Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT 3D CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 Các hệ thống đo quang học dựa trên phương pháp tam giác đạc Phương pháp tam giác đạc [1] dựa trên một tiên đề quan trọng của lượng giác. Theo tiên đề này, nếu biết trước độ dài của một cạnh và hai góc của một tam giác thì có thể xác định được độ dài của các cạnh còn lại cũng như độ lớn của góc thứ ba. Định luật Sin có thể được sửa lại như sau để biểu diễn độ dài của cạnh B theo độ dài của cạnh A và hai góc q và f : “Trong các ứng dụng đo khoảng cách, đối với các cảm biến đã biết trước đường cơ sở A, độ dài của cạnh B chính là khoảng cách tới điểm P3 trên đối tượng”. P1 f B A P3 a q P2 Hình 1-1 Phương pháp đo khoảng cách tam giác.
Các hệ thống đo quang học dựa trên phương pháp tam giác đạc được chia thành hai loại: Thụ động (chỉ dùng ánh sáng xung quanh đối tượng khảo sát) và chủ động (dùng một nguồn năng lượng để chiếu sáng lên bề mặt đối tượng khảo sát). Hình 1-2 Hệ thống đo khoảng cách 3D thụ động 6 a) Phương pháp đo thụ động Các thiết bị dò hướng (máy quay phim, mảng cảm biến ảnh bán dẫn,…) của hệ thống thụ động được đặt tại vị trí của điểm P1 và P2. Hai cảm biến hình ảnh được bố trí để cùng nhìn đến điểm tạo thành một tam giác ảo. Bằng cách đo hai góc f và θ, kết hợp với hướng và khoảng cách A đã biết của hai cảm biến ảnh, ta có thể xác định được khoảng cách tới đối tượng quan tâm.
b) Phương pháp đo chủ động Phương pháp đo chủ động là một dạng khác của phương pháp đo khoảng cách dựa trên chênh lệch hệ máy ảnh nổi. Tuy nhiên, một trong hai máy ảnh được thay thế bởi một nguồn sáng Laser (hoặc là đèn LED) chiếu vào bề mặt của đối tượng quan tâm. Máy ảnh còn lại được bố trí cách nguồn sáng một khoảng cách cho trước và phải đảm bảo rằng các điểm được chiếu sáng nằm trong vùng quan sát. Các hệ thống chủ động đặt một nguồn ánh sáng điều khiển được (ví dụ như nguồn phát tia Laser) tại điểm P1 hoặc điểm P2 và hướng về điểm P3.
Một cảm biến ảnh sẽ được đặt tại điểm còn lại và cũng hướng về điểm P3. Ánh sáng phát ra từ nguồn sáng sẽ được phản xạ tại đối tượng, một phần của ánh sáng phản xạ sẽ truyền đến bộ thu. Vị trí của chùm sáng đó trên bộ dò cho phép xác định góc f , áp dụng định luật Sin sẽ tìm được khoảng cách tới đối tượng. Hình 1-3 Hệ thống đo khoảng cách bằng phương pháp tam giác chủ động sử dụng máy ảnh CCD làm phần tử thu Đối với các bộ dò kiểu mảng một chiều hoặc hai chiều thì khoảng cách được xác định từ khoảng cách cơ bản A và vị trí tương đối của điểm sáng trên mặt phẳng ảnh.
Đối với các bộ thu đơn có thể dịch chuyển như điốt quang hoặc transistor quang thì góc quay của cảm biến và nguồn sáng được xác định tại thời điểm cảm biến quan sát các điểm được chiếu sáng. Mối quan hệ lượng giác giữa các góc này và khoảng cách cơ sở A cho phép xác định khoảng cách đến vật. Để có được thông tin về những vùng ba 7 chiều thì các nguồn Laser được quét theo cả phương ngang và phương thẳng đứng. Trong các hệ thống có bộ thu và bộ phát độc lập với nhau thì toàn bộ hệ thống có thể dịch chuyển được.
Đối với các hệ thống có bộ phận quang dịch chuyển thì gương và thấu kính được quét đồng thời trong khi nguồn Laser và bộ thu vẫn đứng yên. Hình 1-4 Hệ thống đo khoảng cách 3 chiều chủ động với một nguồn Laser để xác định rõ các vật đo trong ảnh của máy ảnh. c) Đặc điểm của các hệ thống đo quang học dựa trên phương phương pháp tam giác đạc Đặc điểm làm việc của hệ thống tam giác đạc phụ thuộc vào việc hệ thống đó là chủ động hay thụ động. Hệ thống thụ động sử dụng bộ thu là máy ảnh thông thường và yêu cầu điều kiện chiếu sáng tốt, trong trường hợp ánh sáng môi trường quá tối thì cần phải dùng thêm ánh sáng nhân tạo.
Hơn nữa, các hệ thống này còn gặp khó khăn trong việc khớp các ảnh của cùng một điểm nhưng được thu bởi các máy ảnh khác nhau. Ngược lại, hệ thống chủ động chỉ sử dụng một bộ thu duy nhất và không yêu cầu nguồn chiếu sáng đặc biệt. Tuy nhiên, trong số trường hợp các hệ thống chủ động hoạt động không hiệu quả, nguyên nhân là do vật đo không phản xạ được ánh sáng hoặc do sự hấp thụ ánh sáng của bề mặt đối tượng đo. Độ chính xác của hệ thống tam giác đạc sẽ bị giảm đi khi khoảng cách từ hệ đến bề mặt của đối tượng đo tăng lên.
Hệ thống này cũng có sai số khi đo các góc θ và f. Ngoài ra, quá trình đo cũng gặp khó khăn với hiện tượng “khuất vật”, bản chất của hiện tượng “khuất vật” là một phần của đối tượng chỉ có thể được quan sát từ một điểm đặt máy ảnh duy nhất (P1 hoặc P2). Khoảng cách A giữa P1 và P2 là nguyên nhân của hiện tượng che khuất này (cùng một điểm trên đối tượng nhưng chỉ một trong hai máy ảnh thu được ảnh của điểm đó). Khi độ lớn của đường cơ bản A tăng thì độ chính xác của phép đo cũng tăng, tuy nhiên khả năng xảy ra hiện tượng “khuất vật” cũng tăng lên.
Do đó, khi thiết kế các hệ thống đo theo nguyên lý tam giác thường chọn giải pháp thỏa 8 mãn tương đối các yêu cầu trên, thông thường góc a sẽ chọn khoảng giá trị từ 15° đến 20° [2]. Nhược điểm lớn của phương pháp tam giác đạc chủ động khi sử dụng bộ thu là máy ảnh là hiện tượng hấp thụ ánh sáng của bề mặt hoặc ánh sáng không phản xạ được từ bề mặt vật đo. Tuy nhiên phương pháp này không tồn tại vấn đề tìm điểm tương đồng (correspondence problem) giữa hai hình ảnh như phương pháp thụ động dựa trên thị giác nổi (stereo vision) và cũng không bị phụ thuộc vào độ tương phản của môi trường làm việc cũng như giảm được ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng xung quanh (ánh sáng của môi trường có thể trở thành nhiễu làm hạn chế độ phân giải của khoảng cách đo).2 Phương pháp thu nhận ảnh ba chiều dựa trên ánh sáng cấu trúc Ánh sáng cấu trúc (SL) [3][4][5][6] được định nghĩa là quá trình chiếu các ô lưới hoặc vân sáng (theo quy luật biết trước) lên bề mặt của đối tượng, do các vùng trên bề mặt chi tiết có độ cao khác nhau nên khi sử dụng một máy ảnh (camera) tại một góc nhìn khác thì ảnh vân chiếu thu được sẽ bị biến dạng, từ sự biến dạng này có thể xác định được thông tin bề mặt 3 chiều (XYZ) của vật. Cấu hình cho một hệ đo cơ bản bao gồm 01 thiết bị chiếu có chức năng chiếu vân và 01 máy ảnh để thu nhận ảnh vân chiếu trên bề mặt đối tượng.
Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc có ưu điểm: Nhanh được lên đến ±7 𝜇𝑚, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: Đo lường và chóng, không tiếp xúc bề mặt vật, độ phân giải cao, độ chính xác cao (độ chính xác đạt kiểm tra trong công nghiệp, thiết kế ngược chi tiết, nhận dạng đối tượng, y học (thiết kế chế tạo răng, các bộ phận cơ thể…), khảo cổ học … Cùng với sự phát triển của các thiết bị chiếu vân dựa trên LCD [7][8][9][10] và DLP [11][12][13] cho phép mở rộng dải đo cũng như nâng cao độ chính xác, độ phân giải và tốc độ của hệ thống. Các hệ thống đo kích thước sử dụng ánh sáng cấu trúc (SL) là một trường hợp riêng của hệ thống đo tam giác đạc chủ động. Besl, Paul (1989)[14] đã giới thiệu một cách tổng quan về kỹ thuật chiếu ánh sáng cấu trúc, trong khi Vuylsteke et al. (1990) [15] đã phân loại các ứng dụng đã được công bố theo các đặc điểm sau: - Số lượng và kiểu cảm biến.
- Kiểu quang học (thấu kính hình cầu hay lăng trụ, gương, nhiều ống kính). - Dạng ánh sáng (điểm, đường). - Số bậc tự do của cơ cấu quét (0, 1, hoặc 2). - Vị trí quét đã xác định hay chưa xác định.
Thông tin về khoảng cách trong không gian ba chiều cho toàn bộ vùng đo trên vật thể sẽ thu được một cách tương đối nhờ các kỹ thuật phát hiện viền ánh sáng. Vùng không gian ba chiều trong vùng quan sát của máy ảnh có thể được tạo ra bằng cách ghép nhiều đường viền hai chiều sát nhau. Chiều thứ ba của không gian thường được tạo ra bằng cách quét mặt phẳng Laser qua không gian ảnh. So với phương pháp đo tam giác 9 đạc một điểm thì phương pháp vân ánh sáng mã hóa mặt phẳng có thời gian thu nhận ngắn hơn và ít cơ cấu chuyển động hơn do chỉ phải quét theo một chiều.
Nhược điểm của phương pháp này là việc xác định khoảng cách mất nhiều thời gian, gặp nhiều khó khăn vì phải lưu trữ và xử lý nhiều khung ảnh. Một cách tiếp cận khác của phương pháp ánh sáng cấu trúc để đo 3D là chiếu một lưới hình chữ nhật của các điểm hoặc đường ánh sáng có độ tương phản cao lên một mặt phẳng. Sự thay đổi độ sâu của ảnh làm cho lưới ánh sáng bị biến dạng, nhờ đó có thể xác định khoảng cách. Phần mở rộng do biến dạng được xác định bằng cách so sánh lưới ánh sáng đã dịch chuyển với mẫu lưới ánh sáng gốc như sau (Le Moigne & Waxman, 1984[16]): - Xác định các điểm giao cắt của ảnh lưới biến dạng.
- Đánh ký hiệu cho các điểm đó theo hệ tọa độ đã thiết lập cho lưới ánh sáng mẫu đã chiếu. - Tính toán độ sai lệch giữa các điểm giao cắt và/hoặc giữa các đường của hai lưới. - Biến đổi sai lệch đó về khoảng cách cần tìm. Quá trình so sánh yêu cầu sự so khớp tương ứng giữa các điểm trên ảnh và các điểm trong lưới ánh sáng mẫu, điều này có thể gây ra khó khăn trong quá trình thực hiện.
Để làm giảm bớt khó khăn trên, người ta thực hiện phép tương quan giữa các điểm trên lưới ảnh và các điểm trên lưới ánh sáng mẫu. Thông số thiết kế chủ yếu là độ dày của các vạch tạo thành lưới ánh sáng và khoảng cách giữa các vạch đó.
