Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy quét 3d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------ TRẦN ĐẮC TRỊNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY QUÉT 3D Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Mã số: 605268 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN ĐẮC TRỊNH MSHV: 11390452 Ngày, tháng, năm sinh: 17/08/1990 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 605268 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÁY QUÉT 3D II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: o Tìm hiểu, phân tích, lựa chọn một phương pháp số hóa vật thể và một số phương pháp xây dựng mô hình 3D của vật thể. o Thiết kế, chế tạo mô hình máy quét 3D. o Các phương pháp để nâng cao độ chính xác của thiết bị quét. o Giá thành sản phẩm thấp, phù hợp với điều kiện chế tạo ở Việt nam. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đoàn Thế Thảo Tp. HCM, ngày CÁN BỘ HƯỚNG DẪN tháng năm 2014 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ TÓM TẮT ĐỀ TÀI Công nghệ 3D đã xuất hiện từ rất sớm. Từ giữa thế kỷ 20, những máy quét 3D đầu tiên đã ra đời phục vụ nhiều mục đích của con người từ nghiên cứu, chế tạo đến y khoa. Công nghệ máy quét 3D bắt đầu phát triển mạnh từ những năm 1980 cùng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính. Nhiều công trình nghiên cứu đã ra đời nhằm nâng cao độ chính xác và đơn giản quá trình thực hiện quét 3D cho vật thể. Những năm cối thập niên 2000, công nghệ 3D lại bùng nổ mạnh mẽ như một cuộc cách mạng công nghiệp mới làm thay đổi tư duy cổ điển về mô hình hóa và chế tạo cũng như phạm vi ứng dụng. Công nghệ 3D len lỏi vào đời sống ở những nước phát triển, và không ngừng được quảng bá, ứng dụng rộng rãi nhờ những khả năng ưu việt của nó. Cùng với sự ra đời của nhiều máy in 3D giá rẻ, hướng đến mọi đối tượng người dùng, máy quét 3D giá rẻ cũng ra đời theo xu hướng đó. Đề tài đã thực hiện những bước đi đầu tiên với mục tiêu hiểu và chế tạo được một máy quét 3D có cấu hình đơn giản, có chi phí đầu tư thấp phục vụ cho nhu cầu trong nước với nhiều đối tượng từ bình dân, đến sinh viên nghiên cứu khoa học. Để thực hiện được mục tiêu trên, đề tài đã tham khảo và ứng dụng những phương pháp tiếp cận mới mẻ về giải pháp phần mềm cùng việc phân tích đánh giá, tìm kiếm phương pháp tốt nhất để phát triển sản phẩm như mục tiêu đề ra. Cuối cùng đề tài đã chế tạo được nguyên mẫu thử nghiệm máy quét 3D giá thành thấp để kiểm chứng kết quả nghiên cứu và tạo nền tảng để tiếp tục phát triển hoàn thiện sản phẩm, đưa ra ứng dụng vào thực tế. i LỜI CÁM ƠN Với kết quả bước đầu thành công như mong đợi, một mình tác giả không thể thực hiện hoàn toàn công việc nếu không có sự giúp đỡ của thầy cô, gia đình cũng như bạn bè. Với bài báo cáo này, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Đoàn Thế Thảo đã hết lòng ủng hộ, chỉ bảo và tạo điều kiện để em hoàn thành từ đề cương đến luận văn tốt nghiệp này. Xin cám ơn ba mẹ đã luôn đồng hành, cỗ vũ để con hoàn thành tốt cả công việc và học tập. Cám ơn các anh chị em trong công ty Robert Bosch Việt Nam đã luôn ủng hộ, hỗ trợ để mình có thời gian thực hiện đề tài này những lúc “nước sôi lửa bỏng” nhất. Sự động việc và giúp đỡ của mọi người là niềm cổ vũ lớn lao và đáng quý nhất. ii MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................................... 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 1 1.2 Ứng dụng của máy quét 3D ...................................................................................... 2 1.3 Các phương pháp số hóa vật thể ............................................................................... 4 1.4 Mục tiêu đề tài .......................................................................................................... 8 1.5 Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 9 1.6 Kết quả đạt được ....................................................................................................... 9 1.7 Bố cục đề tài.............................................................................................................. 9 CHƯƠNG 2 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ .................................................... 11 2.1 Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................ 11 2.1.1 Nguyên lý phương pháp quét đồng dạng ..................................................... 11 2.1.2 Phương pháp xác định tọa độ một điểm trong không gian .......................... 13 2.2 Mục tiêu thiết kế ..................................................................................................... 17 CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO MÁY QUÉT THỬ NGHIỆM ................................................ 19 3.1 Cấu tạo phần cứng của máy quét ............................................................................ 19 3.2 Camera .................................................................................................................... 24 3.2.1 Ca-líp cho camera ........................................................................................ 24 3.2.2 Xác định khoảng từ camera đến trục bàn xoay............................................ 30 3.2.3 Hạn chế của phần cứng camera và giải pháp ............................................... 32 3.3 Đèn laser ................................................................................................................. 33 3.3.1 Tính chất laser và lựa chọn .......................................................................... 33 3.3.2 Hiệu chỉnh laser ........................................................................................... 35 3.4 Phần mềm điều khiển và hiển thị ............................................................................ 38 3.4.1 Ngôn ngữ ..................................................................................................... 38 3.4.2 Chương trình và thuật toán .......................................................................... 39 iii CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ....................................... 44 4.1 Kết quả chạy thử nghiệm ........................................................................................ 44 4.1.1 Thử nghiệm trong điều kiện ánh sáng yếu................................................... 44 4.1.2 Thử nghiệm trong điều kiện ánh sáng bình thường ..................................... 45 4.1.3 Thông số máy quét thử nghiệm ................................................................... 47 4.1.4 Đề xuất phương án tạo lưới (Reconstruction) ............................................. 47 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 49 5.1 Kết luận ................................................................................................................... 49 5.1.1 Kết quả đạt được .......................................................................................... 49 5.1.2 Hạn chế của đề tài ........................................................................................ 49 5.2 Hướng phát triển ..................................................................................................... 50 5.2.1 Hướng phát triển thiết bị .............................................................................. 50 5.2.2 Ý tưởng khắc phục sai số bàn xoay ............................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 54 PHỤ LỤC.......................................................................................................................... 56 7.1 PROCESSING SOURCE CODE ........................................................................... 56 7.2 ARDUINO SOURCE CODE ................................................................................. 68 iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phương pháp chủ động xác định hình dạng của vật thể ........................... 5 Hình 1.2 Một loại máy CMM ......................................................................................... 6 Hình 1.3 Máy chụp CT sử dụng trong y tế .....................................................................6 Hình 1.4 Giới hạn phạm vi thực hiện của đề tài............................................................. 8 Hình 2.1 Bố trí các thành phần cấu thành của một máy quét 3D laser ........................ 12 Hình 2.2 Sơ đồ hoạt động của máy quét ......................................................................13 Hình 2.3 Nguyên lý xác định tọa độ trong không gian bằng phương pháp đồng dạng với đèn laser ............................................................................................................................. 14 Hình 2.4 Xác định tọa độ xo, zo của một điểm trên đường laser ..................................15 Hình 2.5 Xác định tọa độ yo của một điểm trên đường laser .......................................16 Hình 3.1 Sơ đồ kết nối thiết bị ..................................................................................... 19 Hình 3.2 Arduino nano V3.0 ........................................................................................ 20 Hình 3.3 Môi trường phát triển mã nguồn mở cho các phần cứng Arduino ................20 Hình 3.4 Động cơ bước có hộp số 1/64 cho 12bit độ phân giải đầu ra cùng driver ULN2003 đi kèm ...............................................................................................................21 Hình 3.5 Khung máy thiết kế trên Solidworks ............................................................. 21 Hình 3.6 Các thành phần khung máy bố trí ra dạng tấm để cắt laser........................... 22 Hình 3.7 Khung thân máy hoàn thiện...........................................................................23 Hình 3.8 Module camera 1/6” 640x480 điểm ảnh ....................................................... 24 Hình 3.9 Sự bóp méo ảnh do cấu tạo thấu kính. .......................................................... 26 Hình 3.10 Dụng cụ ca-lip cho hệ thống .......................................................................26 Hình 3.11 Thủ tục thực hiện ca-lip trên Matlab CameraCalibrator toolbox. ...............27 Hình 3.12 Tập dữ liệu phục vụ cho việc ca-lip camera................................................27 v Hình 3.13 Giao diện sử dụng của CameraCalibrator toolbox ......................................28 Hình 3.14 Các loại thông số thu được sau quá trình ca-lip ..........................................28 Hình 3.15 Biểu diễn thông số ngoại sau quá trình ca-líp .............................................29 Hình 3.16 Sai số hiệu chỉnh trung bình cho từng mẫu hình sử dụng ........................... 29 Hình 3.17 Bố trí bàn xoay so với camera và laser ....................................................... 31 Hình 3.18 Xác định trục bàn xoay bằng 2 mặt phân giác ............................................31 Hình 3.19 Linear laser module 5mA trong nguyên mẫu thử nghiệm .......................... 33 Hình 3.20 Điểm focus của các nguồn sáng khác nhau .................................................34 Hình 3.21 Điều chỉnh vùng hội tụ của dải laser trải trên vùng không gian đặt vật thể 34 Hình 3.22 Xác định trọng tâm theo bề rộng của tia laser .............................................35 Hình 3.23 Phương án thiết kế xoay 2 trục cho đèn laser..............................................35 Hình 3.24 Hiệu chỉnh laser ........................................................................................... 36 Hình 3.25 Sau khi hiệu chỉnh, mặt phẳng laser và ảnh của nó qua mặt bàn xoay trùng với nhau .............................................................................................................................. 37 Hình 3.26 Hiệu chỉnh mặt phẳng laser về tâm xoay của bàn .......................................37 Hình 3.27 Môi trường phát triển mã nguồn mở Processing. ........................................38 Hình 3.28 Giao diện người dùng của phần mềm điều khiển........................................39 Hình 3.29 Sơ đồ hoạt động cơ bản của phần mềm điều khiển .....................................40 Hình 3.30 Quan hệ giữa các module chương trình chính.............................................41 Hình 3.31 Sơ đồ hoạt động của module Scan .............................................................. 42 Hình 3.32 Hình ảnh thô thu được từ camera (trái) hình ảnh sau khi tách lấy kênh màu đỏ (phải) ............................................................................................................................. 43 Hình 4.1 Hình ảnh chụp được và vị trí đường laser do phần mềm xác định trong điều kiện thiếu sáng. ..................................................................................................................44 Hình 4.2 Máy quét vừa thực hiện quét vật thể vừa hiển thị online kết quả quét được 45 vi Hình 4.3 Hình ảnh chụp được và vị trí đường laser do phần mềm xác định trong điều kiện có ánh sáng huỳnh quang ........................................................................................... 46 Hình 4.4 Thử nghiệm trọng điều kiện ánh sáng tác động không có lọc màu ...............46 Hình 4.6 Giao diện đồ họa công cụ Meshlab ............................................................... 48 Hình 4.7 Surface reconstruction với Meshlab .............................................................. 48 Hình 5.1 Hiệu chỉnh trục xoay về vị trí mong muốn.................................................... 52 vii Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Khái niệm về máy quét 3D có thể xử lý dữ liệu hình ảnh và tái tạo vật thể thực tế ở dạng số trên máy tính đã có từ giữa thế 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 triển trong đó có những nghiên cứu và ứng dụng về số hóa (digitization) và tái dựng (reconstruction) vật thể trên máy tính. Những năm cuối thập niên 2000s, công nghệ 3D có những bước tiến nhảy vọt về mức độ phổ 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 nhà máy mà nó đã trở thành một sản phẩm quen thuộc với tất cả mọi người, ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. 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 rất phổ biến trên thế giới. Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm cách cải tiến 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 thể. Curless & Levoy [3] đã đề xuất phương án cải tiến độ chính xác của phương pháp “Trianglation” có sử dụng laser chỉ thị có tên là space-time analysis, ông cũng tổng hợp các nghiên cứu trước đó và đề xuất giải pháp hoàn chỉnh cho việc số hóa (Digitization) và tái xây dựng (Reconstruction) vật thể. Besl & McKay [4] đề xuất phương pháp ICP (Iterative closest point) sáp nhập các tập dữ liệu 3D. Fukai & Xu [5] đề 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. 1 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Từ năm 2011, cùng với sự bùng phát của công nghệ 3D, phòng thí nghiệm robotics Willow Garage [6] ở 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, đề 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 khiển số và kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) ĐH Bách khoa TP.HCM. Tuy nhiên, chiếc máy này nằm 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. 1.2 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 sản phẩm tiêu dùng. Các ứng dụng phổ biến nhất sau đây được đề cập trong [3]. 1.1.1. Kỹ thuật thiết kế ngược (Reverse engineering) Hầu 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 thống cũ, không có model trên máy tính hoặc đã được sửa đổi bằng 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 bằng cách tháo linh kiện hỏng khỏi hệ thống, số hóa nó và xây dựng lại model trên máy tính để sản xuất lại. 1.1.2. 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 thể 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 2 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D nhưng mô hình này hoàn thành, người ta tiến hành số hóa nó để 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. 1.1.3. Kiểm tra (Inspection) Sau khi nhà sản xuất đã tạo được model của vật thể, dù bằng phương pháp số hóa hay trực tiếp thiết kế trên CAD đi nữa, vẫn có rất nhiều cách khác nhau để chế tạo nó nhằm 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 đổi trong phương pháp sản xuất hoặc thiết kế để cho ra sản phẩm đúng như mong muốn. 1.1.4. 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 thể vật lý như vậy là bước đầu tiên để hiện thực hóa không gian ảo trên máy tính. 1.1.5. Bảo 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 thống, để thấy được những hiện vật này, người ta phải đến bảo tàng và trải nghiệm một cánh đơn điệu, không có tương tác (chạm, cầm nắm). Bằng việc số hóa các hiện vật, tất cả mọi người ở bất kỳ đâu đều có khả năng khám phá, trải nghiệm chúng một cách trực quan bằng giao diện tương tác với đối tượng đồ họa 3D. 1.1.6. 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, 3 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D răng, … có thể 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 cấy ghép dựa trên công nghệ 3D. Trong quá trình xạ trị, bác sĩ cũng dễ dàng điều hướng cho thiết bị một cách chính xác dụng trên model đồ họa của bệnh nhân. 1.1.7. Mua sắm tại gia (Home shopping) Với sự phát triển của thương mại điện tử, nhà bán hàng có thể phổ 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 tiến và hiệu ứng quản bá sản phẩm mạnh. 1.3 Các phương pháp số hóa vật thể Rất nhiều phương pháp xử lý dữ liệu hình học đã được phát triển từ thể kỷ trước. Hầu 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 vật thể 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 thể kể đến như căn cứ vào hướng chiếu sáng của ảnh đơn, phương pháp stereo dùng ảnh kép, sự đổ bóng, …Các phương pháp này không sử dụng nhiều phần cứng đặc biệt, vì thế chúng cũng cho kết quả với độ chính xác không cao để có thể áp dụng vào một số ứng dụng cụ thể. 4 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Hình 1.1 Các phương pháp chủ động xác định hình dạng của vật thể [3] Ở phần tiếp theo của mục này đề cập đến các phượng pháp số hóa chủ động đã và đang được sử dụng. Hình 1.1 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 thống 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 bề mặt của vật thể và ghi nhận các thông số. Hệ thống CMM (Coordinate Measuring Machines) có độ chính xác cực kỳ cao và đắt tiền. 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: Chậm, khó thao tác, thường đòi hỏi sự vận hành của con người, phải tạo ra sự tiếp xúc, có thể không phù hợp với vật thể dễ bị phá hủy. 5 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 thể. Phương pháp chụp CT (Industrial Computed Tomography) phóng một chum tia năng lượng cao (tia X) qua vật thể và đo đạc 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 thể. Nhìn chung, ưu điểm của phương pháp này là có thể 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 đổi mật độ vật chất, và có nguy hại đến sức khỏe vì sử dụng tia năng lượng cao. Hình 1.3 Máy chụp CT sử dụng trong y tế Ở phương pháp phản xạ, ta lại chia làm 2 loại đó là: Sử dụng quang học, và không quang học. Với phương pháp không sử dụng quang học, người ta dùng 6 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D sóng âm hoặc siêu âm để xác định khoảng cách đến vật thể bằng cách đo thời gian cần thiết để một xung sóng âm hoặc siêu âm phát ra và phản xạ về từ vật thể. Biên độ hoặc tần số liên tục cũng có thể được sử dụng kết hợp bằng cách đo độ lệch pha hoặc lệch tần số phản xạ về. Phương pháp định vị bằng sóng âm cho độ chính xác không cao. Phương pháp siêu âm được sử dụng nhiều trong các phép đo khoảng cách lớn. Cuối cùng của phần phân loại này là các phương pháp phản xạ quang học. Với các phương pháp này, một nguồn sáng có cấu trúc xác định được chiếu lên vật thể. Bằng cách đo đạc sự phản xạ từ bề mặt vật thể, ta xác định được hình dạng của nó. Các pháp này an toàn hơn nhiều so với phương pháp chụp CT đề cập bên trên. Nhược điểm của chúng là chỉ đo đạc được hình dạng mặt ngoài của vật thể. Các phương pháp này bao gồm phương pháp radar ảnh (image radar), giao thoa (interferometry), lấy nét (depth-from-defocus), stereo chủ động (active stereo) và phương pháp đồng dạng (triangulation). Phương pháp radar ảnh có nguyên lý hoạt động tương tự với phương pháp sử dụng sóng siêu âm nhưng ở tần số của sóng ánh sáng. Với những vật thể lớn, phương pháp này cho độ chính xác rất tốt. Với những vật thể nhỏ, với khoảng cách nhỏ hơn 1 mét, phương pháp này đòi hỏi phần cứng điện tử rất tinh vi với tần số lấy mẫu cực kỳ cao vì thời gian sai khác đến 10-12 giây [7]. Trong phương pháp giao thoa, người ta chiếu một mẫu (patern) ánh sáng thay đổi có chu kỳ lên bề mặt vật thể, sau đó cho giao thoa sánh ánh sáng phản xạ về với mẫu. Thông tin giao thoa này sau đó được xử lý để lấy được hình dạng. Tuy nhiên phương pháp này không cho độ chính xác cao. Stereo chủ động sử dụng 2 hoặc nhiều camera để quan sát các đặc điểm đặc trưng của vật thể. Nếu đặc điểm này được xác định trên cả 2 camera, 2 đường thẳng đi qua điểm này trên 2 bức hình sẽ cắt nhau tại 1 vị trí trên vật thể thực. Xác định hình dạng dựa trên điểm lấy nét là phương pháp dựa trên tính chất mờ đi của vật thể khi chúng ở càng xa điểm nét của camera. Tính toán độ mờ của những vị trí trên bức ảnh giúp xác định được vị trí của chúng so với camera. 7 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Một trong những phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong tất cả là phương pháp đồng dạng (Triangulation). Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả, dễ áp dụng với chi phí thấp, độ chính xác chấp nhận được và được lựa chọn để thực hiện trong đề tài này. Cụ thể về phương pháp được trình bày ở chương tiếp theo. 1.4 Mục tiêu đề tài Đề tài được thực hiện nhằm tiếp cận, học hỏi công nghệ 3D còn mới mẻ và tìm kiếm phương án khả thi để phục vụ nhu cầu trong nước với mức đầu tư thấp, có khả năng phổ biến đến nhiều đối tượng người dùng bình dân, ứng dụng trong các lĩnh vực không đòi hỏi khắc khe về độ chính xác như giải trí, mua sắm online, hobbie, sinh viên nghiên cứu, ... Kết quả của đề tài là xác định được phương pháp khả thi cho việc chế tạo một máy quét 3D đơn giản nhất, tạo được nền tảng phần mềm cơ bản để phát triển các sản phẩm hoàn thiện, hướng đến đối tượng người dùng bình dân, sinh viên nghiên cứu khoa học. Để xây dựng mô hình 3D của một vật thể trên máy tính, về cơ bản có 2 bước chính: Số hóa (Digitization) và tái dựng (Reconstruction) - Số hóa (Digitization): Từ vật thể có hình dạng nhất định, bằng phương pháp quét 3D thu được đám mây điểm bề mặt vật thể dưới dạng tọa độ số. Có 2 bước nhỏ hơn trong bước này là phần số hóa (Digitation) để lấy số liệu thô và vần xử lý dữ liệu thô sau khi quét (Post-processing). - Tái dựng (Reconstruction): Từ đám mây điểm của vật thể sau quá trình số hóa, tạo lưới (mesh) và xây dựng thành mô hình vật thể hoàn chỉnh. Hình 1.4 Giới hạn phạm vi thực hiện của đề tài [3] Từ những khái niệm trên, đề tài xác định mục tiêu cụ thể như sau: 8 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D - Tìm hiểu và thử nghiệm số hóa (Digitization) vật thể thành dữ liệu trên máy tính bằng phương pháp đồng dạng (đề cập ở Chương 2). Áp dụng kết quả nghiên cứu sẵn có để nâng cao độ chính xác của phương - pháp quét trên. Ứng dụng tối đa các bộ công cụ miễn phí và phần cứng đơn giản để giảm - giá thành cho sản phẩm. 1.5 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được, đề tài cần khai thác và áp dụng nhiều kiến thức mới về lĩnh vực ảnh và xử lý ảnh cũng như nhiều ngôn ngữ lập trình và phương pháp lập trình mới mẻ. Tác giả bắt đầu với các tìm hiểu cơ bản về ảnh, camera, màu, các phương pháp xử lý và hiện thực bằng các ngôn ngữ lập trình. Sau khi nắm được các kỹ năng cơ bản về ảnh và xử lý, tác giả tham khảo nhiều tài liệu liên quan đến kỹ thuật quét 3D, liệt kê những phương pháp quét hiện có, dựa trên ưu nhược điểm của chúng và lựa chọn phương án phù hợp với đề tài. Một mô hình hoàn chỉnh của máy quét được chế tạo để thử nghiệm những giải thuật đã chọn và kiểm tra độ chính xác, tìm kiếm phương án cải tiến và đề xuất các hướng phát triển trong tương lai cho đề tài. 1.6 Kết quả đạt được - Thực hiện được phép số hóa vật thể (Digitization), xây dựng được mã nguồn và thiết kế phần cứng cơ bản, làm nền tảng để phát triển các sản phẩm máy quét 3D giá thành thấp. - Chế tạo được nguyên mẫu máy quét 3D để thử nghiệm. - Xây dựng được chương trình xử lý và giao diện người dùng trực quan. 1.7 Bố cục đề tài Chương 2 phân tích cơ sở lý thuyết của phương pháp quét đồng dạng (phương pháp được chọn áp dụng trong đề tài) và trình bày mục tiêu thiết kế cho mẫu thử nghiệm. 9 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D Chương 3 là nội dung của quá trình chế tạo, những công việc cần chuẩn bị và thực hiện, các công cụ và ngôn ngữ đã được sử dụng, các ưu nhược điểm và phương pháp khắc phục cho máy quét đạt độ chính xác cao hơn. Kết quả thử nghiệm sản phẩm được trình bày ở Chương 4, đề tài tiến hành phân tích dữ liệu thu được. Sau đó rút ra các kết luận về tính khả thi của đề tài cũng như đề xuất các phương án để tiếp tục phát triển ở Chương 5. 10 Luận văn tốt nghiệp cao học Cơ điện tử | Máy quét 3D 2 CHƯƠNG 2 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ Ở chương này, báo cáo trình bày về nguyên lý của phương pháp quét đã lựa chọn là phương pháp quét đồng dạng cùng thông số mục tiêu thiết kế cho máy quét thử nghiệm. 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Nguyên lý phương pháp quét đồng dạng Phương pháp đồng dạng (Triangulation) được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng quét 3D hiện nay. Phương pháp này sử dụng 1 camera, 1 đèn laser và 1 cơ cấu để xoay vật thể cần quét. Vật thể cần được quét được đặt trên một bàn xoay. Trục của bàn xoay song song với mặt phẳng camera. Mặt phẳng laser phát ra chứa trục của bàn xoay. Camera có cạnh dưới song song với mặt bàn xoay, trục quang của camera cắt trục bàn xoay tại 1 điểm xác định. Khoảng cách từ trục bàn xoay đến pinhole là L xác định. Mặt phẳng laser tạo với trục quang của camera một góc . Hình 2.1 mô tả nguyên lý của phương pháp quét đồng dạng sử dụng 1 camera và 1 đèn laser. Trong không gian 3D, một mặt phẳng ánh sáng laser được chiếu lên bề mặt vật thể tạo nên một đường sáng dọc theo bề mặt vật thể. Vị trí trung tâm của đường ánh sáng laser ghi nhận trên cảm biến ảnh thể hiện chính xác vị trí chiếu sáng trên vật thể thực, từ các thông số ảnh và vị trí tương đối giữa camera, đèn laser và bàn xoay vật thể, ta xác định được tập hợp tọa độ các điểm trên bề mặt vật thể nơi được laser chiếu sáng. Hình dạng cuối cùng của vật thể được xác định bằng cách xoay nó để tia laser quét qua khắp bề mặt của vật thể. Sự sai số có thể xảy ra tùy theo sự thay đổi hình dạng và hệ số phản xạ của bề mặt vật thể. 11