Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

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

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Lê Quang Trà, Nguyễn Văn Vinh (2013) Nghiên cứu
ứng dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo biên
dạng 3D chi tiết cơ khí, Hội nghị khoa học và công
nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ III, trang 829-834.
2. Le Quang Tra, Nguyen Van Vinh, Nguyen Duc Duong
(2014) Calibration of camera for 3D scanner using
structured light, ISEPD 2014 International Symposium
on Eco- materials Processing ang Design, pp .399-403.



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lê Quang Trà

NGHIÊN CỨU ĐO BIÊN DẠNG 3D CỦA CHI TIẾT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2016


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. Các
thiết bị đo quét 3D cung cấp dữ liệu bề mặt biên dạng chi tiết
dưới dạng đám mây điểm. Những thông tin thu được từ hình
ảnh 3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính
xác hơn.
Phương pháp đo 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 công nghiệp cơ khí đang phát

độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi
200x200x200 mm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
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 mã hóa Gray để gỡ pha
trong phương pháp dịch pha.
Xây dựng được mô hình toán 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.
Xây dựng cơ sở cho phép tính toán 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 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 là thiết bị thí nghiệm
phục vụ công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác &
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

dựng quá trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo.
Tiến hành các quá 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.
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.
Bố cục luận án
Chương I: Trình bày kết quả khảo sát về các phương pháp
đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc và xác định hướng nghiên cứu về
phương pháp kết hợp dịch pha và mã Gray.
 Chương II: Nghiên cứu cơ sở phương pháp kết hợp dịch
pha và mã Gray nhằm nâng cao độ chính xác gỡ pha.
 Chương III: Xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo
thiết bị đo thực nghiệm. Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ chính
xác và độ phân giải cho thiết bị đo.

3


 Chương IV: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm
trên thiết bị chế tạo .
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC
1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng 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. Với mô

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 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
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 đòi 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.
1.2.4. Hệ thu ảnh vân
Để thu lại hình ảnh của mẫu chiếu được chiếu lên bề mặt
chi tiết đo cần sử dụng hệ thu ảnh vân thường là các camera.
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.
1.3. Các mô 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 mô hình
biến thể kỹ thuật thể hiện cách bố trí thiết bị trong cụm cảm

chuẩn

Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp
chiếu mẫu vân
Mô hình toán học sử dụng cho camera và máy chiếu là mô
hình camera lỗ nhỏ có tính đến quang sai của hệ quang. Chuyển
đổi hệ tọa độ ngoài không gian vào hệ tọa độ camera xác định
được:
(𝐶) (𝐶) (𝐶)
[𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] = 𝑅 [𝑥𝑃 , 𝑦𝑃 , 𝑧𝑃 ] + 𝑇
(1.36)

Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ

6


(𝑝)

(𝑑)

𝑓𝑥 𝛼𝑓𝑦 𝑢0
(1.41)
𝐴 = [ 0 𝑓𝑦 𝑣0 ]
𝑃
𝑃
0
0
1
1

Nhìn chung các hướng nghiên cứu tại Việt Nam chưa đáp
ứng được yêu cấu tìm hiểu khai thác lĩnh vực đo lường biên
dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Việc nghiên cứu tìm hiểu loại
thiết bị đo này trở nên cấp bách giúp cho sử dụng hiệu quả hơn
và có khả năng tự chế tạo tại Việt Nam từ đó cho phép ứng
𝑢𝑃
𝑢𝑃
[𝑣 (𝑝) ] = 𝐴. [𝑣 (𝑑) ] ,

7


dụng rộng rãi và nâng cao chất lượng cũng như sự phát triển
của ngành cơ khí.
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án
Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề sau:
 Nghiên cứu tổng quan phương pháp đo biên dạng 3D sử
dụng ánh sáng cấu trúc. Phân tích các dạng ánh sáng cấu trúc để
lựa chọn mẫu sáng chiếu phù hợp cho đối tượng đo là các chi
tiết cơ khí
 Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng bằng ánh sáng
cấu trúc dịch pha, nghiên cứu giải pháp sử dụng mã hóa Gray
làm cơ sở nâng cao độ chính xác gỡ pha, đây là một phương
pháp ít chịu ảnh hưởng của bề mặt chi tiết đo làm cơ sở nâng
cao độ chính xác gỡ pha đồng thời nâng cao độ chính xác cho
thiết bị đo.
 Nghiên cứu xây dựng thuật toán sử dụng mã hóa Gray
làm cơ sở cho việc gỡ pha trong phương pháp dịch pha, xây
dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo cho phương
pháp kết hợp để dựng lại đám mây điểm đo trên bề mặt vật đo.

tích dữ liệu đo hình thành lên nguyên lý đo biên dạng 3D sử
dụng phương pháp dịch pha

Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha
2.1.3. Các thuật toán dịch pha.
Trong phương pháp dịch pha một yếu tố quan trọng là xác
định các thuật toán dịch pha, với các thuật toán khác nhau sẽ
xác định quy trình đo và cách xử lý dữ liệu đo khác nhau
2.1.3.1. Thuật toán 3 bước dịch pha
2.1.3.2. Thuật toán ba bước dịch pha kép
2.1.3.3. Thuật toán dịch pha Carré
2.1.3.4. Giải thuật Hariharan
2.1.4. Các phương pháp gỡ pha
Trong phương pháp dịch pha các điểm đo được mã hóa bởi
các giá trị pha. Theo lý thuyết thì giá trị pha được xác định và
có phân bố liên tục. Tuy nhiên, thực tế ảnh pha bị giới hạn bởi
mức độ xám, nhiễu xuất hiện trên ảnh, bóng vật thể. . . và các
điểm không xác định khi giá trị pha có bước nhảy lớn hơn 2π.
Quá trình gỡ pha mang (pha tương đối) để xây dựng ảnh pha
tuyệt đối là bước quan trọng quyết định độ chính xác phép đo
sử dụng phương pháp dịch pha.
2.1.4.1. Phương pháp gỡ pha không gian
2.1.4.2. Phương pháp gỡ pha theo thời gian
2.1.5. Đặc điểm phương pháp dịch pha.

9


Phương pháp dịch pha có những ưu điểm đặc trưng như: độ
chính xác cao, độ phân giải cao nhất trong các phương pháp đo

Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì mẫu chiếu sin

Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit

10


i

Hình 2.10 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết
hợp dịch pha và mã hóa Gray

Hình 2.11 Xác định pha trong phương pháp kết hợp

11


Ảnh pha tuyệt đối cung cấp thông tin đo được xác định trên
vùng diện tích chiếu của máy chiếu trên ảnh của camera, do đó
độ phân giải đo phụ thuộc vào độ phân giải của máy chiếu. Xét
ảnh pha theo phương ngang x tương đương bề rộng wP của ảnh
chiếu, độ rộng vạch của mã hóa Gray nhỏ nhất thu được là
𝑤
𝑙𝑜𝑔2 𝑃 . Tại một điểm i cần khảo sát trong chu kì thứ k của
phương pháp dịch pha có giá trị pha tuyệt đối là Фki, có giá trị
pha tương đối xác định theo phương pháp dịch pha là Øki, theo
phương pháp mã hóa Gray vạch liền kề phía trước điểm i có giá
trị pha là GCk. Khi đó pha tuyệt đối được xác định bởi:
Фki = GCk + Øki/2π
(2.62)

Tọa độ 3D của điểm MI, NI được tính toán từ tọa độ pixel
của chúng bằng cách sử dụng mô hình camera lỗ nhỏ và các nội
tham số của camera.Tọa độ 3D của MR và NR có thể được tính
toán bằng phương pháp đường giao đường:
M R  C  PN P .CM I , N R  C  PN P .CN I
2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn
Khi sử dụng các thiết bị đo luôn cần quá trình hiệu chuẩn để
xác định các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện đo đến độ chính
xác phép đo, xác định các thông số kĩ thuật của camera bao
gồm: ma trận nội tham số gồm các thông số giúp cho tính các
tọa độ của vật lên trên cảm biến hình ảnh của camera, bộ tham
số méo ảnh tính toán các dạng quang sai do hệ ống kính camera
gây nên, ma trận ngoại tham số tính được tọa độ các điểm trên
ảnh thu được về tọa độ máy
2.4.1. Phương pháp hiệu chuẩn camera
2.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ thống camera và
máy chiếu

13


Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc
Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh camera, máy chiếu của
thiết bị đo biên dạng 3D dùng ánh sáng cấu trúc cần xác định
được bộ tham số gồm:
𝑓𝑥 𝛼 𝑢0
(2.84)
Ma trận nội tham số:[ 0 𝑓𝑦 𝑣0 ]
0 0 1
(2.85)

3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu
3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo.
Sau khi xây dựng được mô hình toán học và xác định các
thuật toán cho phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng phương
pháp kết hợp mã hóa Gray và dịch pha mục 2.3, cần xác lập các
giải thuật để xác định đám mây điểm đo của chi tiết.
Đối tượng
đo
Cảm biến
(camera & máy chiếu)

Ảnh hiệu chuẩn

Giải thuật hiệu
chuẩn thiết bị

Mặt phẳng
tham chiếu

Mẫu ảnh chiếu
Giải thuật tạo
mẫu ảnh chiếu

Ảnh chụp
đối tượng

Giải thuật xây dựng ảnh
pha tuyệt đối

Thông số hiệu

3.3.3. Ảnh hưởng quang sai đến độ chính xác
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL– 1
3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển
3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển
3.5. Kết luận chương 3
Trong chương 3 đã nghiên cứu tập trung vào một số vấn
đề như:
 Xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo
thực nghiệm. Đi sâu vào bài toán thiết kế, lựa chọn hệ camera
và máy chiếu thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và
độ phân giải hệ thống: là cơ sở cho việc tính toán thiết kế lựa
chọn cấu hình của một thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương
pháp ánh sáng cấu trúc.
 Xây dựng hệ thống điều khiển phục vụ quá trình đo đảm
bảo có thể đo được toàn bộ chi tiết. Xây dựng các thuật toán xử
lý xác định tọa độ điểm đo. Các giải thuật và lưu đồ thuật toán
thể hiện quá trình thực hiện một phép đo cho phép người sử
dụng có thể tùy chỉnh phù hợp với yêu cầu đối tượng đo.
 Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu
đánh giá đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cho thiết bị đo.
Với các thiết bị đo quá trình hiệu chuẩn là rất cần thiết, để đảm
bảo độ chính xác cần hiệu chỉnh trong mỗi lần đo, phương pháp
hiệu chuẩn đơn giản chính xác góp phần nâng cao hiệu quả sử
dụng thiết bị đo. Ngoài ra có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng
đến độ chính xác khi đo như bản thân thiết bị đo cũng như điều
kiện đo đem lại.
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Thiết bị đo được chế tạo vừa là mục đích vừa là phương tiện


17


Cường độ sáng IC

300
Cường độ mẫu
chiếu
Cường độ ảnh
RED
Cường độ ảnh
GRAY
Cưởng độ ảnh
GREEN

250
200
150
100
50
0
0

5

10

15



Hình 4.16 Giao diện mô tả kết quả hiệu chuẩn của 1 vị trí đặt ô
vuông bàn cờ

18


4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở
Độ phân giải cơ sở của thiết bị là khoảng cách tương ứng
với một điểm ảnh thu được trên cảm biến ảnh. Độ phân giải cơ
sở tại vùng có sự phân bố đồng đều nhất khi sử dụng mẫu chiếu
Gray 10 bit là (0,27x0,278 mm)/ điểm ảnh, tuy nhiên đối với
tọa độ các điểm đo xuất hiện nhiều vùng có sự phân bố không
đồng đều, điều này cũng tương tự xảy ra với các mẫu chiếu 9
bit. Như vậy, việc sử dụng mã hóa Gray cho phép đo độc lập có
độ phân giải không cao, khó đạt độ phân giải của một điểm ảnh
(xuất hiện các vùng mất dữ liệu như hình 4.16f). Với mẫu chiếu
8 bit cho thấy sự phân bố đồng đều giữa các điểm đo, đó là cơ
sở để luận án lựa chọn số mã hóa Gray 8 bit khi kết hợp với
phương pháp dịch pha.
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn

Độ phân giải cơ sở (mm)

Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được
0.37
0.35
Độ phân
giải theo

25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12

R1

R2
R3
R4
R5
0

50

100

150

200


21