Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu hệ thống đo 3D chi tiết cơ khí bằng ánh sáng cấu trúc kết hợp mã Gray và dịch đường" do nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Tú thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2022, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Thị Phương Mai và TS. Phạm Hồng Tuấn. Nghiên cứu thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, mã số 9520103.
Về tính cấp thiết, trong sản xuất công nghiệp và chế tạo máy, việc kiểm soát chất lượng kích thước và hình học ba chiều (3D) của các chi tiết phức tạp (như phụ tùng ô tô, khuôn mẫu) đóng vai trò then chốt. Phương pháp truyền thống sử dụng máy đo tọa độ tiếp xúc (CMM) có độ chính xác cao nhưng tốc độ chậm và tốn thời gian. Phương pháp quét laser quang học tuy cải thiện tốc độ nhưng còn hạn chế trong việc xử lý dữ liệu đám mây điểm mật độ cao và nhạy cảm với đặc tính phản xạ bề mặt. Trong khi đó, công nghệ ánh sáng cấu trúc (Structured Light - SL) cho phép thu nhận dữ liệu không tiếp xúc với mật độ điểm lớn và thời gian ngắn. Tuy nhiên, các thiết bị đo 3D thương mại nhập ngoại (như của Gom - Đức, Solutionix - Hàn Quốc, Creaform - Canada) có giá thành rất cao, dao động từ 50.000 USD đến hơn 100.000 USD khi đi kèm phần mềm phân tích.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ thực tế: các chi tiết cơ khí sau gia công thường có bề mặt kim loại sáng, bóng, gây ra hiện tượng phản xạ gương và bão hòa quang học, làm mất thông tin vân sáng thu nhận. Các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc thông thường phải phủ một lớp bột mịn canxi cacbonat ($CaCO_3$) lên bề mặt vật thể dày từ 1 đến 60 µm để tạo phản xạ khuếch tán, điều này làm sai lệch kích thước thực và tốn thời gian làm sạch. Mặt khác, việc áp dụng mã Gray truyền thống thường bị giới hạn độ phân giải ở các bit bậc cao do độ tương phản vạch sáng - tối bị suy giảm, còn việc xác định đỉnh vạch của phương pháp dịch đường bằng nguồn sáng LED thương mại gặp nhiều khó khăn trong việc phân đoạn dưới đơn vị điểm ảnh (sub-pixel). Do đó, nhu cầu làm chủ lý thuyết, thiết kế chế tạo phần cứng quang - cơ - điện tử và phần mềm đo kiểm 3D hoàn chỉnh trong nước là một đòi hỏi cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu phương pháp đo hình học 3 chiều của các chi tiết cơ khí trên cơ sở ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa mã Gray và dịch đường; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và đề xuất phương án nâng cao độ chính xác; thiết kế, chế tạo thiết bị đo thực nghiệm và xây dựng phần mềm xử lý dữ liệu hoàn chỉnh.
Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được tác giả phân định thành 7 nội dung:
- Nghiên cứu phương pháp ánh sáng cấu trúc khi sử dụng kết hợp giữa mã Gray và dịch đường.
- Nghiên cứu xác định các thông số của các thành phần và của hệ thống đo.
- Nghiên cứu lựa chọn, đánh giá mẫu vân Gray giảm nhiễu trong quá trình giải mã vân khi chiếu lên bề mặt vật thể.
- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình xác định các đỉnh vân chiếu dịch đường.
- Nghiên cứu các phương pháp nâng cao chất lượng ảnh 3D của bề mặt vật khi đo các chi tiết cơ khí có độ sáng, bóng.
- Phân tích lựa chọn sơ đồ nguyên lý và các thành phần khi xây dựng mô hình thiết bị đo; thiết kế chế tạo thiết bị thực nghiệm và phương pháp hiệu chuẩn.
- Thực nghiệm đo đạc, xử lý kết quả, so sánh và rút ra các kết luận cơ sở cho các phương hướng nghiên cứu tiếp theo, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính và hoạt động của mô hình.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là phương pháp đo bề mặt 3D của chi tiết cơ khí sử dụng ánh sáng cấu trúc kết hợp giữa mã Gray và dịch đường, tập trung vào thuật toán giải mã, bộ dò đỉnh vạch sub-pixel, kỹ thuật ảnh động dải rộng (HDR) và các thuật toán tái tạo bề mặt. Đối tượng đo thực nghiệm là bề mặt các chi tiết sau gia công cơ khí.
Phạm vi nghiên cứu được xác lập bao gồm: Xây dựng mô hình thiết bị đo cấu trúc hình học 3D bề mặt chi tiết cơ khí sử dụng công nghệ ánh sáng cấu trúc với yêu cầu độ chính xác kích thước đạt $\pm 20$ µm, phạm vi đo tối đa $200 \times 200 \times 200$ mm và độ phân giải không gian nhỏ nhất đạt 140 µm.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án phân tích lịch sử phát triển của các phương pháp đo quang học dựa trên nguyên lý tam giác đạc từ thập niên 1980 đến nay. Tác giả trích dẫn các nghiên cứu phân loại kinh điển của Besl (1989), Vuylsteke và cộng sự (1990), Le Moigne và Waxman (1984), cùng báo cáo tổng kết của Salvi (2006, 2010) về các phương pháp mã hóa ánh sáng cấu trúc:
- Nhóm mã hóa rời rạc đa phân chia theo không gian: Boyer (1987), Salvi (1998), Monks (1992), Pages (2004, 2006), Maruyama (1993), Griffin (1992), Morano (1998).
- Nhóm mã hóa thời gian và nhị phân: Posdamer (1982), Caspi (1998), Sansoni (2000).
- Nhóm dịch pha liên tục (Phase Shifting): Takeda (1983), Srinivasan (1985), Zhang (2006), Zuo (2012), Van der Jeught (2015), Nguyen (2015).
Đối với hướng tiếp cận kết hợp mã Gray và dịch đường, tác giả chỉ ra công trình nền tảng của Jens Gühring (2001). Gühring sử dụng một chuỗi vân mã Gray để phân đoạn thô vùng không gian kết hợp với các vạch sáng dịch chuyển (line shift) để tìm đỉnh vạch dưới đơn vị điểm ảnh. Tuy nhiên, hệ thống của Gühring sử dụng nguồn phát laser chuyên dụng nên vạch sáng có độ tương phản rất cao; khi áp dụng sang các máy chiếu kỹ thuật số sử dụng nguồn LED (DLP, LCD), hiện tượng tán xạ và làm mờ quang học khiến thuật toán dò đỉnh vạch của Gühring mất độ chính xác.
Đối với việc mã hóa vân, tác giả phân tích các nghiên cứu của Wu và cộng sự (2011), Gupta (2011, 2012) và đặc biệt là kỹ thuật mã Large-Gap Graycode của Zheng (2007, 2010). Kỹ thuật này tái cấu trúc thứ tự chuyển tiếp nhị phân nhằm tối ưu hóa độ dài tối thiểu của các bước bit (min-gap), giải quyết hiện tượng nhòe biên ở các bit cao của mã Gray đối xứng chuẩn.
Về bài toán đo bề mặt kim loại sáng bóng, tác giả điểm lại các kỹ thuật ảnh động dải rộng (HDR) từ công trình đầu tiên của S. Zhang (2009) áp dụng cho dịch pha, báo cáo tổng hợp của Lin (2017), kỹ thuật của Feng (2014), Jiang (2016), Benveniste và Unsalan (2011), Meng (2013). Đồng thời, tác giả viện dẫn nghiên cứu của Palousek (2015) chứng minh việc phủ lớp $CaCO_3$ làm tăng sai số từ 1 đến 60 µm và ảnh hưởng tiêu cực đến tính nguyên vẹn của chi tiết cơ khí.
Về hiệu chuẩn bàn xoay để quét $360^\circ$, tác giả khảo sát các công trình của Lin và Subbarao (2000), Rushmeier và cộng sự (1998), Mülayim (2003), Li (2014) và chỉ ra hạn chế của việc dùng tấm phẳng chuẩn hoặc quả cầu đơn lẻ khi không kiểm soát được quỹ đạo quay không đồng trục.
Tại Việt Nam, các công trình tiêu biểu gồm:
- Đề tài hợp tác quốc tế Nghị định thư Việt Nam - Đài Loan do TS. Phạm Hồng Tuấn làm chủ nhiệm (2012–2014) nghiên cứu hệ thống 3D Vision dựa trên dịch pha và mã hóa mức xám.
- Luận án tiến sĩ của Lê Quang Trà (2016) nghiên cứu phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray để mở pha (phase unwrapping).
- Luận án tiến sĩ của Nguyễn Thị Kim Cúc (2019) nghiên cứu hệ thống đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray, tập trung vào hiệu chuẩn tham số quang học theo tiêu chuẩn ISO (A1, E1) và bù thông tin vùng phản xạ bằng việc chụp ở nhiều góc quan sát.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Toàn bộ các nghiên cứu trong nước trước đó đều sử dụng mô hình gồm 1 máy ảnh kết hợp 1 máy chiếu (trong đó máy chiếu đóng vai trò là một máy ảnh nghịch). Chưa có công trình nào tại Việt Nam nghiên cứu mô hình hệ máy ảnh nổi tích hợp ánh sáng cấu trúc (SLS - Structured-Light Stereo) gồm 2 máy ảnh và 1 máy chiếu kết hợp mã Large-Gap Graycode và dịch đường. Luận án giải quyết khoảng trống về phương pháp giải mã vạch sáng sub-pixel từ máy chiếu LED, kỹ thuật HDR thích ứng trên bề mặt kim loại gia công cơ khí không dùng lớp phủ, và quy trình hiệu chuẩn tọa độ 3 chiều bằng quả cầu chuẩn kết hợp bình phương nhỏ nhất.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên các mô hình toán học và quang học hình học:
- Nguyên lý tam giác đạc quang học (Optical Triangulation): Dựa trên định luật sin và mối quan hệ giữa đường cơ sở $A$, các góc định vị quan sát $\theta$, $\varphi$ để xác định tọa độ không gian điểm $P(X, Y, Z)$.
- Mô hình hệ thu ảnh: Mô hình lỗ nhỏ (Pin-hole model) chuyển đổi từ hệ tọa độ thế giới sang hệ tọa độ máy ảnh và hệ tọa độ điểm ảnh. Mô hình méo ảnh xuyên tâm (radial distortion) được đưa vào để hiệu chỉnh quang sai thấu kính.
- Hình học Epipolar trong hệ máy ảnh nổi: Xác định mặt phẳng epipolar tạo bởi điểm thực $P$ và hai tâm chiếu máy ảnh trái ($O_l$), máy ảnh phải ($O_r$). Hai đường epipolar là giao tuyến của mặt phẳng này với hai mặt phẳng ảnh. Sau khi thực hiện căn chỉnh ảnh (image rectification), các đường epipolar trở nên song song và nằm trên cùng hàng quét, quy bài toán tìm kiếm điểm ảnh tương đồng 2 chiều về bài toán tìm kiếm 1 chiều dọc theo hàng.
- Lý thuyết mã hóa vân: Sử dụng mã Large-Gap Graycode $n$-bit được xây dựng từ việc xen kẽ hai chuỗi chuyển tiếp nhị phân $T_A$ ($n$ bit) và $T_B$ ($m$ bit) thông qua chuỗi mẫu $P = (baaa)$. Mô hình này đảm bảo độ rộng tối thiểu của vạch sáng - tối ($min-gap$) lớn hơn mã Gray đối xứng thông thường ($min-gap = 2$), duy trì độ tương phản khi chiếu lên bề mặt nghiêng dọc theo trục Z.
- Phương pháp dịch đường (Line Shift): Sử dụng chuỗi vạch sáng đơn có độ rộng xác định, dịch chuyển theo chu kỳ bước 6, 8 hoặc 10 điểm ảnh. Tọa độ đỉnh vạch được xác định chính xác dưới đơn vị điểm ảnh thông qua thuật toán dò cực đại năng lượng mức xám có xét đến độ mở và điều kiện biên.
- Kỹ thuật ảnh động dải rộng (HDR): Dựa trên việc phân tích hàm phản hồi quang học của máy ảnh và việc điều chế thông số phơi sáng để mở rộng dải tần nhạy sáng (Dynamic Range) mà không làm tăng số khung hình chụp.
- Phương pháp hiệu chuẩn: Sử dụng mẫu bàn cờ 9 $\times$ 12 ô vuông để xác định thông số nội, thông số ngoại của hai máy ảnh; sử dụng quả cầu chuẩn đường kính biết trước và tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013 để xây dựng phương trình hiệu chuẩn 3 trục tọa độ OX, OY, OZ bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Squares).
Phương pháp nghiên cứu kết hợp tính toán mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm chế tạo. Tác giả tự thiết kế kết cấu cơ khí gá đặt, mạch điều khiển đồng bộ phần cứng, lập trình phần mềm thu nhận và tính toán đám mây điểm 3D.
Nguồn tư liệu và dữ liệu gồm:
- Dữ liệu ảnh thực nghiệm thu nhận từ cụm 2 máy ảnh CMOS công nghiệp Grasshopper GS3-U3-32S4C-C (hãng FLIR/Point Grey, độ phân giải 3.2 triệu điểm ảnh) và bộ kit máy chiếu kỹ thuật số DLP LightCrafter 4500 (Texas Instruments, độ phân giải vi gương DMD $1140 \times 912$).
- Dữ liệu chuẩn đo lường: Bộ căn mẫu chuẩn cấp 0 của hãng Mitutoyo, quả cầu chuẩn đo lường CMM.
- Dữ liệu kiểm chứng thực tế: Các chi tiết cơ khí gia công thực tế gồm puly động cơ ô tô THACO, piston động cơ xe máy, trục cam, nắp nhôm mặt máy, chi tiết tiện đồng và chi tiết mạ kim loại.
- Dữ liệu so sánh đối chứng được xử lý độc lập trên phần mềm đo kiểm công nghiệp GOM Inspect.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN BỀ MẶT 3D CỦA VẬT THỂ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết của phương pháp tam giác đạc quang học thụ động và chủ động. Tác giả phân tích cấu trúc của hệ thống ánh sáng cấu trúc, đối chiếu hai mô hình: mô hình (a) gồm 1 máy ảnh và 1 máy chiếu; mô hình (b) gồm 2 máy ảnh và 1 máy chiếu. Phân tích chỉ ra rằng mô hình 2 máy ảnh kết hợp 1 máy chiếu (SLS) có ưu thế vượt trội: máy chiếu chỉ đóng vai trò tạo vân mã hóa bề mặt, không tham gia vào phương trình tam giác đạc hình học nên hệ thống không phụ thuộc vào độ sâu trường ảnh hạn hẹp của máy chiếu; đồng thời khi kết hợp căn chỉnh hình học epipolar, quá trình tìm kiếm điểm tương đồng chỉ thực hiện trên cùng một hàng quét, giảm số lượng vân chiếu từ hai chiều (ngang và dọc) xuống một chiều dọc.
Tác giả đánh giá 3 tiêu chí hiệu năng then chốt của hệ thống đo 3D: độ chính xác, độ phân giải và tốc độ thu nhận. Tiếp đó, nguyên lý mã Gray kết hợp dịch đường theo đề xuất ban đầu của Jens Gühring (2001) được phân tích chi tiết. Luận án chỉ ra điểm hạn chế khi chuyển dịch công nghệ này từ hệ thống chiếu laser sang hệ chiếu DLP/LED thương mại.
Chương 1 cũng tổng quan các kỹ thuật HDR trong ánh sáng cấu trúc. Tác giả lập bảng so sánh 6 nhóm kỹ thuật:
| Kỹ thuật HDR |
Tự động tính tham số |
Độ chính xác cao |
Ứng dụng trực tuyến |
Không yêu cầu nội suy |
Không yêu cầu phần cứng bổ sung |
Đo được vật phức tạp và đa màu |
| Sử dụng đa phơi sáng |
Có |
Có |
Không |
Có |
Có |
Có |
| Sử dụng thời gian phơi sáng tối ưu |
Có |
Có |
Có |
Có |
Có |
Không |
| Điều chỉnh cường độ chiếu mẫu |
Có |
Có |
Có |
Không |
Có |
Có |
| Sử dụng bộ lọc phân cực |
Không |
Không |
Có |
Có |
Không |
Có |
| Sử dụng màu sắc bất biến |
Có |
Không |
Có |
Không |
Có |
Không |
| Đo sáng lập thể |
Không |
Không |
Không |
Có |
Không |
Có |
Phần cuối chương tổng thuật các công trình nghiên cứu trong nước (Phạm Hồng Tuấn, Lê Quang Trà, Nguyễn Thị Kim Cúc), từ đó xác lập các mục tiêu, nhiệm vụ và cấu hình hệ thống SLS mà luận án theo đuổi.
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG
Chương 2 trình bày cơ sở toán học và thuật toán mã hóa vân. Luận án phân tích việc tạo mã Gray đối xứng $N$ bit ($N \ge \log_2 W$). Với vùng chiếu $150 \times 120$ mm ở khoảng cách 300 mm của máy chiếu $1140 \times 912$ điểm ảnh, tác giả phân tích các mức mã hóa:
| Mức phân giải |
Vạch máy chiếu (điểm ảnh) |
Số ảnh chiếu (Vùng tâm $150 \times 120$ mm) |
Giá trị $2^n$ |
Số ảnh chiếu (Toàn miền $180 \times 120$ mm) |
Giá trị $2^n$ |
| Thấp |
4 |
7 |
128 |
8 |
228 |
| Trung bình |
2 |
8 |
256 |
9 |
456 |
| Cao |
1 |
9 |
512 |
10 |
912 |
Tác giả chỉ ra rằng khi tăng lên $n = 10$, các vạch vân của mã Gray đối xứng trở nên quá mảnh, hiện tượng nhòe quang học khiến việc phân biệt mức 0 và 1 bị sai sót nghiêm trọng. Để khắc phục, tác giả áp dụng mã Large-Gap Graycode. Bằng việc phối hợp hai chuỗi chuyển tiếp $T_5$ và $T_2$ qua chuỗi mẫu $P = (baaa)$, mã Large-Gap Graycode 7-bit và 10-bit được tạo ra với giá trị $min-gap$ lớn hơn và kích thước bước ổn định từ bit 1 đến bit 10, giúp mở rộng chiều sâu trường nét của ảnh vân dọc theo trục Z.
Tác giả đề xuất phương pháp xác định vùng chiếu vân (vùng làm việc) bằng 2 ảnh: một ảnh toàn bộ bit BẬT (sáng hoàn toàn) và một ảnh toàn bộ bit TẮT (tối hoàn toàn). Việc trừ mức xám giữa hai ảnh này cho phép tạo ảnh mặt nạ (Mask-Image) nhị phân, loại bỏ triệt để ảnh hưởng của ánh sáng môi trường và vùng biên không xác định mà không cần chụp chuỗi ảnh đảo cho từng bit.
Tiếp đó, chương 2 thiết lập mô hình toán học hệ máy ảnh nổi: mô hình lỗ nhỏ, mô hình méo xuyên tâm, hình học epipolar và ma trận cơ bản $F$, ma trận thiết yếu $E$. Các công thức tính toán tiêu cự thấu kính ($f$), trường quan sát (FOV) và khoảng cách đường cơ sở ($T$) giữa hai máy ảnh được giải tích chi tiết với các giá trị thử nghiệm $T = 80$ mm, 100 mm và 120 mm.
Chương 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐO 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC KẾT HỢP MÃ GRAY VÀ DỊCH ĐƯỜNG
Chương 3 tập trung giải quyết độ chính xác phép đo khi đối tượng là chi tiết cơ khí kim loại có độ phản xạ phức tạp. Tác giả khảo sát 4 phương pháp tác động phần cứng để tạo ảnh HDR:
- Thay đổi giá trị xung PWM điều khiển cường độ dòng điện cấp cho LED nguồn của máy chiếu DLP.
- Thay đổi thời gian phơi sáng của vân chiếu trên bộ điều khiển DLP LightCrafter 4500.
- Thay đổi giá trị khuếch đại số (Gain) của cảm biến máy ảnh.
- Thay đổi tốc độ cửa trập (Shutter Speed) của máy ảnh.
Từ các phân tích thực nghiệm, tác giả đề xuất kỹ thuật HDR dựa trên việc thay đổi tốc độ cửa trập của máy ảnh. Phương pháp này không làm thay đổi đặc tính phổ quang học của nguồn chiếu, đảm bảo tính tuyến tính của mức xám và rút ngắn thời gian xử lý so với phương pháp đa phơi sáng truyền thống.
Về phương pháp hiệu chuẩn hệ thống đo 3D, tác giả áp dụng tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013 cho cảm biến quang học quét diện tích. Luận án xây dựng thuật toán bình phương nhỏ nhất ước lượng phương trình mặt cầu từ tập điểm quét quả cầu chuẩn:
$$(X - X_0)^2 + (Y - Y_0)^2 + (Z - Z_0)^2 = R^2$$
Từ sai lệch giữa bán kính tính toán và bán kính danh định của quả cầu chuẩn, tác giả thiết lập hệ phương trình hiệu chuẩn bù sai số độc lập cho từng trục tọa độ OX, OY, OZ.
Chương này cũng giải bài toán hiệu chuẩn bàn xoay tự động 3 bậc tự do (trục quay U, trục quay W và trục tịnh tiến Z). Bằng việc gắn tấm mẫu bàn cờ lên bàn máy và quay/tịnh tiến ở các góc khác nhau, ma trận quay $R$ và vector chuyển vị $T$ giữa hệ tọa độ bàn máy và hệ tọa độ đầu đo được xác lập tự động, phục vụ việc ghép nối dữ liệu đám mây điểm $360^\circ$ mà không cần dán điểm đánh dấu (marker) lên chi tiết.
Chương 4: THỰC NGHIỆM TRÊN THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM XÂY DỰNG
Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm trên thiết bị và phần mềm do tác giả tự xây dựng:
- Cấu tạo phần cứng: Khung thân quang cơ vững chắc tích hợp 2 máy ảnh FLIR Grasshopper GS3-U3-32S4C-C gá đối xứng hai bên máy chiếu DLP LightCrafter 4500. Khoảng cách đường cơ sở giữa 2 máy ảnh được chọn là $T = 100$ mm.
- Đồng bộ tín hiệu: Sử dụng xung kích hoạt ngoài (External Trigger) từ vi điều khiển trung tâm. Máy ảnh hoạt động ở chế độ "Mode 0" và "Mode 14" (chồng chập phơi sáng) đồng bộ chính xác theo từng chu kỳ hiển thị vi gương DMD của máy chiếu.
- Phần mềm: Được lập trình hoàn chỉnh với các mô-đun: hiệu chuẩn máy ảnh nổi, điều khiển đồng bộ chiếu - thu, giải mã Large-Gap Graycode, dò đỉnh vạch dịch đường sub-pixel, tính toán ảnh độ sâu, ghép nối đám mây điểm 3D và xuất định dạng dữ liệu chuẩn.
Kết quả 4 thí nghiệm khảo sát HDR được lượng hóa:
| Phương pháp HDR |
Số ảnh chụp lấy mẫu |
Thời gian thực hiện (giây) |
Chất lượng đám mây điểm |
| Đa phơi sáng truyền thống |
36 |
12,5 |
Đầy đủ nhưng thời gian tính toán lớn |
| Thay đổi dòng điện LED |
18 |
6,8 |
Điểm mây bị suy giảm ở vùng tối |
| Thay đổi khuếch đại số máy ảnh |
18 |
5,9 |
Tăng nhiễu hạt ở vùng biên vạch |
| Thay đổi tốc độ cửa trập (Đề xuất) |
12 |
3,2 |
Đám mây điểm đầy đủ, tối ưu thời gian |
Kết quả thực nghiệm hiệu chuẩn với quả cầu chuẩn:
| Phương pháp áp dụng |
Sai số bán kính trung bình (µm) |
Độ lệch chuẩn $\sigma$ (µm) |
| Bình phương nhỏ nhất thuần túy |
28,4 |
14,2 |
| Áp dụng phương trình hiệu chuẩn 3 trục |
8,6 |
5,1 |
Sai số phép đo phân bố theo đường chuẩn Gaussian trong phạm vi $\pm 20$ µm. Tác giả kiểm chứng hệ thống bằng bộ căn mẫu chuẩn cấp 0 Mitutoyo trên phần mềm GOM Inspect, kết quả sai số đo khoảng cách các bậc căn mẫu đều nằm trong giới hạn $\pm 18$ µm.
Thực nghiệm đo kiểm trên các chi tiết cơ khí thực tế:
- Chi tiết puly động cơ ô tô THACO: Quét toàn bộ biên dạng 3D, đo các đường kính ngoài, rãnh then và chiều dày vành puly. So sánh với bản vẽ chế tạo, sai số kích thước lớn nhất ghi nhận là 0,019 mm.
- Chi tiết piston động cơ xe máy: Quét và đo đường kính ngoài thân piston tại các vị trí váy piston và đỉnh piston, độ lặp lại của phép đo đạt 0,012 mm.
- Các chi tiết khác: Tác giả quét kiểm nghiệm thành công trục cam, chi tiết nhôm mặt máy, chi tiết tiện bằng đồng thau, phôi tượng mạ vàng 24K và mẫu tượng sáp độ bóng cao. Toàn bộ bề mặt đều được tái tạo đầy đủ hình học mà không cần phủ bột trợ quét $CaCO_3$.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:
- Nghiên cứu và áp dụng thành công mã Large-Gap Graycode thay thế cho mã Gray đối xứng truyền thống trong hệ thống đo ánh sáng cấu trúc. Giải pháp này giúp duy trì kích thước bước vân ổn định ở các bit bậc cao, tăng chiều sâu thu nhận của hệ quang và loại bỏ hiện tượng giải mã sai tại các vùng chuyển tiếp sáng - tối.
- Đề xuất phương pháp xác định vùng chiếu vân làm việc thông qua việc chụp 2 ảnh trạng thái toàn bộ bit BẬT và toàn bộ bit TẮT. Phương pháp này giảm thiểu thời gian tính toán, loại trừ ảnh hưởng của ánh sáng môi trường và loại bỏ các điểm ảnh không xác định ở vùng biên trường chiếu.
- Nghiên cứu và tối ưu hóa thuật toán định vị tâm vạch sáng của vân dịch chuyển đường có xét đến độ mở vạch và điều kiện biên cục bộ, cho phép xác định tọa độ đỉnh vạch đạt độ chính xác dưới đơn vị điểm ảnh (sub-pixel).
- Đề xuất quy trình tạo ảnh HDR tối ưu thông qua việc điều khiển tốc độ cửa trập của máy ảnh. Kỹ thuật này giải quyết hiện tượng phản xạ chói lóa trên bề mặt gia công cơ khí kim loại mà không làm thay đổi phổ nguồn sáng, giảm số ảnh chụp xuống còn 12 khung hình và rút ngắn thời gian thu nhận xuống 3,2 giây.
- Xây dựng phương pháp hiệu chuẩn hệ tọa độ 3 chiều (OX, OY, OZ) bằng quả cầu chuẩn và phương pháp bình phương nhỏ nhất kết hợp đánh giá phân bố sai số Gaussian, nâng cao độ chính xác đo lường của hệ thống đạt tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013.
- Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh thiết bị đo 3D quang học kết hợp bàn xoay tự động 3 trục và lập trình phần mềm chuyên dụng. Hệ thống đạt các thông số kỹ thuật:
- Độ phân giải không gian điểm ảnh: 140 µm.
- Thời gian quét một lần: 1,2 ms; thời gian tính toán xử lý: dưới 30 µs/điểm.
- Số điểm ảnh 3D tối đa trong một lần quét: 1.680.000 điểm ảnh (chứa đầy đủ tọa độ X, Y, Z và giá trị màu sắc).
- Sai số đo kích thước: trong phạm vi $\pm 20$ µm đối với thể tích đo $200 \times 200 \times 200$ mm.
- Đã ứng dụng hệ thống để quét 3D, tái tạo biên dạng và kiểm tra kích thước hình học chính xác trên các chi tiết công nghiệp thực tế như puly ô tô THACO và piston xe máy mà không cần phủ chất chống phản xạ.
Về mặt kiến nghị, tác giả đề xuất đưa hệ thống vào ứng dụng trong các dây chuyền kiểm soát chất lượng tại các nhà máy cơ khí phụ trợ, đồng thời tích hợp thêm các cánh tay robot công nghiệp để linh hoạt hóa vị trí đầu đo đối với các kết cấu máy cỡ lớn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Về mặt hạn chế, luận án tự xác định các điểm tồn tại:
- Thể tích làm việc của thiết bị thực nghiệm bị giới hạn trong không gian $200 \times 200 \times 200$ mm do kích thước bàn máy và trường nhìn quang học của thấu kính máy ảnh lựa chọn.
- Đối với các bề mặt kim loại gia công có độ bóng quang học ở cấp độ gương phẳng hoàn toàn (phản xạ gương 100%) hoặc các bề mặt có lỗ sâu, rãnh hẹp mà góc nghiêng vượt quá khả năng quan sát đồng thời của cả hai máy ảnh, hệ thống vẫn xuất hiện các vùng khuyết dữ liệu.
- Tốc độ xử lý dữ liệu đám mây điểm lớn và quá trình ghép nối đa góc quét chưa được tối ưu hóa bằng phần cứng xử lý đồ họa song song (GPU) chuyên dụng nên còn phụ thuộc vào cấu hình máy tính điều khiển.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề ra:
- Mở rộng phạm vi đo của thiết bị để có thể quét và kiểm tra các chi tiết cơ khí có kích thước lớn hơn $500 \times 500 \times 500$ mm.
- Tối ưu hóa thuật toán ghép nối đám mây điểm tự động dựa trên phần cứng tính toán song song GPU để đạt tốc độ xử lý thời gian thực.
- Nghiên cứu kết hợp thêm các thuật toán thông minh trong việc tự động nhận diện vùng phản xạ gương để điều chỉnh thông số phơi sáng cục bộ cho từng vùng cảm biến.
Giá trị tham khảo
Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các ngành Kỹ thuật cơ khí, Cơ điện tử, Quang điện tử, Kỹ thuật đo lường và Thị giác máy tính. Nội dung Chương 2 và Chương 3 là tài liệu tham khảo chi tiết về cơ sở toán học của hình học epipolar, thuật toán mã hóa Large-Gap Graycode và các mô hình hiệu chuẩn máy ảnh nổi.
- Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Làm việc trong lĩnh vực thiết kế máy đo quang học, tự động hóa kiểm tra ngoại quan (AOI) và số hóa 3D công nghiệp. Toàn bộ thiết kế phần cứng, sơ đồ đồng bộ kích hoạt tín hiệu giữa máy chiếu DLP và máy ảnh CMOS (Mode 0, Mode 14) ở Chương 4 có thể ứng dụng trực tiếp vào việc chế tạo thiết bị đo công nghiệp nội địa.
- Các nhà quản lý chất lượng và kỹ sư đo lường tại doanh nghiệp cơ khí: Có thể tham khảo quy trình đánh giá độ không đảm bảo đo theo tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013 và phương pháp đo kiểm kích thước không tiếp xúc trên các chi tiết kim loại có bề mặt sáng bóng mà không làm hư hại chi tiết.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao luận án lựa chọn mô hình 2 máy ảnh + 1 máy chiếu thay vì mô hình 1 máy ảnh + 1 máy chiếu truyền thống?
Trong mô hình 1 máy ảnh + 1 máy chiếu, máy chiếu đóng vai trò là một máy ảnh nghịch tham gia trực tiếp vào phương trình tam giác đạc. Do máy chiếu có độ sâu trường ảnh (DOF) hẹp nên khi ra xa mặt phẳng hội tụ, vân chiếu bị mờ nghiêm trọng, làm giảm độ chính xác tọa độ 3D. Đồng thời, mô hình này đòi hỏi phải chiếu vân mã hóa theo cả hai chiều ngang và dọc. Khi sử dụng hệ 2 máy ảnh + 1 máy chiếu (SLS), máy chiếu chỉ làm nhiệm vụ chiếu vân mã hóa bề mặt; tọa độ 3D được tính toán hoàn toàn từ cặp máy ảnh nổi đã căn chỉnh epipolar, cho phép đưa việc tìm kiếm điểm tương đồng về một hàng quét duy nhất, chỉ cần chiếu vân theo chiều dọc, giúp giảm một nửa số lượng ảnh chiếu và tăng độ chính xác của phép đo.
2. Mã Large-Gap Graycode khắc phục nhược điểm gì của mã Gray đối xứng thông thường?
Mã Gray đối xứng thông thường có độ dài bước bit tối thiểu ($min-gap$) bằng 2. Khi số bit tăng lên ($n \ge 10$) để tăng độ phân giải, các vạch sáng - tối trở nên quá nhỏ, hiện tượng nhòe quang học và tán xạ làm mất tương phản giữa các mức 0 và 1, dẫn đến việc giải mã bị lỗi nghiêm trọng. Mã Large-Gap Graycode tái cấu trúc thứ tự chuyển tiếp bằng cách xen kẽ các chuỗi nhị phân để tối đa hóa $min-gap$. Nhờ đó, kích thước vạch sáng tối được duy trì ổn định qua các bit, giữ được độ sắc nét trên bề mặt nghiêng dọc theo trục Z và mở rộng độ sâu trường đo của hệ thống.
3. Phương pháp HDR nào được tác giả lựa chọn để đo chi tiết cơ khí kim loại sáng bóng và kết quả cụ thể ra sao?
Tác giả đã thử nghiệm 4 kỹ thuật (dòng LED máy chiếu, phơi sáng máy chiếu, khuếch đại số máy ảnh và tốc độ cửa trập máy ảnh). Kết quả cho thấy phương pháp thay đổi tốc độ cửa trập của máy ảnh đem lại hiệu quả cao nhất: duy trì tính tuyến tính của hàm phản hồi cảm biến, không làm méo phổ quang học của nguồn sáng và hạn chế nhiễu hạt. Phương pháp này chỉ cần chụp 12 ảnh lấy mẫu trong 3,2 giây (so với 36 ảnh và 12,5 giây của phương pháp đa phơi sáng truyền thống), thu nhận đầy đủ đám mây điểm của các chi tiết kim loại có độ bóng cao mà không cần phủ bột $CaCO_3$.
4. Hệ thống đo 3D do tác giả chế tạo đạt được các thông số kỹ thuật thực nghiệm nào?
Thiết bị thực nghiệm sử dụng máy chiếu DLP LightCrafter 4500 và 2 máy ảnh FLIR Grasshopper GS3-U3-32S4C-C đạt: độ phân giải không gian điểm ảnh 140 µm; thời gian quét 1,2 ms; số điểm ảnh 3D tối đa trong một lần chụp đạt 1.680.000 điểm; vùng đo định mức $200 \times 200 \times 200$ mm; sai số đo kích thước hình học được kiểm chứng qua căn mẫu chuẩn Mitutoyo cấp 0 và quả cầu chuẩn đạt trong phạm vi $\pm 20$ µm.
5. Luận án thực hiện quy trình hiệu chuẩn hệ thống đo 3D như thế nào để đảm bảo độ chính xác?
Quy trình hiệu chuẩn gồm 3 bước: Bước 1 hiệu chuẩn thông số nội và thông số ngoại của hai máy ảnh bằng mẫu bàn cờ $9 \times 12$ ô đen trắng; Bước 2 xác định ma trận quay $R$ và vector tịnh tiến $T$ của bàn máy 3 trục (U, W, Z) thông qua ảnh chụp bàn cờ ở các vị trí dịch chuyển khác nhau; Bước 3 quét quả cầu chuẩn đo lường CMM, áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất theo tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013 để tính toán sai số bán kính, từ đó thiết lập phương trình hiệu chuẩn bù sai số độc lập cho 3 trục OX, OY và OZ.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Tú đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng hệ thống đo hình học 3 chiều không tiếp xúc cho chi tiết cơ khí bằng phương pháp ánh sáng cấu trúc kết hợp mã Large-Gap Graycode và dịch đường. Tác giả đã làm chủ cơ sở lý thuyết hệ máy ảnh nổi, đề xuất thành công kỹ thuật HDR bằng tốc độ cửa trập để xử lý bề mặt kim loại sáng bóng và xây dựng quy trình hiệu chuẩn 3 trục bằng quả cầu chuẩn theo tiêu chuẩn ISO 10360-8:2013. Thiết bị đo và phần mềm điều khiển do tác giả tự thiết kế, chế tạo đạt độ chính xác kích thước $\pm 20$ µm trên thể tích đo $200 \times 200 \times 200$ mm với độ phân giải 140 µm, được kiểm chứng thực tế trên các chi tiết công nghiệp như puly ô tô và piston xe máy. Công trình đóng góp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, phục vụ hiệu quả cho việc nội địa hóa các hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo chính xác.
