Ứng dụng công nghệ đảo ngược tái tạo các đối tượng thực
Trong công nghệ CNC các đối tượng thực được tạo ra từ các hình khối 3 chiều mẫu có trong máy tính, Để tạo ra các mô hình ba chiều mẫu trên máy tính, nhiều kỹ thuật khác nhau được áp dụng và được gọi là công nghệ đảo ngược (reverse engineering). Trên thế giới công nghệ đảo ngược được ứng dụng rộng rãi vào các lĩnh vực mới như CAD/CAM, thực tại ảo (virtual reality), kiến trúc, bảo tồn các di sản văn hóa, v.v... Bài dưới đây trình bày một hệ thống ứng dụng công nghệ đảo ngược với mục đích tái tạo các mẫu hình điêu khắc đã bị vỡ hoặc hỏng một phần nhỏ.
Tổng quan hệ thống
 Hệ thống này về cơ bản gồm ba bước: Thu thập dữ liệu của đối tượng thực dưới dạng các điểm, lên kết các dữ liệu và tái tạo lại mô hình của đối tượng thực trong không gian ba chiều. Hình 1 mô tả quá trình hoạt động của hệ thống, các dữ liệu của đối tượng thực được thu thập bằng ba thiết bị quét (scanner) dưới dạng một tập hợp các điểm (cloud points) trong không gian ba chiều. Từ các dữ liệu điểm, một lưới tam giác được xây dựng để liên kết các điểm ba chiều trong không gian sử dụng thuật toán ICP với heuristics. Mô hình của đối tượng thực được số hóa hoàn toàn sau khi thực hiện một số bước tinh chỉnh như làm mịn (bóng), vá lỗ thủng, hoặc chia nhỏ lưới tam giác (subdivision) để tăng cường chi tiết hóa mô hình số. Cài đặt hệ thống Thu thập dữ liệu
 Trong hình 2, hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng ba máy quét hình ba chiều (3D scanners) dựa trên kỹ thuật đo của moiré để tái tạo lại mô hình mẫu [2], [3]. Khoảng cách giữa mô hình và các máy quét là R bằng 1040 mm, và góc tương quan giữa các máy quét j là 95o. Các máy quét liên tục chép lại các ảnh, máy quét đầu tiên chép lại ảnh phía trước, hai máy quét còn lại chép lại ảnh bên trái và phải của đối tượng. Liên kết dữ liệu thu thập được  Tam giác hóa (triangulation) là phương pháp dựng hình trong không gian 2-chiều và 3-chiều. Các quá trình tam giác hóa sẽ được thực hiện với dữ liệu đầu vào là tập hợp hỗn độn các điểm đã thu thập được. Một số sách giáo khoa và bài báo đã giới thiệu kỹ về thuật toán này [7],[8],[9]. Thuật toán tam giác hóa có thể trình bày tóm tắt như sau: Cho một tập hợp điểm đầu vào, Thuật toán tam giác hóa bằng cách lấp kín cái lớp vỏ bên ngoài của mô hình bằng các tam giác. Các đỉnh của tam giác là tập hợp điểm đầu vào và hình tròn ngoại tiếp quanh mọi tam giác là không chứa bất kỳ điểm nào khác ở bên trong các hình tròn, xem mô tả trong hình 3.  Sau khi các lưới tam giác được sinh ra từ các tập hợp điểm, bước tiếp theo là quá trình đồng nhất các lưới tam giác tới cùng một hệ tọa độ. Nếu toàn bộ dữ liệu được chép dùng một thiết bị quét hình giới hạn quay là sáu chiều tự do với độ chính xác cao thì chúng ta có thể đồng nhất chúng bằng phần mềm cung cấp bởi chính thiết bị này. Tuy nhiên, thiết bị này rất đắt, do đó chúng ta có thể dùng thiết bị rẻ hơn với giới hạn quay là hai chiều tự do, đây chính là lý do mà chúng ta phát triển hệ thống với ba thiết bị quét hình đơn, xem hình 2. Cùng với việc chọn thiết bị này, chúng ta đã phát triển một phần mềm phụ trợ cho việc đồng nhất các dữ liệu đã được chép. Phần mềm này không bị phụ thuộc vào vị trí và hướng quét của máy quét hình. Bước tiếp theo của đồng nhất dữ liệu đã là hợp nhất các lưới đã được đồng nhất thành một lưới tam giác mô tả đầy đủ mô hình mẫu (đầu người) với đầy đủ các thông tin về hình thái của nó. Tác giả Turk và Lovoy [4] đã đề xuất một phương pháp gia tăng (incremental). Phương pháp này rất hiệu quả đối với việc hợp nhất nhiều lưới tam giác thành một lưới đồng nhất nhưng vẫn mô tả được hình thái của mô hình mẫu một cách hoàn thiên. Hình 4 mô tả quá trình hợp nhất hai luới tam giác với ba bước căn bản: 1) Tìm đường giao giữa hai luới, 2) Cắt bỏ một phần chung giữa hai lới, và 3) Tạo lại đường bao cho cả hai lưới. Tái Tạo Mô Hình Ba Chiều Hoàn Chỉnh Trong các hệ thống sử dụng các thiết bị rẻ tiền (máy quét giới hạn quay hai chiều) chỉ có thể quét ba lần phía trước, bên trái và phải của hình mẫu. Hơn nữa, các hình đối tượng thực thường rất phức tạp với các lỗ hổng và phần lõm vào rất nhỏ. Phần thiếu hụt của các tam giác trong quá trình quét cần phải được vá và được tạo dựng lại để cho ra một mô hình số hóa hoàn chỉnh trên máy tính.  Hình 5 là một ví dụ về vá lỗ hổng. Các lỗ hổng được vá bằng các tam giác phẳng. Đầu tiên thực hiện chia nhỏ tam các tam giác phẳng và sau đó làm mịn với các tam giác lân cận. Từ lưới tam giác này hệ thống sẽ sinh ra một tập lệnh chỉ dẫn cho máy CNC tạo khuôn cho hình mẫu. Kết luận Hiện nay, bằng công nghệ đảo ngược (reverse engineering), từ một mẫu hình hỏng chúng ta sử dung máy quét giới hạn quay hai chiều tự do để sao chép lại mẫu hình. Dữ liệu chép lại là tập các điểm trong không gian 2-chiều và 3-chiều, những tập điểm này không có tổ chức. Từ các tập hợp điểm, chúng ta tam giác hóa và thực hiên một số thao tác tinh chế như : liên kết dữ liệu, vá các lỗ hổng, làm mịn bề mặt. Sau một chuỗi các quá trình xử lý, chúng ta thu được một lưới các tam giác đăc tả về mẫu hình. Từ lưới tam giác này, hệ thống sẽ sinh ra một tập lệnh chỉ dẫn cho máy CNC tạo khuôn cho hình mẫu. Tài liệu tham khảo [1]. G. Blais and M. Levine, “Registering multiview range data to create 3D computer objects”. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI), 17(8) pages 820--824, 1995. [2]. , Hideki Ushijima, Seiji Ishikawa, , , , , “Scoliosis detection based on difference of apexes position and angle on Moiré topographic images”, . [3]. K. Creath and J. C. Wyant, “Moiré and Fringe Projection Techniques”, [4]. G. Turk and M. Levoy, “Zippered polygon meshes from range images”. In Pro of SIGGRAPH, pages 311-318. ACM Press, July 1994. [6]. D. Chetverikov, D. Svirko, and D. Stepanov and Pavel Krsek, “The Trimmed Iterative Closest Point Algorithm”, In Proc.ICPR’02, Qu´ebec City, 2002. [7]. Christian Sohler, “Fast reconstruction of Delaunay triangulations”, Computational Geometry 31 pages 166–178, 2005. [8]. Marc Vigo Anglada, “An improved incremental algorithm for constructing restricted Delaunay triangulations”, Computers & Graphics, 21(2) Pages 215-223, 1997. [9]. N. A. Golias and R. W. Dutton, “Delaunay triangulation and 3D adaptive mesh generation”, Finite Elements in Analysis and Design, 25(3-4), Pages 331-341, 1997.
|
