Luận văn: Giảm nhiễu nhảy pha trong đo 3D bằng mã Gray kết hợp dịch pha

Luận văn nghiên cứu phương pháp giảm nhiễu nhảy pha trong đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc, sử dụng mã Gray kết hợp dịch pha để tăng độ chính xác.

• Tác giả: Nguyễn Việt Kiên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Giảm Nhiễu Nhảy Pha Trong Phương Pháp Đo Bằng Ánh Sáng Cấu Trúc Sử Dụng Mã Gray Kết Hợp Dịch Pha
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đo 3D ánh sáng cấu trúc

Công nghệ đo 3D ánh sáng cấu trúc là một phương pháp tiên tiến trong lĩnh vực quang học ứng dụng và kỹ thuật cơ điện tử. Phương pháp này kết hợp mã Gray và dịch pha để xác định hình dạng và vị trí không gian của các vật thể với độ chính xác cao. Hệ thống hoạt động bằng cách chiếu các mô hình ánh sáng có cấu trúc lên bề mặt vật thể, sau đó phân tích phản xạ để tính toán tọa độ 3D. Ứng dụng của công nghệ này rất rộng rãi trong các lĩnh vực như chế tạo cơ khí chính xác, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và quét 3D các đối tượng phức tạp. Tuy nhiên, trong quá trình đo lường, hệ thống thường gặp phải các vấn đề về nhiễu nhảy pha làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo.

1.1. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp dịch pha

Phương pháp dịch pha là kỹ thuật chiếu các vân sáng có chu kỳ lên bề mặt vật thể, với các pha khác nhau. Hệ thống camera sẽ ghi lại hình ảnh tại mỗi vị trí pha và tính toán pha tương đối của từng điểm ảnh. Kỹ thuật này cho phép xác định hình dạng chi tiết với độ phân giải cao, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và ánh sáng môi trường.

1.2. Vai trò của mã Gray trong cải thiện độ chính xác

Mã Gray được sử dụng để xác định thứ tự vân sáng một cách chính xác, giảm thiểu lỗi gây ra bởi sự nhập nhằng trong nhận dạng vân. Sự kết hợp giữa mã Gray và dịch pha tạo nên một hệ thống mạnh mẽ, vừa có độ chính xác cao vừa có khả năng phân giải tốt trong việc đo lường các vật thể 3D phức tạp.

II. Nhiễu nhảy pha và những thách thức trong đo 3D

Nhiễu nhảy pha là một vấn đề quan trọng trong công nghệ đo 3D ánh sáng cấu trúc, đặc biệt khi sử dụng phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray. Hiện tượng này xuất hiện khi có sự không liên tục hoặc gián đoạn trong quá trình xác định pha tuyệt đối của các điểm ảnh. Các nguyên nhân chính gây ra nhiễu nhảy pha bao gồm: nhiễu từ ánh sáng môi trường, bề mặt vật thể có độ phản xạ không đều, hoặc các lỗi trong quá trình bắt ảnh. Khi xuất hiện, nhiễu nhảy pha sẽ gây ra các lỗ hổng hoặc các điểm sai lệch trong đám mây điểm 3D, làm giảm chất lượng và độ tin cậy của dữ liệu đo lường. Hiểu rõ bản chất và nguyên nhân gây ra hiện tượng này là bước đầu tiên để xây dựng các giải pháp giảm nhiễu hiệu quả.

2.1. Các nguyên nhân chính gây ra nhiễu nhảy pha

Nhiễu nhảy pha thường xuất hiện do nhiều yếu tố: ánh sáng nền quá mạnh làm ảnh hưởng đến độ tương phản của vân sáng, bề mặt vật thể có độ phản xạ không đều hoặc có các vùng tối, sai số trong quá trình hiệu chuẩn hệ thống, và các lỗi trong thuật toán giải mã pha. Điều này đòi hỏi cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng từng trường hợp để có thể áp dụng giải pháp phù hợp.

2.2. Tác động của nhiễu nhảy pha tới chất lượng đo lường

Nhiễu nhảy pha gây ra các lỗi lớn trong xác định tọa độ 3D, tạo ra những điểm dữ liệu sai lệch hoặc mất hoàn toàn trong đám mây điểm. Điều này làm giảm độ tin cậy của mô hình 3D, ảnh hưởng trực tiếp đến các ứng dụng thực tiễn như kiểm tra chất lượng hoặc xây dựng mô hình.

III. Phương pháp giảm nhiễu nhảy pha sử dụng thuật toán lân cận

Để khắc phục vấn đề nhiễu nhảy pha, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp lọc và xử lý tín hiệu. Một trong những giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng thuật toán lân cận kết hợp với các kỹ thuật lọc thống kê. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc rằng các điểm ảnh liền kề nhau thường có các giá trị pha tương tự, do đó có thể sử dụng thông tin từ các lân cận để sửa chữa hoặc loại bỏ những điểm bị nhiễu. Thuật toán lân cận hoạt động bằng cách so sánh giá trị pha của mỗi điểm với các điểm xung quanh, sau đó sử dụng các hàm trọng số để xác định giá trị pha tối ưu nhất. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ nhiễu nhảy pha mà còn bảo toàn các chi tiết của vật thể, duy trì chất lượng hình ảnh 3D.

3.1. Nguyên lý hoạt động của thuật toán lân cận

Thuật toán lân cận xác định các vùng vân liên tục bằng cách phân tích sự thay đổi pha giữa các điểm liền kề. Nếu phát hiện sự gián đoạn bất thường, hệ thống sẽ điều chỉnh pha của điểm đó dựa trên trung bình của các điểm xung quanh. Quá trình này được lặp lại cho toàn bộ ảnh để đảm bảo tính liên tục của pha tuyệt đối.

3.2. Ưu điểm của phương pháp lọc dựa trên lân cận

Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là giảm nhiễu nhảy pha hiệu quả mà vẫn giữ lại chi tiết của bề mặt. So với các phương pháp truyền thống, nó tính toán nhanh, dễ triển khai và có thể áp dụng cho các hệ thống đo 3D hiện có mà không cần thay đổi phần cứng.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tiễn

Các nghiên cứu về giảm nhiễu nhảy pha đã cho thấy những kết quả đáng khích lệ. Thông qua các thí nghiệm với các mẫu vật khác nhau, từ các bề mặt phẳng đến các vật thể phức tạp, phương pháp giảm nhiễu sử dụng thuật toán lân cận đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với các phương pháp cũ. Độ chính xác của đo lường được cải thiện đáng kể, với sai số giảm từ vài milimét xuống còn hàng trăm micromet. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp này rất rộng: từ kiểm tra chất lượng trong sản xuất, đo lường các bộ phận cơ khí chính xác, cho đến quét 3D các tạo tác lịch sử và y tế. Những tiến bộ này mở ra những khả năng mới cho các công nghệ quang học ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại.

4.1. Kết quả so sánh trước và sau khi áp dụng lọc nhiễu

Các kết quả thực nghiệm cho thấy giảm nhiễu nhảy pha hiệu quả khi so sánh đám mây điểm 3D trước và sau lọc. Các lỗ hổng được lấp đầy, các điểm bị lệch được sửa chữa, và chất lượng mặt 3D được cải thiện rõ rệt. Sai số trung bình giảm đáng kể, tăng cường độ tin cậy của dữ liệu đo.

4.2. Triển khai và mở rộng phương pháp trong công nghiệp

Phương pháp giảm nhiễu nhảy pha có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống đo 3D hiện có thông qua các phần mềm xử lý hình ảnh. Những ứng dụng thực tế trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo lường chi tiết cơ khí, và công nghệ chế tạo cộng (3D scanning) đã chứng minh giá trị to lớn của phương pháp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 phẳn nghiên cứu tổng quan. ~_ Bỏ sung giao diện phản mẻm do chính tác giả xây dựng. ~ _ Chỉnh sửa các lỗi chính tả, định dạng văn bản, thể thức yêu cẩu của luận vẫn thạc sĩ Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS. Nguyễn Văn Vinh "Nguyễn Việt Kiên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.

Vi Toan Thing LOLCAM DOAN “Tôi xin cam đoan những kết quả có trong Luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thảy giảo PGS.TS Nguyễn Văn Vĩnh, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bổ trong bắt cử cỏng trình nảo khắc. “tả Nội, ngày 20 tháng 6 nam 2020 _Mgười thực hiện Nguyễn Việt Kiên LOI CAM ON ‘Trong quá trình nghiên cửu, học tập và hoản thiện luận văn với đề tải "Phương pháp giảm nhiễu nhảy pha trong phương pháp đo bằng ảnh sáng cấu trúc sử dụng mã Gray kết hợp dịch pha”, tôi đã nhận được sự giúp đỡ. nhiệt tình, động viên, khích lệ tình thản vả tạo điều kiện tốt nhất của các thấy cô, gia định và ban be 'Đẫu tiên, tôi xin bấy tỏ sự cảm ơn với Ban giám hiệu nhà trưởng, các thấy: cô phòng Đảo tạo - Bộ phận sau dao tạo đã giúp đô, giải đáp các thắc mắc của tôi liên quan đến các thủ tục trong quả trình học tập tại trưởng. Tôi xi gửi lời cám ơn đến các thầy cỏ thuộc bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, các thẩy có trực tiếp giảng dạy các học phản thuộc chuyên ngành Cơ điện tử đã cho tôi những ý kiến, đóng góp quỷ bảu để tôi cỏ thé hoàn thiện luận.

‘Toi xin chan thank cm on phòng thí nghiệm Quang - Cơ điện tử 307 C4- 5, bệ môn Mây Chính xác và Quang học với những máy móc, thiết bị cùng với các em sinh viễn đã hỗ trợ tôi trong quá trình nghiền cứu, thực nghiệm. Đặc biệt, tới xin bảy tö sự cảm ơn sâu sắc đổi với PGS.TS Nguyễn Văn Vinh va TS. Nguyễn Thị Kim Cúc thuộc bộ món Máy Chỉnh xác va Quang học- viên Cơ Khí, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thiệu luận văn này. "Tác giả Nguyễn Việt Kiên 3⁄4 Mau thye nghigm 3 Khảo sử đo 3D cân mẫu sắm .1 Trường hợp không sử dụng b lạcnhiếu ears 3.2 Thong hop sir dung bộ lọc nhiều nhảy pha sử ins thuat toán.6 Khảo sát đo 3D chỉ tiét bac.

Trường hợp không sử dụng bộ lọc nhi.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc nhiều nhảy pha sử dụng thuật toán lân cận S6 3. Danh giảhiệu quả của phương pháp. 3⁄8 Kếtluận chương3. ca KET LUAN CHUNG CUA tu}Ñ KK HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.

MỤC LỤC MỤC LỤC. ĐANH MỤC HÌNH ANH. DANH MUC BANG BIEU. Lý do lựa chọn để tài.

Mục đích, đối trgng và phạm vị nghiên cứu của luận văn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn. Phương pháp nghiên cir. Cấu trúc cña luận văn.

TỎNG QUAN SE: po Brin BANG 3D BANG ANH SANG CẤU TRÚC SỬ DỤNG DỊCH PHA KÉT HOP MA GRAY. Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc. 14 12 Phuong phip do bing sử dụng ảnh sảng cấu trúc mã dich pha kết hợp Gray 14 121 Phương pháp địchpha. : ae 1⁄22 - Phươngpháp mÑGmwy.3 Phươngphảp dịch pha bleep cn rw.

Xác định tọa độ điểm do trong phương pháp dich pha kết hợp ma Gray 24 1⁄4. Nhiễu nhày pha vả tình hình nghiên cứu _.1 Nhiéu ohiy pha la gi?.2 Một số nghiên cửu giảm nhiễu nhảy pha. men ĐT 1S - Kếtluận chươngl. 38 16 _ Hướng nghiên cứu của luận văn.

NHIÊU NHẢY PHA TRONG PHƯƠNG PHAP > DICH PHA KET HOP MA GRAY 39 2.1 Phan tich nhiễu nhảy pha 39 22 Xây dụng phương pháp giảm nhiễu nhảy pha sửrên thuật toán lân cận. Kết luận chương2 48 CHUONG 3. THYC NGHTEM DANE GIA meu QUÁ GIẢM NHIÊU NHAY PHA.1 Mue đích củaviệc thực nghiệm 3 49 3.2 Thiét bi thye nghiém. “ 49 33 Phản mm thực nghiệm.

- 50 6 DANH MUC HINH ANH Hình 1. Séng anh sing diéu bien đạng sin a, Ảnh vàn trên mặt phẳng tham chiếub, [1]. 1s Hình L2 Vân di dụng nã tay, 18 Hình 1ä Hệ thống đồ 3D sỉ địng mã Gray [1]. Phương pháp mã Gray kết hợp dịch pha.

Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đổi và thứ tự vân [1].6,Giải mã bản để pha tương đổi qua hai phương chiếu [1]. Minh họa méo ảnh. Mö hinh máy ảnh lỗ nhỏ [1] Hình 1. Các hệ tọa độ trong hệ thống đo [1].

Phép đo sử dụng tam giác Móc. giao điểm thắng [2].22) wi giả tị bắt ý (hình trả) củap20 43) và với giá tị tổi ưu (hình phải) [3] : 29 Hình 1. Vị trí nhiều nhảy pha xuất hiện „31 Hinh 1. Nhiễu nhây pha trên đám máy điểm 3D Hinh 1.

Ma Gray " Hình 116. Pha dong nhat boi: (a) b loc 1x3; (b) bộ lọc 1x5; (e) bộ lọc 13x13; (4) bộ lọc 21x31, and nhiễu của:Hl) bộ lọc 1x3; ® bộ lọc Ix5; (2) bộ lọc 13x13; (h)b6 loc 21x21 [3] a a3 Hình 1. Sơ để của bộ lọc trang bin tích nghỉ vie 38 Hinh 1. Các sọc nhiễu nhảy pha trên bản để pha tuyết đi 40 Hình 3.

: a Hinh 24, Miah hoa tp hop diém 42 Hình 2. Minh họa pha tuyệt đổi theo hai phương trên hai ánh mẫu của máy chiến. - 4 Hình 26, Mih họa mỗi vị đêm ảnh trên mấy chiếu mạng một cấp giả trị pha tuyệt đối. : ich Pontes Hình 2.

Mình họa mảng hơi chiên Aj = 4 Hình 3. Minh họa mảng hai chiếu Ajj. oer MỤC LỤC MỤC LỤC. ĐANH MỤC HÌNH ANH.

DANH MUC BANG BIEU. Lý do lựa chọn để tài. Mục đích, đối trgng và phạm vị nghiên cứu của luận văn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn.

Phương pháp nghiên cir. Cấu trúc cña luận văn. TỎNG QUAN SE: po Brin BANG 3D BANG ANH SANG CẤU TRÚC SỬ DỤNG DỊCH PHA KÉT HOP MA GRAY. Phương pháp đo lường biên dạng 3D sử dụng ánh sáng cấu trúc.

14 12 Phuong phip do bing sử dụng ảnh sảng cấu trúc mã dich pha kết hợp Gray 14 121 Phương pháp địchpha. : ae 1⁄22 - Phươngpháp mÑGmwy.3 Phươngphảp dịch pha bleep cn rw. Xác định tọa độ điểm do trong phương pháp dich pha kết hợp ma Gray 24 1⁄4. Nhiễu nhày pha vả tình hình nghiên cứu _.1 Nhiéu ohiy pha la gi?.2 Một số nghiên cửu giảm nhiễu nhảy pha.

men ĐT 1S - Kếtluận chươngl. 38 16 _ Hướng nghiên cứu của luận văn. NHIÊU NHẢY PHA TRONG PHƯƠNG PHAP > DICH PHA KET HOP MA GRAY 39 2.1 Phan tich nhiễu nhảy pha 39 22 Xây dụng phương pháp giảm nhiễu nhảy pha sửrên thuật toán lân cận. Kết luận chương2 48 CHUONG 3.

THYC NGHTEM DANE GIA meu QUÁ GIẢM NHIÊU NHAY PHA.1 Mue đích củaviệc thực nghiệm 3 49 3.2 Thiét bi thye nghiém. “ 49 33 Phản mm thực nghiệm. - 50 6 3⁄4 Mau thye nghigm 3 Khảo sử đo 3D cân mẫu sắm .1 Trường hợp không sử dụng b lạcnhiếu ears 3.2 Thong hop sir dung bộ lọc nhiều nhảy pha sử ins thuat toán.6 Khảo sát đo 3D chỉ tiét bac. Trường hợp không sử dụng bộ lọc nhi.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc nhiều nhảy pha sử dụng thuật toán lân cận S6 3.

Danh giảhiệu quả của phương pháp. 3⁄8 Kếtluận chương3. ca KET LUAN CHUNG CUA tu}Ñ KK HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. DANH MUC HINH ANH Hình 1.

Séng anh sing diéu bien đạng sin a, Ảnh vàn trên mặt phẳng tham chiếub, [1]. 1s Hình L2 Vân di dụng nã tay, 18 Hình 1ä Hệ thống đồ 3D sỉ địng mã Gray [1]. Phương pháp mã Gray kết hợp dịch pha. Xác định pha tuyệt đối từ pha tương đổi và thứ tự vân [1].6,Giải mã bản để pha tương đổi qua hai phương chiếu [1].

Minh họa méo ảnh. Mö hinh máy ảnh lỗ nhỏ [1] Hình 1. Các hệ tọa độ trong hệ thống đo [1]. Phép đo sử dụng tam giác Móc.

giao điểm thắng [2].22) wi giả tị bắt ý (hình trả) củap20 43) và với giá tị tổi ưu (hình phải) [3] : 29 Hình 1. Vị trí nhiều nhảy pha xuất hiện „31 Hinh 1. Nhiễu nhây pha trên đám máy điểm 3D Hinh 1. Ma Gray " Hình 116.

Pha dong nhat boi: (a) b loc 1x3; (b) bộ lọc 1x5; (e) bộ lọc 13x13; (4) bộ lọc 21x31, and nhiễu của:Hl) bộ lọc 1x3; ® bộ lọc Ix5; (2) bộ lọc 13x13; (h)b6 loc 21x21 [3] a a3 Hình 1. Sơ để của bộ lọc trang bin tích nghỉ vie 38 Hinh 1. Các sọc nhiễu nhảy pha trên bản để pha tuyết đi 40 Hình 3. : a Hinh 24, Miah hoa tp hop diém 42 Hình 2.

Minh họa pha tuyệt đổi theo hai phương trên hai ánh mẫu của máy chiến. - 4 Hình 26, Mih họa mỗi vị đêm ảnh trên mấy chiếu mạng một cấp giả trị pha tuyệt đối. : ich Pontes Hình 2. Mình họa mảng hơi chiên Aj = 4 Hình 3.

Minh họa mảng hai chiếu Ajj. Sơ đỏ thuật toán loại bỏ nh Hình 2. Sơ đỏ thuật toản xác định nhiều nhảy pha. Hệ thếng thiết bị thực nghiệm [1].

Giao điện chưởng trinh phản mẻm đo. Hình 3,3, Giao dign chwong trinh phan mém do, Hình 3. Giao điện Capture. a) Chi tiế bi — „4 Hình 3.10 Hinh ảnh đám mây điểm của chỉ tiết căn mẫu gốm khi đo biến dạng 3D không sử đụng bộ lọc nhiều; a) Hình chiến đăng, b) Hinh chiếu bằng.

Hình ảnh đảm mây điểm của chỉ tiết căn mẫu gốm khi do biên dạng 3D có sử dụng bộ lọc nhiễu; a) Hình chiều đừng; b) Hình chiếu bẳng. Hinh ảnh đảm may diém của chỉ tiết bậc khi đo biên dang 3D khong sử dụng bộ lọc nhiều; a) Hinh chiểu đứng; b) Hình chiếu cạnh; e) Hinh chiếu bing nhảy; a) Hinh chiếu ding; b) Hink chiếu cạnh; e) Hình chiéu bing. So sảnh dim may điểm theo hình chiếu đủng sau khi thực nghiệm. trong hai trường hợp.

a) Có sử dụng bộ lọc; b) Không sự dụng bộ lọc. So sánh đám mây điểm theo hinh chiếu cạnh sau khi thực nghiệm trong hai trường hợp. a) Cỏ sử dụng bộ lọc; b) Không sự dụng bộ lọc. So sánh đảm mây điểm theo hinh chiếu bằng san khi thực nghiệm trong hai trường hợp.

a) Có sử dụng bộ lọc; b) Không sự dụng bộ lọc. S8 3⁄4 Mau thye nghigm 3 Khảo sử đo 3D cân mẫu sắm .1 Trường hợp không sử dụng b lạcnhiếu ears 3.2 Thong hop sir dung bộ lọc nhiều nhảy pha sử ins thuat toán.6 Khảo sát đo 3D chỉ tiét bac. Trường hợp không sử dụng bộ lọc nhi.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc nhiều nhảy pha sử dụng thuật toán lân cận S6 3. Danh giảhiệu quả của phương pháp.

3⁄8 Kếtluận chương3. ca KET LUAN CHUNG CUA tu}Ñ KK HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.