CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Khái niệm về máy quét 3D có thé xử lý dữ liệu hình ảnh và tái tạo vật thé thực tế ở dạng số trên máy tính đã có từ giữa thé kỷ 20. Đến những năm 1980s, với sự phát triển mạnh của công nghệ thống số (digital technology) và khả năng xử lý ngày càng nhanh của máy tính, công nghệ xử lý ảnh ngày càng phát trién trong đó có những nghiên cứu và ứng dụng về số hóa (digitization) và tái dựng (reconstruction) vật thé trên máy tính. Những năm cuối thập niên 2000s, công nghệ 3D có những bước tiến nhảy vọt về mức độ pho biến, như một cuộc cách mạng đối với thế giới. Máy in 3D, quét 3D đã không còn giới hạn trong phạm vi các phòng nghiên cứu, trung tâm kỹ thuật hay nha máy ma nó đã trở thành một sản phẩm quen thuộc với tat cả mọi người, ứng dụng rất nhiều trong cuộc sông.
Tuy nhiên, giá thành của những sản phẩm này vẫn còn khá cao so với thị trường Việt Nam, khó có khả năng được ứng dụng rộng rãi. Phương pháp quét đồng dạng (Triangulation) sử dụng camera và laser là phương pháp được sử dụng rat phố biến trên thế giới. Nhiéu nhà nghiên cứu đã tìm cách cải tiễn độ chính xác khi sử dụng phương pháp như Soucy, Laurendeau, Poussart và Auclair [1] quan sát và đưa ra đặc tính phân bố vùng sáng của tia laser, Baribeau & Rioux [2] nghiên cứu ảnh hưởng của đốm sáng laser trong quá trình quét vật thé. Curless & Levoy [3] đã dé xuất phương án cải tiễn độ chính xác của phương pháp “ Irianglation” có sử dụng laser chỉ thị có tên là space-time analysis, ông cũng tong hợp các nghiên cứu trước đó và dé xuất giải pháp hoàn chỉnh cho việc số hóa (Digitization) và tai xây dựng (Reconstruction) vật thê.
Besl & McKay [4] dé xuất phương pháp ICP (Iterative closest point) sáp nhập các tập dữ liệu 3D. Fukai & Xu [5] dé xuất phương án cải tiến cho ICP giúp tăng tốc độ xử lý dữ liệu số, ứng dụng sắp xếp dữ liệu online ngay trong quá trình quét. be „ Từ năm 2011, cùng với sự bùng phát của công nghệ 3D, phòng thí nghiệm robotics Willow Garage [6] 6 Menlo Park, California cho ra đời bộ thư viện nguồn mở PCL với khả năng hỗ trợ hoàn hảo các thao tác xử lý với dữ liệu tập hợp điểm (pointclouds) và được sử dụng bởi nhiều công ty lớn như Leica, Nvidia, Toyota, Fotonic,. Ở Việt Nam, dé tài này còn khá mới mẻ, điển hình và mới nhất (đầu năm 2014) trong công nghệ này là máy quét 3D giá rẻ của phòng TN trọng điểm quốc gia điều khiến số và kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) DH Bách khoa TP.
Tuy nhiên, chiếc máy này năm ở một phân khúc cao, đối tượng vẫn còn bó hẹp trong phạm vi của ngành cơ khí, chưa hướng đến đối tượng người dùng bình dân và yêu thích công nghệ.2 Ứng dụng của máy quét 3D Các phương pháp số hóa và tái dựng 3D được ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo, đồ họa, mô phỏng, khoa học thám hiểm, y khoa và san phẩm tiêu dùng. Các ứng dụng pho biến nhất sau đây được dé cập trong [3]. Kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse engineering) Hau hết các linh kiện sản xuất ngày nay được thiết kế bằng các chương trình CAD (Computer Aided Design). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, linh kiện cần thay thế thuộc về hệ thong cũ, không có model trên máy tính hoặc đã duoc sửa đối băng thủ công trong quá trình bảo dưỡng, sửa chửa máy.
Trong những trường hợp này, nếu linh kiện này không còn được lưu giữ mẫu hoặc khuông thì công việc chế tạo lại linh kiện thay thế phải thực hiện bang cách tháo linh kiện hỏng khỏi hệ thống, số hóa nó và xây dựng lai model trên máy tính dé sản xuất lại. Hợp tác thiết kế (Collaborative design) Trong khi các chương trình CAD rất hữu dụng trong việc hỗ trợ thiết kế các bộ phận máy móc, một số công việc thiết kế khác liên qua đến cảm nhận, tương tác vật lý với vật thé như điêu khắc, thiết kế kiểu dáng xe,. đòi hỏi người thiết kế phải thực hiện trên các chất liệu thực tế như đất sét với một tỷ lệ nào đó. Một khi nhưng mô hình này hoàn thành, người ta tiến hành số hóa nó dé lưu trữ trên máy tính.
Dữ liệu số này sau đó được gửi đi đánh giá tính khả thi cũng như và phần tham khảo trên các chương trình CAD để thiết kế lại cho phù hợp với việc chế tạo nguyen mẫu thực. Kiểm tra (Inspection) Sau khi nha sản xuất đã tao được model của vật thé, dù bang phương pháp số hóa hay trực tiếp thiết kế trên CAD đi nữa, vẫn có rất nhiều cách khác nhau để chế tạo nó nhăm làm vật mẫu hoặc tạo ra quy trình công nghệ. Sản phẩm tạo ra ban đầu lúc nào cũng xuất hiện sai số so với mong muốn trong thiết kế. Bằng phương pháp quét 3D và dựng lại model của sản phẩm mẫu, người ta xác định được sai số khi chế tạo từ đó có những thay đối trong phương pháp sản xuất hoặc thiết kế dé cho ra sản phẩm đúng như mong muốn.
Hiệu ứng và giải trí (Special effects, games, and virtual worlds) Hiệu ứng đồ họa là phần quan trọng không thể thiếu và ngày càng phát triển trong công nghiệp giải trí bao gồm điện ảnh, trò chơi, vâng vâng. Tất cả các ứng dụng 3D như trên đều yêu cầu mô hình hóa từ thế giới thực hoặc từ các thiết kế bằng tay như đất sét bởi những nghệ nhân làm trong lĩnh vực nghệ thuật. Quá trình số hóa vật thé vật lý như vậy là bước đầu tiên dé hiện thực hóa không gian ao trên máy tính. Bao tàng trực tuyến (Dissemination of museum artifacts) Những hiện vật trong bảo tàng luôn là niềm say mê với các nhà khoa học và nhiều người khác.
Theo truyền thông, dé thay được những hiện vật này, người ta phải đến bảo tàng và trải nghiệm một cánh đơn điệu. Băng việc số hóa các hiện vật, tat cả mọi người ở bat ky đâu đều có khả năng khám pha, trải nghiệm chúng một cách trực quan bằng giao diện tương tác với đối tượng đồ họa 3D. Y khoa (Medicine) Ứng dụng của đồ họa 3D cũng rất rộng rãi trong y khoa. Bằng việc mô hình hóa hình dạng bộ phận khiếm khuyết của bệnh nhân, các bộ phận tay chân giả, rang,.
CÓ thé được thiết kế một cách chính xác, mang lại sự thoải mái cho người sử dụng. Các bộ phận nội tạng bằng plastic cũng có thể được thiết kế phù hợp với vị trí được cay ghép dựa trên công nghệ 3D. Trong quá trình xa tri, bác sĩ cũng dễ dàng điều hướng cho thiết bị một cách chính xác dụng trên model đồ họa của bệnh nhân. Mua sắm tại gia (Home shopping) Với sự phát triển của thương mại điện tử, nhà bán hàng có thé pho biến mô hình 3D của sản phẩm lên internet.
Khách hàng của họ sẽ có thể trải nghiệm sản phẩm một cách trực quan và có thể tương tác bằng mô hình đó, mang lại khả năng trải nghiệm hàng hóa tiên tiễn và hiệu ứng quản bá sản phẩm mạnh. Các phương pháp số hóa vật thé Rất nhiều phương pháp xử lý dữ liệu hình học đã được phát triển từ thể kỷ trước. Hau hết các phương pháp này đi theo 2 hướng chính đó là: chủ động hoặc bị động. Các phương pháp thụ động tiếp cận theo hương không làm ảnh hưởng đến vat thé được quét trong khi các phương pháp chủ động thường tạo ra sự tiếp xúc với vật thể hoặc tác động một năng lượng nhất định lên nó.
Đối với cộng đồng nghiên cứu về thị giác máy tính, hầu hết tập trung lên phương pháp thụ động, xử lý, định dạng vật thể dựa trên các bức ảnh số. Các phương pháp thị giác máy tính có thé kế đến như căn cứ vào hướng chiếu sáng của ảnh don, phương pháp stereo dùng ảnh kép, sự đồ bóng, .Các phương pháp này không sử dụng nhiều phần cứng đặc biệt, vì thé chúng cũng cho kết quả với độ chính xác không cao dé có thé áp dụng vào một số ứng dụng cụ thé. Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Active shape acquisition | Non-contact | Reflective Transmissive CMM Ỳ Ỳ Non-optical Industrial CT Vv Vv Ỳ Microwave radar Sonar Optical \ v Vv Ỷ v Triangulation Interferometry Aove erin Active stereo Imaging Radar Moire Holography Hình 1.1 Các phương pháp chủ động xác định hình dạng của vật thé @! Ở phan tiếp theo của mục này dé cập đến các phượng pháp số hóa chủ động đã và đang được sử dụng.1 mô tả rõ hơn về các phân loại đang được trình này, nội dung của phép phân loại này được tham khảo tại [7]. Trong số các phương pháp này, ta có thể phân loại thành 2 loại chính đó là: có tiếp xúc và không tiếp xúc.
Với phương pháp tiếp xúc, một que thăm với đầu đo được gắn và một cánh tay máy hoặc hệ thông pulley có cảm biến tại các vị trí khớp xoay. Vị trí của đầu đo được xác định dựa vào vị trí xác định được ở các khớp. Người dùng đưa đầu đo vào các vị trí trên bé mặt của vật thé va ghi nhận các thông sé. Hệ thống CMM (Coordinate Measuring Machines) có độ chính xác cực ky cao và đắt tiên.
Chúng vẫn được sử dụng là công cụ kiểm tra chính trong các nhà máy chế tạo chính xác. Một số nhược điểm của phương pháp này là: Cham, khó thao tác, thường đòi hỏi sự vận hành của con người, phải tạo ra sự tiếp XÚC, có thê không phù hợp với vật thé dé bị phá hủy. Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Hình 1.2 Một loại máy CMM Với phương pháp không tiếp xúc, thông thường người ta chiếu một luồn năng lượng vào vật thể, sau đó ghi nhận năng lượng xuyên qua hoặc phản xạ từ vật thé. Phương pháp chụp CT (Industrial Computed Tomography) phóng một chum tia năng lượng cao (tia X) qua vật thé va do dac năng lượng xuyên qua nó ở nhiều hướng khác nhau.
Thông tin này dùng để xây dựng lại thông tin về hình dạng của vật thé. Nhìn chung, ưu điểm của phương pháp này là có thé quét được bên trong vật thể, không nhạy cảm với các bề mặt vật thể có tính phản xạ cao. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là rất đắt tiền, nhạy cảm với sự thay đôi mật độ vật chât, và có nguy hại đên sức khỏe vì sử dụng tia năng lượng cao.