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 ............................................................................................................................... 8
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................... 8
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................ 9
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 10
4. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................ 10
5. Nội dung luận án ..................................................................................................... 11
6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 11
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................... 13
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC .................... 13
1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc ................................. 13
1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng
3D .................................................................................................................................... 15
1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc .............. 15
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc ......................................................... 16
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng ...................................................................................... 22
1.2.4. Hệ thu ảnh vân ................................................................................................... 23
1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. ....... 26
1.3.1. Hệ thống đo dạng 1............................................................................................ 26
1.3.2. Hệ thống đo dạng 2............................................................................................ 29
1.3.3. Hệ thống đo dạng 3............................................................................................ 31
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................... 32
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 32
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 36
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án................................................................ 38
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 39
PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ

3.2.1. Thuật toán tạo mẫu ảnh chiếu ............................................................................ 72
3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh .............................................................................. 74
3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo.............................................................. 76
3.2.4. Thuật toán hiệu chỉnh hệ thống ......................................................................... 77
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo.................................................. 78
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 ............................................... 79
2


3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến ....................................................................... 79
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển ............................................................. 80
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................... 81
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................................... 82
XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D STL-1 VÀ THỰC NGHIỆM ................... 82
4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 ............................................................. 82
4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu .................................................................................................... 84
4.3. Hiệu chỉnh đặc tính quang của cụm cảm biến .......................................................... 88
4.3.1. Hiệu chỉnh sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu. ..................................... 88
4.3.2. Xác định đặc tính màu của cụm cảm biến ......................................................... 93
4.3.3. Hiệu chỉnh cường độ sáng ảnh xám .................................................................. 93
4.3.4. Hiệu chỉnh thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ ................... 96
4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo ............................................................................. 98
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở ............................................................................... 98
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn ............................................................................................ 101
4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn ................................................................................... 104
4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 .................................................... 106
4.5.1. Kết quả đo tại một phương chiếu .................................................................... 106
4.5.2. Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu107
4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh ........................................................ 109
4.6. Kết luận chương 4 .................................................................................................. 110

Imod(x, y)

Biên độ tín hiệu điều chế

∅(x, y)

Thành phần pha

θ

Hằng số dịch pha

u

Phương ngang cảm biến ảnh

v

Phương dọc cảm biến ảnh

α

Góc nghiêng hai phương u, v

k1, k2, k3, k4, k5

Hệ số đặc trưng quang sai

fx


n

Số ảnh trong phương 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 1.8 Đánh dấu đường sử dụng màu sắc [62] ........................................................................... 19
Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] ......................................................... 19
Hình 1.10 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] .................................................... 20
Hình 1.11 Mảng 31 x 33 với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] ........................................................ 20
Hình 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84]...................................... 20
Hình 1.13 Mô hình lưới màu sắc [2] ............................................................................................... 21
Hình 1.14 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] ............................................................. 21
Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27] ................................................................ 22
Hình 1.16 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD ............................................................................................ 23
Hình 1.17 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng................................................................................... 24
Hình 1.18 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) ..................................................... 24
Hình 1.19 Quy ước hệ tọa độ trong mô hình camera lỗ nhỏ [133] ................................................. 25
Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống đo của Srinivasan [113] ........................................................................ 27
Hình 1.21 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa .................................... 28
Hình 1.22 Mô hình toán học cho hệ thống đo của Hu [87]............................................................. 29
Hình 1.23 Mô hình hình học cho sơ đồ bố trí tổng quát [137]. ...................................................... 31
Hình 1.24 Sơ đồ các hướng nghiên cứu đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân ....... 32
Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha ....................................................... 40
Hình 2.2 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha ....................................................... 42
Hình 2.3 Mẫu chiếu dạng mã Gray. ................................................................................................ 49
Hình 2.4 ảnh thể hiện quá trình đo theo phương pháp Gray. ......................................................... 50
Hình 2.5 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh .............................................................................. 52
Hình 2.6 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu ................................................ 52
Hình 2.7 Ví dụ về mã hóa Gray ....................................................................................................... 53
Hình 2.8 Phân bố pha trong không gian mã hóa Gray ................................................................... 53
Hình 2.9 Ví dụ quét biên dạng 3d chi tiết bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ
pha. ................................................................................................................................................... 54
Hình 2.10 Mô hình xác định đám mây điểm đo[133] ...................................................................... 56
Hình 2.11 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau ............ 57
Hình 2.12 Xác định tọa độ 3D của điểm M ..................................................................................... 57

Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray
.......................................................................................................................................................... 90
Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị ............................................ 93
Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến
.......................................................................................................................................................... 94
Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu ...................................................... 95
Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chỉnh ...................................................... 95
Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ ............................... 96
Hình 4.16 Giao diện mô tả kết quả hiệu chỉnh của 1 vị trí đặt ô vuông bàn cờ .............................. 97
Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng ............................................ 101
Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM ........................................ 102
Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được ....................................................................... 102
Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h ................. 103
Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn ...................................................................... 104
Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. ........................................................... 105
Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu .............................. 107
Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu .................................. 108
Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. ............................................................. 109

7


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 quá trình
sản xuất, công 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 thông tin về hình dạng, màu sắc, kích thước…. Những

8


chiếu xác định được các điểm hoặc đường trên bề mặt chi tiết quét dựa trên nguyên lý tam
giác lượng. Kỹ thuật quét laser cung cấp độ chính xác cao, dữ liệu đo dễ xử lý và máy quét
có thể được làm với kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, máy quét laser là một thiết bị quét dạng
điểm hoặc đường, khi cần quét toàn bộ chi tiết đo cần hệ thống dẫn động như các thiết bị đo
tọa độ nên việc đo toàn bộ vật thể cần có thời gian. Trong khi đó, thiết bị đo sử dụng phương
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 được tiến hành nhanh hơn. Một máy quét
laser có thể đo hàng ngàn hoặc hàng chục ngàn điểm trong một giây thì thiết bị đo ánh sáng
cấu trúc có thể đo được hơn một triệu điểm trong một vài giây tùy thuộc vào cấu hình phần
cứng. Phương pháp quang trắc sử dụng nhiều camera quan sát vật đo từ nhiều góc khác nhau.
Sử dụng các ảnh đó để nội suy ra tọa độ 3D của vật quét. Trong phương pháp này, khó khăn
lớn nhất là đánh dấu các điểm trùng nhau trên các bức ảnh. Bằng việc nghiên cứu những
thuật toán và cách đánh dấu của nhà nghiên cứu tạo ra các mặt nạ giúp cho việc đánh dấu
được chính xác, tuy nhiên các phương pháp đó làm cho việc đo toàn bộ vật thể gặp khó khăn
cũng như các điểm đo bị hạn chế do các mặt nạ đem lại.
Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ
gia công trên máy CNC đã chế tạo ra các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ 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 không được khai thác hết do phụ thuộc vào phần mềm của hãng cung cấp, quá trình
bảo dưỡng sửa chữa có tính chuyên 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

 Nghiên cứu tổng hợp, ứng dụng mô hình toán học trong phương pháp kết hợp giữa mã
hóa Gray và dịch pha. Trong đó, việc sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha thể hiện được khả
năng nâng cao chất lượng và độ chính xác của dữ liệu đo.

 Từ những lỹ thuyết đã nghiên cứu, xây dựng được mô hình thiết bị đo sử dụng phương
pháp mã hóa Gray kết hợp với dịch pha để thu nhận thông tin từ bề mặt của một số chi tiết
cơ khí và dữ liệu có khả năng thực hiện các phép đo hình học trong môi trường 3D.
b) Ý nghĩa thực tiễn
Đã thực hiện nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp được một thiết bị đo quét biên
dạng của chi tiết có kích thước đối xứng 2D, sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp phương pháp
mã hóa Gray và dịch pha. Thiết bị đảm bảo độ tin cậy phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa
học. 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 công tác giảng dạy tại bộ môn Cơ khí chính xác và
Quang học trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Mở ra hướng nghiên cứu, ứng dụng phương
pháp đo sử dụng thiết bị chiếu và camera vào đo lường biên dạng 3D trong các lĩnh vực
thuộc công nghiệp, may mặc thời trang, an ninh.... tại Việt Nam.
4. Các đóng góp mới của luận án

 Ứng dụng phương pháp đo dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ pha vào đo lường
biên dạng cơ khí.

 Xây dựng được phần mềm khảo sát quá trình đo, phần mềm xử lý tín hiệu đo, phần
mềm hiệu chỉnh để thiết bị hoạt động hiệu quả.

 Lần đầu tiên xây dựng được một thiết bị đo biên dạng chi tiết đối xứng 2D ở Việt Nam
bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa dịch pha và mã Gray từ những

10



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 mô 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 mô hình toán học, xác định các quan hệ của hệ thống

11


quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá trình hiệu
chỉnh 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
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 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.

12


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 từ đó xác định 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

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. 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 công 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

Ứng dụng

 Vùng đo: 38 x 29 ÷ 2000 x
1500 mm².

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


 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.

 Quét biên dạng 3D các dạng
sản phẩm: chi tiết cơ khí, đồ
mỹ nghệ, các chi tiết nhựa….
 Quét các dạng chi tiết có
kích thước trung bình.

Trên bảng 1 là ví dụ một số thiết bị sử dụng ánh sáng cấu trúc được nghiên cứu và phát
14


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 quét các chi tiết có kích thước trung
bình. Thiết bị quét cầm tay ARTEC EVA có tính linh động cao phù hợp quét các chi tiết lớn.
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 0,02 mm trong phạm vi 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 không xác định. Thiết bị đo sử dụng phương 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 được tiến hành nhanh hơn. Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp đo biên
dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công

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 thông 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 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 quá trình điều khiển, xử lý thông tin và truy xuất dữ liệu đo.
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
[108] 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. ”
Khái niệm được dịch như sau: ánh sáng có cấu trúc là quá trình chiếu các mẫu đã biết
lên khung hình, những biến dạng bề mặt cho phép để tính toán độ sâu và thông tin bề mặt

nhị phân tồn tại trong tất cả các điểm ảnh). Tuy
Hình 1.3 Mẫu mã nhị phân [61]
nhiên, để đạt được độ phân giải cao cần số lượng lớn
các ảnh chiếu đòi hỏi thời gian xử lý lâu nên không đo được các chi tiết theo thời gian thực.
b) Mẫu ảnh chiếu mã hóa theo cấp độ xám
Mẫu chiếu mã hóa theo cấp độ xám được
nghiên cứu để giảm số lượng mẫu chiếu so với
phương pháp mã hóa nhị phân mà vẫn đảm bảo độ
phân giải. 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 tạo ra MN vạch.
Tuy nhiên, cần tối ưu hóa trong thiết kế các mô hình
mã hóa nhị phân và mức xám để có thể phân biệt
được những vạch liền kề khi chiếu lên vật cần đo.
Trên hình 1.4 là ví dụ khi sử dụng mã hóa xám 3 Hình 1.4 Mã hóa cấp độ xám với N= 3,
M= 3 [114]
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.

17


c) Mẫu ảnh chiếu dạng sin.
Phương pháp dịch pha là phương pháp
chiếu vân được nghiên cứu nhiều nhất để thu
được hình ảnh 3D của một vật thể. Các mẫu
chiếu mã hóa dạng sin cường độ điểm ảnh theo
không gian chiếu. Trường hợp đơn giản nhất là
phương pháp dịch pha 3 bước [61, 83], cường

rõ thông tin mã hóa. Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về mô hình biến đổi cường độ cho ba màu
cơ bản khi kết hợp tạo thành một mô 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 không đồng đều.

18


Hình 1.7 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [134]

f) Mẫu ảnh chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc
Trên hình 1.8 là một hình ảnh minh họa về sử
dụng mẫu chiếu đánh dấu đường sử dụng màu sắc, sử
dụng 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. Độ phân giải của phương pháp phụ thuộc vào số
lượng màu độ rộng vạch mã hóa. Phương pháp đo cho
tốc độ đo cao tuy nhiên khó đo các bề mặt có màu sắc
Hình 1.8 Đánh dấu đường sử dụng
và độ phân giải không cao.
màu sắc [62]
g) Mẫu ảnh chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn
Mẫu ảnh chiếu có thể được mã hóa với
các đường gián đoạn (hình 1.9). Phương pháp
chỉ áp dụng cho bề mặt trơn hoặc biên dạng
không quá phức tạp vì đặc điểm của bề mặt có
thể là nguyên nhân khó xác định được các
Hình 1.9 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa
đường đã mã hóa.

k) Mẫu ảnh chiếu theo mô hình mã nhỏ
Thay vì sử dụng một mảng nhị phân ngẫu nhiên như trên có thể sử dụng mảng ngẫu
nhiên đa giá trị [84]. Hình 1.12 mô tả ba giá trị mảng ngẫu nhiên và một tập hợp các mảng
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 không 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 1.12 Mô tả mẫu ảnh chiếu được mã hóa theo mô hình mã nhỏ [84]

20


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 hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào các ứng dụng (Hình
1.13). Việc mã hóa này giúp xác định các điểm quét theo cả 2 hướng. Tuy nhiên, nếu bề 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 1.13 Mô 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 toán máy tính. Ví dụ hình 1.14 (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.

Công nghệ Digital Light Processing là giải pháp hiển thị kỹ thuật số sử dụng một vi
mạch bán dẫn quang học, gọi là thiết bị vi gương số DMD (Digital Micromirror Device) để
tái hiện dữ liệu nguồn.

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP [27]

Trên hình 1.15 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu DLP. Một chip DMD
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. Công nghệ máy chiếu DLP có các ưu điểm sau:
 Các chip DMD cho độ phân giải cao, kích thước máy chiếu nhỏ. Mỗi điểm ảnh có thể
điều khiển 256 mức cường độ xám khi chiếu ảnh xám.

22


 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 thông thường, tại vị trí mặt phẳng ảnh là một cảm biến ma trận ảnh.
Cảm biến này là thiết bị lấy mẫu cho cảm biến đầu vào và biến đổi tín hiệu quang 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 1.16. Mỗi điểm ảnh có

∞

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

(1.3)

𝑛=0

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 hoàn hảo, không có quang sai ở miền gần trục. Khi góc tới tăng lên,
sin 𝑥 = 𝑥 −

𝑥3
3!

, có quang học bậc 3, khi này các tia sáng không còn 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. Trên hình 1.18 thể hiện sự sai khác vị trí điểm ảnh do quang sai gây ra.

(a)



(1.4)

Trong đó: R, T là ma trận quay và ma trận chuyển vị.
Ảnh của điểm P trên cảm biến ảnh là P’(u, v) khi đó theo tọa độ camera tọa độ điểm
P’ được xác định bởi:
(𝐶)

[𝑢𝑃 , 𝑣𝑃 , −1] = [

𝑥𝑃

(𝐶)

−𝑧𝑃

(𝐶)

,

𝑦𝑃

(𝐶)

−𝑧𝑃

(𝐶)

,