(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đến một số cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan ở việt nam

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Đo biên dạng 3D của vật thể có ý nghĩa rất lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống và
các ngành khoa học kỹ thuật như: đo lường kiểm tra trực tuyến, quản lý chất lượng q
trình sản xuất, cơng nghệ thiết kế ngược, công nghiệp thời trang, y học, an ninh, xây dựng
tái tạo các di sản văn hóa, khảo cổ.... Các thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên
dạng chi tiết dưới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu được có thể tái tạo lại biên
dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thơng tin về hình dạng, màu sắc, kích thước,
góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau…. Những thơng tin thu được từ hình ảnh
3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn.
Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không
tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
như các máy đo ba tọa độ CMM, 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 mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu. Phép đo
có các sai số do kích thước đầu dị và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề
mặt khơng xác định. 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.
Phương pháp đo khơng tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử
dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng
phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương pháp đo không tiếp xúc chủ
động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt
chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam
giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử
dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập
thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp
dựa vào bóng của vật. Phương pháp đo khơng tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết
có kích thước rất lớn như: các cơng trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề
mặt vơ định hình. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp
đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm

cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số
điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo
quét các chi tiết trực tuyến. Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc
cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực.
Tại Việt Nam, nền sản xuất cơng nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ
gia công trên máy CNC nên việc gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ
9


nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất ô tô, xe máy, gia công chi tiết, công nghệ khuôn
mẫu...đi liền phát triển với nó là nhu cầu về đo kiểm tra biên dạng 3D. Với các doanh
nghiệp trong nước việc đầu tư một vài trăm nghìn USD cho một thiết bị đo biên dạng 3D
khá khó khăn, các sản phẩm muốn kiểm tra thường thông qua đo dịch vụ tại các trung tâm
đo lường dẫn đến làm giảm năng suất và hiệu quả của quá trình sản xuất. Mặt khác, thiết bị
đo nhập khẩu tính năng kĩ thuật khơng được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của
hãng cung cấp, q trình bảo dưỡng sửa chữa có tính chun gia nên không thể chủ động
khai thác thiết bị đạt hiệu quả. Việc nghiên cứu tìm hiểu loại thiết bị đo này giúp cho sử
dụng hiệu quả hơn và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng dụng rộng
rãi, nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển của ngành cơ khí. Phương pháp đo lường
biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong
nước. Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D
sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong
nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên
tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường. Xuất
phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi
tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
a) Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên

dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ cơng nghệ đo, xây dựng cơ sở tính tốn thiết kế,
chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam.
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia
cơng trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc.... Nghiên cứu phương pháp đo dịch
pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho
việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo.
 Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết
bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo
trên các chi tiết có độ phản xạ khơng cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo
200x200x200 mm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
 Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu
trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và
dụng cụ đo loại này.
 Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phương pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong
10


phương pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của
phương pháp này.
 Xây dựng được mơ hình tốn học cũng như các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng
phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị
khi đo.
 Xây dựng cơ sở cho phép tính tốn thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên
dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha.
b) Ý nghĩa thực tiễn
 Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị
đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.

 Khẳng định khả năng tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh
sáng cấu trúc.
 Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo được sử dụng trong đo lường biên dạng 3D các
chi tiết và là thiết bị thí nghiệm phục vụ cơng tác giảng dạy tại bộ mơn Cơ khí chính xác và
Quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
 Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân.... phục
vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnh
vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường.
4. Các đóng góp mới của luận án

 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi
tiết cơ khí. Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn
đề xuất nghiên cứu sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo
độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha.
Mã hóa Gray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm
nhiễu do bề mặt chi tiết đo và môi trường đo đem lại. Để nâng cao độ chính xác gỡ pha
trong phương pháp dịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm
các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương, với giải pháp kỹ thuật
này giúp cho quá trình giải mã có độ chính xác cao hơn từ đó nâng cao độ chính xác gỡ
pha trong phương pháp dịch pha.

 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo để xây dựng đám mây
điểm đo: dựa trên mơ hình tốn học cho camera và máy chiếu là mơ hình camera lỗ nhỏ có
kể đến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mơ hình kỹ thuật xây dựng ngun lý
tam giác lượng theo phương pháp hình học cho hệ thống đo không đề cập đến các yếu tố
ảnh hưởng của quang sai hệ quang đến chất lượng ảnh chiếu và ảnh thu được từ camera.
Luận án đã xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đường
giao đường dựa trên các thông số xác định được từ q trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chính
xác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo.
11

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương
pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu
thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo: với mơ hình tốn học áp dụng cho
camera và máy chiếu là mơ hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định được vị
trí tương quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định được các nội tham số và ngoại
tham số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phương pháp hiệu chuẩn camera
sử dụng ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phương pháp chiếu kết hợp dịch pha và mã hóa
Gray cho việc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính
xác cao. Với đặc thù là phương pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo
và đặc điểm bề mặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định
được các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh phù hợp để
nâng cao chất lượng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo.

 Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã
hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi
đo 200x200x200 mm. Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu
của đề tài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử
dụng các phần mềm và các thiết bị có sẵn của nước ngồi khơng thể thực hiện được, bởi
khi đó chỉ có thể thực hiện các phép đo theo các khuôn mẫu thuận tiện cho công nghiệp mà
các nhà chế tạo đã định sẵn.
5. Nội dung luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:
nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên
một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng
cấu trúc, các mơ hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó
xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm
tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí. Cuối chương trình bày

các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch
pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. Phân tích các thuật tốn dịch pha, các phương
pháp gỡ pha từ đó xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ
độ chính xác gỡ pha. Xây dựng mơ hình tốn học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phương
án hiệu chuẩn hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu
và camera. Những phân tích là cơ sở cho q trình tính tốn thiết kế thiết bị cũng như xây
dựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra.
Chương 3: Xác lập cơ sở cho việc tính tốn thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu
trúc theo nguyên lý dịch pha. Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏa
mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống. Xây dựng các giải
12


thuật xử lý tín hiệu đo. Xây dựng thuật tốn hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá
các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo. Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo
biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1.
Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1.
Tiến hành hiệu chuẩn đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi
đo. Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so
sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu được đo trên các thiết bị CMM. Khảo sát sự ảnh
hưởng vị trí đặt vật đo trong khơng gian đo của thiết bị. Thực nghiệm đo biên dạng một số
chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị. Kết quả thực nghiệm là cơ sở
đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp
theo.
6. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu và thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử
dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm kiểm chứng trên mơ hình
thiết bị đo được chế tạo.
Dùng phương pháp suy diễn lý thuyết để xác định dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng

trong đo lường chi tiết cơ khí, xây dựng mơ hình tốn học, xác định các quan hệ của hệ
thống quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá
trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo.
Tiến hành các q trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản
phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt
Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đưa ra các kết luận và phương hướng nghiên cứu
phát triển cho thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc đã nghiên cứu.
Sử dụng các phần mềm bổ trợ cho việc tính tốn thiết kế: CAD, MS - Office, phân
tích dữ liệu ảnh: Image J, mơ phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab.... để
thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra.

13


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC
Trong chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phương pháp đo biên
dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc và các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án. Mục
1.1 trình bày tổng quan về vai trò, ứng dụng và đặc điểm của phương pháp đo lường biên
dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Mục 1.2 trình bày nguyên lý đo, khái niệm ánh sáng cấu
trúc và các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu ứng dụng vào đo lường biên dạng
3D. Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó xác định dạng ánh sáng
nghiên cứu của luận án. Mục 1.3 nghiên cứu các mơ hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố trí
thiết bị và mơ hình tốn học cho từng loại sơ đồ. Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu
trong và ngồi nước. Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.

1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Trong cơng nghiệp chế tạo cơ khí, đo lường biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trị rất
quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lượng sản phẩm. Hình dáng và kích thước

của chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phương pháp tiếp xúc không
thể đáp ứng về tốc độ, khơng đo được các chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhằm đáp ứng
những yêu cầu cấp bách đó, phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc
được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ.
Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam
giác lượng trong quang học. Mô hình nguyên lý là biến thể của phương pháp stereo với
việc thay thế một kênh nhìn bằng một thiết bị chiếu.

Mẫu ảnh
chiếu

Chi tiết đo

Mặt phẳng
tham chiếu

Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.

Nguyên lý đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc được thể hiện trên hình 1.1.
Thiết bị chiếu sẽ chiếu các ảnh mẫu 2D được thiết kế theo một phương pháp mã hóa nhất
định lên bề mặt chi tiết đo, biên dạng 3D của chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và
14


được nhận biết thơng qua hệ thống camera. Phân tích dữ liệu ảnh và kết hợp phương pháp
mã hóa ảnh chiếu để dựng lại tọa độ đám mây điểm của chi tiết đo.
Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc rất rộng từ việc đo
chi tiết vùng kích cỡ micro trong các ngành sản xuất vi cơ, điện tử đến các chi tiết có kích
thước lớn như xe bus, tàu thủy, máy bay…. Trên hình 1.2 là hình ảnh thiết bị quét biên
dạng SLS – 1 sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng cánh tuốc bin của các động cơ máy

bay. Đây là dạng sản phẩm khó đo do biên dạng cánh phức tạp, sử dụng phương pháp đo
tiếp xúc rất khó khăn khi hệ thống đã được lắp đặt.

Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18]

Trên hình 1.3 thể hiện ứng dụng của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
trong cơng nghiệp chế tạo cơ khí. Hình 1.3a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ơ
tơ. Hình 1.3b là ứng dụng phương pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trong
ngành công nghiệp khuôn mẫu. Các dạng khuôn và chi tiết được chế tạo ra rất đa dạng với
hình dáng phức tạp, độ bóng cao…. Việc đo bằng phương pháp tiếp xúc cần thời gian đo
rất lâu và khó đo. Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được sử dụng mang lại hiệu
quả rất cao trong lĩnh vực này. Với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm
đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm được chế tạo ra so với bản thiết kế
CAD.

(a)

(b)

Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia cơng cơ khí [5]
(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khn nhựa

15


Một ngành công nghiệp ứng dụng rất nhiều các thiết bị đo biên dạng chi tiết là công
nghiệp sản xuất ô tô, xe máy. Các thiết bị đo quét có mặt trong rất nhiều khâu của quá trình
sản xuất từ việc thiết kế tạo mẫu ban đầu cho đến các công đoạn sản xuất khuôn và thành
phẩm cũng như kiểm tra khung vỏ ô tô sau khi hàn ghép, sau khi sơn…. Việc đo kiểm so
sánh thành phẩm với bản thiết kế giúp các nhà sản xuất nâng cao chất lượng và hiệu quả

sản xuất. Trên hình 1.4 là ứng dụng phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vào
việc thiết kế mẫu xe mới. Sau khi xe được chế tạo có thể đo quét để so sánh với mẫu.

Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44]

Một lĩnh vực công nghiệp đang rất phát triển là may mặc thời trang. Với phương
pháp truyền thống khi may quần áo phải đo các thông số riêng lẻ cho từng người bằng
thước dây, thông số đo chưa biểu hiện hết các yếu tố về biên dạng cơ thể. Với công nghệ
đo lường biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc giúp cho việc thiết kế, tạo mẫu khi có dữ
liệu qt đem lại tính thẩm mỹ cao hơn đặc biệt lợi thế trong việc may mặc tạo mẫu riêng
lẻ. Từ thông số biên dạng của cơ thể người có thể ứng dụng trong nhiều ngành thiết kế
khác nhau như: quần áo, giầy dép và các phụ kiện khác.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
(a) Quét biên dạng cơ thể người [24] , (b) quét biên dạng răng [19] , (c) quét vân tay 3D [6]

Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát triển rất mạnh
trong lĩnh vực y tế có thể quét các bộ phận của cơ thể trong quá trình giải phẫu, ứng dụng
trong lĩnh vực nha khoa, ngồi ra cịn các lĩnh vực như an ninh và trị liệu thẩm mỹ…. Hình
1.5 thể hiện một số ứng dụng của thiết bị đo ánh sáng cấu trúc: hình 1.5a là hình dạng cơ
thể người được mô phỏng sau khi quét ứng dụng trong các lĩnh vực thời trang; hình 1.5b là
hình ảnh mô phỏng hàm răng thể hiện ứng dụng đo 3D trong nha khoa; hình 1.5c là ứng
dụng đo 3D trong lĩnh vực an ninh với việc quét lại hình dạng vân tay.
16

Các hướng nghiên cứu phát triển các thiết bị đo này ứng dụng trong công nghiệp
thực sự bùng nổ và được thương mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển cơng nghệ
máy chiếu. Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau.
Một số thiết bị được giới thiệu như trong bảng 1.
Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường

Thiết bị
HDI Blitz

Đặ tính kỹ thuật
 Vùng đo: 370x370 mm.
 Độ phân giải: 0,24 mm.
 Độ chính xác: 0,12 mm.
 Hãng sản xuất: 3D3
Solutions.

ATOS Triple Scan

ARTEC EVA

Ứng dụng
 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ
khí, đồ mỹ nghệ, các chi
tiết nhựa…

 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ

khí, đồ mỹ nghệ, các chi
 Độ phân giải: 0,02 – 0,79
tiết nhựa…
mm.
 Có thể lắp dặt trên các hệ
 Độ chính xác: 0,05 mm.
thống dịch chuyển để tăng
 Hãng sản xuất: GOM.
linh hoạt của thiết bị quét.
 Vùng đo: 38 x 29 - 2000 x
1500 mm².

 Vùng đo: 300x500 mm.
 Độ phân giải: 0,5 mm.
 Độ chính xác: 0,1 mm.
 Hãng sản xuất: ARTEC
GROUP.

 Thiết bị quét cầm tay tăng
tính linh hoạt khi quét.
 Quét các dạng chi tiết,
tượng, đồ mỹ nghệ, cơ thể
người…
 Ứng dụng trong sản xuất
tượng sáp.

LMI Advance R3x

 Vùng đo: 200x200 –
600x600 mm.

 Độ chính xác: 0,05 mm.

 Quét biên dạng 3D các
dạng sản phẩm: chi tiết cơ
khí, đồ mỹ nghệ, các chi
tiết nhựa…

 Hãng sản xuất: LMI
technology.

 Qt các dạng chi tiết có
kích thước trung bình.

 Độ phân giải: 0,25 mm

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và
phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới như: GOM, 3D3
Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology. Các thiết bị dùng để qt các chi tiết có kích
thước trung bình. Thiết bị qt cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét
các chi tiết lớn hơn. Với các dạng thiết bị dạng này độ chính xác đạt được có thể đến
0,05mm. Độ phân giải tốt nhất là sản phẩm của hãng GOM lên tới 0,02mm trong phạm vi
17


đo 38x39 mm, còn lại các dòng sản phẩm thường có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5
mm.
Như vậy, các phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu
điểm so với phương pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thước
lớn, các bề mặt khơng xác định. Thiết bị đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc có thể
qt trên một khu vực mà khơng cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang

khác nên phép đo được tiến hành nhanh hơn, có thể đo được hơn một triệu điểm trong một
vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng. Để hướng tới nghiên cứu chế tạo một thiết bị
đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làm
chủ cơng nghệ đo, xây dựng cơ sở tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều
kiện chế tạo tại Việt Nam đồng thời tiến tới tiếp cận các thiết bị đo tiên tiến trên thế giới,
luận án đặt mục tiêu thiết bị đo được nghiên cứu chế tạo đạt độ chính xác 0,05mm, độ phân
giải 0,05 mm trong phạm vi đo 200x200 x200mm.

1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo
lường biên dạng 3D
1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc
Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc dựa trên nguyên lý tam
giác lượng trong quang học. Thiết bị chiếu các mẫu ảnh 2D được thiết kế mà mỗi điểm ảnh
được mã hóa về màu sắc hoặc cường độ. Khi chiếu các mẫu ảnh 2D lên bề mặt chi tiết thì
biên dạng 3D của bề mặt chi tiết làm biến dạng hình ảnh mẫu chiếu và được thu nhận bằng
hệ thống camera. Trên cơ sở các thông số hệ quang cơ thiết bị, dạng mã hóa ảnh mẫu 2D
để tính tốn xác định các điểm đo trên bề mặt chi tiết theo phương pháp tam giác lượng
quang học. Thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc được cấu tạo bởi 3 bộ phận
chính là: bộ phận chiếu ảnh, bộ phận thu ảnh và bộ phận xử lý tín hiệu đo tính tốn tọa độ
các điểm đo trên bề mặt vật đo.
Bộ phận chiếu ảnh: chiếu các mẫu ảnh được mã hóa lên bề mặt chi tiết cần đo. Ảnh
mã hóa rất đa dạng về cấu trúc, kích cỡ, độ phân giải nên bộ phận chiếu ảnh có cấu trúc
quang cơ phức tạp. Tùy theo dạng ánh sáng cấu trúc, bộ phận chiếu ảnh có thể là hệ thống
giao thoa hoặc hệ thống chiếu hình. Để đo chi tiết cơ khí thơng dụng, chi tiết đo lớn, bộ
phận chiếu ảnh thường là các máy chiếu ảnh kỹ thuật số. Máy chiếu kỹ thuật số ngày càng
được nâng cao chất lượng ảnh chiếu và giảm giá thành tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế
tạo thiết bị đo.
Bộ phận chụp ảnh: bộ phận này có chức năng thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được
chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Ảnh thu được chứa đựng thông tin độ cao của các điểm trên
vật đo thông qua sự biến đổi dạng, màu sắc mẫu chiếu do bề mặt biên dạng của vật cần đo

mang lại. Có thể sử dụng một hay nhiều camera với các góc quan sát khác nhau nhằm tăng
tốc độ cũng như độ chính xác khi đo. Bộ phận chiếu ảnh và chụp ảnh tạo thành hệ thống
18


cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc. Các camera hiện nay cung
cấp cho người sử dụng nhiều ưu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lượng hình ảnh
cũng như giá thành ngày càng giảm.
Bộ phận xử lý thông tin đo: chức năng bộ phận này là kết nối điều khiển quá trình
chiếu chụp đồng thời xử lý dữ liệu ảnh nhằm xác định được đám mây điểm bề mặt chi tiết
đo. Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị được thiết kế chuyên biệt
nhằm tối ưu hóa q trình điều khiển, xử lý thơng tin và truy xuất dữ liệu đo.

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61]

Hình 1.6 minh họa một trường hợp xác định độ cao điểm đo khi đó điểm P trên đối
tượng có thể xác định qua biểu thức.
𝑠𝑖𝑛(𝛼1 )
(1.1)
ℎ = 𝑑.
sin⁡(𝛼1 + 𝛼2 )
Trong đó:
 h là khoảng cách từ camera đến điểm đo.
 d là khoảng cách của camera và máy chiếu.
 α1 và α2 là góc tạo bởi phương nối tâm của camera và máy chiếu đối với điểm đo P.
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc
1.2.2.1. Khái niệm
Thuật ngữ “ánh sáng cấu trúc” được Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh “structured
light” (Do NCS chưa có tài liệu trong nước nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển
Wikipedia: structured light được miêu tả như sau:

“Structured light is the process of projecting a known pattern (often grids or
horizontal bars) on to a scene. The way that these deform when striking surfaces allows
vision systems to calculate the depth and surface information of the objects in the scene, as
used in structured light 3D scanners. ” [108]
Có thể dịch khái niệm như sau: “Structured light” là một quá trình chiếu các ảnh mẫu
lên vật đo, những biến dạng mẫu chiếu trên bề mặt vật được hệ thống quan sát thu được và
xác định được độ sâu và thông tin bề mặt của vật. Do đó “structured light” được sử dụng
trong quét 3D.
19


Để dịch thuật ngữ này phù hợp cả về ngữ nghĩa và hình thức biểu tượng, sau khi
nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về “structured light” NCS xin được đưa ra khái niệm
ánh sáng cấu trúc như sau:
“Ánh sáng cấu trúc là chùm tia sáng mà mỗi tia sáng được mã hóa về cường độ
hoặc màu sắc.”
Mã hóa về cường độ là sự điều biến biên độ cường độ sáng theo dạng sin, tam giác,
nhị phân….trong không gian chiếu. Mã hóa màu sắc là các tia sáng có màu sắc xác định
theo các quy luật định trước như: dải màu như cầu vồng, các vạch màu xen kẽ nhau….
1.2.2.2. Các dạng ánh sáng cấu trúc sử dụng trong đo lường biên dạng 3D
Có nhiều dạng ánh sáng cấu trúc khác nhau, có thể được cấu trúc cường độ theo hai
hoặc ba phương chiếu hoặc cấu trúc theo màu sắc với mục đích mã hóa các điểm đo trong
khơng gian chiếu để có thể xây dựng hệ lưới điểm của bề mặt vật đo.
a) Mẫu ảnh chiếu mã hóa Gray – nhị phân
Mẫu chiếu nhị phân [45, 46, 49] sử dụng các sọc
đen và trắng để tạo thành một chuỗi các mẫu chiếu. Độ
phân giải của phương pháp được xác định bằng khoảng
trắng hoặc đen nhỏ nhất trên mẫu chiếu. Với mẫu chiếu
thứ n có 2n sọc. Hình 1.7 thể hiện một mơ hình chiếu 5bit. Khi chuỗi này được chiếu lên một khung hình có
32 (25) khoảng được xác định theo phương ngang. Tọa

độ 3D của một điểm được xác định bằng nguyên tắc
tam giác lượng. Kỹ thuật mã hóa nhị phân rất tin cậy
Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61]
và ít nhạy cảm với bề mặt vật quét (vì chỉ có một giá
trị nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh). Tuy nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần
số lượng lớn các ảnh chiếu địi hỏi thời gian xử lý lâu nên khơng đo được các chi tiết theo
thời gian thực.
b) Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám
Mẫu chiếu cấp độ xám được nghiên cứu để giảm
số lượng mẫu chiếu so với phương pháp mã hóa nhị
phân mà vẫn đo được chi tiết với độ phân giải cao hơn.
Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt về cường độ
để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai như trong mã
nhị phân). Với N mẫu có thể có MN vạch. Mỗi mã
vạch có thể hình dung như là một điểm trong một
khơng gian cơ bản N chiều và mỗi chiều có M Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh
giá trị khác nhau. Nếu N = 3, và M = 4 thì tổng 3D với N= 3, M= 3 mơ hình tối ưu hóa trong
khơng gian Hilbert [114]
số vạch là 64 (43) tương đương 6 bit trong
phương pháp nhị phân. Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mơ hình mã hóa nhị
phân và mức xám để có thể phân biệt được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo.
20


Trên hình 1.8 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 mức khi chiếu 3 ảnh có 27 vùng được xác
định. Đây là phương pháp cho tốc độ cao hơn phương pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ
bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định.
c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.
Phương pháp dịch pha [83] là
phương pháp chiếu vân được nghiên cứu

nhiều nhất để thu được hình ảnh 3D của
một vật thể. Các mẫu chiếu có cường độ
điểm ảnh được mã hóa dạng sin được
chiếu lên bề mặt đối tượng đo. Trường
hợp đơn giản nhất là phương pháp dịch
pha 3 bước, cường độ sáng cho mỗi
điểm ảnh của mẫu chiếu được mơ tả trên
hình 1.9. Phương pháp dịch pha xác định
được giá trị pha tương ứng với biên dạng
3D của chi tiết đo do đó tọa độ 3D thực
tế cần phải xác định thông qua quá trình
hiệu chuẩn. Đây là phương pháp có độ
phân giải cao tuy nhiên độ chính xác phụ
thuộc vào độ chính xác gỡ pha. Các

Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61]

phương pháp gỡ pha chịu nhiều ảnh
hưởng môi trường đo, bề mặt chi tiết đo, bóng của chi tiết khi chiếu sáng. . . gây ra các sai
số đo. Do đó, phương pháp đo thường được áp dụng cho các bề mặt 3D trơn, màu sắc ít
thay đổi....
d) Mẫu ảnh chiếu cầu vồng 3D
Hình 1.10 thể hiện nguyên lý
thiết bị quét 3D cầu vồng [132]. Không
giống phương pháp quang trắc cần xác
định vùng đo trong nhiều ảnh khác
nhau, thiết bị quét 3D cầu vồng cho
phép chiếu dải ánh sáng có màu như
màu cầu vồng trên không gian chứa vật
thể đo. Mối quan hệ hình học giữa

camera cố định và quang phổ của vùng
chiếu sáng tương ứng với các góc khác
Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132]
nhau giúp cho xác định được vị trí từng
điểm cần quét theo nguyên tắc tam giác lượng. Phương pháp cho tốc độ quét cao do tốc độ
camera cao và chỉ cần một ảnh cung cấp đầy đủ thông tin 3D của không gian cần quét. Tuy
nhiên, phương pháp gặp khó khăn khi đo các vật thể có màu sắc.
21


e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục
Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau được ghép lại để mã hóa các
vị trí khơng gian [47]. Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cường độ biến
đổi liên tục với mỗi màu khác nhau. Khi kết hợp các ảnh chiếu lại thành một ảnh sẽ cho ta
một ảnh phổ biết rõ thơng tin mã hóa. Chiếu mẫu chiếu kết hợp lên vật thể có thể xác định
thơng tin 3D của dựa vào nguyên tắc tam giác lượng như phương pháp camera cầu vồng
3D. Việc mã hóa từng mẫu chiếu riêng rẽ không nhất thiết chuẩn màu sắc cũng như cường
độ chiếu khơng nhất thiết tuyến tính. Hình 1.11 cho thấy một ví dụ về mơ hình biến đổi
cường độ cho ba màu cơ bản khi kết hợp tạo thành một mơ hình chiếu màu sắc như cầu
vồng. Phương pháp có thể giảm số ảnh chiếu để tăng tốc độ đo, tuy nhiên khó đo các chi
tiết có màu sắc hoặc bề mặt có độ phản xạ khơng đồng đều.

Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc
Với mục đích làm tăng tốc độ quét cũng như
độ phân giải của ảnh quét thiết bị sử dụng cảm biến
hình ảnh thường có ba dải màu độc lập, mỗi dải
tương ứng với một băng tần. Sự kết hợp tuyến tính
giá trị của các thành phần màu sắc có thể tạo ra một

số lượng vơ hạn màu sắc trên một ảnh chiếu. Ba
kênh 8-bit cho 224 màu sắc khác nhau. Trên hình
1.12 là một hình ảnh minh họa về sử dụng mẫu
chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc, sử dụng Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách
sử dụng màu sắc [61]
mẫu chiếu này kết hợp với các mẫu chiếu theo
phương pháp dịch pha hoặc mẫu chiếu màu đơn sắc như trong nghiên cứu [62] có thể giảm
các lỗi khi gỡ pha. Đây là hệ thống mã màu có thể đạt được khả năng chụp ảnh bề mặt 3D
22


theo thời gian thực. Để giảm tỷ lệ lỗi giải mã, có thể thiết lập hệ màu sắc, trong đó mỗi
màu có một khoảng cách tới màu khác trong mẫu chiếu. Số lượng tối đa của màu sắc trong
mẫu được giới hạn trong khoảng cách giữa màu sắc tạo ra và bề rộng tối thiểu của vạch.
Phương pháp đo cho tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc và độ phân giải
khơng cao.
g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn
Để phân biệt các đường quét có thể tạo ra các đường gián đoạn khi xây dựng lại biên
dạng 3D để nhận biết các đường dựa trên sự mã hóa gián đoạn (hình 1.13). Phương pháp
chỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng khơng q phức tạp vì đặc điểm của bề mặt có
thể là nguyên nhân khó xác định được các đường đã mã hóa.

Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69]

h) Mẫu chiếu các đường được đánh dấu bằng cách lặp đi lặp lại mẫu mức xám
Nếu có nhiều hơn hai mức cường độ được sử dụng có thể sắp xếp mức cường độ của
các đường thành các nhóm đường tạo ra các nhóm đường mà khơng giới hạn số đường
trong đó [82]. Nếu sử dụng ba cấp độ màu mã xám (màu đen, màu xám và trắng), mơ hình
chiếu có thể được thiết kế như hình 1.14: BGWGBGWBGBWBGW. Phương pháp sử
dụng một mẫu chiếu nhằm tăng tốc độ đo. Khi mã hóa các vạch, kích thước nhỏ nhất bằng

một điểm ảnh. Do đó độ phân giải của phương pháp khơng cao, khó đo các bề mặt có độ
phản xạ khơng đồng nhất, có màu sắc....

Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61]

i) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường trình tự theo mã De Bruijn
Một chuỗi tuần tự De Bruijn [27] cấp bậc n, kích thước k có kn phần tử: trong đó mỗi
chu kì của độ dài n xuất hiện đúng một lần trong chu kì. Vịng tròn De Bruijn với n = 3 và
k = 2 (hai số 0, 1) có 23 = 8 phần tử ba chữ số mã hóa: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110,
111. Chuỗi tuần tự De Bruijn có thể được sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu có
các vạch không lặp lại [32, 33, 109].
23


Hình 1.15 Mơ tả dãy De Bruijn [110]

Việc sử dụng kết hợp mã nhị phân với màu R, G, B để tạo ra một dải màu được đánh
dấu dựa trên chuỗi De Bruijn. Xây dựng một chuỗi De Bruijn với k = 7, n= 3. Điều này
dẫn đến một chuỗi với 343 đường. Nếu số sọc quá nhiều, người ta có thể sử dụng một
chuỗi De Bruijn bằng cách thiết lập k =5, n = 3 [65]. Số lượng sọc trong trường hợp này
cịn 125. Có một hạn chế trong việc xây dựng một chuỗi chỉ số đường sử dụng kỹ thuật De
Bruijn là tất cả các sọc cạnh nhau phải có màu sắc khác nhau. Nếu một số sọc bằng hai
hoặc ba lần chiều rộng vạch sẽ xảy ra gây nhầm lẫn các thuật tốn tái tạo 3D. Hình 1.16 thể
hiện một tập hợp các sọc màu sắc được đánh dấu theo chuỗi De Brụiin với các vạch cạnh
nhau có màu sắc khác nhau.

Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65]

Phương pháp đo tạo ra mẫu chiếu duy nhất để chiếu lên chi tiết đo. Sự biến dạng các
vạch là cơ sở xác định độ cao các điểm đo. Tuy nhiên, phương pháp khó đo các chi tiết có

màu sắc, độ phân giải khơng cao .
k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa mảng giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBA)
Một lưới chỉ số sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBA) để tạo ra các
vùng lưới có thể được đánh dấu bằng dấu chấm. Mơ hình mã hóa của bất kỳ cửa sổ nhỏ
làm mặt nạ nhận dạng là duy nhất. Một PRBA được xác định bởi mảng mã hóa n1xn2 bằng
cách sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên, như vậy bất kỳ cửa sổ phụ có kích thước k1xk2 trượt
trên tồn bộ mảng là duy nhất và hoàn toàn xác định tọa độ tuyệt đối của của sổ phụ (i, j)
trong mảng. Mơ hình mã hóa của mảng nhị phân được tạo ra dựa trên một chuỗi nhị phân
giả ngẫu nhiên bằng cách sử dụng đa thức modulo 2n, trong đó 2n -1= 2k1k2 - 1, n1 = 2k1 - 1,
24


n2= 2n – 1/ n1. Hình 1.17 cho thấy một ví dụ về một PRBA tạo ra với k1 = 5, k2 = 2, và n1=
31, n2 = 33.

Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48]

l) Mẫu ảnh chiếu theo mơ hình mã nhỏ
Thay vì sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên như trên có sử dụng mảng giả
ngẫu nhiên đa giá trị. Cũng giống phương pháp tạo mảng ở trên có thể tạo ra các mẫu mã
đặc biệt nhỏ hơn tương ứng chứa đầy đủ các giá trị tồn tại trong mảng chính, các cửa sổ
phụ thể hiện mã nhị phân cũng được xác định tương tự [84]. Hình 1.18 mô tả ba giá trị
mảng giả ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng mơ hình nhỏ cũng như cửa sổ phụ để xác
định vị trí các điểm lưới mã hóa. Phương pháp đo được áp dụng cho các chi tiết có biên
dạng khơng phức tạp, bề mặt phản xạ đồng đều. Tuy nhiên, độ phân giải không cao, tạo
mẫu ảnh chiếu và chiếu lên vật đo phức tạp.

Hình 1.18 Mơ hình mã nhỏ [84]

m) Mẫu ảnh chiếu lưới mã hóa màu

Một lưới chỉ số mã hóa màu sắc cả hai chiều [2], các sọc mã hóa theo chiều dọc và
chiều ngang có thể là giống hoặc hồn tồn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình
1.19). Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng. Tuy nhiên, nếu bề
25


rộng các đường quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến sự tin cậy khi xác định các điểm cần đo làm
giảm độ phân giải của phương pháp đo.

Hình 1.19 Mơ hình lưới màu sắc [2]

n) Mẫu ảnh chiếu 2 chiều mã hóa đốm màu
Có nhiều phương pháp khác tạo ra các mảng giả ngẫu nhiên [85] đề xuất một thuật
toán để tạo ra một mảng giữ được sự duy nhất của cửa sổ phụ. Phương pháp này là tương
đối trực quan để thực hiện trong các thuật tốn máy tính. Ví dụ hình 1.20 (bên trái) cho
thấy mảng 6x6 với kích thước cửa số phụ 3x3 sử dụng ba màu (R, G, B). Các quá trình tạo
mảng như sau: đầu tiên lấp đầy trên góc bên trái của mảng 6 x 6 với một mẫu được chọn
ngẫu nhiên. Sau đó thêm một cột ba yếu tố trên vào bên phải ngẫu nhiên. Tiếp tục bổ sung
các cột cho đến khi tất cả các cột được làm đầy với mã ngẫu nhiên và mặt nạ cửa sổ phụ
được xác định. Tương tự như vậy, thêm ngẫu nhiên hàng theo hướng đi xuống từ vị trí mặt
nạ ban đầu. Sau đó, thêm mã ngẫu nhiên mới theo hướng đường chéo. Lặp lại các quá trình
cho đến khi tất cả các dấu chấm được điền đầy màu sắc. Hình 1.20 (bên phải) thể hiện một
mảng giả ngẫu nhiên với kích thước 20 x 18.

Hình 1.20 Mơ hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85]

Nhận xét: Các dạng ánh sáng cấu trúc được mã hóa với mục đích xác định lưới điểm
đo trên khơng gian chiếu. Để thuận tiện cho quá trình xử lý dữ liệu đo các mẫu chiếu cần
đảm bảo mỗi điểm trên lưới đo có sự phân biệt với tồn bộ các điểm khác. Tốc độ đo phụ
thuộc số mẫu chiếu trong phương pháp sử dụng. Một số phương pháp sử dụng nhiều mẫu

chiếu và một số phương pháp chỉ cần một mẫu chiếu. Độ phân giải của phương pháp đo
(khoảng cách gần nhau nhất của các điểm mã hóa) phụ thuộc vào cách mã hóa cũng như độ
phân giải của hệ thống chiếu vân và camera. Xét trường hợp độ phân giải liên quan đến
phương pháp mã hóa, hầu như các phương pháp cho độ phân giải bằng độ phân giải của hệ
26


thống chiếu sáng (một điểm ảnh trên các thiết bị chiếu) như vậy khi chiếu lên không gian
lớn thông qua hệ phóng hình cho bề mặt lưới trên các chi tiết đo có khoảng cách các nút
lưới lớn (độ phân giải thấp). Phương pháp dịch pha có độ phân giải cao nhất trong các
phương pháp đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc.
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc cần phải chiếu mẫu vân sáng lên bề mặt chi
tiết đo. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của vân chiếu được
tạo ra. Có nhiều phương pháp tạo mẫu vân sáng như sử dụng giao thoa laser, dùng cách tử
nhiễu xạ, dùng máy chiếu. Phương pháp giao thoa laser và chiếu sáng qua cách tử nhiễu xạ
phù hợp với các phép đo có vùng đo nhỏ cần độ chính xác cao do có thể tạo ra mẫu sáng
chiếu có chu kì sin nhỏ, tuy nhiên có nhược điểm là kết cấu phức tạp địi hỏi độ chính xác
rất cao cũng như phạm vi đo hạn chế. Với các thiết bị đo thông dụng đáp ứng các dải sản
phẩm có kích thước trung bình thường sử dụng máy chiếu kỹ thuật số.
Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ dựa trên cơ chế hoạt động
bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh là: DLP (Digital Light Processing) và
LCD (Liquid Crystal Display).
a) Công nghệ LCD
Máy chiếu LCD (liquid crystal display - hiển thị tinh thể lỏng) tổng hợp hình ảnh
màu dựa trên 3 màu cơ bản là đỏ, lục và xanh dương (RGB).

Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD

Hình 1.21 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD trong đó các thành

phần gồm có: Nguồn sáng trắng ban đầu được tách thành 3 nguồn sáng đơn sắc là đỏ, lục,
xanh dương và được dẫn đến 3 tấm LCD độc lập. Nếu điểm ảnh trên LCD ở trạng thái
đóng, ánh sáng khơng thể xun qua thì điểm ảnh biểu diễn trên màn hình là đen. Tương
27


tự, độ sáng của điểm ảnh cũng thay đổi tương ứng theo trạng thái mở của điểm ảnh LCD.
Điều khiển 3 tấm LCD đóng mở điểm ảnh theo thơng tin ảnh số thu được 3 ảnh đơn sắc
theo hệ màu RGB. Sau đó ba ảnh được tổng hợp qua lăng kính chiếu đến hệ quang của
máy chiếu.
 Ưu điểm của máy chiếu LCD là thể hiện phong phú sắc độ màu, sắc nét và độ sáng
cao.
 Nhược điểm của LCD:
+ Hiệu ứng "ca-rơ" làm hình ảnh trơng bị "vỡ hạt".
+ Kích thước máy chiếu lớn
+ Hiện tượng "điểm chết" - các ảnh điểm có thể ln tắt hay ln mở, được gọi là
điểm chết.
+ Các tấm kính LCD có thể bị hỏng và thay thế rất đắt tiền.
b) Công nghệ DLP
Công nghệ Digital Light Processing là giải pháp hiển thị kỹ thuật số. Công nghệ DLP
sử dụng một vi mạch bán dẫn quang học, gọi là thiết bị vi gương số Digital Micromirror
Device hay DMD để tái tạo dữ liệu nguồn. Trái ngược với phương pháp truyền qua của
LCD, công nghệ DLP do Texas Instruments phát triển độc quyền vào năm 1997 sử dụng
gương để phản chiếu ánh sáng.
Chip DMD

Bo mạch

Hệ quang
Nguồn sáng

Kính lọc màu
(a)

(b)

Hình 1.22 (a) Sơ đồ ngun lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28]

Trên hình 1.22 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu DLP và cấu tạo của vi
gương dùng trong bộ cảm biến ảnh. Một chip DMD (Direct Micromirror Device) được tích
hợp ma trận vi gương, mỗi vi gương tương ứng một điểm ảnh. Tần số dao động của gương
hàng ngàn lần/ giây và thể hiện được 1024 cấp độ xám. Để thể hiện hình ảnh màu, một
bánh quay màu (color wheel) được đặt giữa nguồn sáng và DMD. Phổ biến hiện nay là hệ
thống sử dụng bánh quay 4 màu gồm đỏ, lục, xanh dương, trắng để lần lượt tạo và xuất ra 4
ảnh đơn sắc trong một chu kỳ.
Ưu điểm của DLP
 Hiệu ứng "ca-rơ" (lưới) nhẹ hơn vì các ảnh điểm gần nhau hơn. Điều này không cho
nhiều khác biệt với dữ liệu, nhưng cho hình ảnh video mịn hơn.
28


 Có thể đạt độ tương phản (contrast) cao hơn.
 Gọn nhẹ, dễ di động hơn do có ít thành phần hơn.
 Máy chiếu DLP có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.

Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP

Nhược điểm của DLP
 Độ bão hồ màu thấp hơn.
 Có hiệu ứng "vầng hào quang" do ánh sáng bị tán xạ khi chiếu tới cạnh rìa của các vi
gương.

Nhận xét
Máy chiếu sử dụng công nghệ DLP được ứng dụng nhiều trong đo lường ánh sáng
cấu trúc bởi một số yếu tố sau:
 Cơng nghệ DLP có hiệu ứng “ca rơ” ít hơn LCD do đó khi chiếu mẫu chiếu mã hóa
cường độ điểm ảnh dạng sin cho độ chính xác cao hơn.
 Các chip DMD của công nghệ DLP cho độ phân giải cao với kích thước máy chiếu
nhỏ gọn (ví dụ chip 1024x768 hoặc có thể các chip đáp ứng độ phân giải HD hoặc full
HD). Mỗi điểm ảnh có thể điều khiển 256 mức cường độ xám khi chiếu ảnh xám.
 Điều khiển chính xác cường độ sáng của điểm ảnh: các mẫu chiếu được thiết kế trên
máy tính được số hóa và truyền tín hiệu điều khiển xuống máy chiếu đơn giản và cho độ
chính xác cao.
 Giá thành các thiết bị chiếu theo công nghệ DLP ngày càng giảm.
1.2.4. Hệ thu ảnh vân
Cấu tạo camera bao gồm hai bộ phận chính: hệ quang để tạo ảnh và một phần tử
nhạy sáng thu nhận hình ảnh từ hệ quang gọi là cảm biến ảnh.
a) Cảm biến hình ảnh của camera
Trong các camera thơng thường, tại vị trí mặt phẳng ảnh là một cảm biến ma trận
ảnh. Cảm biến này là thiết bị lấy mẫu cho hàm cảm biến đầu vào và biến đổi nó thành tín
hiệu điện. Cảm biến ảnh cấu tạo bởi các lưới điểm nhạy với ánh sáng, nó có thể là CCD
hoặc CMOS. Cách sắp xếp các điểm ảnh này theo hệ trục tọa độ ảnh hình 1.24. Mỗi điểm
ảnh có diện tích là 𝑑𝑖𝑢 × 𝑑𝑖𝑣 và khoảng cách giữa các điểm ảnh theo chiều dọc và ngang
tương ứng là 𝑑𝑠𝑢 𝑣à⁡𝑑𝑠𝑣 . Khoảng cách tâm giữa hai điểm ảnh theo chiều dọc và ngang sẽ là:
29


𝑑𝑢 = 𝑑𝑖𝑢 + 𝑑𝑠𝑢 𝑣à⁡𝑑𝑣 = 𝑑𝑖𝑣 + 𝑑𝑠𝑣 .

Hình 1.24 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD

Biểu thức trên ở dạng đơn giản khi coi các phần tử của cảm biến là hình vng (tỷ lệ

các cạnh là 1:1) và không bị xiên. Tuy nhiên, giả định này không phải lúc nào cũng đúng,
ví dụ như hệ ảnh TV NTSC định nghĩa các điểm ảnh hình chữ nhật có tỉ lệ 10:11. Trong
thực tế, tỉ lệ này theo tài liệu kỹ thuật của hãng sản xuất. Trong trường hợp thiết bị thu ảnh
theo từng khung hình riêng biệt (frame grabber), trong q trình đồng bộ các khung hình
có hiện tượng các điểm ảnh bị xiên hình 1.25. Vì các lý do trên nên trong mơ hình camera
người ta đưa thêm vào hai tham số là hệ số tỉ lệ pixel mu, mv và hệ số xiên pixel𝛾 =
𝑚𝑢 𝑐𝑜𝑡𝜃.

Hình 1.25 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng

b) Hệ quang học
Theo quy ước hệ quang học phân tích theo phương pháp quang hình. Do sự ảnh
hưởng khơng đáng kể tới mục đích nghiên cứu nên ta khơng dùng quang sóng (như nhiễu
xạ). Coi thấu kính đối xứng trục, trục đó gọi là trục quang (hệ quang khơng có gương, lăng
kính. …). Mọi hệ quang đều có quang sai ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh thu được
(làm ảnh bị mờ, ảnh bị biến dạng). Xuất phát từ định luật khúc xạ (định luật Snell):
𝑛1 𝑠𝑖𝑛(𝜃1 ) = 𝑛2 𝑠𝑖𝑛(𝜃2 )
(1.2)
Khai triển Taylor ta được:
∞

𝑠𝑖𝑛 𝑥 = ∑
𝑛=0

(−1)𝑛
𝑥3 𝑥5 𝑥7
. 𝑥 2𝑛+1 = 𝑥 − + − + ⋯
(2𝑛 + 1)!
3! 5! 7!

(1.3)

Khi góc tới rất nhỏ cho gần đúng sin 𝑥 ≈ 𝑥 nghĩa là các tia tới rất gần trục quang hệ
quang được coi là hồn hảo, khơng có quang sai ở miền gần trục. Khi góc tới tăng lên,
30


sin 𝑥 = 𝑥 −

𝑥3
3!

, có quang học bậc 3, khi này các tia sáng khơng cịn gần trục nữa và hệ

quang xuất hiện quang sai bậc 3. Như vậy, việc thay thế hàm số sin bằng chuỗi gần đúng
trong định luật khúc xạ cùng với sự phi tuyến của hàm số sin mô tả sai lệch của đường
truyền thực qua hệ quang học khỏi đường truyền cận trục, sai lệch này dẫn tới sự sai khác
vị trí điểm ảnh - tức là quang sai. Quang sai làm hình ảnh thu được bị biến dạng như hình
1.26.

(a)

(b)

Hình 1.26 Ảnh khơng có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b)

1.3. Các mơ hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng
cấu trúc.
Đo biên dạng 3D cần xác định tọa độ lưới điểm trong không gian 3 chiều XYZ. Để
xác định độ cao điểm đo Z sử dụng phương pháp tam giác lượng trong quang học. Các

thiết bị đo sử dụng hệ camera và máy chiếu có thể bố trí theo dạng tổng qt như hình
1.27.

Hình 1.27 Mơ hình tốn học cho sơ đồ bố trí tổng qt[135].

Xét các tam giác OO3OC, O2O3OC, OPFOC ta có:

O3OC = LC cosθ0

(1.4)

O2OC = LC cosθ0 cosθ2

(1.5)
31


O2O3 = LC cosθ0 sinθ2

(1.6)

FOC = S1sinα1

(1.7)

KOP = O1OCT + EOCT = LC cosθ0 cosθ2 + S1sinα1

(1.8)

Mặt khác:

Xét tam giác AOCTO1 và KOOP có:
𝑂1 𝑂𝐶𝑇
𝐴𝑂 + ⁡ 𝑂𝑂1
𝑂𝑃 𝐾
𝑡𝑎𝑛 𝜂 = ⁡
𝐾𝑂 − ⁡𝐶𝑂
Trong tam giác ADB và BCD ta có:
BD
AB = ⁡
Tanδ
𝐵𝐷
𝐵𝐶 = ⁡
𝑇𝑎𝑛𝜂
Khi đó:
CA= AB + BC
1
1
𝐶𝐴⁡ = ⁡𝐵𝐷 (
+⁡
)
𝑡𝑎𝑛𝛿 𝑡𝑎𝑛𝜂
𝐶𝐴𝑡𝑎𝑛𝛿𝑡𝑎𝑛𝜂
ℎ(𝑥, 𝑦) ⁡ = ⁡𝐵𝐷⁡ = ⁡
𝑡𝑎𝑛𝛿 + 𝑡𝑎𝑛𝜂
𝐶𝐴⁡𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 𝑐𝑜𝑠𝜃2 (𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 𝑐𝑜𝑠𝜃2 + ⁡ 𝑆1 𝑠𝑖𝑛𝛼1 )
ℎ(𝑥, 𝑦) ⁡ = ⁡⁡⁡
𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 (𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃2 + ⁡ 𝑆1 sin 𝛼1 𝑠𝑖𝑛𝜃2 ) + ⁡𝐴𝑂𝑆1 𝑠𝑖𝑛𝛼1 + 𝐶𝐴𝐿𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃0 cos 𝜃2
−𝛥𝜙𝐷𝐶 (𝑥, 𝑦)
𝐶𝐴⁡ =

2𝜋𝑓0
−𝜙𝐷 (𝑥, 𝑦)
𝐴𝑂 =
2𝜋𝑓0
Từ đó suy ra:
𝑡𝑎𝑛 𝛿 = ⁡

(1.9)
(1.10)

(1.11)
(1.12)

(1.13)
(1.14)
(1.15)
(1.16)
(1.17)
(1.18)

ℎ(𝑥, 𝑦) ⁡
= ⁡⁡⁡

−𝛥𝜙𝐷𝐶 (𝑥, 𝑦)𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 𝑐𝑜𝑠𝜃2 (𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 𝑐𝑜𝑠𝜃2 + ⁡ 𝑆1 𝑠𝑖𝑛𝛼1 )
(1.19)
2𝜋𝑓0 𝐿𝐶 ⁡𝑐𝑜𝑠𝜃0 (𝑟𝑐𝑜𝑠𝜃2 + ⁡ 𝑆1 𝑠𝑖𝑛 𝛼1 𝑠𝑖𝑛𝜃2 ) − ⁡ 𝜙𝐷 (𝑥, 𝑦)𝑆1 𝑠𝑖𝑛𝛼1 − 𝛥𝜙𝐷𝐶 (𝑥, 𝑦)𝐿𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃0 𝑐𝑜𝑠 𝜃2

Như vậy, trong trường hợp trên để xác định được h(x, y) cần biết LC, r, f0, θ0, S1, α1,
θ2 các thơng số này chỉ có thể xác định thơng qua q trình hiệu chuẩn. Để đơn giản hơn
trong q trình tính tốn một số tác giả đã nghiên cứu và đưa ra các điều kiện biên cho mơ

hình bố trí thiết bị và tạo ra một số biến thể kỹ thuật như sau:
1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan
Srinivasan [113] đã phát triển một trong những hệ thống đo lường biên dạng đầu tiên
dựa trên phương pháp chiếu vân. Hệ thống bao gồm khối chiếu (sử dụng nguyên tắc dịch
32


pha) và một dãy cảm biến ánh sáng. Sơ đồ phần cứng của hệ thống được thiết lập như hình
1.28(a). Thiết bị chiếu vân chiếu dạng sin là các vân giao thoa laser chiếu qua ống chuẩn
trực lên bề mặt chi tiết đo, do đó vân chiếu khơng phụ thuộc vào khoảng cách từ bộ phận
chiếu tới vật cần đo. Mảng cảm biến ánh sáng về cơ bản là một camera kỹ thuật số, có trục
thẳng hàng và đồng phẳng với trục ống chuẩn trực tạo với nhau một góc (900 - θ0). Tọa độ
cho hệ thống xác định như hình 1.28(b).
Bộ phận chiếu Dãy cảm biến
dịch pha
sáng

Chiếu cách tử
Mặt phẳng
ảnh cảm biến
sáng
Mặt phẳng
tham chiếu

Hệ thấu kính

Bề mặt chi tiết đo

Bề mặt chi
tiết đo

(a) Sơ đồ phần cứng (b) Mô hình tốn học của thiết bị
Hình 1.28 Hệ thống SMFP và mơ hình tốn học của Srinivasan [113]

Trên mơ hình toán học: OXYZ là hệ tọa độ thiết bị, mặt phẳng OXZ là mặt phẳng
song song với mặt phẳng của cảm biến ảnh đi qua trục quang của ống chuẩn trực và trục
quang của cảm biến ảnh. OXY là mặt phẳng tham chiếu vng góc với mặt phẳng OXZ và
đi qua giao điểm giữa trục quang của ống chuẩn trực và trục quang của cảm biến ảnh.
Cường độ ảnh chiếu lên mặt phẳng tham chiếu có khoảng cách vân chiếu p0 xác định bằng
phương trình:
I (x, y) = a (x, y) + b (x, y) cos(2 πx/p0)

(1.20)

Trong đó: b(x, y) là sự tương phản của vân chiếu tại điểm (x, y, 0) và a(x, y) là
cường độ nền. Biểu thức (2πx/p0) là giá trị pha tham chiếu tại điểm (x, y, 0) ký hiệu là
ФR(x, y),
Ф𝑅 (𝑥, 𝑦) ⁡ = ⁡2𝜋𝑥/𝑝0

(1.21)

Xét điểm D trên bề mặt của đối tượng được đo. Theo phương chiếu giá trị pha của
điểm D ký hiệu Ф(D) bằng giá trị pha của điểm A trên mặt phẳng tham chiếu. Cảm biến
hình ảnh thu được ảnh DI của điểm D trùng với điểm C trên mặt phẳng tham chiếu.
Khoảng cách giữa điểm A và điểm C xác định theo:
𝑝0
|𝐴𝐶| = − (Ф𝑅 (𝐴) − Ф𝑅 (𝐶))
(1.22)
2𝜋
Ở đây, ФR(A) và ФR(C) là những giá trị pha của điểm A và điểm C trên mặt phẳng

tham chiếu. [ФR(A) - ФR(C)] thể hiện sự thay đổi pha của DI hay độ lệch pha của điểm DI
ký hiệu ΔФ (DI) khi đó:
33