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 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].

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.
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

2


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

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 và 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 của luận án để
xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp 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.
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.

làm mài mòn hay phá hủy đầu đo do tuổi thọ hoặc vận hành không đúng.
1.2. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray
1.2.1 Phương pháp dịch pha
1.2.2 Phương pháp mã Gray
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.
Trong quá trình gỡ pha, nếu k(x, y) có thể được xác định duy nhất cho mỗi vân chiếu,
thì t(x, y) có thể được coi là pha tuyệt đối được xác định bằng công thức:
t(x, y) = 2k(x, y)π + w(x, y).
(1.17)
Thông tin pha tuyệt đối thu được có thể xây dựng được bản đồ pha tuyệt đối từ đó xác
định tọa độ 3D của điểm đo.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí
Độ chính xác của hệ thống đo sử dụng PSGC phụ thuộc vào độ chính xác của hệ
thống quang học và đặc tính phản xạ bề mặt. Hơn nữa trong quá trình đo thực, hình dạng
sóng của hình ảnh thu được không phù hợp với hình dạng sóng lý tưởng và các nhiễu do
giao thoa, ánh sáng môi trường, sự phi tuyến Gama máy chiếu [62, 16] hay do hiệu chuẩn
hệ thống không chính xác [2], nhiễu gây ra bởi phản xạ bề mặt hay độ phản xạ không đồng

5


đều trên bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, sự lệch tiêu điểm của hệ thống
quang học [56], gây sai số trong quá trình phân tích pha và kết quả dẫn đến sai lệch bản đồ
pha tuyệt đối gây nên sai số dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo.
Phi tuyến Gamma và lệch tiêu máy chiếu
Dựng hình ghép đám mây điểm
Phương pháp xử lý đám mây điểm

giá độ chính xác hệ thống, hiện nay các thiết bị đo ánh sáng cấu trúc nói chung chưa có một
hệ thống hay quy trình tiêu chuẩn đo cụ thể nào. Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc là một
trong những phương pháp đo biên dạng 3D bề mặt, do đó độ chính xác của hệ thống có thể

6


được hiệu chuẩn và đánh giá bằng cách sử dụng một số bề mặt chuẩn với các khả năng đo
khác nhau. Các bề mặt chuẩn này cần được xây dựng để phù hợp với từng thiết bị đo cụ thể.
1.4 Kết luận chương 1
Qua phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đo các chi tiết cơ khí
sử dụng ánh sáng cấu trúc cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương
pháp này có thể đưa ra một số kết luận như sau:
1. Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng chi tiết cơ
khí đòi hỏi độ chính xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấy sự phù
hợp nhất để đo chi tiết cơ khí. Tuy nhiên đối với các chi tiết cơ khí gia công bằng CNC có
nhiều đặc điểm và tính chất gây khó khăn làm giảm độ chính xác kết quả đo. Như vậy, với
độ chính xác của các chi tiết này cần nâng cao độ chính xác của phương pháp đo và làm
giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt để có thể đo được các chi tiết cơ khí này một cách tốt
nhất.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí được nghiên cứu như:
ánh sáng mã hóa thu được từ cảm biến bị sai lệch so với ánh sáng mã hóa được chiếu từ
máy chiếu, nhiễu do giao thoa, ánh sáng môi trường, phản xạ bề mặt và các thông số hiệu
chuẩn hệ thống. Trong đó hai yếu tố độ chính xác hiệu chuẩn và phản xạ bề mặt chi tiết ảnh
hưởng lớn đến độ chính xác của hệ thống đo.
3. Phản xạ bề mặt chi tiết làm tăng sai số phép đo thậm chí không thể thực hiện được
phép đo bề mặt. Qua phân tích các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cho
thấy phương pháp thay đổi thời gian phơi sáng là rất khả thi và có thể thực hiện được mà
không cần thiết bị phần cứng phụ trợ.
4. Việc cần thiết phải xây dựng một quy trình đánh giá độ chính xác do hiện nay chưa

các điểm chung của máy ảnh và máy chiếu trên hệ tọa độ thực. Ngoài ra các thông số hiệu
chuẩn cho máy ảnh và máy chiếu được xác định thông qua bước hiệu chuẩn hệ thống. Khi
các thông số hiệu chuẩn hệ thống được xác định, bản đồ pha tuyệt đối được xây dựng thông
qua phương pháp tam giác lượng. Với một hệ thống sử dụng phương pháp PSGC thì sai số
sẽ xuất hiện trong quá trình đo. Ảnh mẫu chiếu từ máy chiếu và ảnh chụp từ máy ảnh sẽ
chịu ảnh hưởng của biên dạng bề mặt và tính chất phản xạ bề mặt chi tiết đo. Khi dựng lại
bản đồ độ sâu các điểm trên bề mặt chi tiết, các thông số hiệu chuẩn được sử dụng, do vậy
độ chính xác hiệu chuẩn các thông số này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác dựng lại bản đồ độ
sâu bề mặt chi tiết đo. Các thông số đo lường biên dạng 3D sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của
sai số trong quá trình dựng hình và ghép đám mây điểm.
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. Bất kỳ điểm ảnh
nào trong máy ảnh và máy chiếu đều được nhận dạng bởi chuỗi các cường độ nhị phân mà
nó nhận được hoặc các chiếu tương ứng.

8


Đối với phương pháp PSGC cần phải xác định độ rộng của một chu kỳ sin tương ứng
với một vân của mã Gray. Với một máy chiếu có độ phân giải Np  Mp, 4 ảnh sin dịch pha
với số lượng điểm ảnh trên một chu kỳ tương ứng theo phương ngang và phương dọc lần
lượt là Tu , Tv có số chu kỳ trên toàn vùng đo theo hai phương là nu và nv được xác định thông
qua độ phân giải của máy chiếu:

nu =

Np
Tu

,

 2 ( u, v )

255 
+ 
1 + cos 

2 
 Tu ,v


(2.3)

Trong đó: Tu,v là bước vân hay số điểm ảnh trên một chu kỳ vân được xác định theo
công thức (2.1). u, v là chỉ số điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh.  là pha ban đầu, với ảnh mẫu
dịch pha 4 bước và pha bằng nhau thì pha sẽ tương ứng là  = (0, /2, , 3/2).
.
2.2. Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ.
Như phân tích ở hình 2.2 độ chính xác dựng lại bản đồ độ sâu sẽ bị ảnh hưởng trực
tiếp bởi các thông số hiệu chuẩn hệ thống.
Để thiết kế đúng hệ thống quang học tốt nhất đòi hỏi phải xem xét các thông số của
chuỗi quang để hiểu được ảnh hưởng của mỗi thành phần. Các thông số cần được xem xét
trong việc phân tích bất kỳ hệ thống quang học nào bao gồm các sai lệch của thông số hệ
thống, phân cực ánh sáng, tần số không gian và tổn thất năng lượng trong quá trình chiếu và
thu ánh sáng. Tác động của mỗi thành phần trong chuỗi quang lên các thông số này cuối
cùng sẽ tích lũy tổng cộng lớn hơn bất kỳ một yếu tố tạo nên sai số nào.

9


Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống

về độ chính xác xây dựng lại bề mặt 3D bằng cách thực hiện thuật toán sao cho mọi đầu vào
của thuật toán có thể thay đổi được.

10


2.2.1. Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu
Độ chính xác xác định góc ô vuông bàn cờ dùng hiệu chuẩn, phụ thuộc vào kích thước
của ô vuông bàn cờ, do kích thước của ô vuông ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của
các thông số ước tính như nội thông số và ngoại thông số của hệ thống theo công thức
Error! Reference source not found.. Như vậy để đảm bảo độ chính xác hiệu chuẩn cần
phải lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ phù hợp với kích thước vùng đo của hệ thống đo.
2.2.2. Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn
Trong nghiên cứu [102] bảng hiệu chuẩn được sử dụng để hiệu chuẩn hệ thống với các
góc và vị trí tùy ý. Tuy nhiên để đạt được độ chính xác cao trong quá trình hiệu chuẩn thì vị
trí và góc ô vuông bàn cờ phải được đặt trong một giới hạn cho phép. Sơ đồ nguyên lý để
xác định các góc quay được xây dựng như hình 2.7. Bảng hiệu chuẩn được gá lên bàn quay
được quay theo hai phương: Góc nghiêng thứ nhất của bảng hiệu chuẩn so với trục y tướng
ứng là góc , góc nghiêng thứ hai của bảng hiệu chuẩn là  tương ứng với góc hợp bởi
bảng hiệu chuẩn và bàn quay. Việc xác định được góc quay theo hai trục thông qua bộ đo
góc quay.
2.2.3. Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực
Tọa độ 2D của vật đo sẽ được xác định thông qua tọa độ điểm ảnh với hiệu số pha
bằng 0 theo công thức Error! Reference source not found.. Việc xác định tọa độ z sẽ được
thực hiện thông qua nguyên tắc tam giác lượng và sau khi đã hiệu chuẩn hệ số h0 theo công
thức Error! Reference source not found..
Để xây dựng lại biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo, cần phải thu được pha tuyệt đối
t (x, y) . Pha tuyệt đối của chi tiết đo có thể xác định tại mỗi điểm ảnh trên máy ảnh tương
ứng với một điểm ảnh có cùng giá trị pha tuyệt đối trên ảnh vân chiếu của máy chiếu.
2.2.4. Xác định giới hạn vùng đo (w  h  d)

d = L = Lmax − Lmin

2.N .c.L2
=
f2

(2.5)
Theo công thức (2.5), đối với một kích thước vùng đo (wh) xác định thì độ sâu vùng đo
được xác định bởi 3 yếu tố: Tiêu cự của ống kính máy ảnh f, khẩu độ của ống kính D và
khoảng cách từ máy ảnh đến chi tiết đo L. Trong hệ thống quang học kích thước vòng tán xạ
c là tùy ý. Khi đường kính vòng tán xạ tăng lên thì kích thước mờ cho phép sẽ tăng lên dẫn
đến phạm vi độ sâu d sẽ tăng lên. Khi c có giá trị nhỏ vừa đủ thì mối quan hệ giữa d và c là
tuyến tính. Khi c lớn quá thì mối quan hệ này trở nên phi tuyến và công thức (2.5) sẽ không
còn chính xác nữa. Để lựa chọn hợp lý thì cho kích thước đường kính của vòng tán xạ bằng
kích thước một điểm ảnh Pc.

12


2.3. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm
Thiết bị thực nghiệm máy đo 3D sử dụng phương pháp PSGC gồm một máy chiếu
InFocus N104 công nghệ DLP với độ phân giải cơ bản (1024× 768) và một máy ảnh lỗ nhỏ
DFK 41BU02 có độ phân giải (1280×960). Các thiết bị này được bố trí thành cụm đầu đo
được kết nối với một máy tính. Máy tính yêu cầu cấu hình cao để có thể xử lý dữ liệu đám
mây điểm một cách nhanh chóng. Thực nghiệm với máy tính: Ram 8G, Core i5-4460, tốc
độ 3.20 GH, card rời VGA, như hình 2.11. Bàn quay được thiết kế có thể quay theo hai
phương x và y với các góc nghiêng và  được xác định bằng encoder đo góc. Cụm đầu
đo được gá lên một đế gá có thể thay đổi góc nghiêng và khoảng cách tới mặt phẳng chuẩn.
Bàn gá chi tiết đo được thiết kế có thể quay tròn đảm bảo diện tích quét trên vật đo được tối
đa với chuyển động chính là quay tròn trên mặt phẳng chứa vật.

13


d=

2.N .c.L2 2.8.4, 65.5002
=
f2
122

130 mm

(2.6)

Như vậy, vùng không gian đo giới hạn của hệ thống được xác định một các chính xác
là (whd) = 245181130 (mm) với tiêu cự thấu kính f =12 mm, và khoảng cách từ tâm
vùng đo tới đầu đo là L=500 mm, chi tiết đo đặt trong vùng này sẽ thu được độ chính xác
cao.
2.4. Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuôn bàn cờ
2.4.1. Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ
Vùng làm việc của bảng hiệu chuẩn nằm trong vùng đo (245181130) (mm). Trong
thực nghiệm này sử dụng 15 kích thước ô vuông bàn cờ khác nhau. Kích thước làm việc của
ô vuông bàn được xác định nhỏ hơn vùng làm việc của hệ thống sao cho khi thay đổi các
góc khác nhau diện tích bảng hiệu chuẩn vẫn nằm trong vùng đo, chọn vùng kích thước của
ô vuông bàn cờ thực nghiệm là BB= 180180 (mm)
Mối quan hệ giữa kích thước của ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn ( E c E p E s ) được
thể hiện ở hình 2.18.

Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn


Hình 2.21 Quan hệ giữa  và F trong 

2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn.
Kết quả thực nghiệm hiệu chuẩn với mỗi giá trị độ rọi thu được nội thông số, ngoại
thông số và các hệ số méo ảnh của hệ thốngThông số CE, PE, SE tương ứng biểu thị sai số
hiệu chuẩn trung bình của máy ảnh, máy chiếu và hệ thống.
Từ đồ thị hình 2.23 nhận thấy nếu thay đổi độ rọi từ 0 đến 100 lux và từ 200 đến 360
lux thì độ chính xác hiệu chuẩn cũng biến thiên lớn: CE từ 0.202 đến 0.354 (điểm ảnh); PE
từ 0.071 đến 0.132 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.345 (điểm ảnh); Với độ rọi trong khoảng
100 lux đến 200 lux thì sai số hiệu chuẩn biến thiên nhỏ: CE từ 0.202 đến 0.215 (điểm ảnh);
PE từ 0.070 đến 0.087 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.244 (điểm ảnh););

15


Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn

2.5 Kết luận chương 2
Phương pháp đo bề mặt 3D sử dụng PSGC với nhiều ưu điểm về độ phân giải và khả
năng chống nhiễu tốt. Đã xây dựng thuật toán và chương trình đo o 3D sử dụng PSGC
nhằm phân tích đánh giá, kiểm chứng lý thuyết đã được nghiên cứu.
Một thiết bị thực nghiệm và phần mềm đo biên dạng 3D sử dụng PSGC đã được xây
dựng nhằm thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống đo được đề xuất. Với
các kết quả trực quan bảng dữ liệu, đồ thị, hình ảnh để đánh giá mức độ ảnh hưởng các
thông số đến độ chính xác của hệ thống trên từng miền hay toàn bộ vùng đo của hệ thống.
Các phương pháp kỹ thuật về phần mềm và công nghệ đã được nghiên cứu nhằm làm
giảm ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác hiệu chuẩn như:
Áp dụng các phương pháp và thuật toán đã được nghiên cứu nhằm xác định được tối
đa các thông số hiệu chuẩn hệ thống gồm có các thông số tuyến tính và các thông số phi
tuyến. Dùng thuật toán Levanberg-Marquardt để tinh chỉnh các nội thông số của hệ thống,

được biểu diễn trong công thức sau:
I c ( u, v ) =  tc  RA ( I p ( u, v ) + I B + I m ) + I m  + I n

(3.1)

Do vậy, ước lượng của mỗi điểm ảnh R là 𝑏1 , ước lượng cường độ của ánh sáng môi
trường và ánh sáng phản xạ từ các bề mặt xung quanh là 𝑏2 và cường độ sáng thu được của
máy ảnh là:
I c =  tc ( b1I p + b2 )

(3.2)

Phương trình (3.2) chỉ ra rằng đối với một chi tiết đo và môi trường đo nào đó thì
cường độ ánh sáng thu được phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu 𝐼𝑝 (u, v) độ nhạy của
cảm biến ảnh , và thời gian phơi sáng 𝑡𝑐 .
3.2. 2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng

phù hợp
Để đảm bảo thu được ảnh vân mẫu với chất lượng tốt thì giá trị của ba thông số theo
phương trình (3.2) phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu 𝐼𝑝 (u, v) độ nhạy của cảm biến
ảnh, và thời gian phơi sáng 𝑡𝑐 .
I c =  tc RA I p

(3.10)

Theo nghiên cứu [108] nếu cường độ của ảnh 𝐼𝑐 (𝑢, 𝑣 ) có mối quan hệ tuyến tính với
hệ số phản xạ 𝑅𝐴 . Khi đó độ nhạy của cảm biến ảnh  sẽ không đổi. Coi bề mặt chi tiết đo
I c0 (u, v)
s
𝐼

(3.4)
𝑉ớ𝑖 𝐼𝑟 là giá trị mức xám thứ 𝑟 và 𝑛𝑟 là số điểm ảnh có cùng mức xám thứ 𝑟
Thông qua hàm 𝑝(𝑆 𝑖 ) mô tả tỷ lệ tổng số điểm ảnh có mức xám I trong vùng 𝑆 𝑖 theo
công thức sau:
𝑛
𝑝(𝑆𝑖 ) = 𝐼 100%
(3.14)
𝑛

Với nI là số điểm ảnh có giá trị cường độ trong vùng 𝑆𝑖 , n là tổng số điểm ảnh của ảnh
Như vậy một ảnh đối tượng được chụp có độ tương phản cao và tránh ảnh hưởng của
phản xạ bề mặt và thời gian phơi sáng phù hợp thì biểu đồ biểu diễn sẽ là một đường cong
có chân trải đều về hai phía của vùng S1 và S5 phần đỉnh tập trung ở vùng S2, S3 và S4 như
hình 3.6, thỏa mãn điều kiện sau:
∑ 𝑝(𝑆2,3,4 ) = (𝑝(𝑆2 ) + 𝑝(𝑆3 ) + 𝑝(𝑆4 )) → 𝑚𝑎𝑥
(3.5)

Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp

Với các ảnh thô chụp với các thời gian phơi sáng được lấy mẫu trong khoảng tc = (1/smax 
1/smin), ảnh nào thỏa mãn điều kiện của biểu thức (3.5) thì giá trị thời gian phơi sáng đó
được chọn là t0 tương ứng. Biểu đồ Histogram với t0 sẽ được phân tích và xác định các thời
gian phơi sáng phù hợp Thời gian phơi sáng phù hợp của từng vùng hoặc giữa hai vùng sẽ
được xác định với cường độ tương ứng với đáy bên phải của đỉnh mức cường độ D1, D2,
D3, D4, D5 hoặc đáy giữa hai đỉnh ở hai vùng liền kề nhau I0i (i=1, 2, 3, 4). Thời gian phơi
sáng t0i (i=1, 2, 3, 4) tương ứng với mỗi cường độ được xác định theo công thức (3.3) các
thời gian này sẽ được sử dụng để đo với mã dịch pha kết hợp mã Gray. Các đám mây điểm

18



Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của thép khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu

Đám mây điểm thu được có số lượng điểm ảnh 3D trong đám mây điểm thể hiện bề
mặt là 13135 điểm. Bề mặt đám mây điểm với đám mây điểm bố trí trên toàn vùng bề mặt
không bị mất thông
tin.Đám mây điểm 3D của thép khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu
Hình 3.20
3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1
Thực nghiệm đo với phương pháp đo được đề xuất. Đầu tiên, chiếu ảnh thô với cường
độ ánh sáng chiếu Ip (255, 255, 255) với thời gian phơi sáng ban đầu được đặt t0 =12,5 (ms)
thu ảnh và dùng biểu đồ Histogram để tính các cường độ tương ứng.

Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm

Trong hình 3.17, I0i xác định được thể hiện trên hình với chi tiết nhôm I01=19, I02=87,
I03=233, các cường độ này được sử dụng để tính toán các thời gian phơi sáng tương ứng với
t0=12,5ms, 𝐼𝑐0 = 254 theo công thức (3.12) t01=167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms. các
thời gian phơi sáng này sẽ được sử dụng để đo bằng phương pháp PSGC. Sau đó tổng hợp
các hình ảnh cường độ này và dựng lại đám mây điểm 3D như hình 3.18

a,
b,
Hình 3.18 a, Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu
và b, Đám mây điểm sau khi giảm thiểu số lượng điểm ảnh

a,

b,


Ghép đám mây bù vùng bóng cho thấy tùy thuộc vào mức độ phản xạ và hình dạng
phức tạp của bề mặt chi tiết đo mà có thể chọn các góc nghiêng nhỏ hợp lý để có thể bù cho
nhau thu được hiệu quả tốt. Đối với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp với góc nghiêng 10o có
thể đạt được kết quả ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt. Đối với chi tiết nhôm bề mặt
bậc với góc nghiêng 12o có thể đạt được kết quả ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt.
Có thể thấy rằng với kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng hệ thống,
hai phương pháp được đề xuất sẽ phù hợp với các hệ thống có mức độ đáp ứng mức xám
của máy chiếu, cường độ ảnh chụp và thời gian phơi sáng là tuyến tính.

21


Chương 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ
THỐNG ĐO PSGC
4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác
Dựa vào bảng 1.2 xác định tiêu chuẩn A và E để đánh giá độ chính xác của hệ thống đo.
4.1.1. Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1
Với việc sử dụng mẫu chuẩn đo A1 cho hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC, theo
mục 1.3.3 mẫu chuẩn đo là các mặt phẳng bậc cần xác định các khoảng cách bậc. Do vậy
việc xây dựng thuật toán và phần mềm để đánh giá và so sánh kết quả đo của phương pháp
này là cần thiếtMột mặt phẳng có độ chính xác xác định được đo bằng phương pháp PSGC,
dựng hình mặt phẳng và phù hợp mặt phẳng được thực hiện thông qua thuật toán RANSAC.
4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1
Cần xây dựng thuật toán và chương trình phần mềm để xác định được chuẩn kiểu E1.
Như vậy cần xác định bán kính của đám mây điểm cầu chuẩn Đề xác định bán kính R của
mặt cầu trong đám mây đểm 3D một thuật toán phù hợp mặt cầu ứng dựng thuật toán
RANSAC được xây dựng
4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn
Độ chính xác trên vùng đo được xác định bằng một mặt phẳng chuẩn có kích thước
AB (mm) được đo với các vị trí và hướng khác nhau trong vùng đo và phù hợp với một

nhôm bậc M2 của mẫu nhôm
Với tiêu chuẩn E1 tiêu chuẩn đo mặt cầu xây dựng được thuật toán phù hợp mặt cầu.
Đo mẫu các chi tiết mặt cầu xác định được, bán kính quả cầu đo được là R1 = 25. 069 mm,
độ lệch chuẩn là 0. 068 mm, bán kính quả cầu đo được là R2 = 36. 354 mm, độ lệch chuẩn là
0. 054 mm.
Với tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn với các vị trí và góc để
xác định độ chính xác trong toàn bộ vùng đo.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
Với mục đích nghiên cứu các phương pháp để giảm ảnh hưởng của một số yếu tố đến
độ chính xác khi đo các chi tiết cơ khí trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc dịch
pha kết hợp Gray (PSGC), luận án đã thực hiện được một số kết quả nghiên cứu chính sau:
1. Xây dựng thuật toán và phần mềm đo sử dụng PSGC để đo được các chi tiết cơ khí
có phản xạ bề mặt cao. Áp dụng các thuật toán nhằm xác định tối đa các thông số hiệu
chuẩn tuyến tính và phi tuyến. Xây dựng phần mềm xử lý dữ liệu và phù hợp đám mây để
xác định được kích thước và sai lệch của các thông số kích thước chi tiết đo.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ chính xác hiệu chuẩn cũng như
độ chính xác hệ thống, đã xác định được vùng kích thước ô vuông bàn cờ phù hợp trên kích
thước bảng hiệu chuẩn xác định. Góc nghiêng của bảng hiệu chuẩn so với mặt phẳng cảm
biến ảnh CCD cũng được xác định trong giới hạn 30o độ chính xác hiệu chuẩn có thể đạt
được nhỏ hơn 0. 4 điểm ảnh. Độ rọi của ánh sáng môi trường ổn định trong vùng 100 đến
200 lux thì độ chính xác hiệu chuẩn đạt được là tốt nhất. Trên hệ thống thực nghiệm với
vùng không gian đo giới hạn là (whd) = 245181130 mm với tiêu cự thấu kính f =12
mm, và khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo là L=500 mm, chi tiết đo đặt trong vùng này
sẽ thu được độ chính xác cao.
3. Đã nghiên cứu xây dựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt các chi tiết cơ khí
bằng cách ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp 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. Từ khảo sát, nghiên cứu thực nghiệm cho biết, thông qua biểu đồ
Histogram có thể xác định được số lượng thời gian phơi sáng phù hợp đối với một bề mặt
chi tiết đo có đặc tính phản xạ bề mặt cao. Kết quả thực nghiệm với chi tiết nhôm với các