MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 9
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 9
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .......................................................... 10
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 10
4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 11
5. Nội dung luận án ..................................................................................................... 12
6. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 13
CHƢƠNG 1 ......................................................................................................................... 14
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................... 14
1.1. Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................................. 14
1.2. Nguyên lý phƣơng pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lƣờng biên dạng
3D .................................................................................................................................... 18
1.2.1. Nguyên lý phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc .............. 18
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc ......................................................... 19
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng ...................................................................................... 27
1.2.4. Hệ thu ảnh vân ................................................................................................... 29
1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phƣơng pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. ....... 31
1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan ........................................................ 32
1.3.2. Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa .......................................... 34
1.3.3. Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu .................................................................... 35
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc............................................................... 38
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 38
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...................................................................... 43
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án................................................................ 45
CHƢƠNG 2 ......................................................................................................................... 47
PHƢƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ

3.2.1. Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu ............................................................................. 82
3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh .............................................................................. 89
3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo.............................................................. 93
3.2.4. Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống......................................................................... 97
3.3. Đánh giá các sai số ảnh hƣởng đến độ chính xác thiết bị đo .................................... 99
3.3.1. Ảnh hƣởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ chính xác [31] ........................ 100
2


3.3.2. Ảnh hƣởng độ chính xác pha đến độ chính xác phép đo ................................. 102
3.3.3. Ảnh hƣởng quang sai đến độ chính xác........................................................... 104
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 ............................................. 106
3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến ..................................................................... 106
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển ........................................................... 108
3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển ....................................................................... 109
3.5. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 110
CHƢƠNG 4 ....................................................................................................................... 111
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................................... 111
4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 ........................................................... 111
4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu .................................................................................................. 113
4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến ....................................................... 117
4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cƣờng độ sáng của máy chiếu. ................................... 117
4.3.2. Hiệu chuẩn màu cho cảm biến ......................................................................... 122
4.3.3. Hiệu chuẩn cƣờng độ sáng ảnh xám ................................................................ 122
4.3.4. Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ ................ 125
4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo ........................................................................... 127
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở ............................................................................. 127
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn ............................................................................................ 130
4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn ................................................................................... 133
4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 .................................................... 135

I0(x, y)

Cƣờng độ sáng thành phần nền

Imod(x, y)

Biên độ tín hiệu điều chế

(x, y)

Thành phần pha

θ

Hằng số dịch pha

u

Phƣơng ngang cảm biến ảnh

v

Phƣơng dọc cảm biến ảnh

α

Góc nghiêng hai phƣơng u, v

k1, k2, k3, k4, k5 Hệ số đặc trƣng quang sai
fx


n

Số ảnh trong phƣơng pháp dịch pha

p

Chu kì sin mẫu chiếu dịch pha

Ф (x, y)

Pha tuyệt đối

L

Khoảng cách hệ tâm camera và máy chiếu với mặt phẳng tham chiếu

d

Khoảng cách tâm camera và máy chiếu

CCD

Cảm biến camera

DMD

Cảm biến máy chiếu

IP

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] .......................................................................................... 19
Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] ...................................................................................................... 20
Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong không
gian Hilbert [114] ............................................................................................................................ 20
Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61] ................................................................................. 21
Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132] ............................................................................................ 21
Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61] ........................................................... 22
Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách sử dụng màu sắc [61]........................................................ 22
Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] ....................................................... 23
Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61] ................................................ 23
Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110] ............................................................................................. 24
Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] .................................................... 24
Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] ............................................. 25
Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84] ...................................................................................................... 25
Hình 1.19 Mô hình lưới màu sắc [2] ............................................................................................... 26
Hình 1.20 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] ............................................................. 26
Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD ................................................................. 27
Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28]
.......................................................................................................................................................... 28
Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP .................................. 29
Cấu tạo cảm biến ảnh CCD ............................................................................................ 30
Phần tử điểm ảnh không lý tưởng................................................................................... 30
Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) ..................................................... 31
Hình 1.27 Mô hình toán học cho sơ đồ bố trí tổng quát[135]. ....................................................... 31
Hình 1.28 Hệ thống SMFP và mô hình toán học của Srinivasan [113] .......................................... 33
Hình 1.29 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa .................................... 34
Hình 1.30 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP do Hu đề xuất.................................................... 36
Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân .............................. 38
Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ................................................................................... 41
Hình 2.1 Phương pháp dịch pha trong giao thoa Twyman – Green [17] ....................................... 48

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chiếu và chụp ảnh trong quá trình đo ................................................. 88
Hình 3.8 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp .................. 88
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán giải mã phương pháp mã hóa Gray ...................................................... 90
Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán xác định pha tương đối trong phương pháp dịch pha ......................... 91
Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối ......................................................................... 92
Hình 3.12 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.................. 93
Hình 3.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng ............. 93
Hình 3.14 Trung điểm p1,2(λ1,λ2) với giá trị bất kỳ (hình trái) của λ1,λ2 .......................................... 94
và với giá trị tối ưu (hình phải) ........................................................................................................ 94
Hình 3.15 Sơ đồ thuật toán xác định đám mây điểm đo theo phương pháp hai đường thẳng giao
nhau .................................................................................................................................................. 96
Hình 3.16 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chuẩn thiết bị .................................................. 97

7


Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn thiết bị dùng mẫu in ô vuông bàn cờ ................................ 98
Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống ΔL/L tới ΔZL/ΔZ ............................................... 101
Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δd/d tới ΔZd/ΔZ ................................................ 101
Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δα/α tới ΔZα/ΔZ với k là hằng số .................... 102
Hình 3.21 Hình trụ độ không đảm bảo đo của điểm đo ................................................................ 105
Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu ................................................................................ 107
Hình 3.23 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 ......................... 108
Hình 3.24 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ ............................................................................ 109
Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1...................................................................... 111
Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo ................................................................................ 112
Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo....................................................... 113
Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray. ......................................................................................... 114
........................................................................................................................................................ 115
Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha ................................................... 115

trình sản xuất, công nghệ thiết kế ngƣợc, 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 dƣới dạng đám mây điểm. Từ đám mây điểm thu đƣợc có thể tái tạo lại biên
dạng các vật thể, từ đó có thể xác định các thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thƣớc,
góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau…. Những thông tin thu đƣợc từ hình ảnh
3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn.
Hai nhóm phƣơng pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không
tiếp xúc. Phƣơng pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
nhƣ các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo.... Đặc điểm chính của phƣơng pháp đo tiếp
xúc là phƣơng pháp đo từng điểm, mỗi điểm đƣợc 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 mƣời giây do đó để đo một chi tiết thƣờng rất lâu. Phép đo
có các sai số do kích thƣớc đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề
mặt không xác định. Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thƣờng rất cao do các bộ phận cảm
biến đầu dò đƣợc mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao.
Phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phƣơng pháp sử
dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo đƣợc phân loại thành 2 dạng
phƣơng pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phƣơng 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 nhƣ: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam
giác lƣợng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phƣơng pháp đo không tiếp xúc bị động sử
dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phƣơng pháp ảnh lập
thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt ngƣời), phƣơng pháp quang trắc, phƣơng pháp
dựa vào bóng của vật. Phƣơng pháp đo không tiếp xúc có thể đo đƣợc bề mặt các chi tiết
có kích thƣớc rất lớn nhƣ: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề
mặt vô định hình. Phƣơng pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phƣơng pháp
đo bị động thƣờng 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 tƣơng 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, phƣơng pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc

 Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là đo lƣờng các bề mặt 3D chi tiết cơ khí đƣợc gia
công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc.... Nghiên cứu phƣơng pháp đo dịch
pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phƣơng pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho
việc xây dựng phƣơng 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 không 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 phƣơng pháp đo ánh sáng cấu
trúc bằng phƣơng pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phƣơng pháp và
dụng cụ đo loại này.
 Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phƣơng pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong
10


phƣơng pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của
phƣơng pháp này.
 Xây dựng đƣợc mô hình toán học cũng nhƣ các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng
phƣơng 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 toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên
dạng 3D theo phƣơng 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, phƣơng pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị
đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.
 Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh
sáng cấu trúc.
 Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo đƣợc sử dụng trong đo lƣờng biên dạng 3D các

pháp hiệu chuẩn, xây dựng phƣơng 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 mô hình toán học áp dụng cho
camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định đƣợc vị
trí tƣơng quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định đƣợc các nội tham số và ngoại
tham số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phƣơng pháp hiệu chuẩn camera
sử dụng ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phƣơng 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 phƣơng pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hƣởng của điều kiện đo
và đặc điểm bề mặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định
đƣợc các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh phù hợp để
nâng cao chất lƣợng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo.

 Đã xây dựng đƣợc thiết bị đo biên dạng 3D bằng phƣơng 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 nƣớc ngoài không thể thực hiện đƣợc, 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 đƣợc trình bày trong 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về phƣơng pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:
nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã đƣợc nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên
một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng
cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng 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 lƣờng các chi tiết cơ khí. Cuối chƣơng trình bày
các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.
Chƣơng 2: Nghiên cứu phƣơng 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 toán dịch pha, các phƣơng

Tiến hành các quá trình đo lƣờng 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 lƣờng Việt
Nam làm căn cứ đánh giá độ chính xác, đƣa ra các kết luận và phƣơng hƣớng 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 toán thiết kế: CAD, MS - Office, phân
tích dữ liệu ảnh: Image J, mô phỏng dữ liệu điểm đo Geomagic 10, phần mềm Matlab.... để
thực hiện các nội dung nghiên cứu đề ra.

13


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC
Trong chƣơng này trình bày những nghiên cứu tổng quan về phƣơng 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 phƣơng pháp đo lƣờng 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 đƣợc nghiên cứu ứng dụng vào đo lƣờng biên dạng
3D. Phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp từ đó xác định dạng ánh sáng
nghiên cứu của luận án. Mục 1.3 nghiên cứu các mô hình biến thể kỹ thuật, sơ đồ bố trí
thiết bị và mô hình toán học cho từng loại sơ đồ. Mục 1.4 trình bày tình hình nghiên cứu
trong và ngoài nƣớc. Mục 1.5 trình bày các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.

1.1. Phƣơng pháp đo lƣờng biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc
Trong công nghiệp chế tạo cơ khí, đo lƣờng biên dạng 3D của chi tiết đóng vai trò rất
quan trọng trong việc kiểm tra, kiểm soát chất lƣợng sản phẩm. Hình dáng và kích thƣớc
của chi tiết cơ khí ngày càng phức tạp dẫn đến việc đo bằng phƣơng pháp tiếp xúc không
thể đáp ứng về tốc độ, không đo đƣợc các chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhằm đáp ứng
những yêu cầu cấp bách đó, phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc

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 phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
trong công nghiệp chế tạo cơ khí. Hình 1.3a thể hiện hình ảnh đo lốc máy trong động cơ ô
tô. Hình 1.3b là ứng dụng phƣơng pháp đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc trong
ngành công nghiệp khuôn mẫu. Các dạng khuôn và chi tiết đƣợc chế tạo ra rất đa dạng với
hình dáng phức tạp, độ bóng cao…. Việc đo bằng phƣơng pháp tiếp xúc cần thời gian đo
rất lâu và khó đo. Các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc sử dụng mang lại hiệu
quả rất cao trong lĩnh vực này. Với phƣơng pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc tọa độ điểm
đo có thể giúp kiểm tra trực tiếp sai số khi sản phẩm đƣợc 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 công cơ khí [5]
(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn 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 nhƣ 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 lƣợng và hiệu quả
sản xuất. Trên hình 1.4 là ứng dụng phƣơng pháp đo biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc vào
việc thiết kế mẫu xe mới. Sau khi xe đƣợc chế tạo có thể đo quét để so sánh với mẫu.


thực sự bùng nổ và đƣợc thƣơng mại hóa từ những năm 2000 do sự phát triển công nghệ
máy chiếu. Trên thị trƣờng hiện có rất nhiều sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau.
Một số thiết bị đƣợc giới thiệu nhƣ 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

 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.

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

 Hãng sản xuất: LMI
technology.

 Quét các dạng chi tiết có
kích thƣớc trung bình.

 Độ phân giải: 0,25 mm

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc đƣợc nghiên cứu và
phát triển bởi một số hãng sản xuất các thiết bị quét 3D trên thế giới nhƣ: GOM, 3D3
Solutions, ARTEC GROUP, LMI technology. Các thiết bị dùng để quét các chi tiết có kích
thƣớc trung bình. Thiết bị quét 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 đƣợc 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 thƣờng có độ phân giải trong khoảng 0,2 ÷ 0,5
mm.
Nhƣ vậy, các phƣơng pháp đo không tiếp xúc sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ƣu
điểm so với phƣơng pháp tiếp xúc về tốc độ quét và khả năng quét các bề mặt kích thƣớc
lớn, các bề mặt không xác định. Thiết bị đo sử dụng phƣơng pháp ánh sáng cấu trúc có thể
quét trên một khu vực mà không cần phải di chuyển xung quanh bởi một thiết bị mang
khác nên phép đo đƣợc tiến hành nhanh hơn, có thể đo đƣợc hơn một triệu điểm trong một
vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần cứng. Để hƣớng tới nghiên cứu chế tạo một thiết bị

18


cảm biến cho thiết bị quét biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc. Các camera hiện nay cung
cấp cho ngƣời sử dụng nhiều ƣu điểm về độ phân giải, tốc độ chụp, chất lƣợng hình ảnh
cũng nhƣ 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 đƣợc đám mây điểm bề mặt chi tiết
đo. Bộ phận này có thể là các máy tính cá nhân hoặc các thiết bị đƣợc thiết kế chuyên biệt
nhằm tối ƣu hóa quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo.

Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61]

Hình 1.6 minh họa một trƣờng hợp xác định độ cao điểm đo khi đó điểm P trên đối
tƣợng có thể xác định qua biểu thức.
(1.1)
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 phƣơng 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‖ đƣợc Việt hóa từ thuật ngữ tiếng Anh ―structured
light‖ (Do NCS chƣa có tài liệu trong nƣớc nào đề cập đến thuật ngữ này), theo từ điển
Wikipedia: structured light đƣợc miêu tả nhƣ 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 nhƣ sau: ―Structured light‖ là một quá trình chiếu các ảnh mẫu

số lƣợng lớn các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo đƣợc các chi tiết theo
thời gian thực.
b) Mẫu ảnh chiếu cấp độ xám
Mẫu chiếu cấp độ xám đƣợc nghiên cứu để giảm
số lƣợng mẫu chiếu so với phƣơng pháp mã hóa nhị
phân mà vẫn đo đƣợc chi tiết với độ phân giải cao hơn.
Sử dụng M cấp độ mã hóa xám khác biệt về cƣờng độ
để mã hóa ảnh chiếu (thay vì chỉ có hai nhƣ trong mã
nhị phân). Với N mẫu có thể có MN vạch. Mỗi mã
vạch có thể hình dung nhƣ là một điểm trong một
không 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 mô hình tối ưu hóa trong
không gian Hilbert [114]
số vạch là 64 (43) tƣơng đƣơng 6 bit trong
phƣơng pháp nhị phân. Tuy nhiên, cần tối ƣu hóa trong thiết kế các mô hình mã hóa nhị
phân và mức xám để có thể phân biệt đƣợc 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 đƣợc xác
định. Đây là phƣơng pháp cho tốc độ cao hơn phƣơng pháp mã hóa nhị phân tuy nhiên dễ
bị ảnh hƣởng bởi bề mặt vật do có thể hình thành các vùng mã hóa yếu khó xác định.
c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.
Phƣơng pháp dịch pha [83] là
phƣơng pháp chiếu vân đƣợc nghiên cứu
nhiều nhất để thu đƣợc hình ảnh 3D của
một vật thể. Các mẫu chiếu có cƣờng độ
điểm ảnh đƣợc mã hóa dạng sin đƣợc
chiếu lên bề mặt đối tƣợng đo. Trƣờng
hợp đơn giản nhất là phƣơng pháp dịch


21


e) Mẫu ảnh chiếu mã hóa biến đổi màu liên tục
Các mẫu chiếu có màu sắc thay đổi liên tục khác nhau đƣợc ghép lại để mã hóa các
vị trí không gian [47]. Sử dụng máy chiếu có thể tạo các dạng mẫu chiếu có cƣờng 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 thông tin mã hóa. Chiếu mẫu chiếu kết hợp lên vật thể có thể xác định
thông tin 3D của dựa vào nguyên tắc tam giác lƣợng nhƣ phƣơng pháp camera cầu vồng
3D. Việc mã hóa từng mẫu chiếu riêng rẽ không nhất thiết chuẩn màu sắc cũng nhƣ cƣờng
độ chiếu không nhất thiết tuyến tính. Hình 1.11 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổi
cƣờng độ cho ba màu cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô hình chiếu màu sắc nhƣ cầu
vồng. Phƣơng 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 không 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 nhƣ
độ phân giải của ảnh quét thiết bị sử dụng cảm biến
hình ảnh thƣờng có ba dải màu độc lập, mỗi dải
tƣơng ứng với một băng tần. Sự kết hợp tuyến tính
giá trị của các thành phần màu sắc có thể tạo ra một
số lƣợng vô 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 đƣờng 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

Một chuỗi tuần tự De Bruijn [27] cấp bậc n, kích thƣớc k có kn phần tử: trong đó mỗi
chu kì của độ dài n xuất hiện đúng một lần trong chu kì. Vòng 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 đƣợc sử dụng trong việc xây dựng một mẫu chiếu có
các vạch không lặp lại [32, 33, 109].
23


Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110]

Việc sử dụng kết hợp mã nhị phân với màu R, G, B để tạo ra một dải màu đƣợc 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 đƣờng. Nếu số sọc quá nhiều, ngƣời ta có thể sử dụng một
chuỗi De Bruijn bằng cách thiết lập k =5, n = 3 [65]. Số lƣợng sọc trong trƣờng hợp này
còn 125. Có một hạn chế trong việc xây dựng một chuỗi chỉ số đƣờng 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 toán tái tạo 3D. Hình 1.16 thể
hiện một tập hợp các sọc màu sắc đƣợc 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]

Phƣơng 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, phƣơng pháp khó đo các chi tiết có
màu sắc, độ phân giải không cao .
k) Mẫu ảnh chiếu mã hóa mảng giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBA)
Một lƣới chỉ số sử dụng một mảng nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBA) để tạo ra các
vùng lƣới có thể đƣợc đánh dấu bằng dấu chấm. Mô hình mã hóa của bất kỳ cửa sổ nhỏ
làm mặt nạ nhận dạng là duy nhất. Một PRBA đƣợc xác định bởi mảng mã hóa n1xn2 bằng
cách sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên, nhƣ vậy bất kỳ cửa sổ phụ có kích thƣớc k1xk2 trƣợt