Thạc Sĩ Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc

1

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 . 9
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 9
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 10
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 10
4. Các đóng góp mới của luận án 11
5. Nội dung luận án . 12
6. Phương pháp nghiên cứu . 13
CHƯƠNG 1 . 14
TỔNG QUAN ĐO BIÊN DẠNG 3D SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 14
1.1. Phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc . 14
1.2. Nguyên lý phương pháp đo và các dạng ánh sáng cấu trúc trong đo lường biên dạng
3D 18
1.2.1. Nguyên lý phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc 18
1.2.2. Khái niệm và phân loại ánh sáng cấu trúc . 19
1.2.3. Hệ chiếu mẫu vân sáng 27
1.2.4. Hệ thu ảnh vân . 29
1.3. Các mô hình biến thể kỹ thuật trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc. . 31
1.3.1. Hệ thống đo biên dạng 3D của Srinivasan 32
1.3.2. Hệ thống đo biên dạng 3D của Toyooka và Iwaasa 34
1.3.3. Hệ thống đo biên dạng 3D của Hu 35
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 38
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 38
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 43
1.5. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án 45
CHƯƠNG 2 . 47
PHƯƠNG PHÁP ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC DỊCH PHA SỬ
DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC GỠ PHA 47 2

2.1. Phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng dịch pha . 47
2.1.1. Cơ sở phương pháp dịch pha . 47
2.1.2. Đo lường biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha 49
2.1.3. Các thuật toán dịch pha. 53
2.1.4. Các phương pháp gỡ pha . 56
2.1.5. Đặc điểm phương pháp dịch pha . 59
2.2. Nghiên cứu sử dụng mã hóa Gray để tăng độ chính xác gỡ pha trong phương pháp
dịch pha. 59
2.2.1. Phương pháp mã hóa Gray 59
2.2.2. Nghiên cứu phương pháp gỡ pha bằng mã hóa Gray trong phương pháp dịch
pha. 62
2.3. Xác định tọa độ điểm đo trong phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray để gỡ
pha. 67
2.3.1. Nguyên lý tam giác lượng trong xác định tọa độ điểm đo [31] . 67
2.3.2. Xây dựng phương pháp xác định tọa độ điểm đo 70
2.4. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn 73
2.4.1. Phương pháp hiệu chuẩn camera . 73
2.4.2. Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ thống camera và máy chiếu . 74
2.5. Kết luận chương . 76
CHƯƠNG 3 . 78
CƠ SỞ XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO BIÊN DẠNG 3D BẰNG PHƯƠNG PHÁP DỊCH
PHA SỬ DỤNG MÃ HÓA GRAY ĐỂ GỠ PHA . 78
3.1. Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế cụm cảm biến . 78
3.1.1. Xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến . 79
3.1.2. Xác định vị trí và tính toán lựa chọn camera và máy chiếu 80
3.2. Xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu đo. 81
3.2.1. Giải thuật tạo mẫu ảnh chiếu . 82
3.2.2. Thuật toán xử lý dữ liệu ảnh 88
3.2.3. Thuật toán xác định đám mây điểm đo 92
3.2.4. Thuật toán hiệu chuẩn hệ thống . 96
3.3. Đánh giá các sai số ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo 98
3.3.1. Ảnh hưởng sơ đồ bố trí cụm cảm biến đến độ chính xác [31] 99 3

3.3.2. Ảnh hưởng độ chính xác pha đến độ chính xác phép đo . 101
3.3.3. Ảnh hưởng quang sai đến độ chính xác . 103
3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1 . 105
3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến . 105
3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển . 107
3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển . 108
3.5. Kết luận chương 3 109
CHƯƠNG 4 . 110
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . 110
4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1 . 110
4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu 112
4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến . 116
4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu. . 116
4.3.2. Hiệu chuẩn màu cho cảm biến . 121
4.3.3. Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám 121
4.3.4. Hiệu chuẩn thiết bị thực nghiệm STL – 1 sử dụng ô vuông bàn cờ 124
4.4. Xác định độ chính xác thiết bị đo . 126
4.4.1. Khảo sát độ phân giải cơ sở . 126
4.4.2. Đo mẫu trụ chuẩn 129
4.4.3. Đo mẫu khối cầu chuẩn . 132
4.5. Một số kết quả thử nghiệm trên thiết bị STL - 1 134
4.5.1. Kết quả đo tại một phương chiếu 134
4.5.2. Ảnh mô phỏng dữ liệu quét khi quét toàn bộ vật thể sử dụng 6 phương chiếu135
4.5.3. Ứng dụng thiết bị trong lĩnh vực an ninh 137
4.6. Kết luận chương 4 138
KẾT LUẬN . 139
KIẾN NGHỊ . 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 150
PHỤ LỤC 151

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
2D Không gian 2 chiều
3D Không gian 3 chiều
CNC Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính)
I(x, y) Cường độ sáng tại điểm (x,y)
I 0 (x, y) Cường độ sáng thành phần nền
I mod (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
k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 Hệ số đặc trưng quang sai
f x Tiêu cự theo trục x
f y Tiêu cự theo trục y
R Ma trận quay
T Ma trận chuyển vị
X (C) Y ( C) Z (C) Hệ tọa độ camera
XYZ Hệ tọa độ máy
X (P) Y ( P) Z (P) Hệ tọa độ máy chiếu
N Số bước dịch pha
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
I P Cường độ mẫu ảnh chiếu theo tỷ lệ ảnh xám (I P = 0 ư255)
I C Cường độ mẫu ảnh chụp theo tỷ lệ ảnh xám (I C = 0 ư255)
5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Một số thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc trên thị trường 17
Bảng 2 Giá trị mã hóa bit trên mẫu chiếu Gray 65
Bảng 3 Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray. . 112
Bảng 4 Ảnh hưởng cường độ và chu kì trong phương pháp dịch pha. 119
Bảng 5 Kết quả xác định ảnh pha 120
Bảng 6 Kết quả hiệu chuẩn thiết bị 125
Bảng 7 Kết quả đo chi tiết trụ chuẩn . 131
Bảng 8 Kết quả đo chi tiết cầu chuẩn . 133


























6

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc. . 14
Hình 1.2 Thiết bị đo biên dạng 3D SLS-1 đo tuốc bin động cơ máy bay [18] 15
Hình 1.3 Ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc trong gia công cơ khí [5] 15
(a) Đo chi tiết cơ khí; b) Đo khuôn nhựa . 15
Hình 1.4 Ứng dụng thiết kế và đo lường ánh sáng cấu trúc trong công nghiệp sản xuất ô tô [44] 16
Hình 1.5 Một số ứng dụng của thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 16
Hình 1.6 Xác định độ cao điểm đo [61] 19
Hình 1.7 Mẫu mã nhị phân [61] 20
Hình 1.8 Mã hóa cấp độ xám cho hình ảnh 3D với N= 3, M= 3 mô hình tối ưu hóa trong không
gian Hilbert [114] 20
Hình 1.9 Phương pháp dịch pha 3 bước [61] . 21
Hình 1.10 Camera cầu vồng 3D [132] 21
Hình 1.11 Mẫu chiếu tạo ra bởi kết hợp 3 màu cơ bản [61] . 22
Hình 1.12 Đánh dấu đường bằng cách sử dụng màu sắc [61] 22
Hình 1.13 Mẫu chiếu có đường chiếu mã hóa gián đoạn [69] . 23
Hình 1.14 Mẫu chiếu các đường lặp đi lặp lại mẫu mức xám [61] 23
Hình 1.15 Mô tả dãy De Bruijn [110] . 24
Hình 1.16 Mẫu chiếu sử dụng chuỗi De Bruijn (k=5, n=3) [65] 24
Hình 1.17 Mảng 31 x 33 PRBA với kích thước cửa sổ phụ 5x 2 [48] . 25
Hình 1.18 Mô hình mã nhỏ [84] 25
Hình 1.19 Mô hình lưới màu sắc [2] . 26
Hình 1.20 Mô hình chiếu mảng 2D mã đốm màu sắc [85] . 26
Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy chiếu LCD . 27
Hình 1.22 (a) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy chiếu DLP; (b) Cấu tạo điểm ảnh trên chip DMD [28]
28
Hình 1.23 So sánh chất lượng hình ảnh tạo ra bởi máy chiếu LCD và DLP 29
Hình 1.24 Cấu tạo cảm biến ảnh CCD 30
Hình 1.25 Phần tử điểm ảnh không lý tưởng . 30
Hình 1.26 Ảnh không có quang sai (a) và ảnh có quang sai (b) . 31
Hình 1.27 Mô hình toán học cho sơ đồ bố trí tổng quát[135]. . 31
Hình 1.28 Hệ thống SMFP và mô hình toán học của Srinivasan [113] 33
Hình 1.29 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP của Toyooka và Iwaasa 34
Hình 1.30 Mô hình toán học cho hệ thống SMFP do Hu đề xuất 36
Hình 1.31 Sơ đồ kỹ thuật đo biên dạng 3D bằng phương pháp chiếu mẫu vân 38
Hình 1.32 Quy ước hệ tọa độ camera lỗ nhỏ . 41
Hình 2.1 Phương pháp dịch pha trong giao thoa Twyman – Green [17] . 48 7

Hình 2.2 Sơ đồ khối quá trình đo theo phương pháp dịch pha . 49
Hình 2.3 Nguyên lý xác định độ cao điểm đo trên chi tiết . 51
Hình 2.4 Quá trình đo chi tiết sử dụng phương pháp dịch pha . 52
Hình 2.5 Mẫu chiếu dạng mã Gray. 60
Hình 2.6 Quá trình đo theo phương pháp Gray. . 61
a) Ảnh chụp chi tiết đo, b) ảnh pha theo hai phương; c) ảnh mô phỏng điểm đo 3D 61
Hình 2.7 Mẫu chiếu sin với chu kì 32 điểm ảnh 63
Hình 2.8 Phân bố cường độ sáng trên 4 chu kì đầu của mẫu chiếu 63
Hình 2.9 Phân bố cường độ sáng mẫu chiếu dạng mã Gray 8 bit 64
Hình 2.10 Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp kết hợp dịch pha và mã hóa Gray 65
Hình 2.11 Xác định pha trong phương pháp kết hợp 66
Hình 2.12 Sơ đồ mô hình toán học cho thiết bị [31]. 67
Hình 2.13 Sơ đồ hình học xác định độ cao điểm đo 68
Hình 2.14 Sơ đồ xác định đám mây điểm đo . 71
Hình 2.15 Phương pháp xác định đường vuông góc chung của 2 đường thẳng chéo nhau 72
Hình 2.16 Xác định tọa độ 3D của điểm M . 72
Hình 2.17 Ô vuông bàn cờ theo phương pháp hiệu chỉnh Tsai [14] . 73
Hình 2.18 Sơ đồ hệ thống phát và thu ánh sáng cấu trúc 75
Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gốc trên ảnh của camera và máy chiếu 75
Hình 2.20 Nguyên lý hiệu chuẩn hệ thống ánh sáng cấu trúc . 76
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy đo 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. 78
Hình 3.2 Sơ đồ xác định khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến. . 79
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu 80
Hình 3.4 Sơ đồ xử lý tín hiệu đo 81
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh Gray . 84
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tạo mẫu ảnh sin . 85
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chiếu và chụp ảnh trong quá trình đo . 87
Hình 3.8 Giao diện phần mềm tạo ảnh mẫu chiếu và điều khiển quá trình chiếu chụp 87
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán giải mã phương pháp mã hóa Gray 89
Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán xác định pha tương đối trong phương pháp dịch pha . 90
Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán xác định pha tuyệt đối . 91
Hình 3.12 Giao diện phần mềm của thiết bị đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc 92
Hình 3.13 Phép đo sử dụng tam giác lượng giao điểm của đường thẳng và đường thẳng . 92
Hình 3.14 Trung điểm p 1,2 (λ 1 ,λ 2 ) với giá trị bất kỳ (hình trái) của λ 1 ,λ 2 93
và với giá trị tối ưu (hình phải) 93
Hình 3.15 Sơ đồ thuật toán xác định đám mây điểm đo theo phương pháp hai đường thẳng giao
nhau 95
Hình 3.16 Giao diện phần mềm chương trình hiệu chuẩn thiết bị 96 8

Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán hiệu chuẩn thiết bị dùng mẫu in ô vuông bàn cờ 97
Hình 3.18 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống ΔL/L tới ΔZ L /ΔZ . 100
Hình 3.19 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δd/d tới ΔZ d /ΔZ 100
Hình 3.20 Đồ thị ảnh hưởng của sai số hệ thống Δα/α tới ΔZα/ΔZ với k là hằng số 101
Hình 3.21 Hình trụ độ không đảm bảo đo của điểm đo 104
Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu 106
Hình 3.23 Sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển thiết bị đo STL – 1 . 107
Hình 3.24 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ 108
Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1 110
Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo 111
Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo . 112
Hình 4.4 Các mẫu chiếu mã hóa Gray. . 113
114
Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha . 114
Hình 4.6 Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha 115
Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha 116
Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng. . 117
Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d) 117
Hình 4.10 Ảnh hưởng sự phân bố cường độ sáng cụm cảm biến đến chất lượng vân chiếu mã Gray
118
Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện tương quan màu của hệ cảm biến thiết bị 121
Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ sáng mẫu chiếu và cường độ sáng ảnh thu được của cảm biến
122
Hình 4.13 Đồ thị xác định khoảng cường độ chiếu sáng tối ưu 123
Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ chiếu sáng sau hiệu chuẩn . 123
Hình 4.15 Xác định các góc ô vuông và ảnh pha cho bảng in ô vuông bàn cờ . 124
Hình 4.17 Hình ảnh thể hiện sự phân bố điểm đo khi đo mặt phẳng 129
Hình 4.18 Kết quả các kích thước đo mẫu trục chuẩn trên máy CMM 130
Hình 4.19 Hình ảnh mô phỏng chi tiết trụ đo được . 130
Hình 4.20 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ phân giải cơ sở và khoảng dịch chuyển h . 131
132
Hình 4.21 Đồ thị thể hiện các kết quả đo trụ chuẩn 132
Hình 4.22 Hình ảnh mô phỏng kết quả đo quả cầu chuẩn. . 133
Hình 4.23 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng một phương chiếu 135
Hình 4.24 Kết quả mô phỏng một số mẫu chi tiết sử dụng 6 phương chiếu 136
Hình 4.25 Kết quả dữ liệu 3D phục vụ công tác an ninh. . 137
9

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,
góc quan sát vật thể từ nhiều góc nhìn khác nhau . Những thông tin thu được từ hình ảnh
3D giúp cho khả năng quan sát, nhận dạng, mô phỏng chính xác hơn.
Hai nhóm phương pháp chính đo biên dạng 3D của vật thể là: đo tiếp xúc và không
tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc sử dụng các đầu dò tiếp xúc với bề mặt chi tiết cần đo
như các máy đo ba tọa độ CMM, tay máy đo Đặc điểm chính của phương pháp đo tiếp
xúc là phương pháp đo từng điểm, mỗi điểm được xác định khi đầu dò tiếp xúc cơ học với
bề mặt cần đo đồng thời đánh dấu các tọa độ điểm đo trên hệ tọa độ máy với thời gian xác
định mỗi điểm đo lên đến phần mười giây do đó để đo một chi tiết thường rất lâu. Phép đo
có các sai số do kích thước đầu dò và khó đo các chi tiết hình dạng phức tạp hoặc có bề
mặt không xác định. Giá thành các thiết bị đo tiếp xúc thường rất cao do các bộ phận cảm
biến đầu dò được mang bởi các hệ thống cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao.
Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng tia X, sóng siêu âm và các phương pháp sử
dụng nguyên lý quang học để thu thập dữ liệu điểm đo được phân loại thành 2 dạng
phương pháp chính là: quét chủ động và quét bị động. Phương pháp đo không tiếp xúc chủ
động chiếu các mẫu ánh sáng vào bề mặt chi tiết đo dựa vào sự tán xạ, phản xạ của bề mặt
chi tiết để xác định điểm đo; có các nguyên lý như: thời gian truyền sóng, nguyên lý tam
giác lượng (đo bằng laser, ánh sáng cấu trúc). Phương pháp đo không tiếp xúc bị động sử
dụng các hình ảnh của vật cần đo để xác định tọa độ điểm đo gồm: phương pháp ảnh lập
thể (mô phỏng lại cách quan sát của mắt người), phương pháp quang trắc, phương pháp
dựa vào bóng của vật. Phương pháp đo không tiếp xúc có thể đo được bề mặt các chi tiết
có kích thước rất lớn như: các công trình kiến trúc, máy bay, tàu thủy và các chi tiết có bề
mặt vô định hình. Phương pháp đo chủ động có độ chính xác cao hơn song phương pháp
đo bị động thường có tốc độ đo nhanh hơn. Hầu hết các thiết bị đo sử dụng camera làm
cảm biến hình ảnh với tốc độ chụp hình cao có thể đến hàng triệu ảnh trong một giây, số
điểm đo tương ứng với số điểm ảnh của camera nên tốc độ đo rất nhanh, có khả năng đo
quét các chi tiết trực tuyến. Trong đó, phương pháp đo chủ động sử dụng ánh sáng cấu trúc
cho độ chính xác cao, tốc độ đo nhanh nên được tập trung nghiên cứu ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực.
Tại Việt Nam, nền sản xuất công nghiệp cơ khí đang phát triển đặc biệt là công nghệ
gia công trên máy CNC nên việc gia công chế tạo các sản phẩm cơ khí rất đa dạng phục vụ 10

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 cấu trúc là một vấn đề mới đối với lĩnh vực đo lường trong
nước. Nghiên cứu, thiết kế chế tạo, nâng cao độ chính xác và ứng dụng các thiết bị đo 3D
sử dụng ánh sáng cấu trúc trở nên cấp bách góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong
nước giúp cho các doanh nghiệp chủ động hơn trong việc tiếp cận các công nghệ mới tiên
tiến hiện đại trên thế giới đồng thời thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ đo lường. Xuất
phát từ yêu cầu thực tế đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đo biên dạng 3D của chi
tiết bằng phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc”.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
a) Mục đích của đề tài
Nghiên cứu phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc ứng dụng vào đo lường biên
dạng 3D các chi tiết cơ khí từ đó làm chủ công nghệ đo, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế,
chế tạo thiết bị đo phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam.
b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu của luận án là đo lường các bề mặt 3D chi tiết cơ khí được gia
công trên các thiết bị CNC, rèn dập, các sản phẩm đúc Nghiên cứu phương pháp đo dịch
pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin và phương pháp đo mẫu chiếu mã hóa Gray làm cơ sở cho
việc xây dựng phương pháp đo kết hợp nhằm tăng độ chính xác phép đo.
 Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết và thiết
bị thực nghiệm sử dụng hệ camera và máy chiếu kỹ thuật số để xác định tọa độ điểm đo
trên các chi tiết có độ phản xạ không cao, đạt độ chính xác 0,05 mm trong phạm vi đo
200x200x200 mm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
 Nội dung nghiên cứu của luận án đã trình bày hệ thống phương pháp đo ánh sáng cấu
trúc bằng phương pháp dịch pha giúp làm chủ lý thuyết và kỹ thuật đo của phương pháp và
dụng cụ đo loại này.
 Nghiên cứu thành công việc ứng dụng phương pháp mã hóa Gray để gỡ pha trong 11

phương pháp dịch pha, giúp việc đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác khi gỡ pha của
phương pháp này.
 Xây dựng được mô hình toán học cũng như các thuật toán xử lý dữ liệu đo, xây dựng
phương pháp hiệu chuẩn thiết bị để đảm bảo độ chính xác, dễ áp dụng hiệu chuẩn thiết bị
khi đo.
 Xây dựng cơ sở cho phép tính toán thiết kế chế tạo thử nghiệm loại dụng cụ đo biên
dạng 3D theo phương pháp dịch pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha.
b) Ý nghĩa thực tiễn
 Hiểu và làm chủ kỹ thuật đo, phương pháp đo để sử dụng hiệu quả hơn các thiết bị
đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc.
 Khẳng định khả năng tính toán thiết kế chế tạo thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng ánh
sáng cấu trúc.
 Thiết bị sau khi nghiên cứu chế tạo 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.
 Tạo tiền đề ứng dụng cho đo biên dạng 3D cơ thể người, kích thước bàn chân phục
vụ công nghiệp may mặc và giày dép; quá trình quét dựng mẫu vật, hiện trường trong lĩnh
vực an ninh, các nghiên cứu về công nghệ thời trang của các đề tài trong nhà trường.
4. Các đóng góp mới của luận án
 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc vào đo lường chi
tiết cơ khí. Với mục tiêu đảm bảo độ phân giải cao và độ chính xác cao, đề tài đã lựa chọn
đề xuất nghiên cứu sử dụng phương pháp dịch pha mẫu chiếu mã hóa dạng sin để đảm bảo
độ phân giải cao và kết hợp phương pháp mã hóa Gray để đảm bảo độ chính xác gỡ pha.
Mã hóa Gray cho giá trị các bit tồn tại hai trạng thái 0 hoặc 1 do đó có khả năng giảm
nhiễu do bề mặt chi tiết đo và môi trường đo đem lại. Để nâng cao độ chính xác gỡ pha
trong phương pháp dịch pha sử dụng kết hợp với mã hóa Gray với đề xuất sử dụng thêm
các mẫu chiếu đảo bit và mẫu chiếu mã hóa Gray theo hai phương, với giải pháp kỹ thuật
này giúp cho quá trình giải mã có độ chính xác cao hơn từ đó nâng cao độ chính xác gỡ
pha trong phương pháp dịch pha.
 Nghiên cứu xây dựng giải thuật thu nhận xử lý dữ liệu đo để xây dựng đám mây
điểm đo: dựa trên mô hình toán học cho camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có
kể đến quang sai có thể bù lại các sai số đó trong các mô hình kỹ thuật xây dựng nguyên lý
tam giác lượng theo phương pháp hình học cho hệ thống đo không đề cập đến các yếu tố
ảnh hưởng của quang sai hệ quang đến chất lượng ảnh chiếu và ảnh thu được từ camera.
Luận án đã xây dựng giải thuật xác định đám mây điểm đo sử dụng phương pháp đường
giao đường dựa trên các thông số xác định được từ quá trình hiệu chuẩn giúp tăng độ chính
xác và tăng tốc độ xử lý dữ liệu đo. 12

 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo từ đó xây dựng phương
pháp hiệu chuẩn, xây dựng phương pháp khảo sát đặc tính kỹ thuật của từng bộ phận cấu
thành lên thiết bị để đảm bảo độ chính xác của phép đo: với mô hình toán học áp dụng cho
camera và máy chiếu là mô hình camera lỗ nhỏ có kể đến quang sai cần xác định được vị
trí tương quan giữa camera và máy chiếu đồng thời xác định được các nội tham số và ngoại
tham số của cả camera và máy chiếu, luận án đã sử dụng phương pháp hiệu chuẩn camera
sử dụng ô vuông bàn cờ với việc sử dụng phương pháp chiếu kết hợp dịch pha và mã hóa
Gray cho việc hiệu chuẩn xác định các thông số của cả camera và máy chiếu đạt độ chính
xác cao. Với đặc thù là phương pháp đo quang học, chịu nhiều ảnh hưởng của điều kiện đo
và đặc điểm bề mặt chi tiết đo cụm cảm biến bao gồm máy chiếu và camera cần xác định
được các đặc tuyến quang học từ đó có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh phù hợp để
nâng cao chất lượng ảnh chiếu và ảnh chụp đồng thời nâng cao độ chính xác đo.
 Đã xây dựng được thiết bị đo biên dạng 3D bằng phương pháp dịch pha sử dụng mã
hóa Gray làm cơ sở gỡ pha đầu tiên tại Việt Nam đạt độ chính xác 0,05mm trong phạm vi
đo 200x200x200 mm. Thiết bị chế tạo hoạt động tốt minh chứng cho kết quả nghiên cứu
của đề tài luận án vừa là công cụ để phục vụ thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết mà nếu sử
dụng các phần mềm và các thiết bị có sẵn của nước ngoài không thể thực hiện được, bởi
khi đó chỉ có thể thực hiện các phép đo theo các khuôn mẫu thuận tiện cho công nghiệp mà
các nhà chế tạo đã định sẵn.
5. Nội dung luận án
Nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp đo biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc:
nguyên lý đo, các dạng ánh sáng cấu trúc đã được nghiên cứu, các hệ thống cấu tạo nên
một thiết bị đo. Tình hình nghiên cứu phương pháp đo lường biên dạng 3D bằng ánh sáng
cấu trúc, các mô hình kỹ thuật, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp từ đó
xác định dạng ánh sáng nghiên cứu của luận án là kết hợp dịch pha và mã hóa Gray nhằm
tăng độ chính xác và độ phân giải khi đo lường các chi tiết cơ khí. Cuối chương trình bày
các nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu phương pháp đo biên dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc dịch
pha sử dụng mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha. Phân tích các thuật toán dịch pha, các phương
pháp gỡ pha từ đó xây dựng phương pháp gỡ pha sử dụng mã hóa Gray nhằm nâng cao độ
độ chính xác gỡ pha. Xây dựng mô hình toán học xác định tọa độ điểm đo, đề xuất phương
án hiệu chuẩn hệ thống nhằm xác định thông số kỹ thuật, vị trí tương quan của máy chiếu
và camera. Những phân tích là cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị cũng như xây
dựng quá trình đo đảm bảo độ chính xác đề ra.
Chương 3: Xác lập cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu
trúc theo nguyên lý dịch pha. Đi sâu vào bài toán thiết kế hệ camera và máy chiếu thỏa
mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống. Xây dựng các giải thuật xử lý tín hiệu đo. Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá
các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác thiết bị đo. Ứng dụng thiết kế chế tạo thiết bị đo
biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc STL - 1.
Chương 4: Trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị chế tạo STL - 1.
Tiến hành hiệu chuẩn đặc tính của hệ máy chiếu và camera để đảm bảo độ chính xác khi
đo. Đánh giá độ chính xác phương pháp và thiết bị đo chế tạo thông qua quá trình đo so
sánh với các mẫu chuẩn dạng trụ và cầu được đo trên các thiết bị CMM. Khảo sát sự ảnh
hưởng vị trí đặt vật đo trong không gian đo của thiết bị. Thực nghiệm đo biên dạng một số
chi tiết, đánh giá khả năng đo toàn bộ chi tiết của thiết bị. Kết quả thực nghiệm là cơ sở
đánh giá các mục tiêu đặt ra của luận án cũng như định hướng các hướng nghiên cứu tiếp
theo.
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 quang cơ, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo, xây dựng quá
trình hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác khi đo.
Tiến hành các quá trình đo lường thống kê, thực nghiệm đo biên dạng các mẫu sản
phẩm trên thiết bị chế tạo so với kết quả đo bằng máy đo CMM tại Viện đo lường Việt
Nam 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.