chương 1 tổng quát hóa về các vấn đề được trình bày và đề xuất phương án nghiên cứu.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong những năm gần đây, với những tiến bộ trong kỹ thuật hình ảnh số, máy chiếu kỹ thuật số và công nghệ thông tin, kỹ thuật đo hình dạng 3D bằng ánh sáng cấu trúc đã phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào rất nhiều ngành như: công nghiệp, an ninh, thời trang và giải trí. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc 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.1 Sơ đồ khối hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, thông thường bao gồm một bộ phận chiếu ảnh mẫu, một bộ phận thu nhận hình ảnh và một bộ xử lý, phân tích ảnh. Bộ phận chiếu ảnh thường là máy chiếu, bộ phận thu ảnh có thể sử dụng một hoặc nhiều máy ảnh. Nguyên lý của phương pháp đo này là chiếu một miền ánh sáng cấu trúc được mã hóa lên vật thể cần đo, biên dạng bề mặt và ánh sáng mã hóa xuất hiện trên bề mặt 3D của chi tiết đo được thu lại bởi hệ thống máy ảnh. Tọa độ 2D của chi tiết đo được xác định thông qua cường độ và vị trí của điểm ảnh trên cảm biến ảnh.
Độ sâu của chi tiết đo được xác định thông qua độ lệch pha của ánh sáng mẫu khi chiếu lên chi tiết đo và ánh sáng mẫu chiếu lên mặt phẳng chuẩn. Mặt phẳng chuẩn là mặt phẳng đi qua giao điểm của trục quang máy ảnh và máy chiếu và song song với đường nối giữa pupin vào của máy ảnh và máy chiếu. Hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo vùng bề mặt có khả năng thu được toàn bộ bề mặt 3D tốc độ cao hơn, linh hoạt hơn và dễ dàng thực hiện so với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường [19], [69]. Với phương pháp tam giác lượng theo điểm và đường thường sử dụng nguồn laser được điều biến theo dạng điểm và đường khi chiếu lên bề mặt chi tiết đo.
Để đo toàn bộ bề mặt 3D phải kết hợp cả cụm dịch chuyển đầu đo hoặc chi tiết đo và hệ thống đo lường dịch chuyển phức tạp. Tín hiệu thu được ở hai phương pháp này là tập hợp các 7 tọa độ theo điểm hoặc đường, do vậy thời gian đo hết toàn bộ bề mặt 3D sẽ lớn [29]. Hiện nay, có rất nhiều mô hình hệ thống với các phương pháp đo khác nhau, việc lựa chọn công cụ và phương pháp đo phù hợp với một số yêu cầu và chi tiết đo cụ thể là rất quan trọng. Trong luận án này, phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc theo phương pháp tam giác lượng theo mặt được lựa chọn để nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khi đo các chi tiết cơ khí.
Phương pháp này ít bị ảnh hưởng với ánh sáng môi trường và cho phép giảm méo hình dạng do chuyển động của đầu đo hay chi tiết đo trong quá trình đo và có độ nhạy cao hơn đối với các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao. 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 (DFP- Digital 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 đường vạch được tạo ra bởi máy chiếu màn hình có sự gián đoạn nhỏ do ranh giới điểm ảnh trên màn hình.
Trên thực tế ranh giới của các điểm ảnh đủ nhỏ có thể được bỏ qua. So với các phương pháp tạo vân mẫu tương tự như phương pháp chiếu qua cách tử thì phương pháp DFP có xu hướng linh hoạt hơn, dễ dàng hơn và nhanh hơn, so sánh với phương pháp tạo vân dựa trên cơ sở giao thoa thì phương pháp DFP không bị ảnh hưởng bởi đốm nhiễu và lỗi dịch pha. Tuy nhiên, phương pháp DFP có thể tạo ra chất lượng vân chiếu không cao, vì vậy để tạo ra vân chiếu dạng sin chất lượng cao thì máy chiếu kỹ thuật số cần được nghiên cứu kỹ. Do vậy cấu hình phần cứng của thiết bị phải mạnh và phù hợp, để giảm bớt ảnh hưởng của thiết bị.
Độ phân giải quang học của phương pháp chiếu phụ thuộc vào bề rộng của vân được sử dụng, chất lượng của hệ thống quang và cũng bị hạn chế bởi bước sóng của ánh sáng. Độ phân giải của hệ thống phụ thuộc vào kích thước và số lượng điểm ảnh trên diện tích bề mặt cảm biến ảnh [38]. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này dùng kỹ thuật chiếu ảnh DLP với ánh sáng trắng dải bước sóng trong vùng nhìn thấy (trong khoảng 400 ÷700 nm) nên việc ảnh hưởng của bước sóng được loại bỏ. Mỗi phương pháp đo lường 3D sử dụng kỹ thuật DFP đã được nghiên cứu và phát triển giải quyết các vấn đề khác nhau trong việc đo lường các chi tiết đo cụ thể.
Trong đó phương pháp sử dụng pha thay vì cường độ có độ nhạy lớn và tính chống nhiễu tốt khi đo các bề mặt có sự biến đổi phản xạ bề mặt lớn, và có thể đạt được độ phân giải không gian hoặc thời gian cao [100]. Một số tác giả [7], đã đánh giá chi tiết các kỹ thuật khác nhau như: phương pháp mã nhị phân Gray code [22] phương pháp mã dịch pha [33], [58], phương pháp mã hóa màu [51], phương pháp kết hợp mã dịch pha và Gray [63], [94]. Trong các phương pháp đo sử dụng kỹ thuật DLP mã hóa ánh sáng theo thời gian thì phương pháp kết hợp được coi là một phương pháp có nhiều ưu điểm thực tiễn nhất [90], [103] cho phép đo các bề mặt 3D không liên tục và phức tạp. Gần đây việc kết hợp mã Gray và dịch pha PSGC trở thành một xu hướng phát triển và điểm nóng nghiên cứu cho phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc [10].
Phương pháp kết hợp này tận dụng lợi thế và hạn chế các nhược điểm riêng của từng phương pháp nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất đo để đo các vật thể có các bề mặt có độ dốc lớn hoặc bề mặt không liên tục.