Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu các phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc - Phạm Thái Ninh

Tài liệu luận văn thạc sĩ chi tiết về các phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc. Trình bày cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và ứng dụng trong quét 3D.

• Tác giả: Phạm Thái Ninh
• Trường học: Đại Học Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Tạo Ánh Sáng Cấu Trúc Bằng Máy Chiếu
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về ánh sáng cấu trúc

Ánh sáng cấu trúc là một phương pháp tiên tiến trong công nghệ quét 3D, cho phép tái tạo hình dạng bề mặt vật thể với độ chính xác cao. Phương pháp này hoạt động bằng cách chiếu các mẫu ánh sáng có cấu trúc định sẵn lên bề mặt vật thể, sau đó sử dụng camera để ghi lại hình ảnh phản xạ. Thông qua phân tích sự biến dạng của các mẫu ánh sáng này, ta có thể tính toán độ sâu và hình học 3D của vật thể. Đây là nền tảng của nhiều ứng dụng công nghiệp hiện đại.

1.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc

Nguyên lý cơ bản dựa trên tam giác lượng học và phân tích pha. Khi ánh sáng cấu trúc dạng sin được chiếu lên bề mặt, camera sẽ ghi lại sự thay đổi pha của mẫu ánh sáng. Bằng cách so sánh pha của ảnh chiếu với ảnh thu được, hệ thống có thể xác định khoảng cách từ camera đến điểm trên bề mặt vật thể một cách chính xác.

1.2. Ứng dụng trong quét 3D hiện đại

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các máy quét 3D chuyên nghiệp như Hexagon, GOM và các hệ thống metrology. Ứng dụng bao gồm đo lường kỹ thuật, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và tái tạo mô hình 3D cho công nghiệp sản xuất. Độ chính xác cao làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên.

II. Công nghệ máy chiếu trong tạo ánh sáng cấu trúc

Máy chiếu là thiết bị quan trọng để tạo ra các mẫu ánh sáng cấu trúc với độ chính xác cao. Hiện nay có ba công nghệ chiếu hình chính: LCD (Liquid Crystal Display), DLP (Digital Light Processing), và LCOS (Liquid Crystal on Silicon). Mỗi công nghệ có ưu và nhược điểm riêng. LCD cung cấp độ phân giải cao nhưng tốc độ đáp ứng chậm hơn. DLP nổi bật với tốc độ chuyển đổi nhanh và hiệu quả sáng tốt. LCOS kết hợp những lợi thế của cả hai, đạt cân bằng giữa chất lượng hình ảnh và hiệu suất.

2.1. Công nghệ LCD trong tạo ảnh chiếu

Công nghệ LCD sử dụng bảng tinh thể lỏng để điều khiển ánh sáng. Sơ đồ nguyên lý của máy chiếu LCD bao gồm nguồn sáng, các bảng LCD riêng biệt cho các màu R, G, B, và hệ thống quang học tập trung ánh sáng. Đặc điểm là đạt độ phân giải cao và độ tương phản tốt, phù hợp cho công việc đo lường yêu cầu độ chính xác cao.

2.2. Công nghệ DLP và LCOS

Công nghệ DLP sử dụng mảng gương DMD (Digital Micromirror Device) nhỏ để phản xạ ánh sáng theo mẫu định sẵn. Ưu điểm là tốc độ chuyển đổi rất nhanh, cho phép tạo ra nhiều mẫu ánh sáng liên tiếp. Công nghệ LCOS kết hợp tinh thể lỏng với silicon, cung cấp độ phân giải cao và khả năng điều khiển ánh sáng mượt mà, lý tưởng cho ứng dụng tạo ánh sáng cấu trúc.

III. Phương pháp dịch pha trong xử lý ảnh

Phương pháp dịch pha (Phase Shifting) là kỹ thuật cốt lõi trong việc tạo ánh sáng cấu trúc dạng sin. Phương pháp này chiếu 3 hoặc nhiều hơn các ảnh sin với cùng bước sóng nhưng lệch pha nhau 120° hoặc 90°. Bằng cách phân tích sự thay đổi cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh giữa các lần chiếu khác nhau, hệ thống có thể tính toán pha chính xác. Tính toán độ sâu Z được thực hiện thông qua công thức tam giác lượng học, từ đó xây dựng được bản đồ 3D chi tiết của bề mặt vật thể.

3.1. Quy trình xử lý dữ liệu ảnh

Sau khi thu thập ảnh từ camera, phần mềm xử lý thực hiện các bước: tính toán độ sâu từ pha được trích xuất, kết hợp mã hóa xám để mở rộng phạm vi đo lường, và loại bỏ pha mang để tăng độ chính xác. Giao diện phần mềm được xây dựng bằng MATLAB cho phép điều chỉnh các tham số như cường độ sáng và xử lý dữ liệu thời gian thực.

3.2. Tối ưu hóa cường độ sáng ảnh

Việc tối ưu cường độ sáng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng kết quả. Hệ thống phải xử lý sự phân bố không đều độ sáng do đặc tính của máy chiếu và camera. Thay đổi cường độ sáng của vân mẫu và suy giảm ở vùng biên ảnh cần được hiệu chỉnh thông qua thuật toán cân bằng cường độ.

IV. Mô hình thực nghiệm và kết quả đo lường

Mô hình thực nghiệm được xây dựng với máy chiếu Sony VPL-CX21 hoặc HP, camera DEFK 4108U02, và nền ghỉ xám chuẩn. Hệ thống tạo ánh sáng cấu trúc dạng sin với bước sóng 30-50 pixel và 3 ảnh lệch pha 120°. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này đạt độ chính xác cao trong việc tái tạo hình học 3D. Tuy nhiên, phân bố độ sáng không đều và suy giảm cường độ ở biên ảnh là những thách thức cần giải quyết. Thông qua xử lý dữ liệu bằng phần mềm, độ chính xác đo lường được cải thiện đáng kể.

4.1. Thiết kế hệ thống thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm gồm: máy chiếu để tạo mẫu ánh sáng, camera để ghi lại ảnh phản xạ, và nền chuẩn ghỉ xám. Các tham số được điều chỉnh bao gồm cường độ sáng chiếu (0-255), bước sóng của mẫu sin, và độ nhạy camera. Phần mềm điều khiển tự động hóa quá trình chiếu ảnh và thu thập dữ liệu.

4.2. Đánh giá chất lượng kết quả đo lường

Kết quả đánh giá dựa trên biểu đồ cường độ sáng, sai lệch giữa các lần đo trên nền khác nhau, và sự suy giảm cường độ ở biên ảnh. Sai số trung bình phụ thuộc vào đặc tính máy chiếu. Máy chiếu Sony cho kết quả tốt hơn với độ phân bố sáng đều hơn. Việc hiệu chỉnh cường độ sáng tăng độ chính xác từ 85% lên 95%.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan về phương pháp quél 3D sir dung ảnh sáng cầu Irúc Trong chương này trình bảy các khái niệm về ánh sảng cấu trúc, cầu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp quét bién dang 3D bang ánh sáng câu trúc. Chương 2: Tim hiểu về ảnh sáng cấu trác: Trong chương này tình bày các dang cơ băn vả các phương, pháp tạo ảnh sáng cảu trúc cũng như những yêu tố ánh thưởng tới độ chính xác của phương pháp Chương 3: Nghiên ctu phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu: ‘Trong chương nảy trình bảy những vấn đề đi sâu vào phương pháp tạo ánh sảng cầu. trúc bằng máy chiếu, từ đó xây dung phan mềm tạo ánh sáng cấu tnic bing may chiếu và phần mềm xử lý cường, dộ ảnh sáng tử ảnh thu dược qua Camera. Chương 4: Thực nginậm và đánh giá kết quả: Nội dung chủ yêu của chương, nây là xây đựng một mô hình thực nghiệm thực tê về phương pháp tac ánh sang cau trúc, đánh giá sơ bộ các kết quả đạt được về các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp, Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm hiếu cơ bản về ánh sáng câu trúc, các phương pháp tao anh sáng cầu lrúc à một mô hình thực nghiệm về phương: pháp †ạo ảnh sáng câu trúc bằng máy chiếu với các bộ phận tự chẻ tạo trong nước và các thiết bị sử đựng như camera, máy chiêu có sẵn trên thị trường, PHAM THAI NINH § 11BCTM.KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cửu các phương pháp tạo ánh sảng cấu trủe ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chua được công bổ treng bắt cứ công trình nào khác.

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Tà Nội, ngà 15 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Pham Thai Ninh PHAM THAT NINH 6 11RCTM KH LUAN VAN THAC SY KHOA HỌC CHUONG I: TONG QUAN VE PHUONG PHAP QUET 3D BANG ANH SÁNG CẤU TRÚC 1. Khái niệm phương pháp quét 3D bằng ánh sáng cấu trúc. Phương pháp quét biên dạng bẻ mặt 3D bằng ánh sảng câu trúc trong đo lường lả phương pháp đo theo nguyên lý không tiếp xúc.

Đây là phương pháp được nghiên cứu rất nhiêu trong giai đoạn hiện nay. Từ các lý thuyết vẻ quang sóng và thành tựu của khoa học máy tính cũng như sự phát triển của công nghệ điện tử phương pháp được nghiên cửu phát triển và đã có những ứng dụng trong thực tiễn đo đạc và góp phần trong sản xuất. Cảm biến CCD | Hệ chiếuhọcsảng — CeD-amen Hệ chiếu sông — ccb-ames : quang quang học NN A Phương pháp quát điểm: Phương pháp quét đường Nguyên ly do wing (a) (b) () Hình 1.1 Phương pháp quét 3D sử đụng ánh sáng cấu trúe [1] Hình 1.1 là nguyên lý của phương pháp là quá trình chiều các dạng anh sang mau , hinh ảnh các be mặt được chiều sảng thu lại bằng camera. Sử dụng các quan hệ hình học giữa máy chiếu vả camera có thể xác định được độ sâu của vật thê dựa vào phương pháp tam giác lượng.

Từ đỏ có thể sử dụng đẻ xây dựng lại một cách chính xác hình đáng hình học của bẻ mặt chỉ tiết © Hinh 1.1(a): Nguyên lý đo diem PHAM THAI NINH 10 11BCTM KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC Phương pháp này đựa vào nguyên tắc đơ tọa dộ của may do ba toa dé. Cum đầu đo ( nguồn Laser và cảm biến CCD) di chuyển trên bể mặt chỉ tiết nhờ cơ cầu. tay máy 6 bộ lự do hoặc máy CMM thông thường, Ở phương pháp quét diễm có thể quét bẻ mặt chỉ tiết theo hai phương pháp là đo theo nguyên lý phản xạ hoặc nguyên lý tán xạ. Nguyên lý phản xa: khi chiếu tia laser Lới bề mặt chỉ tiết do ở vị ở Z⁄6 với góo tới ¡ bị phản xạ lại tại điểm a (hình 1.

Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển xnột lượng A7, thì tia phản xạ lại tại điểm b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biển quang điện cũng dịch chuyển mội lượng tương ứng Sâm ie Rng, Mang 1linh 1.2: Sơ đồ nguyên lý áo theo phản xạ [1] To theo nguyên lý phản xạ đơn giản song chỉ thích hợp với các bề mặt nhẫn. và cô góc nghiêng nhỏ. Nhược diễm lớn nhất của phương pháp phản xạ là góc tới ¡ không được quá nhỏ nên có nhiều sai số khi do bé mat không phẳng, Với các bế mặt có độ nhẫn thấp và bé mặt gô ghế phức tạp người ta đo theo phương pháp tạo ảnh (hình 1. Trong phương pháp do này, tia sáng Taser chiếu lên bé mặt vật đo bị tán xạ.

Vệt sáng của tia laser trên bê mặt vật đo có vai trò như một vai phái sang dang ánh sáng tản xạ. PHAM THAT NINH 11 11BCTM KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cửu các phương pháp tạo ánh sảng cấu trủe ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chua được công bổ treng bắt cứ công trình nào khác. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Tà Nội, ngà 15 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Pham Thai Ninh PHAM THAT NINH 6 11RCTM KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cửu các phương pháp tạo ánh sảng cấu trủe ” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chua được công bổ treng bắt cứ công trình nào khác.

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Tà Nội, ngà 15 tháng 05 năm 2014 Tác giả luận văn Pham Thai Ninh PHAM THAT NINH 6 11RCTM KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC Luận văn là sự tông hợp sự tông hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực như Cơ khí, quang học, kỹ thuật điện điên tử, công nghệ thông tin và được hoàn thành trong, thời gian tương đối ngắn, đo dé không thê tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến dòng góp quý bảu của thấy cố và các dễng nghiệp đẻ dễ tải dược hoàn thiện hơn. Cuối cùng cho phép tôi dược chân thành cảm ơn T8.

Nguyễn Văn Vĩnh đã lận tình hướng đẫn tôi trong quả trình làm luận van. Cam ơn các thấy cô giáo trong Bộ nôn Cơ khí chính xác & Quang học - Viện Cơ khí — Trường dai hoc Bach Khoa IIa Nội đã nhiệt tình giúp đỡ lôi hoàn thành các nội dụng của hiện vẫn này PHAM THAT NINH 9 11RCTM.KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC Nghiên cứu phương pháp tạo ảnh sang câu trúc bằng máy chiếu với ảnh mẫu. ảnh sảng cầu trúc dạng Sim được tạo ra thông qua hệ quang và phần mềm. Tiền hành thực nghiệm tạo ánh sáng câu trúc có dạng Sin bằng mô hình thực +8, Qua đó dánh giả các sai số của phương pháp, từ do tìm ra giải pháp khắc phục dễ ánh sảng mẫu tạo ra dạng Sin có bước sóng, cường độ gần với mẫu lý thuyết nhất.

Các nội dụng chỉnh cũa luận văn Nội đụng chính là trình bảy những cơ sở lý thuyết, các ngtryên lý câu tạo, các phương pháp lạo ra ánh sảng cầu trúc. Khảo sát một số yếu lố ảnh hưởng đến đô chính xác và xây dựng mô hình thực nghiệm. Tuuận văn bao gồm các chương sau Chương I: Tổng quan về phương pháp quél 3D sir dung ảnh sáng cầu Irúc Trong chương này trình bảy các khái niệm về ánh sảng cấu trúc, cầu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp quét bién dang 3D bang ánh sáng câu trúc. Chương 2: Tim hiểu về ảnh sáng cấu trác: Trong chương này tình bày các dang cơ băn vả các phương, pháp tạo ảnh sáng cảu trúc cũng như những yêu tố ánh thưởng tới độ chính xác của phương pháp Chương 3: Nghiên ctu phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu: ‘Trong chương nảy trình bảy những vấn đề đi sâu vào phương pháp tạo ánh sảng cầu.

trúc bằng máy chiếu, từ đó xây dung phan mềm tạo ánh sáng cấu tnic bing may chiếu và phần mềm xử lý cường, dộ ảnh sáng tử ảnh thu dược qua Camera. Chương 4: Thực nginậm và đánh giá kết quả: Nội dung chủ yêu của chương, nây là xây đựng một mô hình thực nghiệm thực tê về phương pháp tac ánh sang cau trúc, đánh giá sơ bộ các kết quả đạt được về các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp, Kết quả nghiên cứu của đề tài là tìm hiếu cơ bản về ánh sáng câu trúc, các phương pháp tao anh sáng cầu lrúc à một mô hình thực nghiệm về phương: pháp †ạo ảnh sáng câu trúc bằng máy chiếu với các bộ phận tự chẻ tạo trong nước và các thiết bị sử đựng như camera, máy chiêu có sẵn trên thị trường, PHAM THAI NINH § 11BCTM.KH LUẬN VĂN THIẠC SỸ KHOA HỌC Nghiên cứu phương pháp tạo ảnh sang câu trúc bằng máy chiếu với ảnh mẫu. ảnh sảng cầu trúc dạng Sim được tạo ra thông qua hệ quang và phần mềm. Tiền hành thực nghiệm tạo ánh sáng câu trúc có dạng Sin bằng mô hình thực +8, Qua đó dánh giả các sai số của phương pháp, từ do tìm ra giải pháp khắc phục dễ ánh sảng mẫu tạo ra dạng Sin có bước sóng, cường độ gần với mẫu lý thuyết nhất.

Các nội dụng chỉnh cũa luận văn Nội đụng chính là trình bảy những cơ sở lý thuyết, các ngtryên lý câu tạo, các phương pháp lạo ra ánh sảng cầu trúc. Khảo sát một số yếu lố ảnh hưởng đến đô chính xác và xây dựng mô hình thực nghiệm. Tuuận văn bao gồm các chương sau Chương I: Tổng quan về phương pháp quél 3D sir dung ảnh sáng cầu Irúc Trong chương này trình bảy các khái niệm về ánh sảng cấu trúc, cầu tạo và nguyên lý hoạt động của phương pháp quét bién dang 3D bang ánh sáng câu trúc. Chương 2: Tim hiểu về ảnh sáng cấu trác: Trong chương này tình bày các dang cơ băn vả các phương, pháp tạo ảnh sáng cảu trúc cũng như những yêu tố ánh thưởng tới độ chính xác của phương pháp Chương 3: Nghiên ctu phương pháp tạo ánh sáng cấu trúc bằng máy chiếu: ‘Trong chương nảy trình bảy những vấn đề đi sâu vào phương pháp tạo ánh sảng cầu.

trúc bằng máy chiếu, từ đó xây dung phan mềm tạo ánh sáng cấu tnic bing may chiếu và phần mềm xử lý cường, dộ ảnh sáng tử ảnh thu dược qua Camera.