi đôi
với hành của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
1.7. Giới thiệu công nghệ thiết kế thuận
1.7.1. Khái niệm
Trong lĩnh vực sản xuất, thông thường để chế tạo ra 1 sản phẩm, người thiết kế
đưa ra ý tưởng về sản phẩm đó, phác thảo ra sản phẩm, tiếp theo là q trình tính tốn

thiết kế, chế thử, rồi kiểm tra, hoàn thiện phác thảo, để đưa ra phương pháp tối ưu, cuối
cùng là công đoạn sản xuất ra sản phẩm. Đây chính là chu trình sản xuất truyền thống,
là phương pháp sản xuất đã được áp dụng từ bao thế kỷ nay. Phương pháp này cịn
được gọi là cơng nghệ sản xuất thuận (Forward Enineering).

1.7.2. Quy trình cơng nghệ thiết kế thuận

3


Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, quá trình sản xuất
sản phẩm ngày càng được chun mơn hóa, việc chế tạo ra 1 loại sản phẩm được chia
tách thành nhiều công đoạn riêng biệt nhưng có quan hệ mật thiết với nhau theo 1 tiêu
chuẩn chung thống nhất hợp thành quy trình sản xuất.
Trong quy trình thiết kế thuận, xuất phát từ ý tưởng thiết kế (của người thiết kế
hoặc của khách hàng mô tả sản phẩm), người thiết kế phác thảo sơ bộ sản phẩm (bản
vẽ CAD). Bản vẽ phác thảo này sẽ được tính tốn, phân tích, kiểm tra các thơng số kỹ
thuật, tính cơng nghệ (Dữ liệu được chuyển từ CAD sang CAE). Sau đó mơ hình sẽ
được tối ưu hóa đưa ra bản vẽ thiết kế (bản vẽ CAD) hoàn chỉnh. Tiếp theo qua các
bước chuẩn bị công nghệ (CAPP), lập trình gia cơng (CAM), mơ phỏng và chế tạo thử
mẫu sản phẩm bằng phương pháp tạo mẫu nhanh (RP) hoặc trên các máy công cụ, máy
CNC. Mẫu sản phẩm chế thử này sẽ được đem đi kiểm tra thực tế xem có thỏa mãn các
yêu cầu đặt ra hay khơng. Nếu khơng đạt thì sẽ quay về chỉnh sửa lại từ bản vẽ phác
thảo. Tiếp tục quá trình trên cho tới khi mẫu sản phẩm đạt yêu cầu thì mới đưa vào sản
xuất thực sự.

4


Hình 1. 1: Quy trình thiết kế thuận

1.8. Giới thiệu công nghệ thiết kế nghịch
1.8.1. Khái niệm
Trong vài chục năm trở lại đây với sự phát triển với sự phát triển của công nghệ,
xuất hiện 1 dạng sản xuất theo 1 chu trình mới, đi ngược với sản xuất truyền thống, đó
là chế tạo sản phẩm theo hoặc dựa trên 1 sản phẩm có sẵn. Quy trình này gọi là công
nghệ thiết kế ngược (Reverse Engineering) hay cũng được hiểu là công nghệ chép
mẫu hay công nghệ chế tạo ngược.
Công nghệ này ra đời dựa trên nhu cầu sản xuất thực tế, đôi khi người ta cần chế
tạo sản phẩm theo những mẫu có sẵn mà chưa (hoặc khơng) có mơ hình CAD tương
ứng như các chi tiết khơng rõ xuất xứ, những phù điêu, bộ phận cơ thể con người, động
vật. Hay đơn giản chỉ là sao chép lại kết quả của những sản phẩm đã khẳng định tên

5


tuổi trên thị trường (để giảm chi phí chế tạo mẫu) hoặc để cải tiến sản phẩm đó theo
hướng mới. Để tạo được mẫu của những sản phẩm này, trước đây người ta phải đo đạc
rồi vã phác lại hoặc dựng sáp, thạch cao để in mẫu. Các phương pháp này cho độ chính
xác khơng cao, tốn nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là đối với những chi tiết phức
tạp. Ngày nay người ta đã sử dụng máy qt hình để số hóa hình dáng của chi tiết sau
đó các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng để xử lý dữ liệu số hóa cuối cùng sẽ tạo ra
được mơ hình CAD 3D cho chi tiết với độ chính xác cao. Mơ hình CAD này cũng có
thể chỉnh sửa nếu cần.
Công nghệ thiết kế ngược đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hóa học,
điện tử, xây dựng, cơ khí, y học, nghệ thuật. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, công nghệ
thiết kế ngược được định nghĩa là hoạt động tạo ra sản phẩm từ các mẫu sản phẩm cho
trước mà khơng có bản vẽ thiết kế hoặc đã bị mất hay không rõ dàng. Sản phẩm mới
được tạo ra trên cơ sở khôi phục nguyên vẹn hoặc phát triển lên từ thực thể ban đầu.

1.8.2. Tình hình cơng nghệ thiết kế ngược trong và ngồi nước

Từ khi ra đời vào những năm 90, công nghệ thiết kế ngược đã được nghiên cứu,
áp dụng trong nhiều lĩnh vực phát triển nhanh sản phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết
kế mơ hình 3D từ mơ hình đã có sẵn nhờ sự trợ giúp của máy tính. Kỹ thuật thiết kế
ngược ngày càng phát triển theo sự phát tiển của các phần mềm CAD/CAM. Nó ln
được quan tâm và cũng liên tục được cải tiến để đáp ứng để đáp ứng nhu cầu của xã
hội trên nhiều lĩnh vực sản xuất. công nghệ thiết kế ngược trở thành 1 bộ phận quan
trọng của sản xuất hiện tại. Đã có nhiều công ty của nhiều quốc gia ứng dụng hiệu quả
và rất thanh cơng cơng nghệ này. Có thể thấy Trung Quốc là một điển hình. Nhiều sản
phẩm như xe máy, ơ tơ, máy móc hàng loạt đồ gia dụng, đồ chơi đã được sản xuất dựa
trên sự sao chép các mẫu có sẵn trên thị trường của các hãng nổi tiếng của Nhật, Hàn
Quốc như Honda, Misubishi, Toyota.
Ở Việt Nam, trong những năm trở lại đây công nghệ thiết kế ngược cũng đã
được áp dụng vào sản xuất. Tuy nhiên phần lớn chưa mang tính chuyên nghiệp. Ví dụ
như các công ty sản xuất, chế tạo khuôn cho các mặt hàng nhựa, cơ khí thường khi
nhận đơn đặt hàng của các đối tác làm 1 bộ khuôn cho 1 mẫu sản phẩm cho trước thì
đa số việc số hóa mơ hình lấy dữ liệu đều thực hiện 1 cách thủ công, đo vẽ bằng tay.

6


Việc ứng dụng các thiết bị số hóa cơng nghệ cao chuyên dụng, các phần mềm thiết kế
ngược vẫn chưa nhiều.
1.8.3. Quy trình cơng nghệ thiết kế ngược

Hình 1. 2: Quy trình thiết kế nghịch
Xuất phát điểm là 1 mẫu sản phẩm thực tế (Physical part). Mẫu sản phẩm thực
này được số hóa và sử lý bằng các thiết bị và phần mềm chun dụng để đưa ra mơ
hình CAD cụ thể. Sau đó được mơ hình CAD cho sản phẩm rồi thì các cơng đoạn tiếp
theo cũng giống như chu trình sản xuất thuận trải qua các bước tính tốn, phân tích, tối
ưu hóa trên các phần mềm CAE/CAM, chuẩn bị công nghệ (CAPP) gia công tạo mẫu

nhanh hoặc lập trình gia cơng trên máy CNC hay các máy công cụ khác, kiểm tra thực
tế cuối cùng mới đưa vào sản cùng mới đưa vào sản xuất đại trà.

1.9.

Giới thiệu sơ lượt về máy quét 3D

7


Máy quét 3D là một thiết bị phân tích một đối tượng trong thế giới thực hay môi
trường để thu thập dữ liệu về hình dạng và đặc trưng bề mặt của nó. Các dữ liệu thu
thập sau đó có thể được sử dụng để xây dựng mơ hình ba chiều kỹ thuật số.

Hình 1. 3: Máy quét 3D

Máy quét 3D sáng tạo được sử dụng rộng rãi trong thiết kế công nghiệp, kỹ
thuật và sản xuất, do khả năng nắm bắt nhanh chóng và chính xác các dữ liệu cần thiết.
Nếu khơng có các thiết bị 3D tiên tiến này, các phép đo sẽ phải được thu thập bằng các
phương pháp thủ cơng lỗi thời, có thể q tốn kém và mất thời gian. Hữu ích trong
từng giai đoạn thiết kế sản phẩm, thử nghiệm, phát triển, ra mắt và chăm sóc sau đó,
các giải pháp quét 3D mạnh mẽ giúp tăng tốc đáng kể quy trình làm việc, giúp tránh
những sai lầm tốn kém và nâng cao năng suất.
Máy quét 3D (máy scan 3D) đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành
nghề, với những mục đích khác nhau, ở đây chúng em nêu ra một số ngành nghề tiêu
biểu:

8



Thiết kế và gia công khuôn mẫu.



Kiến trúc và điêu khắc.



Composite.



Và nhiều ngành nghề khác.
1.10. Tổng quan về công nghệ qt 3D
Qt 3D là một cơng nghệ có khả năng phân tích và tổng hợp các thơng tin, dữ
liệu để tạo nên một sản phẩm ảo giống hệt sản phẩm thực. Điểm vượt trội của quét 3D
so với các công nghệ trước đây chính chính là tái tạo khơng gian 3 chiều kỹ thuật số
giống thật đến khó tin.
Quét 3D được đánh giá là một trong những công nghệ hiện đại bậc nhất trên thế
giới, quét 3D được thiết kế để tạo ra một không gian ba chiều sống động mà người
dùng có thể tương tác trực tiếp, trải nghiệm thực tế với cảm giác rất thật trong một
không gian mà không bị giới hạn.
1.11. Các phương pháp quét 3D
1.11.1.Công nghệ quét 3D tam giác laser (LASER triangulation 3D scanning
technology)
Hoạt động bằng cách chiếu một chùm tia laser lên bề mặt cần quét và đo độ biến
dạng của tia laser. Phương pháp này sử dụng điểm laser đơn hoặc đường laser để quét
xung quanh đối tượng cần quét. Tia laser đầu tia được tạo ra để rơi vào vật thể và khi

nó phản xạ khỏi vật thể quét 3D, sự thay đổi quỹ đạo của nó được ghi lại bằng cảm
biến. Sự thay đổi của laser được đo bằng phương pháp tam giác lượng giác giúp hệ
thống qt tính tốn góc lệch cụ thể. Khoảng cách từ vật thể đến máy quét cho phép đo
góc trực tiếp. Với kiến thức về khoảng cách máy quét từ đối tượng, phần cứng có thể
ánh xạ bề mặt của đối tượng và từ đó ghi lại q trình qt 3D.
Ưu điểm của phương pháp: Độ phân giải và độ chính xác.
Nhược điểm của phương pháp: Nhạy cảm với các đặc tính của bề mặt mà nó quét
như bề mặt rất bóng hoặc trong suốt.

9


Hình 1. 4: Sơ lượt quét 3D tam giác laser
1.11.2. Công nghệ quét 3D cấu trúc ánh sáng (Structured light 3D scanning
technology)
Cơng nghệ này sử dụng mơ hình biến dạng ánh sáng trên một vật thể để hiểu hình
học 3 chiều của nó. Các máy quét sử dụng phương pháp tam giác lượn giác thay vì
laser. Nó hoạt động bằng cách chiếu một loạt sáng theo mơ hình tuyến tính lên một vật
thể. Sau đó, hệ thống sẽ kiểm tra các cạnh của mỗi dòng trong mẫu và gián tiếp tính
tốn khoảng cách từ máy qt đến bề mặt của đối tượng. Ánh sáng có cấu trúc được sử
dụng thường có màu trắng hoặc xanh. Ánh sáng được tạo ra với việc sử dụng nhiều
loại máy chiếu khác nhau như công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số-DLP (Digital
Light Processing). Các tia sáng được chiếu nói chung là một chùm hoặc cũng có thể là
một ma trận điểm ngẫu nhiên.

Ưu điểm của phương pháp:
+ Độ phân giải
+Tốc độ xử lý

10

+Có thể sử dụng để quét người
Nhược điểm của phương pháp là nhạy cảm với điều kiện ánh sáng nên khó hoạt
động ở bên ngồi.

Hình 1. 5: Qt 3D cấu trúc ánh sáng

1.11.3. Nhiếp ảnh (Photogrammetry 3D scanning technology)
Cũng được gọi là qt 3D từ hình ảnh. Cơng nghệ này chụp các bức ảnh của vật
thể từ các góc độ khác nhau. Và sau đó sử dụng các thuật tốn hình học tính tốn và
tầm nhìn của máy tính, các bức ảnh được chụp hoặc hình ảnh 2D của các vật thể được
tái cấu trúc thành dạng 3D của chúng. Chụp ảnh là kỹ thuật hay công nghệ lấy số đo từ
hình ảnh chụp ảnh.
Nó phục hồi chính xác các vị trí của các điểm bề mặt. Kết hợp các thuật tốn
hình học và tầm nhìn của máy tính được sử dụng. Nguyên tắc cơ bản là phân tích các
bức ảnh của đối tượng tĩnh được chụp từ các điểm khác nhau. Sau đó, các pixel được
tự động phát hiện tương ứng với cùng một điểm vật lý. Các thông số máy ảnh như độ
dài tiêu cự và độ méo ống kính là dữ liệu đầu vào cần thiết.
Thách thức lớn nhất của cơng nghệ này là phân tích chính xác nhiều bức ảnh và
tất cả các điểm trong đó. Do đó, bắt buộc phải có một máy tính có khả năng xử lý

11


mạnh để chạy các thuật toán quang điện ảnh này. Nhược điểm khác như hệ thống nhạy
cảm với độ phân giải đầu vào của máy ảnh và thời gian để chạy các thuật tốn có tính
phức tạp.
Ưu điểm của phương pháp này đó là độ chính xác, tốc độ thu nhận và khả năng
tái tạo các đối tượng có quy mô khác nhau được chụp từ mặt đất hoặc trên không.

1.11.4. Công nghệ quét 3D dựa trên sự tiếp xúc (Contact-based 3D scanning
technology)
Sẽ có một thiết bị đầu dị được sử dụng để quét dựa trên sự tiếp xúc. Sự biến dạng
của đầu dò khi tiếp xúc với đối tượng cần quét sẽ cho chúng ta dữ liệu liên quan tới bền
mặt của vật thể được quét. “Số hóa” là tên gọi khác của việc quét dựa trên tiếp xúc.
Trong phương pháp quét này đối tượng cần quét được giữ cố định hoặc di chuyển tùy
thuộc vào loại thiết bị. Nếu thiết bị có đầu dị di động thì đối tượng sẽ được giữ cố
định. Nếu đối tượng đang di chuyển thì sẽ có đầu dị đứng n. Bản chất biến dạng của
đầu dò khi tiếp xúc với các điểm khác nhau trên bề mặt biến đang là giúp phần mềm
qt trực quan hóa đối tượng về khơng gian 3 chiều. Máy đo tọa độ là một ví dụ cụ thể
của các loại máy quét này.
Ưu điểm với tính nen quét này là độ chính xác và khả năng quét các bề mặt phản
chiếu hoặc trong suốt.
Nhược điểm là tốc độ của nó và khơng có khả năng làm việc trên các hình dạng
hữu cơ và tự do.

12