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

NGUYỄN THỊ KIM CÚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐO CHI TIẾT CƠ KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà nội - 2018


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ.............................................................................. xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án ......................................................................................... 1
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án .............................................. 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ..................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 4
5. Kết cấu của luận án ........................................................................................................ 4
6. Các kết quả mới .............................................................................................................. 5
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG
CẤU TRÚC ........................................................................................................................... 6
1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc................................................................. 6
1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray .................................. 11

3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ ................................................. 96
3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt .................................. 100
3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp ................. 103
3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm .................................................................... 103
3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 .................................................................. 108
3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn.......................................... 113
3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp ................................................. 113
3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc ......................................................... 115
3.5 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 117
Chương 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO
PSGC ................................................................................................................................. 118
4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác ............................................................ 118
4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 ...................................................... 118
4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 .................................................... 122
4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 125
4.2 Khảo sát độ chính xác hệ thống ............................................................................... 126
4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn ........................................................ 126
4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu ........................................................................................ 130
4.2.3 Khảo sát độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn ................................................... 131
4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí. ................................................................... 131
4.4 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 134
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 135
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................................. 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 143
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các chữ viết tắt

DMD

Digital micromirror device

Thiết bị vi gương kỹ thuật số

DLP

Digital light processing

Xử lí ánh sáng kỹ thuật số

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

PSGC

Phase shift combined with Gray
code

Phương pháp đo sử dụng ánh
sáng cấu trúc dịch pha kết hợp
mã Gray

DOF

Depth of field


Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

BRDF

Bidirectional reflectance
distribution function

chức năng phân bố phản xạ hai
chiều khác nhau

MIGL

Maximum input graylevel

Mức xám đầu vào tối đa

ICP

Iterative Closest Points

Các điểm lặp gần nhất

RANSAC

RANdom SAmple Consensus

Phương pháp đồng nhất mẫu
ngẫu nhiên.



rad

Wrapped phase

Pha tương đối

kG

-

Gray code value

Giá trị mã Gray

(Ow ; x w , y w , z w )

-

World-coordinate system

Hệ tọa độ hệ thống

(Oc ; xc , y c , z c )

-

Camera-coordinate system

Hệ tọa độ máy ảnh


-

Rotation matrix

Ma trận quay

t

mm

Translation vector

Véc-tơ tịnh tiến

Pc

m

Pixel size

Kích thước điểm ảnh

(O; u, v)

Np Mp

Điểm ảnh Projector resolution

Độ phân giải máy chiếu


Ma trận nội thông số

k1, k2, k3

-

Radial distortion
coefficients

Các hệ số méo hướng tâm

p1, p2, p3

-

Tangential distortion
coefficients

Các hệ số méo tiếp tuyến

CCD size


Tọa độ điểm gốc (giao điểm trục
quang và mặt phảng ảnh)

u0c , v0c

-

The number f

Số f

f

mm

Focal langth

Tiêu cự thấu kính



Độ (  )

R0

-

S

Chu kỳ vân chiếu theo phương
ngang và phương dọc
Số chu kỳ vân Gray theo phương
ngang và phương dọc

Góc giữa trục quang của máy ảnh
và máy chiếu
Reference plane


OO = b

mm

L

mm

Khoảng cách từ đường cơ sở đến
mặt phẳng tham chiếu R0

I c (u, v)

Mức xám

Cường độ ánh sáng thu được từ
máy ảnh

I p (u, v)

Mức xám

Cường độ ánh sáng chiếu từ máy
chiếu

Im

Mức xám


Thời gan trễ của máy chiếu



-

Độ nhạy của máy ảnh

In

-

Nhiễu của máy ảnh

c

µm

n

-

Số điểm ảnh trong đám mây điểm

Si

-

Các vùng mức xám



p

%

The probability of a
successful detection

Xác xuất thành công của thuật toán

Circle of confusion

Kích thước vòng tán xạ

Giá trị mức xám thứ k
Tỉ lệ tổng số điểm ảnh có cùng
mức xám trong vùng Si
threso

Ngưỡng sai số cho phép
Số lần lặp


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất của vật liệu màu sắc đặc trưng với các hệ số phản xạ bề mặt ......... 33
Bảng 1.2 Các loại tiêu chuẩn đo ..................................................................................... 42
Bảng 2.1 Kết quả hiệu chuẩn trong hai trường hợp (a) và (b) ........................................ 82
Bảng 4.1 Dữ liệu đo chiều cao bậc ở các vị trí cắt khác nhau .................................... 1289
Bảng 4.2 Kết quả đo chi tiết bậc………………………………………………………………………………………131

Hình 1.25 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D1 ................................................................ 45
Hình 1.26 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu D2 ................................................................ 46
Hình 1.27 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu E2................................................................. 46
Hình 2.1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray ................... 49
Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán phương pháp đo sử dụng phương pháp PSGC ..................... 52
Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống ....................................................... 53


Hình 2.4 Sai lệch phép chiếu ảnh. .................................................................................. 54
Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn hệ thống. ............................................................. 57
Hình 2.6 Bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ ..................................................................... 58
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm thiết lập góc ô vuông bàn cờ ....................... 59
Hình 2.8 Khoảng cách từ các điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp. .............................. 60
Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống. ............................................... 62
Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh ............................................................ 63
Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm ........................................................................ 66
Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo ........................................................... 68
Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h. ............................................................... 69
Hình 2.14 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương ngang ......................................... 71
Hình 2.15 Bản đồ giải mã pha tuyệt đối theo phương dọc ............................................. 71
Hình 2.16 Xác định góc ô vuông bàn cờ ........................................................................ 72
Hình 2.17 Kết quả hiệu chuẩn bàn cờ kích thước (NxS)=(12 x 15) ............................... 74
Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn.... 76
Hình 2.19 Kết quả phù hợp mặt phẳng của các đám mây điểm 3D ............................... 80
Hình 2.20 Đồ thị mối quan hệ giữa góc ô vuông bàn cờ và lỗi phù hợp mặt phẳng ...... 81
Hình 2.21 Quan hệ giữa  và F trong ∆ ...................................................................... 82
Hình 2.22 Đồ thị mối quan hệ giữa ánh sáng môi trường xung quanh và các hệ số méo
ảnh của máy ảnh a, và máy chiếu b, ............................................................................... 84
Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn ......................... 85
Hình 3.1 Nguyên lý phản xạ ánh sáng của một bề mặt .................................................. 88

Hình 4.9 Xác định mặt cầu qua đám mây điểm quả quả cầu bán kính R2=36.50 (mm)
...................................................................................................................................... 130
Hình 4.10 Dựng lại biên dạng của chi tiết khuôn trong hai trường hợp (a) và (b). ...... 132
Hình 4.11 Hình ảnh đo chi tiết khuôn trên máy đo 3 tọa độ (a) ................................... 132
Hình 4.12 Ảnh xây dựng biên dạng 3D của chi tiết cơ khí .......................................... 134


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công
bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng
phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí
trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp
đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ
yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM,
máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò… Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính
xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài
phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn
bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng
hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học.
Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích
thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một
giây.
Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển
và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh
stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có
độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp
hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính
xác thấp hơn phương pháp quét tia laser.
Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng

hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp
này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết
phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá
trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray
(PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có
nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức
tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống
nhiễu cao.
Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC
gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn
về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều
khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế
giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương
pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí.
Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo
lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do
chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm
chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo
trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về
công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D
biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao
về kinh tế và kỹ thuật.

2


Như vậy, một trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực
đo lường 3D biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc là đảm bảo độ chính xác, cải thiện
những hạn chế của phương pháp đo này khi đo chi tiết cơ khí. Với mục đích nghiên
cứu các phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất


Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt bằng

phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp và ghép đám
mây điểm bù vùng bóng cho các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao và hình
dáng biến đổi nhiều.
3


Xây dựng được một quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo bề mặt 3D
thông qua các tiêu chuẩn quốc tế.
Ý nghĩa thực tiễn
Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết có
thể ứng dụng trực tiếp trong phép đo mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo
nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp.
Quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống sẽ giúp cho việc nghiên cứu hoàn
thiện độ chính xác các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc.
-

Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở xây dựng lựa chọn, tích hợp các thông số

hợp lý cho một hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo và độ phân giải xác định
giúp quá trình tính toán thiết kế hệ thống đo đạt độ chính xác cao nhất.

4. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận án đã sử
dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công
cụ toán học kết hợp tin học xử lý kết quả thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp các công trình
nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

môi trường.
Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết
bằng cách ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp
Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết
bằng cách đo chi tiết ở các hướng khác nhau và ghép đám mây điểm bù vùng bóng.
Xây dựng quy trình đánh giá sai số của hệ thống đo PSGC dựa trên các tiêu
chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ chính xác hệ thống đo trong nghiên cứu và chế tạo
sử dụng.

5


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT
CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
Chương này trình bày tổng quan về phương pháp đo biên dạng bề mặt 3D sử
dụng ánh sáng cấu trúc với phương pháp PSGC, làm rõ các ưu nhược điểm của phương
pháp khi đo các chi tiết cơ khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hệ thống cũng
được đề cập đến nhằm phân tích các vấn đề đã được giải quyết và các vấn đề còn tồn
tại. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này như: thông
số hình học của hệ thống, đặc tính bề mặt, vật liệu của chi tiết đo, phương pháp xử lý
dữ liệu 3D, thông số kĩ thuật của thiết bị. Khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài
nước, đặc biệt tập trung hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác là độ chính xác hiệu
chuẩn và đặc tính phản xạ bề mặt chi tiết đo. Thông qua việc trình bày tình hình nghiên
cứu, phần kết luận chương 1 tổng quát hóa về các vấn đề được trình bày và đề xuất
phương án nghiên cứu.

1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc
Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh số, máy
chiếu kỹ thuật số và công nghệ thông tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D bằng ánh sáng cấu
trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào rất nhiều ngành như: công


Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, thông
thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình ảnh và một
bộ xử lý, phân tích ảnh. Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thu ảnh có
thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu
một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh
sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy
ảnh. Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm
ảnh trên cảm biến ảnh. Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha
của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng
chuẩn. Mặt phẳng chuẩn là mặt phẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và
máy chiếu và song song với đường nối giữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu.
Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo
vùng bề mặt có khả năng thu được toàn bộ bề mặt 3D tốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và
dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường [19], [69].
Với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser
được điều biến theo dạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo. Để đo toàn
bộ bề mặt 3D phải kết hợp cả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo
lường dịch chuyển phức tạp. Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các
7


tọa độ theo điểm hoặc đường, do vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [29].
Hiện nay, có rất nhiều mô hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa
chọn công cụ và phương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là
rất quan trọng. Trong luận án này, phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo
phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựa chọn để nghiên cứu và giải quyết các
vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí. Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi
trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển động của đầu đo hay chi tiết đo
trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ


đường vạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới
điểm ảnh trên màn hình. Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được
bỏ qua. So với các phương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua
cách tử thì phương pháp DFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn,
so sánh với phương pháp tạo vân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP không
bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu và lỗi dịch pha. Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo
ra chất lượng vân chiếu không cao, vì vậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao
thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiên cứu kỹ. Do vậy cấu hình phần cứng của
thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnh hưởng của thiết bị. Độ phân giải quang
học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộng của vân được sử dụng, chất lượng
của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng. Độ phân giải của
hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnh trên diện tích bề mặt cảm
biến ảnh [38]. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP
với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùng nhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm)
nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ.
Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và
phát triển giải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể.
Trong đó phương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống
nhiễu tốt khi đo các bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ
phân giải không gian hoặc thời gian cao [100]. Một số tác giả [7], đã đánh giá chi tiết
các kỹ thuật khác nhau như: phương pháp mã nhị phân Gray code [22] phương pháp
mã dịch pha [33], [58], phương pháp mã hóa màu [51], phương pháp kết hợp mã dịch
pha và Gray [63], [94].
Trong các phương pháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời
gian thì phương pháp kết hợp được coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn
nhất [90], [103] cho phép đo các bề mặt 3D không liên tục và phức tạp. Gần đây việc
kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thành một xu hướng phát triển và điểm nóng
nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc [10]. Phương pháp kết hợp
này tận dụng lợi thế và hạn chế các nhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm

mặt cần có công đoạn tiền xử lý và hậu xử lý về mặt trước và sau khi đo làm tăng chi
phí khi đo. Như vậy, khi nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc để đo
các chi tiết có phản xạ bề mặt cao vấn đề về ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cần được
nghiên cứu để làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chính xác của hệ thống.
Đặc điểm của chi tiết cơ khí với vật liệu kim loại thành phần truyền qua là rất
nhỏ coi như bằng không, thành phần phản xạ bề mặt là rất lớn. Do bề mặt vật liệu kim
loại có mức biến đổi cường độ cao hơn rất nhiều so với bức xạ thông thường. Mức độ
phản xạ và tán xạ của bề mặt chi tiết phụ thuộc vào nhám và biên dạng bề mặt, đặc
tính vật liệu của bề mặt. Cường độ phản xạ bề mặt thu được phụ thuộc vào hướng
chiếu và thu ánh sáng
Có thể thấy rằng, phương pháp đo biên dạng 3D ánh sáng cấu trúc đang được
nghiên cứu sâu và ngày càng phát triển, vì vậy vấn đề nghiên cứu và phương pháp đo
3D là cấp thiết để phục vụ phát triển công nghiệp nói riêng và hiện đại hóa đất nước
nói chung. Với phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray này tận dụng
được khả năng chống nhiễu tốt của mã Gray, và có thể gỡ pha tuyệt đối của mã hóa
tương tự mà không có sự tích lũy lỗi. Hơn nữa sử dụng kỹ thuật dịch pha để thực hiện
phép đo với mật độ lấy mẫu cao, độ phân giải cao và độ chính xác cao.
Để giải quyết vấn đề đo các chi tiết cơ khí gia công CNC với bề mặt phức tạp có
phản xạ bề mặt cao thì phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray
là phương pháp phù hợp nhất. Muốn vậy cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu các phương
pháp đảm bảo và nâng cao độ chính xác lên hơn nữa cũng như giải quyết vấn đề giảm
ảnh hưởng của phản xạ bề mặt.

10


1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp
Gray
Trong các phương pháp đo bằng ánh sáng cầu trúc, phương pháp dịch pha có độ
phân giải cao nhất nhờ việc, xác định giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy


Trong đó: Ii (x, y, t) là cường độ ánh sáng của các ảnh mẫu chiếu được chiếu
bằng máy chiếu. I’(x, y) là cường độ ánh sáng nền, I’’(x, y) là cường độ ánh sáng điều
biến, (x, y) là thành phần pha lý tưởng, (𝑡) =

2𝜋
4

𝑖 là hằng số góc dịch pha, i=1, 2,

3, 4. Mỗi thuật toán dịch pha được lựa chọn sẽ có quy trình đo và xử lý dữ liệu khác
11


nhau. Các thuật toán dịch pha đã được phát triển như: Dịch pha 3 bước [27], [11], dịch
pha 4 bước, dịch pha 5 bước [96]. Số bước dịch pha sử dụng càng nhiều thì ảnh hưởng
của nhiễu càng nhỏ. Tuy nhiên, dùng nhiều bước vân mẫu dịch pha thì quá trình gỡ
pha sẽ rất phức tạp.
Ảnh mẫu dịch pha 4 bước với pha là [107]:

I1 ( x, y) = I ' ( x, y) + I '' ( x, y) cos  ( x, y) 

(1.2)



I 2 ( x, y) = I ' ( x, y ) + I '' ( x, y ) cos  ( x, y) + 
2



hóa ánh sáng cấu trúc là 1 chu kỳ trên toàn bộ vùng chiếu, thì thuật toán gỡ pha là
không cần thiết song độ phân giải các điểm đo sẽ thấp nhất. Tần số sóng sin càng cao
thì độ phân giải càng lớn nhưng sẽ chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu và cần phải sử
dụng thuật toán gỡ pha. Bản chất của quá trình gỡ pha là quá trình xác định các vị trí
gián đoạn 2. Sau đó di chuyển các đoạn pha tương đối này bằng cách thêm hoặc bớt
đi một số lượng kG(x, y) modul pha 2 để nối tiếp các pha tương đối thành pha tuyệt
đối liên tục trên toàn bộ vùng không gian đo.
Hiện nay, có hai phương pháp gỡ pha được nghiên cứu ứng dụng [73]: gỡ pha
không gian và gỡ pha thời gian. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là gỡ pha
thời gian không đòi hỏi phải biết các thông tin pha điểm ảnh lân cận để thực hiện gỡ
pha. Gỡ pha không gian quayquanh phát hiện sự gián đoạn 2π từ các điểm ảnh lân cận
và do đó đòi hỏi bề mặt liên tục. (Ví dụ, bề mặt hình học không thể gây ra những thay
đổi pha 2π). Thuật toán gỡ pha không gian thường ứng dụng đo các bề mặt bằng phẳng
và không có vùng bị gián đoạn. Ngược lại phương pháp gỡ pha thời gian là phù hợp
để đo chi tiết đo có bề mặt hình học tùy ý. Pha tuyệt đối có thể thu được thông qua một
12


số phương pháp gỡ pha thời gian đã được nghiên cứu: thêm các dấu trên ảnh liên tục,
sử dụng thuật toán dịch pha nhiều tần số hoặc một thuật toán mã hóa nhị phân và dịch
pha [96], mã hóa Gray kết hợp dịch pha [105], mã hóa bậc thang kết hợp dịch pha [81].
1.2.2 Phương pháp mã Gray
Phương pháp mã Gray cho phép mô tả 2n vùng chiếu khác nhau của máy chiếu.
Số chỉ thị của hướng chiếu có thể được xác định rõ ràng bằng số lượng từ mã sử dụng
hai mức xám (trắng và đen) với ưu điểm thiết lập hệ thống đơn giản và chống nhiễu
tốt và có thể đo các bề mặt gián đoạn hoặc các bề mặt đơn độc. Tuy nhiên phương
pháp này lại có nhược điểm: độ phân giải thấp và dải động thấp. Tùy thuộc vào độ
phân giải của phép đo mà số lượng mẫu chiếu được sử dụng khác nhau [59]. Độ phân
giải càng cao thì càng yêu cầu nhiều ảnh mẫu chiếu. Để tăng độ phân giải theo các
phương, phải tăng số ảnh mẫu chiếu, tuy nhiên việc tăng số mẫu chiếu bị giới hạn bởi

[83]. Phương pháp Gray sử dụng hệ thống vân có tính chất thuận nghịch để làm giảm
bớt sự sai lệch của các bít và ngăn chặn ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng. Sau đó
tìm giao điểm của hai ảnh chiếu thuận và ảnh chiếu nghịch để tìm vị trí của biên. Vì
ranh giới giữa mã 0 và mã 1 khi chiếu lên bề mặt sẽ có biên dạng phi tuyến nên việc
nội suy tuyến tính sẽ được sử dụng giữa các điểm lấy mẫu gần nhất (mức xám của các
điểm ảnh gần đó). Phương pháp mã hóa Gray dựa trên biên của vân thông qua giá trị
mã xám của điểm biên trong ảnh dạng cường độ tương ứng với các điểm trong ảnh mã
hóa. Các biên của vân là các đường thẳng khi ảnh mẫu chiếu trên mặt phẳng tham
chiếu. Sau khi xác định được biên của vân, bước tiếp theo là xác định số thứ tự của
vân trong ảnh cường độ. Khi xác định số thứ tự vân trong các ảnh mẫu được chiếu mã
Gray xác định bởi giá trị mức xám 0 hoặc 1 ở vị trí tương ứng với biên của vân sau khi
nhị phân hóa trong ảnh cường độ.
1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray
Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương
pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code)
là phương pháp được quan tâm nhiều nhất. Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí.
Nguyên lý đo 3D của phương pháp PSGC là chiếu tuần tự các ảnh mẫu dịch pha và
mã Gray lên chi tiết đo (như hình 1.4), vân mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D của chi
tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh, sự biến dạng của vân mẫu ánh sáng trên chi
tiết so với vân mẫu ánh sáng được chiếu phụ thuộc vào hình dạng bề mặt chi tiết đo
[22]. Thông qua các quan hệ hình học giữa vị trí máy chiếu và máy ảnh, giữa cường
độ các điểm ảnh và mẫu chiếu thu được có thể xác định được độ sâu của các điểm bề
mặt chi tiết đo dựa vào phương pháp tam giác lượng.
Một đơn vị mã duy nhất của mã Gray sẽ xác định thứ tự vân kG(x, y) tương ứng
với mỗi chu kỳ pha 2π, với kG(x, y) là số nguyên đại diện cho thứ tự vân. Mục tiêu của
thuật toán gỡ pha là tìm được thứ tự mỗi chu kỳ sin một cách chính xác cho mỗi điểm
ảnh. Trong phương pháp PSGC, giá trị chính của mã sin được gỡ bằng thuật toán dịch
pha để thu được bản đồ pha tương đối, còn giá trị tuyệt đối hay thứ tự pha được xác
định bằng thuật toán Gray. Nhờ đó thuật toán dịch pha kết hợp mã Gray có khả năng
đo biên dạng bề mặt 3D của các chi tiết phức tạp có bề mặt không liên tục và độ dốc