Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí

1. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Trong sản xuất công nghiệp cơ khí, với sự phát triển của công nghệ gia công bằng thiết bị điều khiển số CNC có khả năng chế tạo các chi tiết cơ khí với hình dạng phức tạp. Do vậy, nhu cầu kiểm tra các kích thước biên dạng 3D của chi tiết cơ khí trong quá trình sản xuất và nghiên cứu khoa học đặt ra ngày càng nhiều. Phương pháp đo lường kiểm tra biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí trên thế giới hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp và thiết bị đo lường tiếp xúc như: máy đo tọa độ CMM, máy đo độ tròn, máy đo độ nhám bằng đầu dò Phương pháp đo tiếp xúc có độ chính xác cao nhất nhưng đòi hỏi thao tác đo phức tạp và tốc độ đo rất thấp, chỉ đạt được vài phép đo một giây, không đáp ứng được việc đo lường kiểm tra rất nhiều điểm trên toàn bộ biên dạng bề mặt chi tiết. Để giải quyết khó khăn này hướng nghiên cứu ứng dụng hiện nay là các phương pháp không tiếp xúc mà chủ yếu là phương pháp quang học. Với ưu điểm lớn của ánh sáng là truyền với tốc độ rất cao tạo nên các phép đo kích thước biên dạng bề mặt với tốc độ đo hiện nay đã đạt đến hàng triệu phép đo trong một giây. Các phương pháp đo lường biên dạng 3D quang học được nghiên cứu, phát triển và thường được sử dụng là: đo thời gian truyền sóng ánh sáng, phương pháp chụp ảnh stereo, quét tia laser hoặc ánh sáng cấu trúc. Trong đó, phương pháp quét tia laser có độ chính các cao nhất song tốc độ đo không cao và điểu khiển quá trình đo phức tạp hơn. Phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc có tốc độ đo cao nhất nhưng độ chính xác thấp hơn phương pháp quét tia laser. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là phương pháp chiếu chùm ánh sáng cấu trúc thường được gọi là ảnh mẫu ánh sáng (pattern images) được mã hóa theo hàm cường độ hoặc màu sắc theo không gian và thời gian lên bề mặt 3D chi tiết cần đo. Ảnh mẫu ánh sáng chiếu trên bề mặt 3D chi tiết đo được thu lại bằng máy ảnh. Do sự thay đổi về độ cao các điểm trên bề mặt 3D chi tiết đo làm biến dạng các vân trong ảnh mẫu ánh sáng. Sự biến dạng của ảnh mẫu ánh sáng trên chi tiết đo so với ảnh mẫu ánh sáng cho phép xác định được tọa độ các điểm trên bề mặt chi tiết đo thông qua phương pháp tam giác lượng quang học (optical triangulation). Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật quang điện tử và công nghệ máy tính, phương pháp đo biên dạng 3D quang học ngày càng trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đo và độ chính xác ngày càng cao, có thể đo nhiều chi tiết đồng thời [9], [18]. Nhược điểm tồn tại hiện nay của phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là có độ chính xác còn hạn chế so với phương pháp quét tia laser. Do chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường và đặc điểm cấu tạo hoạt động của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. Điều này đang cản trở ứng dụng của phương pháp đo này vào đo lường các chi tiết cơ khí. Do 1
2. vậy, cùng với việc nâng cao tốc độ và tính linh hoạt nhiều hướng nghiên cứu gần đây trên thế giới đã tập trung vào nghiên cứu các phương pháp để đảm bảo và nâng cao độ chính xác của phương pháp đo này khi đo lường kiểm tra các chi tiết cơ khí [20], [61], [62]. Trong các phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc mã hóa theo thời gian như: phương pháp dịch pha, mã Gray, dịch đường và các phương pháp kết hợp thì phương pháp dịch pha có ưu điểm lớn nhất về độ phân giải cao là cơ sở cho phép đo tạo nên độ chính xác cao. Vì vậy, phương pháp đo dịch pha tỏ ra phù hợp nhất để đo biên dạng 3D bề mặt chi tiết cơ khí vừa có độ phức tạp cao về hình dạng vừa đòi hỏi độ chính xác đo cao. Trong phương pháp dịch pha vì sử dụng ảnh mẫu ánh sáng chiếu được điều chế cường độ điểm ảnh dạng sin cho phép nội suy giá trị pha duy nhất cho mỗi điểm ảnh của máy chiếu trong mỗi chu kỳ sin, cho kết quả đo biên dạng bề mặt với độ phân giải cao. Tuy nhiên phương pháp này do sử dụng kỹ thuật nội suy và lượng tử hóa mức xám nên bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu và quá trình gỡ pha của phương pháp này khá phức tạp dễ gây lỗi gỡ pha làm phát sinh các sai số đo rất lớn. Vì vậy cần thiết phải kết hợp các phương pháp khác để khử nhiễu đồng thời giúp đơn giản hóa quá trình gỡ pha. Trong các phương pháp đó thì phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) để gỡ pha là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thích hợp với đặc điểm chung của chi tiết cơ khí biên dạng phức tạp, không liên tục hay độ dốc lớn bởi vừa có độ phân giải cao vừa có khả năng chống nhiễu cao. Tuy nhiên, cũng như các phương pháp đo quang học khác phương pháp PSGC gặp phải nhiều khó khăn khi đo các chi tiết có bề mặt nhẵn bóng cao hoặc biến đổi lớn về độ phản xạ trên bề mặt [46], [93] kết quả đo không chỉ có sai số đo lớn mà nhiều khi không thực hiện được phép đo. Đây là vấn đề đang được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu để nâng cao độ chính xác hệ thống đo khi sử dụng phương pháp PSGC đo bề mặt 3D các chi tiết cơ khí. Hiện nay, ở Việt Nam các loại thiết bị đo 3D biên dạng bề mặt sử dụng để đo lường trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị nhập khẩu và số lượng rất hạn chế do chi phí đầu tư cao. Ngoài ra, trong quá trình sử dụng thiết bị các cơ sở vẫn chưa làm chủ được thiết bị hoàn toàn về các đặc tính kỹ thuật của thiết bị. Do vậy, quá trình bảo trì bảo dưỡng và nâng cấp thiết bị yêu cầu chuyên gia nên không chủ động được về công nghệ cũng như chi phí. Việc nghiên cứu phương pháp, xây dựng hệ thống đo 3D biên dạng bề mặt chi tiết cơ khí trong điều kiện thực tế Việt Nam sẽ cho hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật. Như vậy, một trong các vấn đề đang được quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh vực đo lường 3D biên dạng bằng ánh sáng cấu trúc là đảm bảo độ chính xác, cải thiện những hạn chế của phương pháp đo này khi đo chi tiết cơ khí. Với mục đích nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật để góp phần nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong 2
3. sản xuất cơ khí, tăng được tính chủ động trong công nghệ đo lường, hạn chế lệ thuộc vào bí mật công nghệ, phần mềm và giảm chi phí nhập khẩu từ nước ngoài. Đây cũng là lý do để lựa chọn nội dung nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích chính của luận án là nghiên cứu nâng cao độ chính xác của phép đo sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc mã dịch pha kết hợp mã Gray để đo lường biên dạng 3D các chi tiết cơ khí được gia công bằng công nghệ CNC. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án là hệ thống đo theo phương pháp PSGC sử dụng máy ảnh và máy chiếu số để đo lường các chi tiết được gia công bằng công nghệ phay CNC. Cụ thể là nghiên cứu các phương pháp làm tăng độ chính xác tích hợp và hiệu chuẩn hệ thống máy đo PSGC. Đo lường các chi tiết cơ khí có độ phản xạ cao. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp làm giảm các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC bằng bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ. Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ bề mặt khi đo các chi tiết hợp kim nhôm khi phay tinh bằng máy phay CNC. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học - Đã nghiên cứu xác lập được một số vấn đề về cơ sở lý thuyết xây dựng quy trình tích hợp hệ thống đo ứng dụng phương pháp PSGC để đo các chi tiết cơ khí gia công bằng công nghệ CNC. Với khả năng lựa chọn các thông số cấu hình hợp lý, yêu cầu phạm vi đo và độ phân giải đảm bảo nâng cao độ chính xác phép đo. - Nghiên cứu hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của độ phản xạ bề mặt bằng phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp và ghép đám mây điểm bù vùng bóng cho các bề mặt chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao và hình dáng biến đổi nhiều. - Xây dựng được một quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo bề mặt 3D thông qua các tiêu chuẩn quốc tế. Ý nghĩa thực tiễn 3
4. - Xây dựng hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết có thể ứng dụng trực tiếp trong phép đo mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp. - Quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống sẽ giúp cho việc nghiên cứu hoàn thiện độ chính xác các hệ thống đo ánh sáng cấu trúc. - Kết quả đạt được của đề tài là cơ sở xây dựng lựa chọn, tích hợp các thông số hợp lý cho một hệ thống đo PSGC phù hợp với phạm vi đo và độ phân giải xác định giúp quá trình tính toán thiết kế hệ thống đo đạt độ chính xác cao nhất. 4. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được các kết quả có thể đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu, luận án đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát phân tích, tổng hợp các công trình nghiên cứu của các tác giả trong nước và quốc tế liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án để xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp diễn dịch trong lý thuyết quang hình học để tìm hiểu mối quan hệ giữa các thông số làm việc của hệ thống đo PSGC. Xây dựng các thuật toán và chương trình xử lý tín hiệu đo. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng hệ thống thực nghiệm của phương pháp PSGC phù hợp với các nội dung nghiên cứu của luận án, cho phép thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đo của hệ thống đo PSGC. Thu thập, phân tích số liệu và xử lý các kết quả thực nghiệm, so sánh, kiểm chứng, giữa các kết quả thực nghiệm với lý thuyết bằng các phần mềm xử lý kết quả thực nghiệm. 5. Kết cấu của luận án Luận án bao gồm 4 chương: Chương 1: Đo lường bề mặt 3D chi tiết cơ khí sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc. Chương 2: Phương pháp nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống đo PSGC. Chương 3: Phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí. Chương 4: Xây dựng quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống đo PSGC. 6. Các kết quả mới Luận án đã nghiên cứu xác định một số thông số chính ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp đo PSGC: các thông số cấu trúc hệ thống, độ chính xác phương pháp hiệu chuẩn, đặc tính phản xạ bề mặt và phương pháp xử lý dữ liệu 3D. Để nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn đã xác định được các thông số hợp lý về: kích thước ô vuông bàn cờ, độ chính xác ô vuông bàn cờ, giới hạn góc nghiêng cho phép trong hiệu chuẩn và ảnh hưởng của ánh sáng môi trường. Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp. 4
5. Nghiên cứu xây dựng phương pháp giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết bằng cách ghép đám mây điểm bù vùng bóng. Xây dựng quy trình đánh giá sai số của hệ thống đo PSGC dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế ISO để đánh giá độ chính xác hệ thống đo trong nghiên cứu và chế tạo sử dụng. Chương 1 ĐO LƯỜNG BỀ MẶT 3D CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG CẤU TRÚC 1.1 . Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc Trong thập kỷ qua, với những tiến bộ kỹ thuật trong 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. Trong công nghiệp, máy đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc có thể số hoá nhanh chóng hình dáng của các chi tiết công nghiệp khác nhau. 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 vùng bề mặt mã hóa được vùng bề 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. 1.2. Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray 1.2.1 Phương pháp dịch pha 1.2.2 Phương pháp mã Gray 1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray Hiện nay, để đạt độ phân giải cao độ chính xác cao và chống nhiễu tốt, phương pháp đo dịch pha kết hợp với mã Gray (PSGC - Phase shift combined with Gray code) là phương pháp được quan tâm nhiều nhất. Đặc biệt để ứng dụng đo các chi tiết cơ khí. Trong quá trình gỡ pha, nếu k(x, y) có thể được xác định duy nhất cho mỗi vân chiếu, thì t(x, y) có thể được coi là pha tuyệt đối được xác định bằng công thức: t(x, y) = 2k(x, y)π + w(x, y). (1.17) Thông tin pha tuyệt đối thu được có thể xây dựng được bản đồ pha tuyệt đối từ đó xác định tọa độ 3D của điểm đo. 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí Độ chính xác của hệ thống đo sử dụng PSGC phụ thuộc vào độ chính xác của hệ thống quang học và đặc tính phản xạ bề mặt. Hơn nữa trong quá trình đo thực, hình dạng sóng của hình ảnh thu được không phù hợp với hình dạng sóng lý tưởng và các nhiễu do giao thoa, ánh sáng môi trường, sự phi tuyến Gama máy chiếu [62, 16] hay do hiệu chuẩn hệ thống không chính xác [2], nhiễu gây ra bởi phản xạ bề mặt hay độ phản xạ không đồng 5
6. đều trên bề mặt vật đo, cường độ ánh sáng môi trường, sự lệch tiêu điểm của hệ thống quang học [56], gây sai số trong quá trình phân tích pha và kết quả dẫn đến sai lệch bản đồ pha tuyệt đối gây nên sai số dựng lại biên dạng 3D chi tiết đo. Phi tuyến Gamma và lệch tiêu máy chiếu Dựng hình ghép đám mây điểm Phương pháp xử lý đám mây điểm 1.3.1. Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống. Đặc điểm lớn nhất của các hệ thống đo sử dụng ánh sáng cấu trúc là cần phải được hiệu chuẩn trước mỗi lần đo để đảm bảo thu được kết quả đo tốt nhất. Việc hiệu chuẩn độ chính xác của hệ thống bao gồm: hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu và mối quan hệ hình học giữa hai thiết bị này. Hiệu chuẩn hệ thống đo rất quan trọng đối với các phép đo khi sử dụng máy ảnh vì nó liên quan tới phép đo trong tọa độ thực ba chiều từ không gian tọa độ hai chiều của máy ảnh. Tuy nhiên, các mô hình tính toán không tính đến tất cả các thông tin của hệ thống quang học như biến dạng thấu kính, sai lệch cường độ của máy ảnh và máy chiếu, độ tuyến tính của ánh sáng chiếu của máy chiếu và máy ảnh. Hơn nữa các thông số hình học vị trí giữa máy ảnh máy chiếu và vật đo khi xác lập hệ thống đo cũng có những sai số so với mô hình tính toán. Vì vậy việc hiệu chuẩn hệ thống sẽ góp phần hiệu chỉnh các sai số do các yếu tố này gây nên. 1.3.2 Ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí Việc sử dụng hệ thống đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc vẫn gặp khó khăn khi xử lý các bề mặt không tán xạ đồng đều bởi vì tín hiệu quang học không được thu một cách chính xác. Do khi chiếu ánh sáng vào bề mặt này sẽ gây ra hiện tượng phản xạ với cường độ ánh sáng lớn tại vùng phản xạ và thông tin của bề mặt chi tiết không thể thu trực tiếp được. Đối với một chi tiết đo có vật liệu bằng kim loại được chiếu với cường độ và thời gian phơi sáng xác định các vân mẫu chiếu ở vùng có phản xạ bề mặt trung bình sẽ trở nên rõ ràng trong khi vùng có phản xạ bề mặt lớn sẽ trở nên sáng đến mức bão hòa ảnh trên máy ảnh tức là mức cường độ điểm ảnh thu được vượt quá mức 255 mức xám. Do đó, các ảnh chụp phản xạ quá sáng gây nên bão hòa hình ảnh hoặc tối quá không thể thu được ảnh rõ nét. Điều này có nghĩa là các mô hình mẫu chiếu không được giải mã một cách chính xác. Các vùng tương ứng trên bề mặt vật thể không thu được, hoặc không có đủ thông tin để xây dựng bề mặt 3D của chi tiết đo làm bằng kim loại. 1.3.2.1. Mô hình phản xạ bề mặt 1.3.2.2. Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt 1.3.3. Đánh giá độ chính xác hệ thống PSGC Một hệ thống đo lường cần phải có các tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác. Để đánh giá độ chính xác hệ thống, hiện nay các thiết bị đo ánh sáng cấu trúc nói chung chưa có một hệ thống hay quy trình tiêu chuẩn đo cụ thể nào. Phương pháp đo ánh sáng cấu trúc là một trong những phương pháp đo biên dạng 3D bề mặt, do đó độ chính xác của hệ thống có thể 6
7. được hiệu chuẩn và đánh giá bằng cách sử dụng một số bề mặt chuẩn với các khả năng đo khác nhau. Các bề mặt chuẩn này cần được xây dựng để phù hợp với từng thiết bị đo cụ thể. 1.4 Kết luận chương 1 Qua phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về đo các chi tiết cơ khí sử dụng ánh sáng cấu trúc cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này có thể đưa ra một số kết luận như sau: 1. Để ứng dụng phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc đo biên dạng chi tiết cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao nhất, phương pháp dịch pha kết hợp mã Gray cho thấy sự phù hợp nhất để đo chi tiết cơ khí. Tuy nhiên đối với các chi tiết cơ khí gia công bằng CNC có nhiều đặc điểm và tính chất gây khó khăn làm giảm độ chính xác kết quả đo. Như vậy, với độ chính xác của các chi tiết này cần nâng cao độ chính xác của phương pháp đo và làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt để có thể đo được các chi tiết cơ khí này một cách tốt nhất. 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí được nghiên cứu như: ánh sáng mã hóa thu được từ cảm biến bị sai lệch so với ánh sáng mã hóa được chiếu từ máy chiếu, nhiễu do giao thoa, ánh sáng môi trường, phản xạ bề mặt và các thông số hiệu chuẩn hệ thống. Trong đó hai yếu tố độ chính xác hiệu chuẩn và phản xạ bề mặt chi tiết ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của hệ thống đo. 3. Phản xạ bề mặt chi tiết làm tăng sai số phép đo thậm chí không thể thực hiện được phép đo bề mặt. Qua phân tích các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt cho thấy phương pháp thay đổi thời gian phơi sáng là rất khả thi và có thể thực hiện được mà không cần thiết bị phần cứng phụ trợ. 4. Việc cần thiết phải xây dựng một quy trình đánh giá độ chính xác do hiện nay chưa có một công trình nghiên cứu nào đưa ra quy trình đánh giá độ chính xác của hệ thống đo bằng ánh sáng cấu trúc cụ thể. 1.5 Hướng nghiên cứu của luận án Với các kết luận trên tác giả đề xuất nội dung nghiên cứu của luận án Nghiên cứu phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray và xây dựng thuật toán, phần mềm đo lường đám mây điểm 3D sử dụng phương pháp này. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác phép đo biên dạng 3D chi tiết cơ khí, với hai tham số là độ chính xác phép hiệu chuẩn và độ phản xạ bề mặt chi tiết. Nghiên cứu phương pháp để tăng độ chính xác hệ thống đo. Đề xuất quy trình đánh giá độ chính xác hệ thống dựa vào các tiêu chuẩn quốc tế ISO về đo lường phân tích biên dạng bề mặt. Xây dựng hệ thống thực nghiệm theo phương pháp PSGC để nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất. 7
8. Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐO PSGC 2.1. Cơ sở phương pháp đo sử dụng mã dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) Hình 2. 1 Sơ đồ khối phương pháp đo dùng mã dịch pha kết hợp mã Gray. Sơ đồ khối quá trình đo sử dụng phương pháp PSGC được thể hiện như hình 2.1 như sau: Các mẫu ánh sáng mã hóa được chiếu lên khung hình của máy chiếu theo một chuỗi gồm các ảnh mã Gray và ảnh dịch pha. Bản đồ pha của mã Gray và dịch pha được xây dựng thông qua ảnh vân mẫu trên cảm biến máy chiếu, bản đồ pha này được gọi là bản đồ pha trên mặt phẳng chuẩn r. Hình ảnh chi tiết đo được máy ảnh thu nhận theo trình tự chiếu của máy chiếu. Thông qua ảnh trên cảm biến máy ảnh, thu được bản đồ pha thực  của chi tiết đo. Các giá trị pha thực được so sánh với giá trị pha chuẩn trên máy chiếu tương ứng với các điểm chung của máy ảnh và máy chiếu trên hệ tọa độ thực. Ngoài ra các thông số hiệu chuẩn cho máy ảnh và máy chiếu được xác định thông qua bước hiệu chuẩn hệ thống. Khi các thông số hiệu chuẩn hệ thống được xác định, bản đồ pha tuyệt đối được xây dựng thông qua phương pháp tam giác lượng. Với một hệ thống sử dụng phương pháp PSGC thì sai số sẽ xuất hiện trong quá trình đo. Ảnh mẫu chiếu từ máy chiếu và ảnh chụp từ máy ảnh sẽ chịu ảnh hưởng của biên dạng bề mặt và tính chất phản xạ bề mặt chi tiết đo. Khi dựng lại bản đồ độ sâu các điểm trên bề mặt chi tiết, các thông số hiệu chuẩn được sử dụng, do vậy độ chính xác hiệu chuẩn các thông số này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác dựng lại bản đồ độ sâu bề mặt chi tiết đo. Các thông số đo lường biên dạng 3D sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp của sai số trong quá trình dựng hình và ghép đám mây điểm. Phương pháp mã hóa Gray dựa trên biên của vân thông qua giá trị mã xám của điểm biên trong ảnh dạng cường độ tương ứng với các điểm trong ảnh mã hóa. Bất kỳ điểm ảnh nào trong máy ảnh và máy chiếu đều được nhận dạng bởi chuỗi các cường độ nhị phân mà nó nhận được hoặc các chiếu tương ứng. 8
9. Đối với phương pháp PSGC cần phải xác định độ rộng của một chu kỳ sin tương ứng với một vân của mã Gray. Với một máy chiếu có độ phân giải Np Mp, 4 ảnh sin dịch pha với số lượng điểm ảnh trên một chu kỳ tương ứng theo phương ngang và phương dọc lần lượt là Tu , Tv có số chu kỳ trên toàn vùng đo theo hai phương là nu và nv được xác định thông qua độ phân giải của máy chiếu: N p M p nu = , nv = (2.1) Tu Tv Các mẫu Gray được tạo ra theo chiều rộng của một chu kỳ sin vì vậy chiều rộng của một vân mẫu Gray bằng một chu kỳ sin. Số mẫu chiếu chiếu theo phương ngang và phương dọc tương ứng của mã Gray là phải tương ứng với số chu kỳ sin và là: Gnuu= log2 ( ) , Gnvv= log2 ( ) (2.2) i Theo công thức (2.2), để Gu và Gv là số nguyên phải thỏa mãn điều kiện nu = 2 và j nv = 2 với i, j phải là số nguyên. Để tính toán sự tương ứng giữa đường với đường trên điểm ảnh máy ảnh và máy chiếu cần phải chiếu mã Gray theo phương ngang và phương dọc của mặt phẳng chuẩn. Thuật toán phương pháp đo ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp mã Gray được trình bày như hình 2.5. Với việc khai báo các dữ liệu đầu vào là số ảnh chiếu mã Gray theo hai phương là Gu và Gv được tính theo công thức (2.2). Máy tính tạo vân chiếu dạng sin theo công thức (1.1) có thể được mô tả toán học theo công thức sau: 255 2, (uv) I = 1 + cos + (2.3) i( u, v) 2 T uv, Trong đó: Tu,v là bước vân hay số điểm ảnh trên một chu kỳ vân được xác định theo công thức (2.1). u, v là chỉ số điểm ảnh trên mặt phẳng ảnh.  là pha ban đầu, với ảnh mẫu dịch pha 4 bước và pha bằng nhau thì pha sẽ tương ứng là  = (0, /2, , 3 /2). . 2.2. Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ. Như phân tích ở hình 2.2 độ chính xác dựng lại bản đồ độ sâu sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các thông số hiệu chuẩn hệ thống. Để thiết kế đúng hệ thống quang học tốt nhất đòi hỏi phải xem xét các thông số của chuỗi quang để hiểu được ảnh hưởng của mỗi thành phần. Các thông số cần được xem xét trong việc phân tích bất kỳ hệ thống quang học nào bao gồm các sai lệch của thông số hệ thống, phân cực ánh sáng, tần số không gian và tổn thất năng lượng trong quá trình chiếu và thu ánh sáng. Tác động của mỗi thành phần trong chuỗi quang lên các thông số này cuối cùng sẽ tích lũy tổng cộng lớn hơn bất kỳ một yếu tố tạo nên sai số nào. 9
10. Hình 2.3 Sơ đồ khối quá trình hiệu chuẩn hệ thống Quá trình hiệu chuẩn hệ thống được sơ đồ hóa như hình 2.3. Máy ảnh sẽ được hiệu chuẩn đầu tiên thông qua việc chụp ảnh các mẫu hiệu chuẩn 2D với các góc và vị trí khác nhau được chiếu ánh sáng mẫu bằng máy chiếu. Các nội thông số Ac và các hệ số méo ảnh sẽ được xác định sau khi hiệu chuẩn máy ảnh. Trong bài toán hiệu chuẩn máy ảnh có bốn nội thông số (fx, fy, cx, cy) và năm thông số méo: ba hướng tâm (k1, k2, k3) và hai tiếp tuyến (p1, p2). Các nội thông số được gắn trực tiếp với hình học 3D vị trí bảng hiệu chuẩn đặt trong không gian. Phép chiếu được biểu thị bằng một hàm 2 vector thành phần phi tuyến ( , , ) = ( , 푣) tính toán các nội thông số và ngoại thông số của hệ thống. Cho một tập hợp điểm tương ứng với tọa độ điểm ảnh thu được từ nhiều hướng nhìn ( , , ) → , 푣) có thể xác định được thông số pha  . Đầu tiên ứng dụng thuật toán hiệu chuẩn của Zhang [102] để xác định các thông số tuyến tính ( , 푣, 0, 푣0, 푅, ). Thay kết quả vào mô hình tuyến tính với các hệ số méo ( 1 , 2 , 1, 2, 3) tính toán bằng hàm bình phương tối thiểu trong lỗi các phép chiếu được nghiên cứu trong tài liệu [77], sai lệch phép chiếu theo phương ngang Eu và phương thẳng đứng Ev được xác định riêng như sau: 2 2 = √ + 푣 { ( , , , , 푣) =  ( , , ) − 푛 (2.4) 푣( , , , , 푣) = 푣( , , ) − 푣푛 Áp dụng thuật toán Levenberg -Marquardt [55] để xác định các thông số phù hợp nhất cho hệ phương trình trên. Ngoài ra sự thay đổi bước sóng cũng làm thay đổi mức độ biến dạng và khoảng cách làm việc thay đổi thì mức độ biến dạng cũng thay đổi. Điều quan trọng là phải xem xét riêng từng ống kính sử dụng trong một hệ thống đo cụ thể để đảm bảo mức độ chính xác cao nhất khi làm việc bằng cách điều chỉnh hoặc loại bỏ méo ra khỏi hệ thống. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp hiệu chuẩn được đề xuất bởi Zhang phần này đã được mô tả trong OpenCV [55]. Tuy nhiên, tác giả đã không công bố chi tiết thuật toán ngoại trừ mô tả cách tiếp cân dựa trên mô hình máy ảnh lỗ nhỏ. Do vậy cần phải hiểu được đầy đủ các thuật toán hiệu chuẩn và hiệu quả của từng thông số hiệu chuẩn về độ chính xác xây dựng lại bề mặt 3D bằng cách thực hiện thuật toán sao cho mọi đầu vào của thuật toán có thể thay đổi được. 10
11. 2.2.1. Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu Độ chính xác xác định góc ô vuông bàn cờ dùng hiệu chuẩn, phụ thuộc vào kích thước của ô vuông bàn cờ, do kích thước của ô vuông ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của các thông số ước tính như nội thông số và ngoại thông số của hệ thống theo công thức (1.18). Như vậy để đảm bảo độ chính xác hiệu chuẩn cần phải lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ phù hợp với kích thước vùng đo của hệ thống đo. 2.2.2. Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn Trong nghiên cứu [102] bảng hiệu chuẩn được sử dụng để hiệu chuẩn hệ thống với các góc và vị trí tùy ý. Tuy nhiên để đạt được độ chính xác cao trong quá trình hiệu chuẩn thì vị trí và góc ô vuông bàn cờ phải được đặt trong một giới hạn cho phép. Sơ đồ nguyên lý để xác định các góc quay được xây dựng như hình 2.7. Bảng hiệu chuẩn được gá lên bàn quay được quay theo hai phương: Góc nghiêng thứ nhất của bảng hiệu chuẩn so với trục y tương ứng là góc , góc nghiêng thứ hai của bảng hiệu chuẩn là  tương ứng với góc hợp bởi bảng hiệu chuẩn và bàn quay. Việc xác định được góc quay theo hai trục thông qua bộ đo góc quay. 2.2.3. Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực Tọa độ 2D của vật đo sẽ được xác định thông qua tọa độ điểm ảnh với hiệu số pha bằng 0 theo công thức (1.15). Việc xác định tọa độ z sẽ được thực hiện thông qua nguyên tắc tam giác lượng và sau khi đã hiệu chuẩn hệ số h0 theo công thức (1.16). Để xây dựng lại biên dạng 3D bề mặt chi tiết đo, cần phải thu được pha tuyệt đối t (x, y). Pha tuyệt đối của chi tiết đo có thể xác định tại mỗi điểm ảnh trên máy ảnh tương ứng với một điểm ảnh có cùng giá trị pha tuyệt đối trên ảnh vân chiếu của máy chiếu. 2.2.4. Xác định giới hạn vùng đo (w h d) Hệ thống đo được xây dựng với một số thông số ban đầu được đề xuất như vùng đo (w h) tại mặt phẳng tham chiếu của thiết bị là vùng không gian có thể nhìn thấy cả từ máy chiếu và máy ảnh như hình 2.9. Thông thường thì vùng chiếu của máy chiếu nhỏ hơn vùng thu của máy ảnh. Do vậy, khi xác định vùng đo có thể dựa vào vùng chiếu của máy chiếu. Vùng này phụ thuộc chủ yếu vào các thông số của hệ thống như: khoảng cách giữa máy ảnh và máy chiếu là b, góc giữa trục quang máy ảnh và trục quang máy chiếu là , khoảng cách L để đạt kích thước vùng đo theo phương ngang và phương dọc w và h. Thông thường thì kích thước vùng chiếu của máy chiếu theo phương dọc nhỏ hơn kích thước theo phương ngang do vậy trong quá trình thực nghiệm tính toán tối ưu sẽ lấy theo kích thước vùng chiếu nhỏ hơn h. 11
12. Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống. Giả sử mối quan hệ giữa L và w, h là tuyến tính có thể xác định được vùng không gian chiếu h và w như sau:   h= 2 Ltg , w2= Ltg (2.4) 2 2 Độ sâu trường là khoảng cách dọc theo quang trục của thấu kính máy ảnh giữa điểm đo gần nhất và xa nhất trong vùng đo qua thấu kính máy ảnh mà chi tiết đo được tạo ảnh trên cảm biến ảnh. Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh Theo công thức (2.20) và (2.21), giới hạn độ sâu trường đo được xác định [25] 2.N . c . L2 d= L = Lmax − L min = 2 f (2.5) Theo công thức (2.5), đối với một kích thước vùng đo (w h) xác định thì độ sâu vùng đo được xác định bởi 3 yếu tố: Tiêu cự của ống kính máy ảnh f, khẩu độ của ống kính D và khoảng cách từ máy ảnh đến chi tiết đo L. Trong hệ thống quang học kích thước vòng tán xạ c là tùy ý. Khi đường kính vòng tán xạ tăng lên thì kích thước mờ cho phép sẽ tăng lên dẫn đến phạm vi độ sâu d sẽ tăng lên. Khi c có giá trị nhỏ vừa đủ thì mối quan hệ giữa d và c là tuyến tính. Khi c lớn quá thì mối quan hệ này trở nên phi tuyến và công thức (2.5) sẽ không còn chính xác nữa. Để lựa chọn hợp lý thì cho kích thước đường kính của vòng tán xạ bằng kích thước một điểm ảnh Pc. 12
13. 2.3. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm máy đo 3D sử dụng phương pháp PSGC gồm một máy chiếu InFocus N104 công nghệ DLP với độ phân giải cơ bản (1024× 768) và một máy ảnh lỗ nhỏ DFK 41BU02 có độ phân giải (1280×960). Các thiết bị này được bố trí thành cụm đầu đo được kết nối với một máy tính. Máy tính yêu cầu cấu hình cao để có thể xử lý dữ liệu đám mây điểm một cách nhanh chóng. Thực nghiệm với máy tính: Ram 8GB, Core i5-4460, tốc độ xử lý 3.20 GHz, card VGA rời, như hình 2.11. Bàn quay được thiết kế có thể quay theo hai phương x và y với các góc nghiêng và  được xác định bằng encoder đo góc. Cụm đầu đo được gá lên một đế gá có thể thay đổi góc nghiêng và khoảng cách tới mặt phẳng chuẩn. Bàn gá chi tiết đo được thiết kế có thể quay tròn đảm bảo diện tích quét trên vật đo được tối đa với chuyển động chính là quay tròn trên mặt phẳng chứa vật. Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm Xác định các chu kỳ vân dịch pha và Gray. Với hệ thống sử dụng máy chiếu có độ phân giải theo phương ngang và phương dọc là (1024× 768) sẽ cần số mẫu chiếu Gray theo công thức (2.2). Lựa chọn số mẫu chiếu Gray theo phương ngang và phương dọc thỏa mãn điều kiện theo công thức này để i và j là số 1024 ij 768 nguyên là nnuv=log2 = log 2 2 , = log 2 = log 2 2 , như vậy chọn chu kỳ sin theo TTuv phương ngang và phương dọc được tính theo công thức (2.1) là Tu = 32 (điểm ảnh) và Tv = 24(điểm ảnh) và sử dụng mã hóa Gray 5bit theo phương ngang và phương dọc. Xác định độ sâu giới hạn vùng đo (d). Thực nghiệm thay đổi khoảng cách từ máy chiếu tới mặt phẳng chuẩn L và điều chỉnh tiêu cự máy chiếu sao cho ảnh rõ nét trên mặt phẳng (R) để xác định vùng chiếu giới hạn theo phương ngang và phương dọc w×h tại mặt phẳng tham chiếu. Qua đó xác định mối hệ giữa khoảng cách từ máy ảnh đến màn L và kích thước vùng chiếu h. Trong hệ thống thực nghiệm này chọn D=f/8 tức là N=8. Độ lớn của đường kính vòng tán xạ c để đạt được độ sắc nét chấp nhận được phụ thuộc vào kích thước của cảm biến ảnh. Trong trường hợp này lấy đường kính vòng tán xạ chấp nhận được có kích thước là một điểm ảnh của CCD c= Pc=4,65 µm. Như vậy độ sâu trường sẽ được xác định theo công thức (2.5) với khoảng cách L=500mm, tiêu cự f= 12 mm 13
14. 2.Nc . .L22 2.8.4,65.500 d == 130 mm (2.6) f 2212 Như vậy, vùng không gian đo giới hạn của hệ thống được xác định một các chính xác là (w h d) = 245 181 130 (mm) với tiêu cự thấu kính f =12 mm, và khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo là L=500 mm, chi tiết đo đặt trong vùng này sẽ thu được độ chính xác cao. 2.4. Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ 2.4.1. Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ Vùng làm việc của bảng hiệu chuẩn nằm trong vùng đo (245 181 130) (mm). Trong thực nghiệm này sử dụng 15 kích thước ô vuông bàn cờ khác nhau. Kích thước làm việc của ô vuông bàn được xác định nhỏ hơn vùng làm việc của hệ thống sao cho khi thay đổi các góc khác nhau diện tích bảng hiệu chuẩn vẫn nằm trong vùng đo, chọn vùng kích thước của ô vuông bàn cờ thực nghiệm là B B= 180 180 (mm) Mối quan hệ giữa kích thước của ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn (EEEc p s )được thể hiện ở hình 2.18. Hình 2.18 Đồ thị mối quan hệ giữa kích thước ô vuông bàn cờ và sai số hiệu chuẩn Vì kích thước bao của bảng hiệu chuẩn được chọn là cố định: Khi kích thước ô vuông S tăng từ 16 đến 30 mm, số góc ô vuông sẽ giảm từ 100 xuống 36. Tuy nhiên, khi kích thước ô vuông S giảm từ 15 xuống 5 mm, số góc ô vuông sẽ tăng từ 144 lên 1225. Như thể hiện trong hình 2.18, kích thước của góc ô vuông là quá lớn hoặc quá nhỏ dẫn đến hiệu chuẩn chính xác kém chính xác, gây ra bởi vì thiếu các điểm đặc trưng để xác định góc ô vuông và do quang sai của ống kính. Do đó, còn tồn tại một cực tiểu mà hai yếu tố Eu và Ev được tổng hợp là nhỏ nhất theo công thức tính E (2.4) hay lỗi hiệu chuẩn là nhỏ nhất. Khi bảng hiệu chuẩn có kích thước ô bàn cờ là 15 mm và 121 góc, có thể thấy các lỗi hiệu chuẩn đạt được: EC = 0.190 (điểm ảnh), E P = 0.057 (điểm ảnh), và E S = 0.298 (điểm ảnh). Kết quả này cho thấy kích thước tối ưu của bàn cờ ở vùng làm việc được xác định để hiệu chuẩn hệ thống đạt độ chính xác cao. 14
15. 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn. Mục đích của việc hiệu chuẩn với các góc bảng hiệu chuẩn khác nhau để kiểm chứng ảnh hưởng của các góc này đến độ chính xác kết quả hiệu chuẩn. Từ đó có thể lựa chọn góc bảng hiệu chuẩn giới hạn để đạt được kết quả hiệu chuẩn mong muốn. Thực hiện hiệu chuẩn với các góc quay  của bảng hiệu chuẩn thay đổi trong vùng từ 500 đến 1300. Giá trị góc của bảng hiệu chuẩn được giới hạn để bảng hiệu chuẩn với kích thước BxB khi được gá nghiêng vẫn nằm trong vùng đo cho phép (245 181 130) (mm). Với mỗi lần thay đổi bảng hiệu chuẩn quanh trục x với ∆ = 10o quy trình hiệu chuẩn sẽ được thực hiện với 10 vị trí khác nhau của bảng hiệu chuẩn quay quanh trục y cũng trong giới hạn ∆ = 10o. Như trên đồ thị ta thấy trong khoảng góc ô vuông bàn cờ ∆ = 30o sai số nhỏ hơn 0,4 mm. Với độ chính xác hiệu chuẩn của thiết bị thực nghiệm được xác định ở chương 2 thì sai số F nhỏ hơn 0,4 mm là đạt yêu cầu. Như vậy xác định được góc giới hạn cho phép của ô vuông bàn cờ là ∆ = 30o. Hình 2.21 Quan hệ giữa  và F trong  2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn. Kết quả thực nghiệm hiệu chuẩn với mỗi giá trị độ rọi thu được nội thông số, ngoại thông số và các hệ số méo ảnh của hệ thốngThông số CE, PE, SE tương ứng biểu thị sai số hiệu chuẩn trung bình của máy ảnh, máy chiếu và hệ thống. Từ đồ thị hình 2.23 nhận thấy nếu thay đổi độ rọi từ 0 đến 100 lux và từ 200 đến 360 lux thì độ chính xác hiệu chuẩn cũng biến thiên lớn: CE từ 0.202 đến 0.354 (điểm ảnh); PE từ 0.071 đến 0.132 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.345 (điểm ảnh); Với độ rọi trong khoảng 100 lux đến 200 lux thì sai số hiệu chuẩn biến thiên nhỏ: CE từ 0.202 đến 0.215 (điểm ảnh); PE từ 0.070 đến 0.087 (điểm ảnh); SE từ 0.222 đến 0.244 (điểm ảnh); 15
16. Hình 2.23 Đồ thị mối quan hệ giữa độ rọi và độ chính xác hiệu chuẩn 2.5 Kết luận chương 2 Phương pháp đo bề mặt 3D sử dụng PSGC với nhiều ưu điểm về độ phân giải và khả năng chống nhiễu tốt. Đã xây dựng thuật toán và chương trình đo o 3D sử dụng PSGC nhằm phân tích đánh giá, kiểm chứng lý thuyết đã được nghiên cứu. Một thiết bị thực nghiệm và phần mềm đo biên dạng 3D sử dụng PSGC đã được xây dựng nhằm thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống đo được đề xuất. Với các kết quả trực quan bảng dữ liệu, đồ thị, hình ảnh để đánh giá mức độ ảnh hưởng các thông số đến độ chính xác của hệ thống trên từng miền hay toàn bộ vùng đo của hệ thống. Các phương pháp kỹ thuật về phần mềm và công nghệ đã được nghiên cứu nhằm làm giảm ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác hiệu chuẩn như: Áp dụng các phương pháp và thuật toán đã được nghiên cứu nhằm xác định được tối đa các thông số hiệu chuẩn hệ thống gồm có các thông số tuyến tính và các thông số phi tuyến. Dùng thuật toán Levanberg-Marquardt để tinh chỉnh các nội thông số của hệ thống, từ đó có thể bù hoặc loại trừ các sai số hiệu chuẩn nhằm nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn. Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm xác định được với góc ô vuông bàn cờ 15 mm và góc giới hạn của bảng hiệu chuẩn ∆= 30 độ thì sai số hiệu chuẩn hệ thống đạt được E< 0,4 (điểm ảnh) Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm đã chứng minh độ rọi do ánh sáng môi trường có ảnh hưởng tới kết quả hiệu chuẩn thông qua các sai số hiệu chuẩn và hệ số méo ảnh. Với độ rọi do ánh sáng môi trường nằm trong khoảng 100 lux đến 200 lux thì độ chính xác hiệu chuẩn máy ảnh, máy chiếu, và hệ thống biến thiên nhỏ khoảng 0.017 (điểm ảnh). Độ rọi do ánh sáng môi trường nhỏ hơn 100 lux hoặc lớn hơn 200 lux thì kết quả hiệu chuẩn kém chính xác độ biến thiên lớn hơn 0.062 điểm ảnh. Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT 3.1. Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa của CCD máy ảnh Để xác định mối quan hệ giữa cường độ sáng thu được bằng máy ảnh Ic(u, v) và cường độ sáng chiếu từ máy chiếu Ip(u, v) cần phải hiểu hình ảnh của vật thể hình thành trên cảm biến của máy ảnh như thế nào. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành các vân của ảnh của 16
17. điểm ảnh có phản xạ bề mặt RA bao gồm: (1) thời gian phơi sáng 푡 là thời gian mà cảm biến cần để thu đủ lượng ánh sáng để tạo ảnh (2) độ nhạy của máy ảnh (3) ánh sáng mã hóa với cường độ Ip chiếu từ máy chiếu và phản xạ từ điểm có phản xạ bề mặt RA là, RAIp, (4) ánh sáng môi trường xung quanh Im và ánh sáng chiếu từ các phần bề mặt khác RB tới điểm có phản xạ bề mặt RA là, RA(Im + RBIp)= RA(Im + IB), (5) ánh sáng môi trường xung quanh chiếu trực tiếp đến cảm biến ảnh với cường độ Im và (6) nhiễu của cảm biến In [44] Hình 3.2 Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số phản xạ bề mặt Ảnh hưởng của các nguồn chiếu sáng khác nhau trong việc thu các hình ảnh vân mẫu bằng máy ảnh được mô tả trong hình 3.2 cường độ ảnh sáng của điểm có hệ số phản xạ RA được biểu diễn trong công thức sau: Iuv,,= tRIuvII + + + I + I c( ) c A( p( ) B m) m n (3.1) Do vậy, ước lượng của mỗi điểm ảnh R là 1, ước lượng cường độ của ánh sáng môi trường và ánh sáng phản xạ từ các bề mặt xung quanh là 2và cường độ sáng thu được của máy ảnh là: Ic=+ t c( b12 I p b ) (3.2) Phương trình (3.2) chỉ ra rằng đối với một chi tiết đo và môi trường đo nào đó thì cường độ ánh sáng thu được phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu (u, v) độ nhạy của cảm biến ảnh , và thời gian phơi sáng 푡 . 3.2. 2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp Để đảm bảo thu được ảnh vân mẫu với chất lượng tốt thì giá trị của ba thông số theo phương trình (3.2) phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu (u, v) độ nhạy của cảm biến ảnh, và thời gian phơi sáng 푡 . Ic=  t c R A I p (3.10) Theo nghiên cứu [108] nếu cường độ của ảnh ( , 푣) có mối quan hệ tuyến tính với hệ số phản xạ 푅 . Khi đó độ nhạy của cảm biến ảnh  sẽ không đổi. Coi bề mặt chi tiết đo I0 (,) u v s c 0 có cùng vật liệu sẽ có tính phản xạ đồng nhất. Đặt tc = 푅 (u, v) = với t0 là thời 푡  RIAp 0 gian phơi sáng được xác định thông qua thực nghiệm để với một đối tượng có đặc tính phản 17
18. xạ bất kỳ mà hệ thống thu được giá trị cường độ thỏa mãn nhỏ hơn ngưỡng giới hạn trên của cảm biến ảnh 255, thay vào phương trình (3.11) được: 0 푠 ( ,푣) t = 푡0 (3.3) 0 Theo công thức (3.3), mỗi điểm ảnh tương ứng với một thời gian phơi sáng phù hợp và nó có thể thu được khi I0 và t0 được xác định. Thời gian phơi sáng của một máy ảnh cụ thể được xác định là một phần của giây với tc = (1/smax  1/smin) mẫu số càng lớn thì tốc độ càng nhanh. Biểu đồ Histogram mô tả sự phân bố của các giá trị mức của các điểm ảnh trong vùng ảnh số. Giá trị mức xác được gán bằng giá trị nguyên tương ứng với thang đo độ xám trải từ (0 đến 255) được xác định: ( ) = nr (3.4) ớ푖 là giá trị mức xám thứ và 푛 là số điểm ảnh có cùng mức xám thứ Thông qua hàm (푆푖) mô tả tỷ lệ tổng số điểm ảnh có mức xám I trong vùng 푆푖 theo công thức sau: 푛 (푆 ) = 100% (3.14) 푖 푛 Với nI là số điểm ảnh có giá trị cường độ trong vùng 푆푖, n là tổng số điểm ảnh của ảnh Như vậy một ảnh đối tượng được chụp có độ tương phản cao và tránh ảnh hưởng của phản xạ bề mặt và thời gian phơi sáng phù hợp thì biểu đồ biểu diễn sẽ là một đường cong có chân trải đều về hai phía của vùng S1 và S5 phần đỉnh tập trung ở vùng S2, S3 và S4 như hình 3.6, thỏa mãn điều kiện sau: ∑ (푆2,3,4) = ( (푆2) + (푆3) + (푆4)) → (3.5) Hình 3.6 Biểu đồ Histogram khi thời gian phơi sáng hay mức độ phản xạ phù hợp Với các ảnh thô chụp với các thời gian phơi sáng được lấy mẫu trong khoảng tc = (1/smax  1/smin), ảnh nào thỏa mãn điều kiện của biểu thức (3.5) thì giá trị thời gian phơi sáng đó được chọn là t0 tương ứng. Biểu đồ Histogram với t0 sẽ được phân tích và xác định các thời gian phơi sáng phù hợp Thời gian phơi sáng phù hợp của từng vùng hoặc giữa hai vùng sẽ được xác định với cường độ tương ứng với đáy bên phải của đỉnh mức cường độ D1, D2, D3, D4, D5 hoặc đáy giữa hai đỉnh ở hai vùng liền kề nhau I0i (i=1, 2, 3, 4). Thời gian phơi sáng t0i (i=1, 2, 3, 4) tương ứng với mỗi cường độ được xác định theo công thức (3.3) các thời gian này sẽ được sử dụng để đo với mã dịch pha kết hợp mã Gray. Các đám mây điểm 18
19. sẽ được dựng lên với mỗi thời gian phơi sáng phù hợp, sau đó được ghép tạo thành đám mây điểm hoàn chỉnh 3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ Có thể nhận thấy rằng phản xạ bề mặt phụ thuộc vào ánh sáng và góc chiếu và chụp của chi tiết đo. Hơn nữa, các chi tiết đo có thể được quay bằng bàn xoay chi tiết, thu được các vùng khác nhau của chi tiết đo. Máy ảnh chụp được các vùng khác nhau của chi tiết đo dựng được tọa độ thành phần sau đó tổng hợp thành các tọa độ hệ thống. Các đám mây điểm của chi tiết sẽ được ghép, vùng bị bóng của đám mây điểm này sẽ được bù với vùng không bị bóng ở đám mây điểm khác. Độ chính xác của phương pháp ghép ảnh yêu cầu phải nhỏ hơn độ chính xác của hệ thống. 3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt Mục đích của việc khảo sát Điều kiện và thiết bị thực hiện Đối tượng thực nghiệm 3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp 3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm 0 Biểu đồ Histogram của ảnh với mã Gray 2 với thời gian phơi sáng tc=16ms để tính các cường độ tương ứng Hình 3.13 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm Trong hình 3.13, các I0i xác định được thể hiện trên hình với chi tiết nhôm I01=38, I02=108, I03=215, các cường độ này được sử dụng để tính toán các thời gian phơi sáng tương 0 ứng với t0=16ms, = 254 theo công thức (3.12) t01=106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99 msCác thời gian phơi sáng này sẽ được sử dụng để đo bằng phương pháp PSGC. Sau đó tổng hợp các hình ảnh cường độ này và dựng lại đám mây điểm như hình 3.14 19
20. Hình 3.14 Đám mây điểm 3D của thép khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng ốt i ưu Đám mây điểm thu được có số lượng điể m ảnh 3D trong đám mây điểm thể hiện bề mặt là 13135 điểm. Bề mặt đám mây điểm với đám mây điểm bố trí trên toàn vùng bề mặt không bị mất thôngHình 3.20 tin. Đám mây điểm 3D của thép khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu 3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 Thực nghiệm đo với phương pháp đo được đề xuất. Đầu tiên, chiếu ảnh thô với cường độ ánh sáng chiếu Ip (255, 255, 255) với thời gian phơi sáng ban đầu được đặt t0 =12,5 (ms) thu ảnh và dùng biểu đồ Histogram để tính các cường độ tương ứng. Hình 3.17 Tính toán cường độ I0i trong các vùng cường độ của chi tiết nhôm Trong hình 3.17, I0i xác định được thể hiện trên hình với chi tiết nhôm I01=19, I02=87, I03=233, các cường độ này được sử dụng để tính toán các thời gian phơi sáng tương ứng với 0 t0=12,5ms, = 254 theo công thức (3.12) t01=167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms. các thời gian phơi sáng này sẽ được sử dụng để đo bằng phương pháp PSGC. Sau đó tổng hợp các hình ảnh cường độ này và dựng lại đám mây điểm 3D như hình 3.18 a, b, Hình 3.18 a, Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu và b, Đám mây điểm sau khi giảm thiểu số lượng điểm ảnh a, 20 b, Hình 3.21a,Đám mây điểm 3D của nhôm khi kết hợp 3 thời gian phơi sáng tối ưu và b, Đám mây điểm sau khi giảm giểu số lượng điểm ảnh
21. Đám mây điểm thu được sau khi ghép đám mây điểm với 3 thời gian phơi sáng phù hợp cho thấy các điểm ảnh thể hiện bền mặt rất dày và không bị mất thông tin như đám mây điểm của chi tiết nhôm đo với một thời gian phơi sáng. Tổng số điểm ảnh thể hiện bề mặt 3D là 87719 và số điểm ảnh sau khi dùng thuật toán Downsampcloud là 29419 điểm ảnh 3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn 3.4.2.1 khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp Với chi tiết nhôm được đo với góc nghiêng +100 và -100 so với mặt phẳng tham chiếu thu được hai đám mây điểm có các vùng trống không có dữ liệu đo có thể bù cho nhau. 3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc Qua thực nghiệm lựa chọn được với góc nghiêng +120 và -120 so với mặt phẳng tham chiếu thu được hai đám mây điểm có các vùng trống không có dữ liệu đo có thể bù cho nhau. 3.5 Kết luận chương 3 Với mục đích làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí khi đo sử dụng phương pháp PSGC, hai phương pháp đã được đề xuất là: xác định các thời gian phơi sáng phù hợp trong từng vùng xám của từng chi tiết đo sau đó ghép đám mây điểm các thời gian phơi sáng để thu được đám mây điểm đầy đủ và chính xác thông tin bề mặt, tránh được các vùng bão hòa trên CCD. Ngoài ra, phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn cũng được đề xuất nhằm là giảm bớt những vùng có cường độ phản xạ mà phương pháp ghép các thời gian phơi sáng phù hợp chưa thu được tuyệt đối. Kết quả khảo sát hai phương pháp giảm yếu tố ảnh hưởng của phản xạ bề mặt chi tiết cơ khí cho thấy: Ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp đạt kết quả tốt. Đối với các chi tiết nhôm dạng bậc xác định được các thời gian phơi sáng phù hợp t01=167,1 ms, t02=36,49 ms, t03=13,62 ms. Đối với các chi tiết nhôm bề mặt phức tạp xác định được các thời gian phơi sáng phù hợp t01=106,94 ms, t02=37,62 ms, t03=18,99. Ghép đám mây bù vùng bóng cho thấy tùy thuộc vào mức độ phản xạ và hình dạng phức tạp của bề mặt chi tiết đo mà có thể chọn các góc nghiêng nhỏ hợp lý để có thể bù cho nhau thu được hiệu quả tốt. Đối với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp với góc nghiêng 10o có thể đạt được kết quả ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt. Đối với chi tiết nhôm bề mặt bậc với góc nghiêng 12o có thể đạt được kết quả ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ tốt. Có thể thấy rằng với kết quả phân tích lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng hệ thống, hai phương pháp được đề xuất sẽ phù hợp với các hệ thống có mức độ đáp ứng mức xám của máy chiếu, cường độ ảnh chụp và thời gian phơi sáng là tuyến tính. 21
22. Chương 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO PSGC 4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác Dựa vào bảng 1.2 xác định tiêu chuẩn A và E để đánh giá độ chính xác của hệ thống đo. 4.1.1. Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 Với việc sử dụng mẫu chuẩn đo A1 cho hệ thống đo sử dụng phương pháp PSGC, theo mục 1.3.3 mẫu chuẩn đo là các mặt phẳng bậc cần xác định các khoảng cách bậc. Do vậy việc xây dựng thuật toán và phần mềm để đánh giá và so sánh kết quả đo của phương pháp này là cần thiếtMột mặt phẳng có độ chính xác xác định được đo bằng phương pháp PSGC, dựng hình mặt phẳng và phù hợp mặt phẳng được thực hiện thông qua thuật toán RANSAC. 4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1 Cần xây dựng thuật toán và chương trình phần mềm để xác định được chuẩn kiểu E1. Như vậy cần xác định bán kính của đám mây điểm cầu chuẩn Đề xác định bán kính R của mặt cầu trong đám mây đểm 3D một thuật toán phù hợp mặt cầu ứng dựng thuật toán RANSAC được xây dựng 4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn Độ chính xác trên vùng đo được xác định bằng một mặt phẳng chuẩn có kích thước A B (mm) được đo với các vị trí và hướng khác nhau trong vùng đo và phù hợp với một mặt phẳng chuẩn. Đối với mỗi phép đo được phân tích, tính toán và thu được độ lệch chuẩn và khoảng cách trung bình từ các điểm đo đến mặt phẳng được phù hợp 4.2 Thực nghiệm xác định độ chính xác hệ thống Thực nghiệm xác định độ chính xác của hệ thống được thực hiện với các phép đo các chi tiết mẫu: chi tiết mẫu dạng bậc, chi tiết cầu, và mặt phẳng. Số lần đo được lặp đi lặp lại trong cùng một điều kiện môi trường nhiệt độ phòng 250C, ánh sáng môi trường được giảm tối đa để giảm các tham số không đảm bảo đo trong phép đo. 4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn 4.2.2. Đo biên dạng mặt cầu Thực nghiệm đo biên dạng mặt cầu với bán kính mặt cầu lần lượt là R1=25 mm và R2=36.3 mm. Kết quả đo bán kính chi tiết dạng cầu với số lượng điểm ảnh 3D là 5572, khoảng cách trung bình từ mặt cầu chuẩn tới mặt cầu thực là 0. 030 mm, bán kính quả cầu đo được là R1 = 25.069 mm, độ lệch chuẩn là 0. 068 mm. Kết quả đo bán kính chi tiết dạng cầu với số lượng điểm ảnh 3D là 8426, khoảng cách trung bình từ mặt cầu chuẩn tới mặt cầu thực là 0. 073 mm, bán kính quả cầu đo được là R2 = 36. 354 mm, độ lệch chuẩn là 0. 054 mm. 4.2.3 Đo mặt phẳng trong toàn bộ vùng đo Bảng kết quả phù hợp mặt phẳng ở các hướng và vị trí khác nhau cho thấy sự tương quan giữa sai số và góc và vị trí của mặt phẳng chuẩn. như trong bảng sai số không nhạy với 22
23. vị trí của mặt phẳng chuẩn tuy nhiên sai số thay đổi khi góc quay của mặt phẳng quanh trục x thay đổi. 4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí. 4.4. Kết luận chương 4 Đã xây dựng được 3 tiêu chí đánh giá độ chính xác của hệ thống đo sử dụng PSGC. Với tiêu chuẩn A1 xây dựng được thuật toán và chương trình phần mềm phù hợp nhiều mặt phẳng để xác định các kích thước bậc. Thực nghiệm đã xác định được với chi tiết nhôm bậc M2 của mẫu nhôm Với tiêu chuẩn E1 tiêu chuẩn đo mặt cầu xây dựng được thuật toán phù hợp mặt cầu. Đo mẫu các chi tiết mặt cầu xác định được, bán kính quả cầu đo được là R1 = 25. 069 mm, độ lệch chuẩn là 0. 068 mm, bán kính quả cầu đo được là R2 = 36. 354 mm, độ lệch chuẩn là 0. 054 mm. Với tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn với các vị trí và góc để xác định độ chính xác trong toàn bộ vùng đo. KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Với mục đích nghiên cứu các phương pháp để giảm ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ chính xác khi đo các chi tiết cơ khí trong phương pháp đo bằng ánh sáng cấu trúc dịch pha kết hợp Gray (PSGC), luận án đã thực hiện được một số kết quả nghiên cứu chính sau: 1. Xây dựng thuật toán và phần mềm đo sử dụng PSGC để đo được các chi tiết cơ khí có phản xạ bề mặt cao. Áp dụng các thuật toán nhằm xác định tối đa các thông số hiệu chuẩn tuyến tính và phi tuyến. Xây dựng phần mềm xử lý dữ liệu và phù hợp đám mây để xác định được kích thước và sai lệch của các thông số kích thước chi tiết đo. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến độ chính xác hiệu chuẩn cũng như độ chính xác hệ thống, đã xác định được vùng kích thước ô vuông bàn cờ phù hợp trên kích thước bảng hiệu chuẩn xác định. Góc nghiêng của bảng hiệu chuẩn so với mặt phẳng cảm biến ảnh CCD cũng được xác định trong giới hạn 30o độ chính xác hiệu chuẩn có thể đạt được nhỏ hơn 0. 4 điểm ảnh. Độ rọi của ánh sáng môi trường ổn định trong vùng 100 đến 200 lux thì độ chính xác hiệu chuẩn đạt được là tốt nhất. Trên hệ thống thực nghiệm với vùng không gian đo giới hạn là (w h d) = 245 181 130 mm với tiêu cự thấu kính f =12 mm, và khoảng cách từ tâm vùng đo tới đầu đo là L=500 mm, chi tiết đo đặt trong vùng này sẽ thu được độ chính xác cao. 3. Đã nghiên cứu xây dựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt các chi tiết cơ khí bằng cách ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp mà không cần một phương pháp xử lý bề mặt đo nào, cũng như không cần thiết lập thêm hệ thống và phần cứng phụ trợ phức tạp. Từ khảo sát, nghiên cứu thực nghiệm cho biết, thông qua biểu đồ Histogram có thể xác định được số lượng thời gian phơi sáng phù hợp đối với một bề mặt chi tiết đo có đặc tính phản xạ bề mặt cao. Kết quả thực nghiệm với chi tiết nhôm với các 23
24. biên dạng bề mặt khác nhau cho thấy đề xuất xác định các thời gian phơi sáng và ghép đám mây điểm ở các thời gian phơi sáng phù hợp có hiệu quả đối với chi tiết nhôm. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu về đo 3D bằng ánh sáng cấu trúc đặc biệt là các ứng dụng đo lường 3D trong cơ khí. 4. Đã nghiên cứu xây dựng phương pháp làm giảm phản xạ bề mặt các chi tiết cơ khí bằng cách phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ. Các góc nghiên để ghép các đám mây điểm bù vùng phản xạ phụ thuộc vào hình dạng và đặc tính phản xạ của từng chi tiết đo. Trong hai phương pháp làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt thì phương pháp ghép đám mây điểm với thời gian phơi sáng phù hợp là chủ yếu có thể làm giảm rất lớn ảnh hưởng của phản xạ bề mặt. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu thời gian đo lớn và quy trình phải tuân thủ. 1. Nghiên cứu đề xuất quy trình xác định độ chính xác của hệ thống đo dựa vào tiêu chuẩn ISO là A1 và E1. Xây dựng được thuật toán và phần mềm xử lý đám mây điểm đo với từng tiêu chuẩn đo. Với tiêu chuẩn đo A1 xây dựng được phần mềm phù hợp các mặt phẳng để đo khoảng cách bậc. Với tiêu chuẩn E1 xây dựng được thuật toán và phần mềm phù hợp mặt cầu để xác định bán kính mặt cầu. Độ chính xác đo của hệ thống thực nghiệm với sai số tương đối lớn nhất là 1.46%. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Nghiên cứu giảm thời gian khi xử lý ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng khác nhau, để tăng tốc độ phép đo khi đo các chi tiết có độ phản xạ bề mặt cao. Nghiên cứu phương pháp giảm nhiễu đám mây điểm khi đo các bề mặt có phản xạ lớn. Tiếp tục nghiên cứu về đo các chi tiết có độ bóng có dầu mỡ. 24