三維掃描儀

　　三維掃描儀分類與功能

　　大體分為接觸式三維掃描儀 和非接觸式三維掃描儀 。其中非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維描儀）和激光掃描儀。而光柵三維掃描又有白光掃描或藍(lán)光掃描等，激光掃描儀又有點激光、線激光、面激光的區(qū)別。

　　三維掃描儀功能:

　　1：三維掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的 點云（point cloud），這些點可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)映射（texture mapping）。

　　2： 三維掃描儀可模擬為照相機(jī)，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機(jī)所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測量的是距離。

　　手持式三維掃描儀

　　手持式三維掃描儀原理：線激光手持三維掃描儀，自帶校準(zhǔn)功能，采用635nm的紅色線激光閃光燈，配有一部閃光燈和兩個工業(yè)相機(jī)，工作時將激光線照射到物體上，兩個相機(jī)來捕捉這一瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)，由于物體表面的曲率不同，光線照射在物體上會發(fā)生反射和折射，然后這些信息會通過第三方軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像。在掃描儀移動的過程中，光線會不斷變化，而軟件會及時識別這些變化并加以處理。光線投射到掃描對象上的頻率高達(dá)28,000points/s，所以在掃描過程中移動掃描儀，哪怕掃描時動作很快，也同樣可以獲得很好的掃描效果，手持式三維掃描儀工作時使用反光型角點標(biāo)志貼，與掃描軟件配合使用，支持?jǐn)z影測量和自校準(zhǔn)技術(shù)。

　　定位目標(biāo)可以使操作員根據(jù)其需要的任何方式360°移動物體。真正便攜手持三維掃描儀，可裝入手提箱，攜帶到作業(yè)現(xiàn)場或者工廠間轉(zhuǎn)移十分方便。實現(xiàn)激光掃描技術(shù)的一些最高數(shù)據(jù)質(zhì)量，保持較高解析度，同時在平面上保持較大三角形，從而生成較小的STL文件。設(shè)備的形狀和重量分布有利于長時間使用，避免發(fā)生肌肉骨骼問題。功能多樣并方便用戶使用，允許在狹小空間內(nèi)掃描幾乎任何尺寸、形狀或顏色的物體。

　　手持式三維掃描儀原理是基于拍照式三維掃描儀原有基礎(chǔ)上設(shè)計的產(chǎn)品，掃描創(chuàng)建物體表面的點云圖，這些點可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，點云越密集創(chuàng)建的模型更精準(zhǔn)，可進(jìn)行三維重建。

　　拍照式三維掃描儀

　　拍照式三維掃描儀掃描原理類似于照相機(jī)拍攝照片而得名,是為滿足工業(yè)設(shè)計行業(yè)應(yīng)用需求而研發(fā)的產(chǎn)品,，它集高速掃描與高精度優(yōu)勢，可按需求自由調(diào)整測量范圍，從小型零件掃描到車身整體測量均能完美勝任，具備極高的性能價格比。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計行業(yè)中，真正為客戶實現(xiàn) "一機(jī)在手，設(shè)計無憂"！拍照式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的基本原理是：采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。采用這種測量原理，使得對物體進(jìn)行照相測量成為可能，所謂照相測量，就是類似于照相機(jī)對視野內(nèi)的物體進(jìn)行照相，不同的是照相機(jī)攝取的是物體的二維圖象，而研制的測量儀獲得的是物體的三維信息。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時測量一個面。測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖象，然后對圖象進(jìn)行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理,解算出兩個攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(biāo)。拍照式三維掃描儀可隨意搬至工件位置做現(xiàn)場測量，并可調(diào)節(jié)成任意角度作全方位測量，對大型工件可分塊測量，測量數(shù)據(jù)可實時自動拼合，非常適合各種大小和形狀物體(如汽車、摩托車外殼及內(nèi)飾、家電、雕塑等)的測量。

　　拍照式三維掃描儀采用的是白光光柵掃描，以非接觸三維掃描方式工作，全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優(yōu)點，特別適用于復(fù)雜自由曲面逆向建模， 主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計（RD，比如快速成型、三維數(shù)字化、三維設(shè)計、三維立體掃描等）、逆向工程（RE，如逆向掃描、逆向設(shè)計）及三維檢測CAV），是產(chǎn)品開發(fā)、品質(zhì)檢測的必備工具。三維掃描儀在部分地區(qū)又稱為激光抄數(shù)機(jī)或者3D抄數(shù)機(jī)。

　　拍照式光學(xué)三維掃描儀，其結(jié)構(gòu)原理主要由光柵投影設(shè)備及兩個工業(yè)級的CCD Camera所構(gòu)成，由光柵投影在待測物上，并加以粗細(xì)變化及位移，配合CCD Camera將所擷取的數(shù)字影像透過計算機(jī)運算處理，即可得知待測物的實際3D外型。

　　拍照式三維掃描儀采用非接觸白光技術(shù)，避免對物體表面的接觸，可以測量各種材料的模型，測量過程中被測物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動，對物件進(jìn)行多個視角的測量，系統(tǒng)進(jìn)行全自動拼接，輕松實現(xiàn)物體360高精度測量。并且能夠在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時，迅速的獲取紋理信息，得到逼真的物體外形,能快速的應(yīng)用于制造行業(yè)的掃描。

　　結(jié)構(gòu)光便攜式照相測量儀的特點：

　　1）掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬點

　　2）一次得到一個面，測量點分布非常規(guī)則。

　　3）精度高，可達(dá)0.03mm

　　4）單次測量范圍大（激光掃描儀一般只能掃描50mm寬的狹窄范圍）

　　5）便攜，可搬到現(xiàn)場進(jìn)行測量。

　　6）可對無法放到工作臺上的較重、大型工件（如模具、浮雕等）進(jìn)行測量。

　　7）大型物體分塊測量、自動拼合。

　　8）大景深（激光掃描儀的掃描深度一般只有100多毫米，而結(jié)構(gòu)光掃描儀的掃描深度可達(dá)300~500mm

　　三維掃描儀的發(fā)展歷程

　　第一種三維掃描儀：點測量

　　代表系統(tǒng)有：三坐標(biāo)測量儀；點激光測量儀；關(guān)節(jié)臂掃描儀（精度不高）通過每一次的測量點反映物體表面特征，優(yōu)點是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在測量高精密形位公差要求的物體上有優(yōu)勢。

　　定義：適合做物體表面形位公差檢測用。

　　第二種三維掃描儀：線測量

　　代表系統(tǒng)有：三維臺式激光掃描儀，三維手持式激光掃描儀，關(guān)節(jié)臂+激光掃描頭。通過一段（一般為幾公分，激光線過長會發(fā)散）有效的激光線照射物體表面，再通過傳感器得到物體表面數(shù)據(jù)信息。

　　定義：適合掃描中小件物體，掃描景深?。ㄒ话阒挥?公分），精度較高，此代系統(tǒng)是發(fā)展比較成熟的,其新產(chǎn)品最高精度已經(jīng)達(dá)到0.01微米。所以，精度上，其比肩點掃描。速度上已有極大地提高。在高精度工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，將有廣闊用途。

　　第三種三維掃描儀：面掃描代表系統(tǒng)：拍照式三維掃描儀，三維攝影測量系統(tǒng)等。通過一組（一面光）光柵的位移，再同時經(jīng)過傳感器而采集到物體表面的數(shù)據(jù)信息。

　　應(yīng)用

　　結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的典型應(yīng)用

　　可用于包含下列應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域：

　　逆向教學(xué)

　　1）逆向工程培訓(xùn)

　　2）逆向工程實訓(xùn)室

　　逆向工程(RE)/快速成型(RP)

　　1）掃描實物，建立CAD數(shù)據(jù)；或是掃描模型，建立用于檢測部件表面的三維數(shù)據(jù)。

　　2）模具設(shè)計、精度要求低于0.05mm

　　3）對于不能使用三維CAD數(shù)據(jù)的部件，建立數(shù)據(jù)。

　　4）個性化設(shè)計，如服裝CAD。

　　5）使用由RP創(chuàng)建的真實模型，建立和完善產(chǎn)品設(shè)計。

　　6）有限元分析的數(shù)據(jù)捕捉。

　　檢測(CAT)/CAE

　　1）生產(chǎn)線質(zhì)量控制和曲面零件的形狀檢測 ,(精度需求低于0.05mm)

　　例如：金屬鑄件鍛造、加工沖模和澆鑄、塑料部件(壓塑模、滾塑模、注塑模）、鋼板沖壓、木制品、復(fù)合及泡沫產(chǎn)品。

　　科學(xué)研究

　　1）計算機(jī)視覺

　　2）計算幾何

　　3）考古研究

　　其他應(yīng)用

　　1）文物、藝術(shù)品的錄入和電子展示

　　2）動畫造型

　　3）牙齒及畸齒矯正

　　4）整容及上頜面手術(shù)等等

　　測量方法分類

　　接觸式掃描

　　接觸式三維掃描儀通過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標(biāo)測量機(jī)即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當(dāng)精確，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用于高價值對象如古文物、遺跡等的重建作業(yè)。此外，相較于其他方法接觸式掃描需要較長的時間，現(xiàn)今最快的座標(biāo)測量機(jī)每秒能完成數(shù)百次測量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則高達(dá)每秒一萬至五百萬次。非接觸主動式掃描主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來計算三維空間信息。常見的投射能量有一般的可見光、高能光束、超音波與 X 射線。

　　時差測距

　　時差測距，或稱'飛時測距'的3D激光掃描儀是一種主動式的掃描儀，其使用激光光探測目標(biāo)物。圖中的光達(dá)即是一款以時差測距為主要技術(shù)的激光測距儀。此激光測距儀確定儀器到目標(biāo)物表面距離的方式，是測定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時間換算而得。即儀器發(fā)射一個激光光脈沖，激光光打到物體表面后反射，再由儀器內(nèi)的探測器接收信號，并記錄時間。由于光速 為一已知條件，光信號往返一趟的時間即可換算為信號所行走的距離，此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍，故若令 為光信號往返一趟的時間，則光信號行走的距離等于。顯而易見的，時差測距式的3D激光掃描儀，其量測精度受到我們能多準(zhǔn)確地量測時間 ，因為大約 3.3 皮秒；微微秒）的時間，光信號就走了 1 公厘。

　　激光測距儀每發(fā)一個激光信號只能測量單一點到儀器的距離。因此，掃描儀若要掃描完整的視野(field of view)，就必須使每個激光信號以不同的角度發(fā)射。而此款激光測距儀即可通過本身的水平旋轉(zhuǎn)或系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)鏡(rotating mirrors)達(dá)成此目的。旋轉(zhuǎn)鏡由于較輕便、可快速環(huán)轉(zhuǎn)掃描、且精度較高，是較廣泛應(yīng)用的方式。典型時差測距式的激光掃描儀，每秒約可量測10,000到100,000個目標(biāo)點。

　　三角測距

　　三角測距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測環(huán)境情的主動式掃描儀。相對于飛時測距法，三角測距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測物上，并利用攝影機(jī)查找待測物上的激光光點。隨著待測物（距離三角測距3D激光掃描儀）距離的不同，激光光點在攝影機(jī)畫面中的位置亦有所不同。這項技術(shù)之所以被稱為三角型測距法，是因為激光光點、攝影機(jī)，與激光本身構(gòu)成一個三角形。在這個三角形中，激光與攝影機(jī)的距離、及激光在三角形中的角度，是我們已知的條件。通過攝影機(jī)畫面中激光光點的位置，我們可以決定出攝影機(jī)位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，并可計算出待測物的距離。在很多案例中，人們以一線形激光條紋取代單一激光光點，將激光條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的進(jìn)程。

　　手持激光掃描儀通過上述的三角形測距法建構(gòu)出3D圖形：通過手持式設(shè)備，對待測物發(fā)射出激光光點或線性激光光。 以兩個或兩個以上的偵測器（電耦組件 或 位置傳感組件）測量待測物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離，通常還需要借助特定參考點－通常是具黏性、可反射的貼片－用來當(dāng)作掃描儀在空間中定位及校準(zhǔn)使用。這些掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，會被導(dǎo)入電腦中，并由軟件轉(zhuǎn)換成3D模型。手持式激光掃描儀，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數(shù)據(jù)（如待測物的結(jié)構(gòu)、色彩分布），建構(gòu)出更完整的待測物3D模型。

　　結(jié)構(gòu)光源

　　將一維或二維的圖像投影至被測物上，根據(jù)圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非?？斓乃俣冗M(jìn)行掃描，相對于一次測量一點的探頭，此種方法可以一次測量多點或大片區(qū)域，故能用于動態(tài)測量。

　　調(diào)變光

　　使用投影機(jī)將正弦波調(diào)變之光柵投射于書本上。調(diào)變光三維掃描儀在時間上連續(xù)性的調(diào)整光線的強(qiáng)弱，常用的調(diào)變方式是周期性的正弦波。借由觀察圖像每個像素的亮度變化與光的相位差，即可推算距離深度。調(diào)變光源可采用激光或投影機(jī)，而激光光能達(dá)到極高之精確度，然而這種方法對于噪聲相當(dāng)敏感。

　　非接觸被動式掃描

　　被動式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線（如激光），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達(dá)到預(yù)期的效果。由于環(huán)境中的可見光輻射，是相當(dāng)容易取得并利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測環(huán)境的可見光為主。但相對于可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應(yīng)用于這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支持，這類被動式產(chǎn)品往往相當(dāng)便宜。

　　立體視覺法

　　傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個放在一起的攝影機(jī)，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類借由雙眼感知的圖像相疊推算深度（當(dāng)然實際上人腦對深度信息的感知歷程復(fù)雜許多），若已知兩個攝影機(jī)的彼此間距與焦距長度，而截取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析，一般使用區(qū)塊比對或?qū)O幾何算法達(dá)成。使用兩個攝影機(jī)的立體視覺法又稱做雙眼視覺法，另有三眼視覺與其他使用更多攝影機(jī)的延伸方法。

　　色度成形法

　　早期由 B.K.P. Horn 等學(xué)者提出，使用圖像像素的亮度值代入預(yù)先設(shè)計之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程組中的未知數(shù)多過限制條件，因此須借由更多假設(shè)條件縮小解集之范圍。例如加入表面可微分性質(zhì)、曲率限制、光滑程度以及更多限制來求得精確的解。此法之后由 Woodham 派生出立體光學(xué)法。

　　立體光學(xué)法

　　為了彌補(bǔ)光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學(xué)法采用一個相機(jī)拍攝多張照片，這些照片的拍攝角度是相同的，其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個不同的方向照射待測物，每次僅打開一盞光源。拍攝完成后，再綜合三張照片并使用光學(xué)中的完美漫射模型解出物體表面的梯度矢量，經(jīng)過矢量場的積分后即可得到三維模型。此法并不適用于光滑而不近似于朗伯表面的物體。

　　輪廓法

　　此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構(gòu)成三維形體。當(dāng)物體的部分表面無法在輪廓聯(lián)機(jī)展現(xiàn)時，重建后將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置于電動轉(zhuǎn)盤上，每次旋轉(zhuǎn)一小角度后拍攝其圖像，再經(jīng)由圖像處理技巧去除背景并取出輪廓線條，搜集各角度之輪廓線后即可“刻劃”成三維模型。

　　用戶輔助

　　另外有些方法在重建過程中需要用戶提供信息，借助人類視覺系統(tǒng)之獨特性能，輔助完成重建程序。這些方式都是基于照片攝影原理，針對同個物體拍攝圖像以推算三維信息。另一種類似的方式是全景重建，乃是在定點上拍攝四周圖像使之得以重建場景環(huán)境。

　　三維掃描儀認(rèn)識誤區(qū)

　　1、分代誤區(qū)：

　　個別廠商為了不當(dāng)競爭目的，有時把結(jié)構(gòu)光的三種具體形式（激光點，激光線，結(jié)構(gòu)光柵）的掃描儀區(qū)分為一、二、三代。造成許多用戶認(rèn)識和選型上的誤導(dǎo)和歧義。這是故意而為的錯誤，是嚴(yán)重的不當(dāng)競爭和非法行為。

　　結(jié)構(gòu)光的三種具體形式（激光點，激光線，結(jié)構(gòu)光柵），其發(fā)展的主要目的，是針對不同的用途和不同的精度等級及工作效率的需求，而開發(fā)的產(chǎn)品。其使用和目的均有各自得市場，但隨科技的發(fā)展，這幾種產(chǎn)品，在用途上均會有部分交集的地方。比如，目前，國外百萬左右的照相式掃描儀，也可以提供橄欖核級的細(xì)節(jié)精密測量。這就覆蓋激光點線掃描儀的一些市場。 再如，國外高精密的激光線掃描儀，目前測量精度可到0.01微米。國內(nèi)現(xiàn)在激光線掃描儀，其精度也可以做到0.05微米。那么，激光點掃描儀和激光線掃描儀相比，在精度上也沒有了明顯優(yōu)勢。但，顯然，激光點，線掃描儀的市場與結(jié)構(gòu)光柵掃描儀的市場，還是有明顯區(qū)別的。這個區(qū)別就是通常在精度上，相差10倍或更多。

　　我們在選型和區(qū)分上。重點看的就是實際精度。這個是第一指標(biāo)。舉例：個別廠商，在銷售上誤導(dǎo)客戶，客戶需要測量皮紋，確買了一臺照相式掃描儀。結(jié)果造成實際根本不能用。

　　2、精度誤區(qū)：

　　掃描儀廠牌不同，型號不同。結(jié)構(gòu)形式不同。其必然有其優(yōu)勢和劣勢的地方。所以其測量精度等級各有不同。用戶選型時，除了看標(biāo)注的精度參數(shù)之外，還要通過實測產(chǎn)品樣件，來獲得正確評價。并且一般需要把精度指標(biāo)寫入合同中，以避免不法廠商的欺騙行為。

　　三維掃描儀使用常見問題

　　1．翻開掃描儀開關(guān)時，掃描儀宣布反常響聲。這是因為有些類型的掃描儀有鎖，其意圖是為了鎖緊鏡組，避免運送中轟動，因此在翻開掃描儀電源開關(guān)前應(yīng)先將鎖翻開。

　　2．掃描儀接電后沒有任何反響。有些類型的掃描儀是節(jié)能型的，只要在進(jìn)入掃描界面后燈管才會亮，一旦退出后會主動平息。3．掃描時顯現(xiàn)“沒有找到掃描儀”。此表象有可能是因為先開主機(jī)，后開掃描儀所致使，可重新啟動計算機(jī)或在設(shè)備管理中改寫即可,。

　　4．掃描儀的分辨率與打印機(jī)的分辨率是不是是一個概念?大概如何依據(jù)掃描儀的分辨率選購打印機(jī)？

　　掃描儀的分辨率的單位嚴(yán)厲界說應(yīng)當(dāng)是ppi，而不是dpi。ppi是指每英寸的pixel數(shù)，關(guān)于掃描儀來說，每一pixel不是0或1這樣簡略的描繪聯(lián)系，而是24bit、 36bit或CMYK（1004）的描繪。打印機(jī)的分辨率的dpi中的d是指英文中的dot，每一個dot沒有深淺之分，僅僅0或1的概念，而關(guān)于掃描儀來說，1個pixel需求若干個4種dot（CMYK）來描繪，即一點的顏色由不一樣的dot的疏密程度來決議。所以掃描儀的dpi與打印機(jī)的dpi概念不一樣。用1440dpi的打印機(jī)輸出1：l的圖畫，掃描時用100-150dpi左右的掃描即可。

　　5．掃描儀在掃描時呈現(xiàn)“硬盤空間不行或內(nèi)存不足”的提示。首要，承認(rèn)硬盤及內(nèi)存是不是夠，若空間很大，請查看您設(shè)定的掃描分辨率是不是太大形成文件數(shù)據(jù)量過大。

　　6. 掃描使噪音奇大。拆開機(jī)器蓋子，找一些縫紉機(jī)油滴在衛(wèi)生紙大將鏡組兩條軌道上的油垢擦凈，再將縫紉機(jī)油滴在傳動齒輪組及皮帶兩頭的軸承上（注意油量適中），結(jié)尾恰當(dāng)調(diào)整皮帶的松緊。

　　7. 掃描時間過長。查看硬盤剩下容量，將硬盤空間最佳化，先刪去無用的TMP文檔，做Scandisk，再做Defrag或Speed Disk。請注意：假如結(jié)尾實踐掃描分辨率的設(shè)定，高于掃描儀的光學(xué)分辨率，則掃描速度會變慢，這是正常表象。