Độ chính xác, độ phân giải và độ rõ nét của quét 3D: Sự khác biệt là gì?

Giới thiệu

Trước khi đi sâu vào hoạt động bên trong của máy quét 3D, hãy dành chút thời gian để định nghĩa ba thuật ngữ chính của chúng ta. Trong lĩnh vực đo lường, độ chính xác đề cập đến mức độ gần của dữ liệu thu được với kích thước thực tế. Độ chính xác mô tả tính nhất quán của phép đo, trong khi độ phân giải là thước đo lượng thông tin mà thiết bị có thể thu được từ một khu vực nhất định trên bề mặt của vật thể – ít nhất là theo nghĩa rộng. Có nhiều dạng độ phân giải khác nhau mà chúng ta sẽ tìm hiểu sau.

Để có thông tin chi tiết về từng thuật ngữ, Ủy ban chung về hướng dẫn đo lường (JCGM) và Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) cũng đã xây dựng một số tài nguyên chuyên sâu – chúng tôi sẽ đưa vào các liên kết đến các trang có liên quan trong toàn bộ bài viết.

Độ chính xác, độ rõ nét và độ phân giải đều là các số liệu quét 3D quan trọng nhưng mỗi số liệu có tác động riêng biệt đến kết quả.

Ứng dụng quét 3D của bạn có thể sẽ khiến bạn xử lý các thông số kỹ thuật này với mức độ quan trọng khác nhau, nhưng mỗi thông số đều ảnh hưởng đến kết quả. Nếu bạn làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật đảo ngược hoặc kiểm soát chất lượng, độ chính xác và độ tin cậy của các hệ thống đo lường sẽ là ưu tiên hàng đầu. Mặt khác, các nhà tạo mẫu CGI có nhiều khả năng tập trung vào độ phân giải cao để có tính chân thực hơn.

Do đó, việc hiểu cả ba biện pháp về hiệu suất quét 3D là rất quan trọng để tận dụng tối đa công nghệ này. Tuy nhiên, xét đến tần suất sử dụng sai độ chính xác, độ phân giải và độ chính xác (ngay cả trong ngành), rõ ràng vẫn còn rất nhiều nhầm lẫn về cách so sánh chúng. Ví dụ, độ chính xác và độ chính xác đôi khi được sử dụng để mô tả việc nắm bắt chi tiết bề mặt, trong khi thực tế chất lượng dữ liệu bề mặt phụ thuộc vào độ phân giải.

Mọi thứ còn phức tạp hơn nữa vì độ chính xác, độ chính xác và độ phân giải có thể khác nhau, nhưng chúng vẫn có thể ảnh hưởng lẫn nhau. Để làm rõ mọi thứ, chúng ta hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về thế giới thông số kỹ thuật quét 3D. Hãy thắt dây an toàn, mọi thứ sắp trở nên mang tính kỹ thuật rồi!

Sự chính xác

Độ chính xác quét 3D có thể được đo theo từng điểm hoặc theo thể tích. Hầu hết các thông số kỹ thuật của máy quét 3D đều liệt kê độ chính xác quét đơn – mức độ gần nhất có thể đạt được với các phép đo thực của vật thể với một hình ảnh chụp duy nhất. Bằng cách đo thể tích kết hợp của tất cả các góc nhìn khác nhau của vật thể được chụp trong quá trình quét 3D, cũng có thể xác định độ chính xác theo thể tích.

Quét 3D Artec chính xác hơn nhiều so với các phương pháp chụp ảnh thay thế như ảnh trắc lượng

Độ chính xác có thể thay đổi theo hướng bên trong một thể tích quét (hoặc thậm chí trong các thể tích phụ), do đó, độ chính xác này được đo theo một đối tượng tham chiếu, với số liệu xấu nhất được nhà sản xuất liệt kê. Do đó, khi chúng ta nói về độ chính xác thể tích, chúng ta thực sự đang đề cập đến ‘tổng thể tích đo lường’ được ghi lại.

Ví dụ, nếu chúng ta quét 3D một đồng xu (và không có gì khác xung quanh nó), tổng thể tích đo lường sẽ là của vật thể. Điều này có nghĩa là khoảng cách quét không ảnh hưởng đến thông số – nó sẽ đáp ứng mức lỗi tối thiểu được nhà sản xuất nêu trong cả hai cách.

Vấn đề nằm ở kích thước của cảnh chụp, với độ chính xác về thể tích giảm dần đối với các vật thể lớn hơn. Do đó, thông số kỹ thuật hữu ích nhất khi dùng làm thước đo để đánh giá khả năng chụp ở quy mô lớn của hệ thống đo lường 3D.

Dù bạn đo lường theo cách nào, mức độ chính xác mà bạn có thể đạt được với công nghệ quét 3D hiện nay cũng khá đáng kinh ngạc. Máy quét 3D cầm tay sử dụng ánh sáng có cấu trúc thường chụp được bề mặt với độ chính xác 0,01-1,0 mm, nhưng thậm chí có thể quét gần với thực tế hơn. Ví dụ, các giải pháp máy tính để bàn như Artec Micro II có khả năng quét 3D với độ lệch chỉ 0,005 mm (hoặc 5 micron).

Tất nhiên, tất cả những điều trên đều đi kèm với cảnh báo về ‘sự không chắc chắn về phép đo’. Độ chính xác của quét thường được đo bằng cách so sánh các đám mây điểm với các đối tượng hình học được lắp ghép. Điều này là do bản chất của quá trình quét tích lũy một mức ‘lỗi’ khiến chúng ta không thể so sánh với ‘giá trị thực’. Nhưng ít nhất chúng ta có thể xác định phạm vi lỗi – và độ chính xác được đo bằng tham chiếu sẽ nằm trong phạm vi này.

Bên cạnh khoảng cách, điều kiện chụp và công nghệ cũng là những tiêu chí quan trọng khi nói đến việc tối ưu hóa độ chính xác. Trong khi LiDAR chụp các phép đo kém chính xác hơn so với ánh sáng có cấu trúc, nó phù hợp hơn để quét ở phạm vi xa. Trong khi đó, phép đo ảnh phi trắc lượng thậm chí còn kém tin cậy hơn để chụp dữ liệu chính xác nhưng cung cấp các mô hình cực kỳ thực tế.

Khi nói đến việc tối ưu hóa việc thu thập dữ liệu, việc cải thiện kỹ thuật cũng sẽ cải thiện kết quả, cũng như hoàn thiện các điều kiện – vì ánh sáng và nhiệt độ quá mức có thể làm biến dạng bản quét của bạn.

Độ chính xác và độ chuẩn xác thường bị nhầm lẫn là khá khác nhau. Một cái phản ánh độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị tham chiếu, cái kia chỉ ra khả năng lặp lại và khả năng tái tạo.

Độ chính xác

Trong thế giới rộng lớn hơn, độ chính xác thường được sử dụng như một từ đồng nghĩa với độ chính xác. Giống như độ chính xác, độ chính xác rất khó để đưa ra một con số do sự không chắc chắn về phép đo, nhưng trong bối cảnh quét 3D, nó ám chỉ nhiều hơn đến tính nhất quán khi nắm bắt.

Trong khi độ chính xác của quá trình quét được đo bằng mức độ gần của giá trị đo được với giá trị tham chiếu thì độ chính xác được xác định thông qua thử nghiệm lặp lại, với sự khác biệt thấp giữa các phép đo cho thấy hiệu suất cao.

Một lần nữa, những thay đổi trong điều kiện đo lường có thể ảnh hưởng đến khả năng lặp lại của kết quả. Do đó, tính đồng nhất của người dùng, môi trường và hệ thống đo lường 3D là rất quan trọng để tối đa hóa độ chính xác. Mặc dù phụ thuộc vào thiết bị của bạn, bạn thường có thể đạt được độ chính xác dưới milimét, đủ cho kỹ thuật đảo ngược và kiểm soát chất lượng – ngay cả trong môi trường công nghiệp khắt khe.

Artec Eva được sử dụng để thu thập các phép đo chính xác của thiết bị khai thác và chế biến quặng. Ảnh của Element Mining and Construction

Theo tiêu chuẩn ISO có liên quan về độ chính xác , không chỉ là về khả năng lặp lại mà còn là ‘khả năng tái tạo’. Trong tiêu chuẩn trước, người ta cho rằng các phép đo được thực hiện bởi một người vận hành duy nhất với cùng một thiết bị theo các khoảng thời gian đều đặn, nhưng tiêu chuẩn sau tính đến sự thay đổi trong từng khu vực. Cùng nhau, chúng chỉ ra hai cực độ của độ chính xác: kết quả tối thiểu và tối đa.

Độ chính xác dưới milimét rất quan trọng để có được các phép đo lặp lại cần thiết cho quá trình thiết kế ngược và kiểm tra.

Cũng đáng lưu ý là độ chính xác cần thiết cho độ chính xác, nhưng ngược lại thì không giống nhau. Điều này là do máy quét 3D có thể chính xác, chụp cùng một điểm mỗi lần, nhưng do các vấn đề xung quanh hiệu chuẩn, nó có thể tạo ra kết quả có ‘độ lệch đo lường’ – dẫn đến kết quả đọc không chính xác. Đó chỉ là một ví dụ về sự giao thoa giữa độ chính xác, độ chính xác và độ phân giải. Chúng ta sẽ tìm hiểu thêm sau!

Quét 3D chưa hiệu chuẩn và đã hiệu chuẩn: so sánh trực tiếp

Sự khác biệt giữa độ chính xác và độ phân giải

Độ chính xác liên quan đến việc tạo ra đám mây điểm 3D có kích thước gần giống với kích thước của vật thể được quét 3D, trong khi độ phân giải liên quan đến số lượng các điểm này được chụp và khoảng cách giữa chúng.

Do đó, không thực sự có thể so sánh độ chính xác với độ phân giải. Tuy nhiên, khi bạn xem xét rằng các bản quét ít chi tiết hơn tạo ra dữ liệu có ít tam giác hơn sau khi tam giác hóa, thì độ phân giải có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Bản thân chi tiết giảm không phải là kết quả của độ chính xác kém, vì vậy hai biện pháp này không liên kết chặt chẽ với nhau, nhưng cần lưu ý rằng độ chính xác là tổng của nhiều phần.

Điều này cũng có thể thấy trong phần mềm xử lý và thu thập dữ liệu quét 3D Artec Studio , có Chế độ HD độ phân giải cao giúp giảm nhiễu bề mặt và tạo ra nhiều điểm hơn – tăng hiệu quả độ chính xác. Với khả năng tái tạo bề mặt trên các độ nghiêng và các vật thể nhỏ, Artec Studio cũng giúp phù hợp với các nguyên mẫu CAD, tăng cường độ chính xác hơn nữa.

Sự khác biệt giữa độ phân giải và độ chính xác

Độ phân giải và độ chính xác ít bị nhầm lẫn hơn, nhưng vẫn đáng để nhấn mạnh sự khác biệt giữa chúng. Một liên quan đến số lượng điểm dữ liệu được thu thập trong quá trình quét 3D, còn lại mô tả tính nhất quán mà chúng được thu thập.

Tuy nhiên, tùy thuộc vào ngành của bạn, độ phân giải và độ chính xác có thể cũng quan trọng như nhau để đạt được kết quả. Ví dụ, nếu bạn cần kiểm tra nhiều lần các sản phẩm có hình học phức tạp và bề mặt phức tạp, thì việc thu thập dữ liệu chính xác, chi tiết sẽ rất cần thiết.

Độ chính xác, độ chính xác và độ phân giải quan trọng ở đâu?

Ở mọi nơi bạn nhìn đến, từ chăm sóc sức khỏe và giáo dục đến hàng không vũ trụ và quốc phòng, quét 3D được sử dụng để thu thập dữ liệu chính xác, rõ ràng và có độ phân giải cao. Nhưng có những lĩnh vực mà một số khía cạnh này quan trọng hơn những khía cạnh khác.

Tùy thuộc vào lĩnh vực của bạn, bạn có thể ưu tiên cái này hơn cái kia, nhưng độ chính xác, độ rõ nét và độ phân giải đều quan trọng trong mọi ngành.

Quét một đoạn đường ray bằng Artec Leo

Mặt khác, độ phân giải rất quan trọng đối với các nhà tạo mẫu 3D tạo ra các bản sao kỹ thuật số siêu thực. Điều này có thể thấy trong các lĩnh vực như bảo tồn di sản, pháp y và CGI. Một trong những ứng dụng ấn tượng hơn của quét 3D trong CGI là nghệ sĩ trang điểm hiệu ứng đặc biệt nổi tiếng Kazu Hiro đã sử dụng Leo và Artec Space Spider để chụp khuôn mặt của diễn viên với độ chi tiết đáng kinh ngạc .

Tất nhiên, đây chỉ là một vài ví dụ về khả năng mà quét 3D chuyên nghiệp mang lại. Chụp với độ chính xác, độ chính xác và độ phân giải cao mở ra nhiều khả năng hơn nữa.

Làm thế nào để có được kết quả quét 3D tốt nhất

Vì máy quét 3D của bạn sẽ tự động mất độ chính xác theo thời gian, nên việc hiệu chuẩn thường xuyên là rất quan trọng . Tùy thuộc vào thiết bị bạn sử dụng, điều này có thể liên quan đến việc sử dụng bảng hiệu chuẩn thỉnh thoảng hoặc hiệu chuẩn mục tiêu mỗi khi bạn khởi động máy.

Artec Spider đang được hiệu chuẩn để có thể mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao nhất

Mặc dù kỹ năng, hiệu chuẩn và điều kiện của người dùng đều có tác động, nhưng chỉ có quét 3D chuyên nghiệp mới mang lại hiệu suất cao nhất.

Như bạn có thể thấy từ các ứng dụng được liệt kê ở trên, quét 3D hiện được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau nên không thể tìm ra giải pháp phù hợp cho tất cả. Do đó, điều quan trọng là phải xác định nhu cầu của ứng dụng cụ thể của bạn ngay từ đầu, điều này có thể khiến bạn ưu tiên độ chính xác, độ chính xác hoặc độ phân giải (thậm chí có thể là cả ba). Đầu tư vào một hệ thống đo lường không nắm bắt được mọi thứ cần thiết có thể trở thành một sai lầm tốn kém.

Các yếu tố khác như môi trường quét và khoảng cách cũng ảnh hưởng đến kết quả, với độ chính xác và độ phân giải đều thấp hơn khi quét từ xa. Tin tốt là hiện nay có nhiều máy quét 3D đa năng, cũng như các sản phẩm gắn trên chân máy như Artec Ray II , có phạm vi 140m+ và độ chính xác 1,9 mm, trên thị trường. Vì vậy, chắc chắn sẽ có một thiết bị đáp ứng được nhu cầu của bạn.

Cuối cùng, độ chính xác, độ chính xác và độ phân giải đều là chìa khóa cho các ứng dụng chuyên nghiệp như mô hình 3D, kỹ thuật đảo ngược và kiểm soát chất lượng. Bây giờ bạn đã hiểu cách thức hoạt động của từng lĩnh vực, bạn có thể tối ưu hóa kết quả trong từng lĩnh vực này. Và khi phần mềm và phần cứng tiếp tục phát triển, công nghệ sẽ chỉ tiếp tục cải thiện trên cả ba mặt trận.

Theo: Paul Hanaphy