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


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

Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Vinh
2. TS. Phạm Xuân Khải

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo
điều kiện thuận lợi về thời gian cho tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Quang - Cơ Điện Tử 307 C4-5 Bộ môn
Cơ Khí Chính Xác & Quang học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
tốt nhất về cơ sở vật chất thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, bố mẹ, chồng và các con
gái, anh chị em, bạn bè đã động viên, giúp đỡ, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình
nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Kim Cúc


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
1.2.1 Phương pháp dịch pha..........................................................................................11

77
82
86
87
87

3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp .................. 91
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


DLP

Digital light processing

LCD

Liquid crystal display

PSGC

Phase shift combined with Gray

DOF

code
Depth of field

Nghĩa tiếng Việt
Không gian 2 chiều
Không gian 3 chiều
Điều khiển số bằng máy tính
Máy đo tọa độ
Thiết bị vi gương kỹ thuật số
Xử lí ánh sáng kỹ thuật số
Màn hình tinh thể lỏng
Phương pháp đo sử dụng ánh
sáng cấu trúc dịch pha kết hợp
mã Gray
Độ sâu trường ảnh

ICP

Iterative Closest Points

RANSAC

RANdom SAmple Consensus

SVD

Singular value decomposition

STD

Standar deviation

Dải tương phản động mở rộng
Bản đồ pha mặt phẳng chiếu
Bản đồ pha khi có vật
Chiếu vân kỹ thuật số
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
chức năng phân bố phản xạ hai
chiều khác nhau
Mức xám đầu vào tối đa
Các điểm lặp gần nhất
Phương pháp đồng nhất mẫu
ngẫu nhiên.

Độ lệch chuẩn



-

Camera-coordinate system

(O p ; x p , y p , z p )

-

Projector coordinate system

-

Image-coordinate system

c

-

Camera scale ratio

p

-

Projector scale ratio

R

-

Điểm ảnh Camera resolution

Mc

m

Cu C v
c

fvc

p

p

fu ,

f u , fv
A
k1, k2, k3
p1, p2, p3

CCD size

Nghĩa tiếng
Việt Pha tuyệt đối
Pha tương đối
Giá trị mã Gray
Hệ tọa độ hệ thống
Hệ tọa độ máy ảnh

Các hệ số méo hướng tâm

-

Tangential distortion
coefficients

Các hệ số méo tiếp tuyến


-

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

Tu ,Tv

Điểm ảnh

Chu kỳ vân chiếu theo
phương ngang và phương dọc

nTu, nTv

-

Số chu kỳ vân Gray theo
phương ngang và phương dọc

u0c , v0c

B B

Width

Focal langth

Depth

Kích thước vùng đo theo chiều cao
rộng sâu

Đường kính khẩu độ ống kính
Số f
Tiêu cự thấu kính
Góc giữa trục quang của máy
ảnh và máy chiếu

)
Reference plane

Mặt phẳng tham chiếu

Checker size

Kích thước ô vuông bàn cờ

mmCheckboard size

Kích thước bảng hiệu chuẩn


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

Cường độ ánh sáng môi
trường xung quanh

RA

-

Base line

Hệ số phản xạ bề mặt tại điểm A


tc
tp

Si

-

l

-

Ik

Mức xám

Kích thước vòng tán xạ

Số điểm ảnh trong đám mây
điểm Các vùng mức xám
Thứ tự mức xám trên thang độ
xám từ 0 đến 255 mức
Giá trị mức xám thứ k

p(Si )

%

Tỉ lệ tổng số điểm ảnh có
cùng mức xám trong vùng Si

threso
k



DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc.................................................7
Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; [95].........................................................11
Hình 1.3 Hệ thống đo 3D sử dụng mã Gray [14]............................................................13
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo PSGC.................................................................15
Hình 1.5 Mã hóa các mặt phẳng ánh sáng với n=3 trên bản đồ pha............................... 15
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xác định tọa độ của điểm đo..................................................16
Hình 1.7 Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đối và thứ tự vân....................................19
Hình 1.8 Giải mã bản đồ pha tương đối qua hai phương chiếu [98]...............................20
Hình 1.9 Thuật toán RANSAC phù hợp dữ liệu đám mây điểm [86].............................22
Hình 1.10 Hiệu chuẩn hệ thống bằng cách di chuyển chính xác mẫu hiệu chuẩn [95] .. 24

Hình 1.11 Mô hình máy ảnh lỗ nhỏ [102].......................................................................25
Hình 1.12 Điểm ảnh bị sai lệch khi có méo ảnh............................................................. 27
Hình 1.13 Biến dạng pha trên các điểm góc của bảng hiệu chuẩn. [98].........................30
Hình 1.14 Mô hình quang học hệ thống đo [42]............................................................. 31
Hình 1.15. Đồ thị biểu diễn ảnh mối quan hệ của góc chiếu vật liệu và phản xạ bề mặt của
các vật liệu khác nhau [60]..............................................................................................32

Hình 1.16 Mô hình phản xạ với hai thành phần phản xạ và tán xạ [60]......................... 34
Hình 1.17 Bề mặt phản xạ với các độ nhám khác nhau [60].......................................... 35
Hình 1.18 Ảnh chi tiết đo khi đo bằng ánh sáng cấu trúc...............................................36
Hình 1.19 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A1 [28]......................................................... 42
Hình 1.20 Đánh giá các giá trị được định chuẩn cho loại A1 [28]..................................43
Hình 1.21 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu A2 [28]......................................................... 43
Hình 1.22 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B2 [28].........................................................44
Hình 1.23 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu B3 [28]......................................................... 44
Hình 1.24 Minh họa sơ đồ vật chuẩn kiểu C3.................................................................45

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 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số phản xạ bề mặt..........................................89
Hình 3.3 Biểu đồ Histogram đánh giá chất lượng ảnh và mức phơi sáng.......................93
Hình 3.4 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng nhỏ hoặc mức độ phản xạ bề mặt
thấp..................................................................................................................................94
Hình 3.5 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng lớn hoặc mức độ phản xạ lớn......94
Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp......95
Hình 3.7 Ghép hai đám mây điểm bằng phương pháp ICP [72].....................................98
Hình 3.8 Đồ thị mối quan hệ giữa cường độ chiếu ảnh và độ rọi.................................101
Hình 3.9 Đồ thị mối quan hệ giữa thời gian phơi sáng và cường độ ảnh thu...............102
Hình 3.10 Đo độ nhám bề mặt của các chi tiết nhôm................................................... 103
Hình 3.11 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết khuôn với các độ phơi sáng khác nhau .. 106

Hình 3.12 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =16ms.....................................106


Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm.............107
Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu.....107
Hình 3.15 Đồ thị Histogram của ảnh chi tiết nhôm với các độ phơi sáng khác nhau...110
Hình 3.16 Đám mây điểm 3D của chi tiết nhôm với t0 =12,5 ms.................................111
Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm.............111
Hình 3.18 Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu a, .. 112

Hình 3.19 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng.................................................114
Hình 3.20 Kết quả ghép đám mây điểm bù vùng bóng.................................................116
Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định nhiều mặt phẳng................................................... 121
Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang xác định bán kính cầu theo tiêu chuẩn E1....................122
Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán xác định mặt cầu................................................................. 124

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 cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa
theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết
cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy
ảnh. Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các
vân trong ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so
với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo
thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến
bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên
dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày
càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18].
Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là có
độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh hưởng
của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh
1


sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường
các chi tiết cơ khí. Do vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều
hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp
để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra
các chi tiết cơ khí [20], [61], [62].
Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian
như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì
phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo
tạo nên độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo


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
lượng sản phẩm trong sản xuất cơ khí, tăng được tính chủ động trong công nghệ đo
lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật công nghệ, phần mềm và giảm chi phí nhập khẩu
từ nước ngoài. Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án:
Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng
đo chi tiết cơ khí.

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Mục đích nghiên cứu
Mục đích chính của luận án là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phép đo
sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường
biên dạng 3D các chi tiết cơ khí được gia công bằng công nghệ CNC.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu luận án là hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng
máy ảnh và máy chiếu số để đo lường các chi tiết được gia công bằng công nghệ
phay CNC.
Cụ thể là nghiên cứu các phương pháp làm tăng độ chính xác tích hợp và hiệu
chuẩn hệ thống máy đo PSGC. Đo lường các chi tiết cơ khí có độ phản xạ cao.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng
đến độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bằng bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn
cờ. Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi
đo các chi tiết hợp kim nhôm khi phay tinh bằng máy phay CNC.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học

diễn dịch trong lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số
làm việc của hệ thống đo PSGC. Xây dựng các thuật toán và chương trình xử lý tín
hiệu đo.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm của
phương pháp PSGC phù hợp với các nội dung nghiên cứu của luận án, cho phép thực
nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo của hệ thống đo PSGC.
Thu thập, phân tích số liệu và xử lý các kết quả thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng,
giữa các kết quả thực nghiệm với lý thuyết bằng các phần mềm xử lý kết quả thực
nghiệm.

5. Kết cấu của luận án
Luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sử dụng phương pháp ánh sáng
cấu trúc.
Chương 2: Phương pháp nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC.
Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí.
Chương 4: Xây dựng quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo PSGC.

4


6. Các kết quả mới
Luận án đã nghiên cứu xác định một số thông số chính ảnh hưởng đến độ chính
xác của phương pháp đo PSGC: các thông số cấu trúc hệ thống, độ chính xác phương
pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt và phương pháp xử lý dữ liệu 3D.
Xây dựng thuật toán và phần mềm chương trình đo sử dụng phương pháp ánh
sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray để nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn đã xác
định được các thông số hợp lý về: kích thước ô vuông bàn cờ, độ chính xác ô vuông
bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép trong hiệu chuẩn và ảnh hưởng của ánh sáng
môi trường.

được ứng dụng trong các thiết bị đo lường kiểm soát chất lượng trong sản xuất, chuẩn
đoán bệnh trong y tế, bảo tồn di sản trong khảo cổ học hay đo lường kích thước cơ
thể người trong công nghệ thời trang và giải trí. Với phép đo đạt độ chính xác cao,
thời gian lấy mẫu nhanh, cho phép dựng ảnh 3D chi tiết đo nhanh chóng có thể thực
hiện theo thời gian thực [21]. Ngoài ra, sự phát triển của khoa học máy tính đã trợ
giúp đáng kể cho con người trong việc thiết kế và mô phỏng trong công nghiệp từ các
kích thước đo trên sản phẩm. Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc
có thể số hoá nhanh chóng hình dáng của các chi tiết khác nhau. Các dữ liệu số hoá
có thể mô phỏng một cách chính xác biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo và được thể
hiện trên màn hình máy tính, có thể tạo tùy biến phù hợp cho bất kỳ số lượng chi tiết
đo. Bằng cách so sánh dữ liệu đo với dữ liệu thiết kế sử dụng phần mềm ứng dụng,
có thể đưa ra các báo cáo đo kiểm một cách nhanh chóng và nhất quán, dựa trên phân
tích sai số tổng thể, kích thước hình học, sai lệch hình dáng chi tiết đo. Việc này cho
phép cải tiến tốc độ và chất lượng trong quá trình sản xuất một cách rõ rệt đặc biệt là
trong ngành cơ khí. Các ứng dụng đo lường bằng ánh sáng cấu trúc đã tận dụng được
một số ưu điểm của phương pháp đo lường quang học như [69]:
- Tốc độ đo hình dạng 3D bề mặt của phương pháp này cao hơn so với các
phương pháp đo tiếp xúc. Do phương pháp này đo được nhiều điểm của một vùng bề
6


mặt chi tiết trong một lần đo. Tốc độ đo của phương pháp này phụ thuộc vào tốc độ
chiếu mẫu ánh sáng của nguồn chiếu, tốc độ thu ảnh của phần tử thu và đặc tính phản
xạ bề mặt của chi tiết đo.
- Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thực hiện đo bề mặt 3D không tiếp xúc,
không ảnh hưởng đến biên dạng và tính chất của bề mặt chi tiết đo. Phương pháp này
cũng không làm mài mòn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành không đúng.

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc


Theo kỹ thuật mã hóa ánh sáng cấu trúc đáp ứng việc mã hóa các mô hình mẫu
chiếu theo mặt có hai phương pháp cơ bản thường được sử dụng là: dùng giao thoa
ánh sáng và dùng phương pháp chiếu.
Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp giao thoa
Phương pháp dùng giao thoa ánh sáng với hai chùm tia laser phẳng rộng [66],
[76] hay bước sóng dải rộng (ánh sáng trắng) [13]. Tạo ra các mô hình giao thoa với các
mẫu chiếu là các vân cách đều nhau. Kích thước mô hình vân khác nhau có thể thu được
bằng cách thay đổi góc giữa các chùm tia. Phương pháp này cho phép thu được chính
xác các mô hình mẫu với vùng có độ sâu không hạn chế. Tuy nhiên, để xây dựng hệ
thống này yêu cầu phải thiết kế hệ thống với độ chính xác cao và chi phí lớn.

Mã hóa ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu
- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng cách tử.
Có nhiều dạng mẫu ánh sáng cấu trúc được tạo ra bằng cách chiếu các nguồn
sáng qua cách tử nhiễu xạ [8], [84]. Tùy theo mục đích mã hóa có thể thiết kế hệ
quang chiếu khác nhau từ đó có thể tạo ra nhiều dạng vân sáng cấu trúc.
- Tạo ánh sáng cấu trúc bằng phương pháp chiếu vân dạng số (DFPDigital Fringer Project).
Các vân sáng được mã hóa bằng máy tính và được chiếu bởi một khung hình
bên trong máy chiếu, thông thường là một màn hình LCD, màn hình LCOS hoặc
DLP [22]. Máy chiếu nói chung có thể phân loại theo hai công nghệ, công nghệ này
liên quan đến cơ chế hoạt động bên trong mà máy chiếu sử dụng để hiển thị hình ảnh,
phương pháp truyền qua thường dùng tấm LCD trong khi phương pháp phản chiếu
DLP lại sử dụng hàng ngàn gương nhỏ tương ứng hàng ngàn điểm ảnh. Kỹ thuật
chiếu ảnh DLP có ưu điểm là tạo được hình ảnh có độ tương phản cao, tạo được hình
ảnh mượt hơn không lộ điểm ảnh và có tuổi thọ cao hơn máy chiếu LCD.
Những lợi thế của kỹ thuật DFP so với các kỹ thuật khác trong việc đo hình dạng
3D chính là việc tạo ra các vân mẫu dạng số một cách tự nhiên. Về nguyên tắc, các
8



dốc lớn hoặc bề mặt không liên tục.
Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc thu ảnh chi tiết đo thông qua hệ thống
quang nên độ chính xác phép đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thông số hiệu chuẩn hệ
thống, quang sai của hệ thống, đặc tính phản xạ của bề mặt chi tiết đo, cường độ ánh
sáng nền, nhiễu. Trong phương pháp đo ánh sáng cấu trúc thì hệ thống quang học được
mô hình hóa khi tính toán các tọa độ điểm đo và các thông số của mô hình được xác định
qua quá trình hiệu chuẩn. Các thông số hình học của các thiết bị quang học cần được tính
toán xác định như: vị trí tâm ống kính, tiêu cự của máy ảnh và máy chiếu. Để hiệu chuẩn
chính xác yêu cầu hiệu chuẩn các thông số của thiết bị thu phát tín hiệu và mối quan hệ
hình học giữa hai thiết bị này. Tuy nhiên các mô hình chưa tính đến tất cả các thông tin
của hệ thống quang học như: quang sai của hệ quang, sai lệch của
9


cường độ phát so với cường độ thu, độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu
và máy ảnh. Như vậy, việc hiệu chuẩn chính xác càng nhiều thông số của hệ quang
thì độ chính xác của hệ thống càng cao. Việc hiệu chuẩn hệ thống để đạt được kết
quả dựng hình 3D với độ chính xác cao cũng như việc nghiên cứu các quy trình hiệu
chuẩn đơn giản đạt được độ chính xác cao đã được nghiên cứu đề cập trong nhiều
năm qua [34], [50].
Đối với phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, đặc tính bề mặt cũng như ánh
sáng mẫu chiếu tới bề mặt chi tiết đo ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng ảnh thu được
[30], [52]. Dữ liệu bề mặt chi tiết đo có cường độ phản xạ bề mặt lớn không thể thu được
một cách chính xác. Do hiệu ứng phản xạ bề mặt có thể làm thay đổi giá trị cường độ các
vân mẫu chiếu trong ảnh giải mã chúng làm nhiễu mô hình giải mã. Những đoạn mã bị
nhiễu sau khi được giải mã sẽ bị sai lệch. Vì vậy dữ liệu được phân tích sẽ không chính
xác. Một phương pháp hiện thường dùng để giải quyết vấn đề phản xạ bề mặt là sử dụng
phương pháp phun phủ bề mặt chi tiết đo làm giảm phản xạ bề mặt khi đo bằng các
phương pháp quang học [57]. Sử dụng phương pháp phun phủ bề 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

máy chiếu trong một chu kỳ sin. Tuy nhiên đối với bề mặt có độ dốc lớn hoặc không
liên tục thì sẽ khó phân biệt được từng chu kỳ sin. Mặc dù phương pháp Gray có độ
phân giải thấp song có giá trị mã hóa mỗi vân mẫu là duy nhất. Do vậy, dùng phương
pháp mã hóa Gray để xác định duy nhất cho mỗi chu kỳ sin giúp giảm lỗi gỡ pha.
Phương pháp kết hợp cho mối quan hệ duy nhất giữa các điểm ảnh của máy ảnh và
các điểm ảnh của máy chiếu sao cho mối quan hệ của các điểm này sẽ là các phép
chiếu 2D của cùng 1 điểm trong tọa độ thực 3D.
1.2.1 Phương pháp dịch pha
Phương pháp dịch pha là phương pháp tiêu biểu trong đo lường không tiếp xúc
sử dụng ánh sáng cấu trúc do có ưu điểm lớn nhất đem lại độ phân giải cao, độ chính
xác cao do việc xử lý tín hiệu có thể đạt tới phạm vi nhỏ hơn điểm ảnh của cảm biến.
Bề mặt 3D của chi tiết đo được xác định một cách chính xác và nhanh chóng [27],
[87].

a,

b,

Hình 1.2 Sóng ánh sáng điều biến dạng sin a; Ảnh vân trên mặt phẳng tham chiếu b, [95]

Hình 1.2a, biểu diễn hình dạng của một sóng ánh sáng được điều biến dạng sin
theo mặt cắt ngang vuông góc với mặt phẳng tham chiếu và ảnh của vân dạng sin
được chiếu lên mặt phẳng tham chiếu. Hình 1.2b là ảnh mẫu ánh sáng được mã hóa
theo chu kỳ sin được chiếu lần lượt và lệch pha nhau. Ảnh mẫu thu được từ bề mặt
chi tiết đo với sự biến đổi pha của cường độ điều biến chứa thông tin chiều cao của
các điểm trên bề mặt của đối tượng đo. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào
giá trị pha theo biểu thức sau [85]: Equation Chapter (Next) Section 1
(1.1)
Ii (x, y, t) = I’(x, y) + I’’(x, y) cos [ ( , ) + ( )]