Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU NHẬN BỀ MẶT 3D CỦA CHI TIẾT CƠ KHÍ BẰNG CÔNG NGHỆ ÁNH SÁNG CẤU TRÚC STUDY AND FABRICATION OF A 3D SCANNING SYSTEM FOR RECONSTRUCTION 3D SURFACE OF MECHANICAL DETAILS ACQUIRED BY STRUCTURED-LIGHT TECHNIQUE KS Nguyễn Ngọc Tú1a, PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai2b, TS Phạm Hồng Tuấn1c Trung tâm Quang Điện tử, Viện Ứng dụng Công nghệ, Hà Nội Bm Cơ khí xác & Quang học, Viện Cơ khí, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội a ngoctu@cfoc.vn; bmai.nguyenthiphuong@hust.edu.vn; cphamhongtuan@cfoc.vn TÓM TẮT Sử dụng công nghệ tạo ánh sáng cấu trúc trình phân tích ảnh kết hợp độ xám mã hoá dịch chuyển đường; đồng hoá phần tử projector, biến điệu, camera thu, điều khiển chung qua máy tính Nhóm nghiên cứu xây dựng thiết bị đo không tiếp xúc 3D nhằm thu nhận bề mặt chi tiết khí Phần mềm xây dựng sở mã nguồn mở, liệu 3D (Đám mây điểm), thu lên tới 1.024.000 điểm với thời gian thực 3s, phép hiệu chỉnh thực cho hệ thống phần cứng thiết bị Tập liệu kết phương pháp sử dụng để xây dựng bề mặt 3D, dịch chuyển 3D chi tiết máy, đánh giá thay đổi ứng suất bề mặt, dùng đám mây điểm đầu vào cho thiết kế ngược chi tiết khí Từkhóa: ánh sáng cấu trúc, mã Gray, dịch chuyển đường, đám mây điểm ABSTRACT This paper presents the results of research about the reconstruction of 3D surface of machinery component acquired by structured-light technique using Hybrid method Gray code and Line Shift The obtained 3D cloud data reaches upto1.024.000 points with the execution time within approximately 3s, in which the hard ware system has been calibrated The system has good working range from 250 to 350mm with accuracy 0,044 mm ~ 0.077 mm The results of this system can be used as the input for non-contact measurement data or reversing engineering components Keywords: structure light, Gray code, Line Shift, 3-D Measurement System, Point cloud ĐẶT VẤN ĐỀ Kỹ thuật đo quang học 3-D dựa phương pháp đo không tiếp xúc có vai trò quan trọng ngành công nghiệp chế tạo, y học, sinh học, Trong kỹ thuật nay, phương pháp sử dụng ánh sáng cấu trúc có nhiều ưu điểm bật như: Độ phân giải cao, cho phép đo toàn dải lấy mẫu, thời gian thu liệu nhanh, đặc biệt hữu dụng thực với bề mặt tự do, bề mặt phức tạp yêu cầu không tiếp xúc dụng cụ bên tới vật mẫu Hệ thống phần cứng hoạt động bao gồm camera máy chiếu, vân mã hóa gray code chiếu tới bề mặt vật thể camera có nhiệm vụ chụp lại vân bề mặt vật đó, dựa phương pháp đo tam giác không gian biết điểm từ góc quan sát khác mà ta tính toán xác định khoảng từ điểm tới camera Phương pháp nghiên cứu khai thác tối đa lợi phân biệt rõ ràng bits phương pháp Gray code kỹ thuật xử lý dịch chuyển đường (Line Shift) với độ xác sub-pixel, chất lượng bề mặt chi tiết thu có độ xác so với phương pháp khác Bên cạnh đó, giá thành phần cứng xây dựng hệ thống giảm nên chế tạo 544 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV hệ đo lường 3D với độ xác 10-2 mm giá thành rẻ Trong báo trình bày nghiên cứu liên quan đến hiệu chuẩn hệ thống, tạo mã giải mã Gray code, phương pháp xác định nguồn ánh sáng chiếu, phân loại giá trị độ sáng cho giải mã bits, xác định đỉnh cho vạch sáng Line Shift, xác định khoảng cách dựa phương pháp xấp xỉ đánh giá độ không đảm bảo đo hệ thống NỘI DUNG 2.1 Cấu hình hệ thống Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống mô hình thực nghiệmthu nhận 3-D Hệ thu nhận gồm 01 camera, 01 máy chiếu (Projector) 01 máy tính xử lý trung tâm hình Khoảng cách camera máy chiếu 70mm + Projector: DLP công nghệ chiếu sáng LED độ phân giải 1280x800, 1000 lumen + Camera: có độ phân giải: 2080x1552, 60 FPS, kích thước pixel: 2,5 μm + Ống kính: f 8mm, góc nhìn DxHxV: 67,10 x 56,30 x 43,70 Hệ thống hiệu chuẩn bàn quang học, sử dụng bàn cờ 10 x ô với kích thước ô 10,02 x 10,01 mm, bàn cờ gắn bàn dịch chuyển dọc trục Z có độ xác 0,02 mm Nguyên lý thuật toán [4] đánh giá tọa độ điểm hiệu chuẩn mặt phẳng ảnh projector sử dụng ma trận Homographies toàn cục để tìm ma trận quay R vector dịch chuyển T vị trí tâm chiếu projector camera, tham số hiệu chuẩn bên camera Kc, hệ số định nghĩa cho hiệu chuẩn bên projector Kp Khi đó, hệ thu nhận có tính chất tương tự hệ stereo camera 2.2 Cấu trúc hệ chiếu vân cho phương pháp Gray Code Line Shift Tạo ảnh Gray code nhằm đưa ảnh vân theo mẫu thứ tự tuân theo mã Gray code Giả sử cần chiếu ảnh vân có kích thước WxH vân chiếu tạo cho hàng cột Trước tiên, cần tính số bit N cần để mã hóa pixel điểm ảnh hàng-cột Giá trị N tính theo công thức: 𝑁𝑁 ≥ 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙2(𝑊𝑊) (1) Hình 2: Vân chiếu Gray code 10 bit Line Shift 545 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Giả sử với ảnh có độ rộng 16 pixel, ta cần N = log (16) =4 bit để mã hóa 16 pixel chiếu ảnh tương ứng với bit, pixel cột mã hóa mã Gray tương ứng với vị trí cột Để tạo vân dịch chuyển đường Line Shift, sử dụng vân chiếu vạch với độ rộng pixel, khoảng cách vạch pixel theo chiều x y 2.3 Xác định thành phần chiếu sáng từ projector Trong ảnh 2D camera thu chiếu vân, [5] đưa giả thiết phân tích thành phần mức xám gồm giá trị độ lớn ánh sáng từ máy chiếu thành phần môi trường bên a, b, Hình 3:a) Ảnh độ lớn ánh sáng từ projector, b) Ảnh độ lớn ánh sáng từ môi trường Để xác định giá trị chiếu sáng điểm nằm vùng làm việc projector, giả sử ta có S = {I1, I2, …,Ik} tập ảnh có mã vân, với điểm ảnh p vùng ảnh xác định thành phần “trực tiếp” “chung” p 𝐿𝐿𝑑𝑑 (𝑝𝑝), 𝐿𝐿𝑔𝑔 (𝑝𝑝), công thức xác định sau: 𝐿𝐿+𝑝𝑝 = max 𝐼𝐼𝑖𝑖 (𝑝𝑝), 𝐿𝐿−𝑝𝑝 = 𝐼𝐼𝑖𝑖 (𝑝𝑝) 0