Luận án Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí - Nguyễn Thị Kim Cúc

LỜI CAM ĐOAN. i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. v

DANH MỤC CÁC BẢNG. xi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ.xii

MỞ ĐẦU . 1

1.Lý do lựa chọn đề tài luận án . 1

2.Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . 3

3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. 3

4.Phương pháp nghiên cứu. 4

5.Kết cấu của luận án . 4

6.Các kết quả mới. 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG CHI TIẾT CƠ KHÍ SỬ DỤNG ÁNH SÁNG

CẤU TRÚC . 6

1.1 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng cấu trúc. 6

1.2 Phương pháp đo sử dụng ánh sáng mã dịch pha kết hợp Gray. 11

1.2.1 Phương pháp dịch pha . 11

1.2.2 Phương pháp mã Gray. 13

1.2.3 Phương pháp dịch pha kết hợp Gray . 14

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí. 20

1.3.1 Độ chính xác hiệu chuẩn hệ thống. . 23

1.3.2 Ảnh hưởng của phản xạ bề mặt đến độ chính xác khi đo chi tiết cơ khí. 31

1.3.2.1 Mô hình phản xạ bề mặt. 31

1.3.2.2 Các nghiên cứu làm giảm ảnh hưởng của phản xạ bề mặt. 37

1.3.3 Đánh giá độ chính xác hệ thống PSGC . 41

1.4 Kết luận chương 1. 48

1.5 Hướng nghiên cứu của luận án . 48

Chương 2 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HIỆU CHUẨN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

ĐO PSGC . 49

2.1 Cơ sở phương pháp đo sử dụng dịch pha kết hợp mã Gray (PSGC) . 49

2.2 Nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ. 53

2.2.1 Lựa chọn kích thước ô vuông bàn cờ tối ưu. 58

2.2.2 Ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn . 59

2.2.3 Chuyển đổi từ pha sang tọa độ thực . 59

2.2.4 Xác định giới hạn vùng đo (w  h  d) . 622.3 Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm . 66

2.4 Khảo sát nâng cao độ chính xác hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ . 72

2.4.1 Ảnh hưởng của kích thước ô vuông bàn cờ. 72

2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của góc bảng hiệu chuẩn . 77

2.4.3 Ảnh hưởng của ánh sáng môi trường đến độ chính xác hiệu chuẩn. 82

2.5 Kết luận chương 2 . 86

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA PHẢN XẠ BỀ MẶT. 87

3.1 Các thông số ảnh hưởng đến độ bão hòa của CCD máy ảnh . 87

3.2 Phương pháp ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp . 91

3.3 Phương pháp ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ . 96

3.4 Khảo sát đánh giá hiệu quả giảm ảnh hưởng phản xạ bề mặt. 100

3.4.1 Khảo sát ghép đám mây điểm với các thời gian phơi sáng phù hợp. 103

3.4.1.1 Khảo sát với mẫu khuôn nhôm . 103

3.4.1.2 Khảo sát với mẫu nhôm bậc M1 . 108

3.4.2 Khảo sát ghép đám mây điểm bù vùng phản xạ lớn. 113

3.4.2.1 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt phức tạp. 113

3.4.2.2 Khảo sát với chi tiết nhôm bề mặt bậc. 115

3.5 Kết luận chương 3. 117

Chương 4 XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG ĐO

PSGC . 118

4.1 Xây dựng tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác. 118

4.1.1 Xây dựng thuật toán cho chuẩn đo kiểu A1 . 118

4.1.2 Xây dựng thuật toán xác định chuẩn kiểu E1. 122

4.1.3 Đánh giá độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn. 125

4.2 Khảo sát độ chính xác hệ thống . 126

4.2.1 Đo biên dạng bề mặt của mẫu bước chuẩn. 126

4.2.2 Đo biên dạng mặt cầu. 130

4.2.3 Khảo sát độ chính xác theo mặt phẳng chuẩn . 131

4.3 Đo các chi tiết máy và khuôn cơ khí. . 131

4.4 Kết luận chương 4. 134

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN. 135

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 137

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 143

PHỤ LỤC . 1

pdf193 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 372 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc để nâng cao chất lượng đo chi tiết cơ khí - Nguyễn Thị Kim Cúc, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
c z vuông góc với mặt phẳng bảng hiệu chuẩn và chỉ về phía hệ thống đầu đo. Toàn bộ vùng làm việc của bảng hiệu chuẩn nằm trong vùng đo (whd). 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 tướng 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. Mối quan hệ giữa góc nghiêng của bảng hiệu chuẩn với độ chính xác hiệu chuẩn được xác định qua thực nghiệm. Từ đó có thể xác định trong khoảng góc giới hạn của ô vuông bàn cờ nào thì hệ thống đạt được độ chính xác cần thiết. Để xác định ảnh hưởng của độ chính xác hiệu chuẩn tới độ chính xác dựng hình 3D bề mặt chi tiết đo sử dụng phương pháp mặt phẳng phù hợp. Tất cả các thông số hiệu chuẩn từ các góc khác nhau của bảng hiệu chuẩn được thiết lập. Kết quả hiệu chuẩn xác định được giá trị các thông số hiệu chuẩn. Sau đó mặt phẳng hiệu chuẩn được dựng hình 3D thu được đám mây điểm mặt phẳng chuẩn. Một mặt phẳng phù hợp lý tưởng với đám mây điểm mặt phẳng được xây dựng thông qua thuật toán phù hợp mặt phẳng với một tập hợp n điểm 3D. Sử dụng phương pháp lựa chọn một mặt phẳng tối ưu khớp nhất cho một đám mây điểm dạng mặt phẳng ứng với cực trị của tổng các sai số khoảng cách giữa mặt phẳng phù hợp và tập dữ liệu. Thuật toán phù Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và thực nghiệm thiết lập góc ô vuông bàn cờ 60 hợp mặt phẳng được xây dựng trên phần mềm Matlab R2015a×64 ứng dụng phương pháp SVD [35] Sau khi thu được mặt phẳng phù hợp nhất của đám mây điểm 3D, khoảng cách từ các điểm 3D là p(xi, yi, zi) trong các đám mây điểm dựng lại của mặt phẳng tham chiếu được xác định. Giả sử rằng có n điểm đo thì khoảng cách trung bình từ các điểm đo trong đám mây điểm tới mặt phẳng phù hợp được xác định như sau: 1 1 n i i d n  = =  (2.5) Trong đó di là khoảng cách giữa một điểm tới mặt phẳng phù hợp, sai số phù hợp mặt phẳng được xác định ( ) 2 1 1 n RMS i i F d n  = = − (2.6) Hình 2.8 mô tả các điểm màu xanh là các điểm trong đám mây điểm của mặt phẳng bảng hiệu chuẩn được dựng với các góc khác nhau. Các điểm này sẽ được tính khoảng cách đến mặt phẳng phù hợp như công thức (2.5). Phương pháp phù hợp mặt phẳng này khá đơn giản và có thể sử dụng thư viện sẵn có của Matlab để xây dựng chương trình. Do đám mây điểm 3D được dựng lên là các mặt phẳng bảng hiệu chuẩn ở các góc khác nhau. Thông qua việc so sánh các sai số phù hợp của các mặt phẳng và kết quả hiệu chuẩn sẽ tìm được góc giới hạn của bảng hiệu chuẩn để thu được kết quả hiệu chuẩn chính xác cao. 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 (x, y)t . 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 Hình 2.8 Khoảng cách từ các điểm đo 3D đến mặt phẳng phù hợp. Mặt phẳng phù hợp 61 chiếu. Vì vậy, có thể thiết lập một quan hệ giữa ảnh thu được và ảnh vân chiếu thông qua pha tuyệt đối, là ma trận với mỗi giá trị pha gồm hai thông số pha là pha ngang (u)ct và pha dọc (v) c t : ( )(u)= c r pt u u  ; ( )(v)= c r pt v v  (2.7) Ma trận nội thông số máy ảnh và máy chiếu tương ứng là Ac và Ap. Ma trận ngoại thông số cho một hệ tọa độ hệ thống là giữa máy ảnh và hệ tọa độ thực [𝑅𝑐, 𝑡𝑐]𝑇và giữa máy chiếu và hệ tọa độ thực [𝑅𝑝, 𝑡𝑝]𝑇. Khi hệ thống được hiệu chuẩn, mối quan hệ giữa hệ tọa độ hệ thống và hệ tọa độ máy ảnh và máy chiếu có thể thiết lập như công thức sau [98]: w w, ,1 , , , ,1 T T T c c c c c c ws u v A R t x y z     =      (2.8) w w, ,1 , , , ,1 T T T p p p p p p ws u v A R t x y z     =      (2.9) Trong hai phương trình (2.8) và (2.9) xw, yw, zw, sc, sp, up và vp là các giá trị chưa biết, do vậy phải có bảy phương trình để xác định 7 ẩn, qua đó có thể xác định được tọa độ hệ thống (xw, yw, zw). Giả sử ma trận thông số của máy ảnh Hc và ma trận thông số máy chiếu Hp bao gồm cả các nội thông số và ngoại thông số. 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 , c c c c T c c c c c c c c c c c c h h h h H A R t h h h h h h h h  = =  (2.10) 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 , p p p p T p p p p p p p p p p p p h h h h H A R t h h h h h h h h  = =  (2.11) Khi pha tuyệt đối của máy ảnh ( , ) c t u v được xác định thì mối quan hệ giữa tọa độ máy ảnh và tọa độ máy chiếu được thiết lập như trong phương trình (2.8) và (2.9). Do ảnh chiếu của máy chiếu bao gồm các vân được chiếu theo phương ngang và phương dọc. Bước vân trên mỗi chu kỳ của vân chiếu theo phương ngang và phương dọc tương ứng là Tu và Tv như vậy số điểm ảnh trên mỗi chu kỳ vân của máy chiếu tương ứng là: ( )( ) ; n 2 2 p c p cu v u t v t T T n u v   =  =  (2.12) Giả sử pha tuyệt đối bắt đầu từ biên vân và tăng dần theo mặt cắt ngang của ảnh. Từ hai công thức (2.10) và (2.11) thu được tọa độ 3D của điểm đo: 62 1 11 31 12 32 13 33 14 34 14 21 31 22 32 23 33 24 34 24 31 31 32 32 33 33 34 34 34 c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c x h u h h u h h u h h u h h y h u h h u h h u h h u h h z h u h h u h h u h h u h h −    − − − −       = − − − −          − − − −      (2.13) 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. Xác định vùng không gian chiếu của máy chiếu: Sử dụng chiếu ngoài trục và chiếu theo phương ngang và phương dọc là đối xứng. Góc  và  là góc chiếu theo phương ngang và phương dọc như hình 2.9. Do máy chiếu có ống kính có thể zoom nên sẽ có một loạt các tỉ lệ phóng hình. Để chiếu ảnh chiếu nét nhất trên mặt phẳng tham chiếu cần thay đổi tiêu cự máy chiếu trong một khoảng nhất định. Nên việc chọn lựa tỉ lệ phóng hình phù hợp để thực nghiệm mối quan hệ giữa khoảng cách chiếu và độ rộng vùng chiếu là cần thiết. 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: 2 2 h Ltg   =     , w 2 2 Ltg   =     (2.14) Hình 2.9 Sơ đồ xác định giới hạn vùng đo của hệ thống. 63 Độ sâu giới hạn vùng đo của một hệ thống đo ánh sáng cấu trúc là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng hình ảnh mong muốn, nếu đối tượng được đặt trong vùng đo mà duy trì được chất lượng ảnh của điểm gần hơn và xa hơn so với khoảng lấy nét được đặt của ống kính. Nếu chi tiết đo được đặt ngoài phạm vi này thì ảnh chụp chi tiết đo sẽ không còn sắc nét, cả độ phân giải và độ tương phản đều bị ảnh hưởng. Như vậy thông tin ảnh thu được sẽ kém chính xác dẫn đến kết quả đo không chính xác. 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. Như vậy độ sâu trường cũng chính là độ sâu giới hạn vùng đo của hệ thống để đo chính xác được chi tiết đo. Do ống kính chỉ có thể tập trung sắc nét ở một khoảng cách vật duy nhất, nên độ sắc nét sẽ giảm dần dần ở mỗi bên của tiêu cự thấu kính ảnh. Chi tiết đo được thu ảnh bởi cảm biến quang trên máy ảnh, nếu lấy nét vào một vùng chi tiết đo ở vùng gần thì vùng xa vật ảnh sẽ bị mờ. Như vậy, việc xác định vùng sâu của chi tiết đo để đạt được ảnh sắc nét ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống đo. Trên sơ đồ hình 2.10, chi tiết đo ở khoảng cách vật L, được hội tụ ở khoảng cách hình ảnh L’. Độ sâu trường phụ thuộc vào đường kính khẩu độ D. Mỗi ống kính chỉ có tiêu cự ở một khoảng cách duy nhất, ở khoảng cách đó một điểm trên chi tiết đo sẽ tạo ra một điểm ảnh, độ rõ nét sẽ giảm dần ở mỗi bên của khoảng cách hội tụ. Để xác định độ sâu này, trước tiên chúng ta phải xác định vòng tán xạ c (là một vùng mờ nhỏ có thể thu được bởi cảm biến ảnh CCD). Khi các điểm trên chi tiết đo ở các khoảng cách Lmax và Lmim sẽ tạo ảnh rõ nét ở các khoảng cách hình ảnh tương ứng là L’max và L’mim. Ở khoảng cách vật L, các điểm này sẽ tạo ảnh như các điểm mờ. Khi lấy đường kính điểm mờ tạo ảnh bằng với kích thước vòng tán xạ c thì xác định được độ sâu giới hạn vùng đo d = Lmax - Lmim. Nhìn vào hình 2.10 rõ ràng chiều rộng của vùng d sẽ phụ thuộc vào kích thước của vòng tán xạ c, khoảng cách vùng này đến thấu kính L, đường kính khẩu độ D. Theo hình 2.10, từ các tam giác đồng dạng ta có [82]: Hình 2.10 Sơ đồ tạo ảnh qua thấu kính máy ảnh 64 max max L Lc D L  −   (2.15) Với mô hình máy ảnh lỗ nhỏ khoảng các vật và khoảng cách ảnh có mối quan hệ [82]: 1 1 1 L L f + =  (2.16) min max 1 1 1 L L f + =  (2.17) min max 1 1 1 L L f + =  (2.18) Các ống kính máy ảnh đều có khẩu độ cực đại và cực tiểu, được thể hiện qua thông số f tuy nhiên chỉ số khẩu độ cực đại thường được thể hiện trong thông số kỹ thuật của ống kính. Đối với một độ dài tiêu cự f cố định đường kính khẩu độ D có mối quan hệ nghịch đảo với N thông qua công thức: f N D = (2.19) Trong đó: f là chiều dài tiêu cự và D là đường kính pupin vào hay khẩu độ hiệu dụng. Chỉ số khẩu độ trong hầu hết các ống kính hiện đại đều sử dụng thang đo là số f chuẩn, là một chuỗi các số được xác định trong một khoảng nhất định và có giá trị được chuẩn hóa và được cung cấp bởi nhà sản xuất. Trong hầu hết các ống kính số N được thiết lập bằng cách quay vòng điều chỉnh khẩu độ ống kính. Các số N này biểu thị lượng ánh sáng đi vào so với đường kính khẩu độ tương ứng. Các số N thường tăng lên lũy thừa của 2 . Khi tăng N với hệ số 2 thì khẩu độ sẽ giảm diện tích một nửa và giảm lượng ánh sáng đi qua thấu kính theo hệ số 2. Ống kính có N nhỏ cho phép nhiều ánh sáng truyển qua hệ thống. Còn ống kính có N lớn có đặc tính giảm ánh sáng truyền qua hệ thống. Chỉ số N chuẩn sử dụng với ống kính máy ảnh là từ khẩu độ lớn hơn đến khẩu độ nhỏ hơn và thường có dạng f/N: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22 Ngoài ra thông số N còn liên quan đến độ phân giải và độ tương phản lý thuyết. Giới hạn độ sâu trường thu được thông qua biến đổi các công thức từ (2.15) đến (2.19) 2 min 2 . . .( ) L f L f N c L f = + − (2.20) 2 max 2 . . .( ) L f L f N c f L = + − (2.21) Theo công thức (2.20) và (2.21), giới hạn độ sâu trường đo được xác định [25] 65 2 max min 2 2. . .N c L d L L L f =  = − = (2.22) Theo công thức (2.22), 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 (2.22) 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. Trong một hệ thống đo, độ sâu vùng đo lớn thì có khả năng đo được chính xác các biên dạng bề mặt có độ sâu lớn. Kiểm soát được độ sâu vùng đo có thể thu được ảnh có độ nét cao, tăng độ chính xác dựng ảnh pha dẫn đến tăng độ chính xác của hệ thống. Trong công thức (2.22) có thể thấy độ sâu vùng đo tỉ lệ thuận với chỉ số N. Tức là khi khẩu độ D giảm thì số N tăng lên độ sâu vùng đo cũng tăng lên. Nếu tăng kích thước của khẩu độ ống kính sẽ làm tăng lượng ánh sáng đi vào cảm biến ảnh và các tia sáng ở xa trục quang cũng được thu trên cảm biến ảnh làm tăng quang sai méo ảnh của hệ thống. Tuy nhiên, nếu khẩu độ quá nhỏ sẽ xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ và tốc độ màm chập sẽ chậm lại hay thời gian phơi sáng sẽ tăng. Nếu thời gian phơi sáng quá lớn sẽ làm cho ảnh bị mờ, nhòe do máy ảnh rung lắc. Trong công thức (2.22) khi chiều dài tiêu cự giảm, tương ứng với ống kính góc rộng thì độ sâu trường tăng đáng kể do f xuất hiện ở mẫu số với giá trị bình phương. Có thể thấy độ sâu vùng đo tỉ lệ nghịch với tiêu cự f của thấu kính. Đối với giá trị khoảng cách vật L, khi L tăng tức là vật ở xa so với hệ thấu kính thì d cũng tăng lên. Do L xuất hiện ở tử số và có giá trị bình phương. Như vậy, độ sâu vùng đo thay đổi theo bậc hai của khoảng cách vật. Nhưng nếu L lớn độ phân giải của điểm ảnh vật sẽ giảm vì vậy cần phải lựa chọn khoảng cách L phù hợp với yêu cầu về độ sâu vùng đo cũng như độ phân giải đối với một hệ thống đo cụ thể. Độ phân giải của hệ thống đo là khả năng xây dựng lại được bề mặt đối tượng thông qua khoảng cách nhỏ nhất của vật và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm ảnh liền kề nhau. Độ phân giải phụ thuộc vào kích thước điểm ảnh của máy ảnh và máy chiếu của hệ thống đo, loại ánh sáng được sử dụng hay bước sóng ánh sáng. Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng ánh sáng trắng do vậy độ phân giải sẽ không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Chi tiết càng nhỏ yêu cầu độ phân giải càng cao vùng đo sẽ thu hẹp lại. Trong hệ quang lý tưởng không có nhiễu xạ và quang sai độ phân giải sẽ phụ thuộc vào kích thước điểm ảnh và kích thước chi tiết đo. Khi kích thước điểm ảnh giảm thì độ phân giải tăng lên. Độ phân giải không gian ảnh chính là độ phân giải của máy ảnh và độ phân giải không gian chi tiết đo có liên quan đến độ phóng đại chính 66 của thấu kính sc (hay độ phóng đại chính của hệ thống) trên chi tiết đo. Cần tính toán tỉ lệ của trường nhìn với kích thước cảm biến ảnh. , w h c cu v u v C C s s= = (2.23) Độ phân giải không gian chi tiết đo được xác định theo hai phương [24]: min min, s s c c c c u v P P x y =  = (2.24) Theo công thức (2.23), (2.24) thì độ phân giải của hệ thống còn phụ thuộc vào kích thước vùng chiếu theo hai phương. Như vậy khoảng cách vật càng gần đầu đo thì độ phân giải tăng lên, vật càng xa thì độ phân giải càng giảm. 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 8G, Core i5-4460, tốc độ 3.20 GH, card rời VGA, 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. Nguyên lý làm việc của thiết bị thực nghiệm như sau: Hệ thống thiết bị thực nghiệm được hiệu chuẩn trước khi thực hiện đo với bảng hiệu chuẩn ô vuông bàn cờ. Kết quả hiệu chuẩn với các sai số nằm trong khoảng cho phép thì hệ thống có thể hoạt động tốt. Máy tính tạo vân chiếu Gray và dịch pha. Sau đó máy chiếu chiếu tuần tự các vân mẫu ánh sáng này lên vùng đo. Máy ảnh thu lại ảnh vân mẫu chiếu. Bàn quay gá chi tiết đo có thể quay các góc khác nhau được điều khiển bằng máy tính và xác Hình 2.11 Mô hình thiết bị thực nghiệm 67 định góc chính xác thông qua encoder góc. Dữ liệu đo được sử lý bằng máy tính và xây dựng lại biên dạng bề mặt thành đám mây điểm đo. 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 nguyên là 2 2 2 2 1024 768 log log 2 , log log 2i ju v u v n n T T     = = = =        , như vậy chọn chu kỳ sin theo phương ngang và phương dọc được tính theo công thức (2.1) là 32uT = (điểm ảnh) và 24vT = (điểm ảnh) và sử dụng mã hóa Gray 5bit theo phương ngang và phương dọc. Để mã hóa toàn bộ vùng đo theo phương ngang dùng 4 ảnh mẫu ánh sáng mã hóa hàm sin dịch pha 4 bước theo công thức (2.3) với chu kỳ 32 (điểm ảnh). Để mã hóa toàn bộ vùng đo theo phương dọc dùng 4 ảnh mẫu ánh sáng dịch pha 4 bước với chu kỳ 24 (điểm ảnh). Mã hóa toàn bộ vùng đo cần tổng cộng cần 8 ảnh sin dịch pha chiếu theo 2 phương. Mã Gray 5bit cần chiếu theo phương ngang là 5 ảnh mẫu mã Gray thuận và 5 ảnh mẫu nghịch. Tương tự như vậy phương dọc cũng cần 10 ảnh mẫu. Ngoài ra cần 2 ảnh đen và trắng hoàn toàn để xác định ngưỡng cường độ. Tổng cộng là 22 ảnh mẫu mã Gray để gỡ pha tuyệt đối. Kết hợp cả ảnh mẫu Gray và dịch pha là 30 ảnh mẫu mã hóa cho toàn bộ vùng đo được xác định. Phần mềm đo 3D sử dụng PSGC và modul hiệu chuẩn được viết trên Visual basic 2015 bằng ngôn ngữ C++ và thư viện OpenCV 3.2 để trích xuất các điểm đặc trưng. Từ đó có thể ước lượng được các nội thông số và ngoại thông số của hệ thống. Phần mềm đo sử dụng phương pháp PSGC được xây dựng theo thuật toán trình bày trong mục 2.1 được thể hiện như hình 2.1. 68 Hình 2.12 Giao diện chương trình phần mềm đo Hình 2.12 là giao diện phần mềm chương trình đo 3D bằng PSGC được xây dựng trong luận văn này với các tính năng sử dụng: - Capture: là giao diện chiếu ảnh và thu ảnh với các tính năng hiển thị độ phân giải của máy ảnh và máy chiếu, hiển thị ảnh chiếu vân mẫu của máy chiếu và ảnh thu của máy ảnh, xem trước Preview, chọn thời gian trễ của máy chiếu Wait time (ms), chọn đường dẫn để lưu các file ảnh chụp được và nút Capture để thực hiện công việc. Ô tính năng Checkerboard trong giao diện chính được dùng để nhập thông số số góc ô vuông corners theo hàng và cột, thông số kích thước ô vuông Size theo đơn vị (mm). - Extract corners: tính năng tìm các điểm đặc trưng của bảng hiệu chuẩn cũng chính là góc các ô vuông bàn cờ. Từ tính năng này có thể xác định được ảnh chụp ô vuông bàn cờ nào có thể tìm được đầy đủ các góc ô vuông đã được khai báo trong mục Checkerboard/corners. - Calibrate: là nút chứng năng thực hiện hiệu chuẩn hệ thống sau khi đã chọn được các bảng hiệu chuẩn có số góc ô vuông được tìm đầy đủ. Sau khi thực hiện sẽ thu được thông số hiệu chuẩn của máy ảnh, máy chiếu và hệ thống. Nếu các thông số này nhỏ hơn thông số hiệu chuẩn cho phép thì kết quả hiệu chuẩn được chấp nhận và chi tiết đo được đặt vào trong vùng đo để thực hiện thao tác đo Capture. Nếu không phải thực hiện hiệu chuẩn lại. Ô tính năng Calibration được dùng để nhập giá trị ngưỡng để xác định mức lương tử hóa trong phần hiệu chỉnh ô vuông với mức cường độ Threshold tương ứng với mức 1. Giá trị Max size tương ứng với kích thước các vùng nhỏ trên cảm biến máy ảnh có từ mã được xác định tương ứng với từ mã trên cảm biến máy chiếu. Đơn vị của Max size là (điểm ảnh) - Reconstruct: là nút chức năng thực hiện dựng hình đám mây điểm sử dụng kết quả hiệu chuẩn và ảnh chụp chi tiết đo dựa vào phương pháp tam giác lượng quang học. Với mỗi vị trí và góc nhìn của hệ thống đo với chi tiết đo thu được một đám mây 69 điểm đo. Ô tính năng Reconstruction trong giao diện chính được dùng để nhập thông số khoảng cách của đường vuông góc chung khi hai đường thẳng tương ứng với tia chiếu từ máy chiếu đến chi tiết đo và tia phản xạ từ chi tiết đến máy ảnh. Nếu hai đường này trong không gian không cắt nhau sẽ tìm được đường vuông góc chung. Xác định độ sâu giới hạn vùng đo (w  h  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. Đồ thị quan hệ giữa khoảng cách chiếu L và vùng nhìn w ×h khi hệ số tỉ lệ là 100%. Theo đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h như hình 2.13, có hệ số tương quan 𝑅2 = 0,9986 𝑣à 𝑅2 = 0,9979 tương ứng, mối quan hệ này khá tuyến tính. Do vậy có thể xác định nửa góc chiếu theo hai phương. Bảng số liệu đo được trình bày trong phụ lục 1. Như trên đồ thị cho thấy khoảng cách L càng lớn thì chiều rộng và chiều cao vùng chiếu w, h càng lớn, L càng nhỏ thì vùng chiếu w, h càng nhỏ. Từ đồ thị có thể thấy rằng khoảng cách L càng tăng thì độ phân giải của hệ thống càng giảm, L càng giảm thì độ phân giải càng tăng. Nửa góc chiếu theo phương ngang và nửa góc chiếu theo phương dọc đươc xác định theo thực nghiệm như đồ thị hình 2.13 có thể được tính theo công thức (2.14): 013,8 2 2 2 w arctg L    =      (2.25) 010,3 2 2 2 h arctg L    =      (2.26) Hình 2.13 Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h. Hình 2.7: Đồ thị mối quan hệ giữa L và w, h 70 Dựa trên việc xác định góc  có thể xác định kích thước vùng chiếu theo phương dọc là h theo khoảng cách L. chọn L = 500 mm 2 181 2 h Ltg  = = (2.27) Chọn 180h  mm Với L = 500 (mm) thì kích thước vùng chiếu theo phương ngang là: 2 tan 245 2 w L   = =    mm (2.28) Đối với hệ thống thực nghiệm sử dụng máy ảnh có độ phân giải máy ảnh (Nc × Mc = 1280 × 960) và kích thước thực của điểm ảnh Pc=4,65 (µm) có thể tính toán và lựa chọn kích thước của thấu kính sao cho vùng thu máy ảnh bao chùm vùng chiếu của máy chiếu trên mặt phẳng chuẩn. Kích thước thực của CCD máy ảnh theo phương ngang và phương dọc (Cu Cv): Cu = 12804,65.10-3 = 5,952 mm (2.29) Cv = 960  4,65.10-3 = 4,464 mm (2.30) Tiêu cự của thấu kính máy ảnh có thể xác định theo hình 2.11 để đạt được vùng thu ảnh nhỏ nhất là h = 180 mm và L = 500 (mm) 500.4,464 12,09 4,464 180 v v LC f C h  = = = + + mm (2.31) Chọn thấu kính máy ảnh có tiêu cự f = 12 mm Trong hệ thống đo sử dụng máy chiếu để chiếu ánh sáng cấu trúc với cường độ lớn vài nghìn lumen thì ống kính thường được chọn có khẩu độ nhỏ và góc rộng (chiều dài tiêu cự nhỏ) có độ sâu vùng đo lớn và có được độ sắc nét tốt của ảnh. 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 (2.22) với khoảng cách L=500mm, tiêu cự f= 12 mm 2 2 2 2 2. . .L 2.8.4,65.500 130 12 N c d f = = mm (2.32) 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. 71 Pha tuyệt đối theo hai phương được xây dựng dựa trên việc kết hợp giữa số thứ tự vân thông qua mã Gray và pha tương đối của phương pháp dịch pha. Độ lớn của chu kỳ sin và độ rộng mã gray phụ thuộc vào kích thước cảm biến ảnh. Mà kích thước cảm biến ảnh theo hai phương dọc và ngang không bằng nhau. Do vậy, chu kỳ sin theo hai phương cũng khác nhau dẫn đến việc xây dựng bản đồ pha tuyệt đối theo hai phương cũng khác nhau. Bản đồ pha tuyệt đối của hai phương u và v trên tọa độ cảm biến ảnh được trình bày như hình 2.14 và 2.15. H

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_su_dung_phuong_phap_anh_sang_cau_truc_de.pdf
Tài liệu liên quan