Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực thị giác máy tính (Computer Vision), bài toán tái tạo mô hình không gian ba chiều (3D) từ tập hợp hình ảnh hai chiều (2D) đang ngày càng đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ứng dụng thực tiễn như thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR), robot học, khảo cổ học và bảo tồn di sản văn hóa. Phương pháp tái tạo hình học và diện mạo vật thể thông qua việc xử lý ảnh tính toán được gọi là công nghệ quang trắc (Photogrammetry).

Các kỹ thuật quang trắc truyền thống hoặc quét 3D cổ điển thường phụ thuộc vào việc đo đạc thủ công, hệ thống thị giác lập thể (stereo vision) phức tạp, hoặc hệ thống quét ánh sáng có cấu trúc (structured light scanning). Những hệ thống này đòi hỏi trang thiết bị phần cứng chuyên dụng, đắt tiền và quy trình thao tác tốn nhiều thời gian, công sức. Nhằm giải quyết các hạn chế trên, đề tài khóa luận "Generate 3D model of objects from images" (Tạo mô hình 3D của vật thể từ ảnh) được thực hiện nhằm nghiên cứu và xây dựng một quy trình khép kín, từ thiết kế hệ thống phần cứng thu thập ảnh tự động đến việc ứng dụng quy trình Cấu trúc từ chuyển động (Structure from Motion - SfM) để tái tạo mô hình 3D chất lượng cao.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm 5 nhiệm vụ chính:

  1. Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu hình ảnh tự động dựa trên nguyên lý quang trắc (photogrammetry).
  2. Kiểm soát mức độ phơi sáng nhằm đảm bảo chất lượng chi tiết cao cho tập dữ liệu ảnh đầu vào.
  3. Xây dựng quy trình xử lý Cấu trúc từ chuyển động (SfM) để tạo đám mây điểm (point cloud) và tái tạo bề mặt lưới (surface mesh).
  4. Thực hiện thu thập và tái tạo hình ảnh trên các phần mềm SfM khác nhau.
  5. So sánh, đánh giá kết quả thực nghiệm với các phương pháp hiện hữu.

Phạm vi và giới hạn của đề tài tập trung vào việc chụp ảnh vật thể đơn lẻ ở nhiều góc độ khác nhau bằng hệ thống bàn xoay tự động trong môi trường có kiểm soát, trích xuất các điểm đặc trưng trong không gian, liên kết thành bề mặt lưới đa giác và xuất ra các định dạng tệp tương thích với phần mềm đồ họa 3D.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang trắc và thị giác máy tính đa góc nhìn, bao gồm các khái niệm cốt lõi:

  • Phân loại thu nhận dữ liệu 3D (3D Acquisition Taxonomy): Tác giả phân chia kỹ thuật thu nhận 3D thành hai nhóm chính:
    • Kỹ thuật chủ động (Active Techniques): Bao gồm quét ánh sáng có cấu trúc (Structured Light), đo thời gian bay của chùm sáng (Time-of-Flight/LiDAR), và Shape-from-Shading/Photometric Stereo.
    • Kỹ thuật thụ động (Passive Techniques): Bao gồm Shape-from-Texture, Shape-from-Contour, Shape-from-Defocus, Shape-from-Silhouettes và các phương pháp kết hợp (Hybrid). Đề tài tập trung chuyên sâu vào phương pháp quang trắc thụ động đa góc nhìn kết hợp nguyên lý tam giác đạc (Triangulation).
  • Nguyên lý hình thành ảnh và bức xạ học (Radiometry): Quá trình tạo ảnh số được mô hình hóa qua hàm phân bố điểm (Point Spread Function - PSF): $$\text{Image} = \text{PSF} * \text{Object function} + \text{Noise}$$ Sự phụ thuộc của năng lượng bức xạ vào góc khối $\Omega$ (tính bằng steradian - $\text{sr}$) và hiệu ứng co ngắn (foreshortening effect) được biểu diễn qua yếu tố góc nghiêng $\cos\theta$: $$d\Omega = \frac{dA \cos\theta}{r^2}$$
  • Mô hình phép chiếu (Projections): Khảo sát sự chuyển đổi tọa độ từ không gian 3D sang mặt phẳng 2D thông qua phép chiếu phối cảnh (Perspective Projection) và phép chiếu song song/trực giao (Orthographic/Parallel Projection).
  • Tự hiệu chuẩn camera (Camera Self-Calibration): Quy trình gồm 4 giai đoạn chính:
    • Giai đoạn 1 - Trích xuất và đối sánh đặc trưng: Trích xuất các điểm biên, góc, khối (blobs) và chuyển đổi thành vector đặc trưng bất biến.
    • Giai đoạn 2 - Hiệu chuẩn ma trận cơ bản ($F$): Sử dụng hình học biểu cực (Epipolar geometry) và thuật toán chuẩn hóa 8 điểm (normalized 8-point algorithm) kết hợp phương pháp Gold Standard để tối ưu hóa khoảng cách hình học $d$: $$x'_i F x_i = 0$$ $$d = \sum \left( d(x_i, \hat{x}_i)^2 + d(x'_i, \hat{x}'_i)^2 \right)$$
    • Giai đoạn 3 - Xác định ma trận thông số nội tại ($A$): $$A = \begin{bmatrix} f_u & s & u_0 \ 0 & f_v & v_0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$ Trong đó $f_u, f_v$ là tiêu cự theo trục tọa độ pixel, $(u_0, v_0)$ là điểm chính (principal point), $s$ là độ nghiêng trục (skew factor).
    • Giai đoạn 4 - Ước lượng chuyển động của camera: Dựa trên ma trận thiết yếu ($E$) và ma trận cơ bản ($F$) theo công thức liên hệ: $$E = [t]_\times R$$ $$E = A^T F A$$ Ma trận $E$ biểu diễn các thông số hình học ngoại tại gồm ma trận xoay $R$ và vector tịnh tiến $t$.
Thuật ngữ / Khái niệm Định nghĩa / Vai trò trong đề tài
Photogrammetry Kỹ thuật đo đạc tọa độ 3D và tái tạo bề mặt vật thể từ tập hợp ảnh chụp 2D.
Structure from Motion (SfM) Thuật toán ước lượng đồng thời cấu trúc 3D của vật thể và vị trí/hướng đặt camera từ chuỗi ảnh.
Point Cloud Đám mây điểm biểu diễn tập hợp các tọa độ $(X, Y, Z)$ thể hiện hình học bề mặt vật thể trong không gian.
Fundamental Matrix ($F$) Ma trận liên kết các điểm tương ứng giữa hai ảnh ở hệ tọa độ pixel đối với camera chưa hiệu chuẩn.
Essential Matrix ($E$) Ma trận biểu diễn quan hệ hình học biểu cực chuẩn hóa giữa hai góc nhìn camera đã biết thông số nội tại.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm:

  • Thu thập dữ liệu: Thiết kế hệ thống phần cứng scanner với cơ chế bàn xoay chia độ chính xác và điều khiển chụp đồng bộ để thu thập chuỗi ảnh RAW đa góc nhìn.
  • Tiền xử lý: Tinh chỉnh dải sáng, độ sắc nét, khử méo quang học và tối ưu hóa kết cấu trên phần mềm chuyên dụng.
  • Tái cấu trúc 3D: Triển khai pipeline tái tạo qua phần mềm SfM mã nguồn mở (Meshroom dựa trên framework AliceVision), chuyển đổi từ đám mây điểm thưa (sparse point cloud), đám mây điểm dày (dense point cloud), tạo lưới tam giác (mesh) và phủ vân bề mặt (texture mapping).
  • Hậu kỳ và đánh giá: Làm mịn, chỉnh sửa hình học và xuất mô hình trên phần mềm Blender.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng hệ thống máy quét (3D Scanner)

Hệ thống chụp ảnh quang trắc tự động được cấu thành từ các khối phần cứng chính:

  • Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 chịu trách nhiệm điều phối toàn bộ chu trình xoay bàn và kích chụp.
  • Khối truyền động bàn xoay: Động cơ bước Nema 17 kết hợp module điều khiển Easy Driver A3973, cho phép bàn xoay dịch chuyển từng bước với góc xoay cấu hình được (mặc định khoảng 10 độ mỗi lần dừng hoặc tùy biến theo số bước lập trình).
  • Khối kích chụp tự động: Động cơ servo SG90 đóng vai trò như một cần gạt cơ học tác động trực tiếp lên nút chụp của máy ảnh, đảm bảo tính đồng bộ tuyệt đối với chu kỳ dừng của bàn xoay.
  • Thiết bị thu nhận hình ảnh: Máy ảnh kỹ thuật số DSLR Canon EOS 6D, kết nối trực tiếp với máy tính xử lý qua cáp mini USB để truyền dữ liệu ảnh chụp tức thời.
  • Khối giao tiếp người dùng: Module LCD 1602/1607 tích hợp keypad shield, hiển thị tiến trình chụp và nhận lệnh cấu hình chế độ thủ công (manual) hoặc tự động (automated).
  • Khối nguồn: Module cấp nguồn breadboard MB102 cung cấp điện áp cho Arduino Mega và servo SG90; bộ chuyển đổi nguồn Hi-Link AC-DC hạ áp lưới điện xoay chiều để cấp nguồn cho động cơ bước Nema 17.
                  +-----------------------------------+
                  |      Arduino Mega 2560            |
                  |     (Bộ điều khiển trung tâm)     |
                  +---+-------------+---------------+---+
                      |             |               |
       Tín hiệu xung  |             | Tín hiệu góc  | Tín hiệu hiển thị
       & hướng quay   |             | điều khiển    | & phím bấm
                      v             v               v
            +------------+    +-----------+    +-------------------+
            | Easy Driver|    | Servo SG90|    | LCD 1602/1607     |
            |   A3973    |    | (Cò chụp) |    | Keypad Shield     |
            +-----+------+    +-----+-----+    +-------------------+
                  |                 |
     Điều khiển   |            Nhấn | Kích chụp
     bước xoay    v                 v
            +------------+    +-----------+
            |  Nema 17   |    | Canon EOS |
            |  Turntable |    |    6D     |
            +------------+    +-----+-----+
                                    | Cáp mini USB
                                    v
                              +-----------+
                              | Máy tính  |
                              |  Xử lý    |
                              +-----------+

Lưu đồ thuật toán điều khiển máy quét

Thuật toán điều khiển của Arduino được tổ chức theo mô hình máy trạng thái (State Machine) gồm 3 trạng thái chính:

  1. Trạng thái IDLE (Chờ): Hệ thống quét liên tục bàn phím để nhận lệnh. Người dùng có thể điều khiển xoay động cơ bước thủ công theo hai chiều, thay đổi kích thước bước quay, hoặc kích hoạt cờ chạy (run flag) để chuyển sang chế độ quét tự động.
  2. Trạng thái RUNNING (Đang quét): Arduino thực thi chuỗi lệnh tự động tuần tự: kích hoạt động cơ bước xoay bàn xoay một khoảng góc đặt trước, dừng ổn định thời gian trễ trước phơi sáng (pre-exposure delay), kích hoạt servo SG90 gạt cò chụp máy ảnh, duy trì thời gian trễ sau phơi sáng (post-exposure delay) để hoàn tất ghi ảnh. Số lượng ảnh chụp được đếm và hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD. Khi đạt đủ số lượng phơi sáng yêu cầu, hệ thống trả về trạng thái IDLE.
  3. Trạng thái MENU (Cấu hình): Cho phép người dùng tùy chỉnh sâu các tham số vận hành bao gồm: kích thước góc bước (step size), thời gian chờ trước phơi sáng (pre-wait time), thời gian chờ sau phơi sáng (post-wait time), và độ trễ xung gạt của servo (servo delay).

Quy trình phần mềm xử lý dữ liệu

Quy trình xử lý dữ liệu từ ảnh chụp thành mô hình 3D hoàn chỉnh gồm 4 bước:

  • Bước 1 - Tiền xử lý hình ảnh (Capture One): Toàn bộ tệp ảnh RAW từ máy Canon 6D được nhập vào phần mềm Capture One (Phase One). Tại đây, hình ảnh được tự động cân bằng phơi sáng, hiệu chỉnh độ tương phản, làm nổi bật chi tiết kết cấu bề mặt (textures), khử quang sai thấu kính và điều chỉnh kích thước ảnh phù hợp nhằm tối ưu hóa cho giải thuật trích xuất đặc trưng.
  • Bước 2 - Tái tạo hình học 3D (Meshroom / AliceVision): Tập ảnh đã tiền xử lý được đưa vào pipeline SfM trong phần mềm Meshroom. Hệ thống thực hiện tuần tự: trích xuất đặc trưng hình ảnh (sử dụng các thuật toán như SIFT, AKAZE, KAZE...), đối sánh đặc trưng (Feature Matching), ước lượng vị trí các góc chụp camera và tọa độ đám mây điểm thưa (StructureFromMotion), nâng mật độ thành đám mây điểm dày (PrepareDenseScene, DepthMap, DepthMapFilter), tái tạo lưới tam giác liên tục (Meshing), và làm mịn bề mặt lưới (MeshFiltering).
  • Bước 3 - Phủ vân bề mặt (Texturing): Gán các thông tin màu sắc và hoa văn từ ảnh gốc độ phân giải cao lên bề mặt lưới 3D (Texturing node trong Meshroom).
  • Bước 4 - Tinh chỉnh và xuất tệp (Blender): Mô hình sau khi tái tạo được đưa vào Blender để loại bỏ các điểm thừa (noise/outliers), tinh chỉnh mật độ đa giác và xuất ra các định dạng chuẩn 3D.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu trình bày tổng quan về sự phát triển của thị giác máy tính trong bài toán tái tạo 3D từ ảnh 2D. Tác giả chỉ ra các điểm nghẽn của phương pháp truyền thống (chi phí cao, thao tác phức tạp) và xác định tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống thu thập ảnh tự động hóa dựa trên kỹ thuật quang trắc. Chương này đồng thời thiết lập 5 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi giới hạn của đề tài, phương pháp luận thực hiện và cấu trúc 5 chương của khóa luận.

Chapter 2: Theoretical Basic

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng toán học và quang học phục vụ việc hiểu và triển khai tái cấu trúc 3D:

  • Giới thiệu khái quát về thị giác máy tính và mối liên hệ với các ngành khoa học liên quan.
  • Khảo sát hệ thống phân loại thu nhận 3D (chủ động, thụ động, đơn góc nhìn, đa góc nhìn).
  • Trình bày chi tiết nguyên lý tam giác đạc (triangulation), hàm phân bố điểm (PSF) trong quá trình tạo ảnh, các đại lượng bức xạ học ($\text{radiometry}$), góc phẳng, góc khối và ảnh hưởng của hướng bề mặt ($\text{surface normal}$) lên độ rọi ảnh.
  • Phân tích các dạng phép chiếu (phối cảnh, trực giao, trục lượng) và các kỹ thuật ước lượng hình học từ bóng đổ ($\text{Shape from Shading}$).
  • Thiết lập khung toán học tự hiệu chuẩn camera qua 4 bước: trích xuất đặc trưng, xác định ma trận cơ bản $F$, ma trận nội tại $A$, và ma trận thiết yếu $E$.
  • Chi tiết hóa quy trình Cấu trúc từ chuyển động (SfM), cấu trúc dữ liệu đám mây điểm (Point Cloud) và các nguyên tắc kỹ thuật khi chụp ảnh quang trắc (khóa nét, khóa khẩu độ, cân bằng trắng, kiểm soát bóng đổ và vệt phản chiếu).

Chapter 3: System Design and Implementation

Chương 3 tập trung mô tả chi tiết thiết kế kỹ thuật của hệ thống máy quét quang trắc 4 giai đoạn:

  • Sơ đồ khối và danh mục linh kiện phần cứng chi tiết: Arduino Mega 2560, động cơ bước Nema 17, driver A3973, servo SG90, LCD 1602 keypad shield, máy ảnh Canon EOS 6D, cùng hệ thống module nguồn phân lập.
  • Thiết kế thuật toán điều khiển máy quét dựa trên 3 trạng thái (IDLE, RUNNING, MENU).
  • Quy trình tiền xử lý hình ảnh RAW bằng phần mềm Capture One nhằm nâng cao độ tương phản chi tiết và màu sắc.
  • Thiết lập pipeline xử lý SfM trên nền tảng phần mềm mã nguồn mở Meshroom (AliceVision framework), bao gồm các phân loại mô tả đặc trưng (Feature Describers) và cấu hình nút xử lý.

Chapter 4: Results

Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình vận hành hệ thống:

  • Kết quả hoạt động của hệ thống phần cứng máy quét trong quá trình tự động thu thập chuỗi ảnh mẫu quanh vật thể.
  • Đánh giá chất lượng ảnh trước và sau khi xử lý qua Capture One (nổi bật texture và kiểm soát tốt độ phơi sáng).
  • Kết quả tạo đám mây điểm thưa kèm vị trí các góc chụp camera trong không gian của Meshroom.
  • Kết quả đám mây điểm dày, lưới tam giác (mesh) và mô hình phủ vân bề mặt (textured 3D model).
  • Kết quả tinh chỉnh hình học, xóa đa giác lỗi và hoàn thiện mô hình trong môi trường Blender.

Chapter 5: Conclusion and Future Work

Chương kết luận tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu, chỉ ra các ưu điểm về tính ổn định của hệ thống phần cứng và khả năng tự động hóa quy trình, đồng thời thừa nhận các mặt hạn chế và đề xuất hướng mở rộng cho đề tài.


Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

Hệ thống máy quét 3D và pipeline tái tạo hình học đã được hoàn thiện và kiểm nghiệm thực tế với các kết quả cụ thể:

  1. Chế tạo thành công nguyên mẫu máy quét tự động: Hệ thống phần cứng hoạt động ổn định, điều khiển đồng bộ chuyển động quay từng bước của bàn xoay Nema 17 và thao tác kích chụp cơ học của servo SG90 trên thân máy DSLR Canon EOS 6D.
  2. Thiết lập quy trình tiền xử lý ảnh hiệu quả: Tận dụng Capture One để chuẩn hóa thông số phơi sáng, màu sắc và độ sắc nét trước khi nạp vào hệ thống tính toán thị giác.
  3. Tái tạo hoàn chỉnh mô hình 3D: Pipeline Meshroom đã giải quyết thành công bài toán ước lượng vị trí góc chụp, tái tạo đám mây điểm thưa, làm dày đám mây điểm, khép lưới bề mặt và phủ vân chi tiết cao; mô hình được tinh chỉnh và xuất tệp trơn tru qua phần mềm Blender.
+---------------+     +---------------+     +---------------+     +---------------+
| Chụp ảnh RAW  | --> | Tiền xử lý    | --> | Tái tạo SfM   | --> | Tinh chỉnh    |
| (Canon 6D +   |     | (Capture One: |     | (Meshroom:    |     | & Xuất tệp    |
| Bàn xoay)     |     | Exposure,     |     | Point Cloud,  |     | (Blender:     |
|               |     | Texture)      |     | Meshing)      |     | Refine Mesh)  |
+---------------+     +---------------+     +---------------+     +---------------+

Đánh giá chuyên môn từ hội đồng

Theo phiếu đánh giá sơ bộ bảo vệ (Pre-defense Evaluation Sheet) của cán bộ phản biện (TS. Phan Văn Ca):

  • Ưu điểm: Mô hình hệ thống đề xuất trong khóa luận có tính mạch lạc, nguyên mẫu hệ thống phần cứng (prototype) vận hành chính xác và đúng chức năng thiết kế.
  • Điểm đánh giá sơ bộ: 6.0 điểm (Đồng ý cho phép bảo vệ trước hội đồng tốt nghiệp).

Đóng góp thực tiễn

Đề tài đã hiện thực hóa một giải pháp quét 3D quang trắc chi phí thấp dựa trên các linh kiện điện tử thông dụng (Arduino, động cơ bước, servo) kết hợp các phần mềm mã nguồn mở (Meshroom, Blender), giúp sinh viên và các nhà nghiên cứu có thể tiếp cận công nghệ quét 3D mà không cần đầu tư hệ thống quét laser đắt đỏ.


Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

Dựa trên nội dung văn bản và nhận xét phản biện từ hội đồng:

  • Phương pháp luận: Phương pháp thiết kế và triển khai còn thiếu tính đột phá so với các công trình đã công bố trong tài liệu tham khảo chuyên ngành.
  • Trình bày học thuật: Báo cáo khóa luận còn một số hạn chế trong cách tổ chức bố cục, văn phong trình bày và tồn tại các đoạn trích dẫn tài liệu trực tuyến chưa được quy chuẩn nguồn trích dẫn học thuật chặt chẽ.
  • Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống chỉ phù hợp thu thập dữ liệu cho các vật thể đặt vừa trên bàn xoay trong không gian trong nhà (indoor), chưa xử lý được các vật thể có bề mặt quá bóng, trong suốt hoặc môi trường quét không gian rộng ngoài trời.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu tích hợp thêm các thuật toán trích xuất đặc trưng nâng cao hoặc mô hình học sâu (Deep Learning) để hỗ trợ tái tạo các bề mặt thiếu hoa văn đặc trưng.
  • Mở rộng hệ thống quét đa góc nhìn sử dụng nhiều camera đồng thời để rút ngắn thời gian thu thập dữ liệu.
  • Tối ưu hóa cấu hình các nút trong pipeline AliceVision để giảm thời gian xử lý và tiêu hao tài nguyên tính toán khi xử lý tập dữ liệu ảnh kích thước lớn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện - Điện tử, Cơ điện tử và CNTT: Là tài liệu tham khảo trực quan về việc tích hợp hệ thống nhúng (Arduino Mega) điều khiển cơ cấu chấp hành (động cơ bước, động cơ servo) đồng bộ với thiết bị ngoại vi (máy ảnh DSLR).
  • Người nghiên cứu về Thị giác máy tính và Đồ họa 3D: Cung cấp tài liệu tổng hợp về lý thuyết hình học đa góc nhìn, toán học tự hiệu chuẩn camera ($F, E, A$), cũng như quy trình từng bước làm chủ phần mềm Meshroom và AliceVision framework để phục dựng mô hình 3D.
  • Ứng dụng thực hành: Hướng dẫn chi tiết cách thiết lập các thông số chụp ảnh quang trắc tiêu chuẩn (khóa sáng, khóa nét, kiểm soát bóng đổ) và cách tiền xử lý ảnh RAW chuyên nghiệp bằng Capture One.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống phần cứng của máy quét 3D trong đồ án gồm những linh kiện chính nào?

Hệ thống phần cứng bao gồm: Bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560, động cơ bước Nema 17 kèm mạch điều khiển Easy Driver A3973 để xoay bàn quét, động cơ servo SG90 dùng làm cơ cấu gạt nút chụp cơ học, máy ảnh DSLR Canon EOS 6D truyền ảnh qua cổng mini USB, màn hình LCD 1602/1607 tích hợp Keypad Shield để điều khiển giao diện, cùng khối cấp nguồn MB102 và bộ đổi nguồn Hi-Link AC-DC.

2. Sự khác biệt cốt lõi giữa ma trận cơ bản ($F$) và ma trận thiết yếu ($E$) trong lý thuyết hiệu chuẩn camera là gì?

Ma trận thiết yếu ($E$) là một thực thể thuần túy hình học biểu diễn phép quay ($R$) và tịnh tiến ($t$) của camera trong không gian thực, áp dụng cho camera đã được hiệu chuẩn thông số nội tại. Trong khi đó, ma trận cơ bản ($F$) chứa đựng cả thông tin hình học ngoại tại lẫn các thông số nội tại của cả hai camera ($E = A^T F A$), được sử dụng để liên kết tọa độ điểm ảnh trực tiếp trên hệ tọa độ pixel của các camera chưa hiệu chuẩn.

3. Phần mềm nào được sử dụng trong quy trình tái tạo 3D và chức năng của từng phần mềm là gì?

Quy trình sử dụng 3 phần mềm chuyên dụng:

  • Capture One (Phase One): Tiền xử lý ảnh RAW, cân chỉnh phơi sáng, màu sắc, tối ưu độ tương phản chi tiết và khử quang sai.
  • Meshroom (AliceVision framework): Thực thi pipeline SfM từ trích xuất đặc trưng, đối sánh, tính toán góc camera, tạo đám mây điểm thưa, làm dày đám mây điểm, dựng lưới bề mặt (meshing) và phủ vân (texturing).
  • Blender: Làm sạch đa giác thừa, tinh chỉnh hình học và xuất mô hình 3D sang các định dạng tương thích.

4. Máy trạng thái điều khiển vi điều khiển Arduino trong hệ thống gồm những chế độ nào?

Thuật toán điều khiển của Arduino được chia thành 3 trạng thái chính:

  • IDLE: Hệ thống chờ lệnh từ người dùng qua bàn phím keypad, cho phép xoay động cơ bước thủ công hoặc khởi động quét tự động.
  • RUNNING: Thực hiện chu trình quét tự động tuần tự (xoay bàn xoay theo số bước định trước $\rightarrow$ dừng chờ $\rightarrow$ kích servo bấm máy ảnh $\rightarrow$ đếm số ảnh $\rightarrow$ lặp lại).
  • MENU: Cho phép người dùng cài đặt các thông số như kích thước góc bước quay, độ trễ trước phơi sáng, độ trễ sau phơi sáng và độ trễ gạt của servo.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Generate 3D model of objects from images" của sinh viên Tăng Hiệp Vy Quí đã nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết thị giác máy tính và xây dựng thành công một hệ thống quét 3D quang trắc tự động kết hợp pipeline Structure from Motion. Bằng việc phối hợp linh hoạt giữa phần cứng nhúng Arduino điều khiển bàn xoay và các công cụ phần mềm chuyên dụng (Capture One, Meshroom, Blender), đề tài đã chứng minh tính khả thi của giải pháp tái tạo mô hình 3D chất lượng cao từ chuỗi ảnh 2D với chi phí hợp lý. Công trình là tài liệu tham khảo bổ ích về mặt kỹ thuật cho sinh viên và các nhà phát triển trong lĩnh vực thị giác máy tính ứng dụng.