Tóm tắt
Mô hình hóa vật thể ba chiều cho đo đạc, phân tích và kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm đã và đang là xu hướng và yêu cầu cấp thiết trong hiện đại hóa công nghiệp, thương mại và dịch vụ hiện nay. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một số hệ thống ứng dụng công nghệ laser – vision mà chúng tôi đã đề xuất và nghiên cứu cho việc tái dựng mô hình bề mặt ba chiều của một vật thể cũng như một số kết quả thực nghiệm của các hệ thống này trong việc đo đạc và kiểm tra chất lượng sản phẩm công nghiệp. Từ kết quả thực nghiệm và một số dẫn chứng cho thấy rằng, công nghệ laser-vision đang và sẽ là một giải pháp hữu ích cho tái cấu trúc mô hình ba chiều và tự động hóa kiểm tra chất lượng sản phẩm.
 |
| H. 1 Nguyên lý của hệ thống laser-vision |
1. Giới thiệu
Trong những năm qua, mô hình vật thể ba chiều dần đóng vai trò cực kỳ quan trọng với những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [1], chẳng hạn như các nhà bảo tàng ảo, mô hình kiến trúc, game, thiết kế thời trang, điều khiển robot, kiểm tra chất lượng sản phẩm,… Công nghệ tái dựng bề mặt vật thể ba chiều từ dữ liệu điểm (point cloud data) cung cấp một công cụ mạnh cho mô hình hóa hình dạng vật thể. Trong đó, dữ liệu điểm thường được thu thập bằng nhiều dạng hệ thống khác nhau, chẳng hạn như thông qua máy quét laser [2], sử dụng camera để chụp lại hình ảnh của vật thể ở nhiều góc nhìn khác nhau [3], hay sử dụng hệ thống camera lập thể [4].
Công nghệ laser – vision dựa trên nguyên lý triangulation giúp đo đạc chính xác khoảng cách đến bề mặt vật thể. Cụ thể, đây là phương pháp để tính toán tọa độ và khoảng cách từ một đường cơ sở (baseline) đến một điểm nếu biết trước hai điểm cuối của đường cơ sở. Trong H. 1, một hệ thống laser-vision bao gồm một đèn chiếu laser và một camera. Đèn laser chiếu một mặt phẳng laser lên bề mặt của vật thể tạo thành một đường laser, đó là giao giữa mặt phẳng laser và bề mặt của vật thể. Đường laser này cung cấp thông tin vị trí của các giao điểm trên bề mặt vật thể và được camera chụp lại. Tọa độ mỗi điểm trên đường laser có tỉ lệ tương ứng với tọa độ mỗi pixel trên ảnh của nó. Nếu ta biết độ dài baseline l, và các góc của tia laser và camera với baseline a và b, thì khoảng cách d từ bề mặt vật thể đến baseline được tính dễ dàng bởi công thức
Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu của chúng tôi trong mô hình hóa bề mặt vật thể ba chiều và những ứng dụng trong phân tích, đo đạc, kiểm tra chất lượng của sản phẩm dựa trên mô hình ba chiều bằng công nghệ tái tạo ba chiều laser-vision.
2. Một số hệ thống ứng dụng laser – vision
2.1 Tái dựng bề mặt vật thể
Một hệ thống quét ba chiều đã được chúng tôi xây dựng dựa trên công nghệ laser-vision kết hợp với cơ cấu quay cho phép tạo dựng mô hình ba chiều của vật thể một cách hoàn toàn tự động [5]. Hệ thống bao gồm hai thành phần chính (H. 2) đó là khối laser – camera và cơ cấu quay.
Khi vật thể được quét quay quanh trục quay bởi cơ cấu quay, đèn chiếu laser chiếu một mặt phẳng laser lên trên bề mặt vật thể. Tại từng góc quay của hệ thống, từng đường laser được tạo ra bởi giao của mặt laser và bề mặt vật thể được camera chụp lại. Từ đó, laser profile được trích ra từ ảnh đường laser. Những tọa độ pixel từ laser profile được chuyển đổi thành tọa độ thực ba chiều. Quá trình này được lặp lại để thu thập thông tin cho những góc quay kế tiếp và kết thúc sau khi vật thể quay được một vòng, tức là góc quay đạt được 360 độ.
 |
| H. 2 Hệ thống laser – vision quét bề mặt vật thể |
Kết quả cho thấy rằng mô hình ba chiều của vật thể thu được (H. 3) đạt được độ chính xác cao, hệ thống vận hành đơn giản. Những mô hình ba chiều của vật thể có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng ba chiều, chẳng hạn như đo đạc, kiểm tra và đặc biệt là reverse engineering (tạm dịch là kỹ thuật biến đổi ngược).
|
| H. 3 Vật thể được quét (trái) và mô hình tái dựng (phải) |
2.2 Phân tích và đo đạc
Chúng tôi đã nghiên cứu một hệ thống thu thập thông tin bề mặt ba chiều của bề mặt vật thể sử dụng một khối laser-camera kết hợp với hệ băng tải cho phép di chuyển vật thể theo một chiều nhất định [6].
 |
| H. 4 trình bày hệ thống laser – vision dùng để quét và đo đạc bề mặt vật thể. |
Dữ liệu ba chiều của bề mặt vật thể sau khi được thu thập được biến đổi thành dữ liệu hai chiều bằng cách chiếu lên một mặt phẳng chuẩn. Mặt phẳng chuẩn được xác định dựa vào các vector chuẩn của bề mặt vật thể. Bằng cách vận dụng những ưu điểm của các giải thuật phát hiện đường tròn trong không gian hai chiều có sẵn, một phương pháp định vị và đo đạc những lỗ tròn trên bề mặt vật thể được xây dựng.
 |
| H. 5 Vật được đo (trên) và kết quả trên mô hình (dưới) |
Bằng cách so sánh kích thước đo đạc được của hệ thống với kích thước và vị trí thực của những lỗ tròn trên bề mặt vật thể cho thấy rằng hệ thống đo đạc dựa trên công nghệ laser – vision này có khả năng định vị và đo đạc kích thước đạt độ chính xác cao với sai số cực đại nhỏ hơn ±0.33 mm.
2.3 Kiểm tra chất lượng mối hàn
Hệ thống kiểm tra chất lượng mối hàn laser cũng đã được chúng tôi nghiên cứu và xây dựng hoàn chỉnh [7]. Hệ thống sử dụng một tay máy công nghiệp để di chuyển khối laser – camera dọc theo đường hàn để thu thập dữ liệu về bề mặt mối hàn (H. 6). Dựa vào những đặc trưng của bề mặt mối hàn từ đó hệ thống đưa ra kết quả đánh giá chất lượng của mối hàn.
Bên cạnh khả năng đo đạc kích thước và phát hiện lỗi, hệ thống này còn tái dựng bề mặt ba chiều của mối hàn (H. 7). Điều này cho phép người dùng quan sát trực quan hơn với mô hình ba chiều được tái dựng, biết được vị trí của vùng bị lỗi với sai số nhỏ hơn ±0.18 mm. Một phần mềm dành cho hệ thống cũng đã được xây dựng hoàn chỉnh dựa trên nền tảng MFC của Visual C++ (H. 8).
Phần mềm kiểm tra chất lượng mối hàn kiểm tra được chất lượng mối hàn trong thời gian thực. Bằng cách đánh dấu trên mô hình ba chiều của bề mặt mối hàn, phần mềm này cho biết được vị trí phát hiện lỗi và phân loại được đó là lỗi gì tương ứng trong một số lượng lỗi do người sử dụng cài đặt lúc ban đầu.
 |
| H. 6 Hệ thống kiểm tra chất lượng mối hàn |
 |
| H. 7 Mối hàn thực (trên) và mô hình mối hàn được đánh dấu lỗi (dưới) |
 |
| H. 8 Giao diện phần mềm của hệ thống kiểm tra mối hàn |
3. Kết luận
Bài báo giới thiệu tổng quan một số hệ thống thị giác ba chiều đã được chúng tôi phát triển trong thời gian gần đây. Bao gồm các hệ thống đo đạc, kiểm tra chất lượng và tái dựng bề mặt ba chiều dựa trên công nghệ laser – vision. Với những kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho thấy rằng, những hệ thống này đạt được chất lượng, hiệu quả và độ chính xác cao. Điều này cũng cho thấy rằng ứng dụng công nghệ laser – vision vào đo đạc và kiểm tra chất lượng sản phẩm trong công nghiệp là một giải pháp khả thi và sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bellocchio F., Borghese N.A, Ferrari S., Piuri V. (2013) 3D Surface Reconstruction Multi – Scale Hierarchical Approaches. Springer Berlin Heidelberg
[2] Baiyun L., Chunxia Z., Yi Z. (2009) 3D scene reconstruction method based on laser scanner. Int. Conf. Info. Scie. Eng., pp. 3910-3913
[3] Hu Z., Tan Z. (2007) Depth recovery and affine reconstruction under camera pure translation. Pat. Rec. 40, pp. 2826-2836
[4] Nguyen H.C., Ho E., Lee B.R (2013) Surface reconstruction from multi-view data sets using stereo camera as rotatable mechanism. Int. Conf. Mech. Tech., pp. 142-145
[5] Nguyen H.C, Lee B.R. (2016) 3D model reconstruction system development based on laser – vison technology. Aut. Tech. 10, pp. 813-820
[6] Lee B.R, Nguyen H.C. (2015) Development of laser – vision – based system for 3D circle detection and radius measurement. OPTIK 126, pp. 5412-5419
[7] Nguyen H.C., Lee B.R. (2014) Laser – vision – based quality inspection system for small bead laser welding. Prec. Eng. Manu. 15, pp. 415-423
Nguyễn Hữu Cường
Trường Đại học Cần Thơ | Email: nhcuong@ctu.edu.vn
