1定義

三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學儀器,用來偵測並分析現實世界中物體或環境的
單目三維掃描儀

  單目三維掃描儀

形狀(幾何構造)與外觀數據(如顏色、表面反照率等性質)。 搜集到的數據常被用來進行三維重建計算,在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。這些模型具有相當廣泛的用途,舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學信息、生物信息、刑事鑒定、數字文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其應用。三維掃描儀的製作並非仰賴單一技術,各種不同的重建技術都有其優缺點,成本與售價也有高低之分。但並無一體通用之重建技術,儀器與方法往往受限於物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面,而激光技術不適用於脆弱或易變質的表面。

2三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光掃描等,激光掃描儀又有點激光、線激光、面激光的區別。
拍照式三維掃描儀
拍照式三維掃描儀工作示意圖

  拍照式三維掃描儀工作示意圖

拍照式三維掃描儀掃描原理類似於照相機拍攝照片而得名,是為滿足工業設計行業應用需求而研發的產品,,它集高速掃描與高精度優勢,可按需求自由調整測量範圍,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。目前已廣泛應用於工業設計行業中,真正為客戶實現 "一機在手,設計無憂"!  
拍照式結構光三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測量設備,採用的是目前國際上最先進的結構光非接觸照相測量原理。結構光三維掃描儀的基本原理是:採用一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的複合三維非接觸式測量技術。採用這種測量原理,使得對物體進行照相測量成為可能,所謂照相測量,就是類似於照相機對視野內的物體進行照相,不同的是照相機攝取的是物體的二維圖象,而研製的測量儀獲得的是物體的三維信息。與傳統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幅特定編碼的結構光到待測物體上,成一定夾角的兩個攝像頭同步採得相應圖象,然後對圖象進行解碼和相位計算,並利用匹配技術、三角形測量原理,解算出兩個攝像機公共視區內像素點的三維坐標。拍照式三維掃描儀可隨意搬至工件位置做現場測量,並可調節成任意角度作全方位測量,對大型工件可分塊測量,測量數據可實時自動拼合,非常適合各種大小和形狀物體(如汽車、摩托車外殼及內飾、家電、雕塑等)的測量。
拍照式三維掃描儀原理
三維掃描儀原理圖

  三維掃描儀原理圖

拍照式三維掃描儀採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、高解析度等優點,特別適用於複雜自由曲面逆向建模, 主要應用於產品研發設計(RD,比如快速成型、三維數字化、三維設計、三維立體掃描等)、逆向工程(RE,如逆向掃描、逆向設計)及三維檢測CAV),是產品開發、品質檢測的必備工具。三維掃描儀在部分地區又稱為激光抄數機或者3D抄數機。
拍照式光學三維掃描儀,其結構原理主要由光柵投影設備及兩個工業級的CCD Camera所構成,由光柵投影在待測物上,並加以粗細變化及位移,配合CCD Camera將所擷取的數字影像透過計算機運算處理,即可得知待測物的實際3D外型。
拍照式三維掃描儀採用非接觸白光技術,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和移動,對物件進行多個視角的測量,系統進行全自動拼接,輕鬆實現物體360高精度測量。並且能夠在獲取表面三維數據的同時,迅速的獲取紋理信息,得到逼真的物體外形,能快速的應用於製造行業的掃描。
結構光攜帶型照相測量儀的特點:
1)掃描速度極快,數秒內可得到100多萬點
2)一次得到一個面,測量點分佈非常規則。
3)精度高,可達0.03mm
4)單次測量範圍大(激光掃描儀一般只能掃描50mm寬的狹窄範圍)
5)便攜,可搬到現場進行測量。
6)可對無法放到工作台上的較重、大型工件(如模具、浮雕等)進行測量。
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,而結構光掃描儀的掃描深度可達300~500mm
三維掃描儀的發展歷程
第一代三維掃描儀:點測量
代表系統有:三坐標測量儀;點激光測量儀;關節臂掃描儀(精度不高)通過每一次的測量點反映物體表面特徵,優點是精度高,但速度慢,如果要做逆向工程,只能在測量較規則物體上有優勢。
定義:適合做物體表面誤差檢測用。
第二代三維掃描儀:線測量
代表系統有:三維台式激光掃描儀,三維手持式激光掃描儀,關節臂+激光掃描頭。通過一段(一般為幾公分,激光線過長會發散)有效的激光線照射物體表面,再通過感測器得到物體表面數據信息。
定義:適合掃描中小件物體,掃描景深小(一般只有5公分),精度較低,此代系統是發展比較成熟的,受產品原理影響目前已經是過渡性產品。
第三代三維掃描儀:面掃描代表系統:拍照式三維掃描儀,三維攝影測量系統等。通過一組(一面光)光柵的位移,再同時經過感測器而採集到物體表面的數據信息。
應用
結構光三維掃描儀的典型應用
可用於包含下列應用的廣泛領域:
逆向教學
1)逆向工程培訓
2)逆向工程實訓室
逆向實訓室

  逆向實訓室

逆向工程(RE)/快速成型(RP)
1)掃描實物,建立CAD數據;或是掃描模型,建立用於檢測部件表面的三維數據。
2)模具設計
3)對於不能使用三維CAD數據的部件,建立數據。
4)個性化設計,如服裝CAD。
5)使用由RP創建的真實模型,建立和完善產品設計。
6)有限元分析的數據捕捉。
檢測(CAT)/CAE
1)生產線質量控制和曲面零件的形狀檢測
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)、鋼板衝壓、木製品、複合及泡沫產品。
科學研究
1)計算機視覺
2)計算幾何
3)考古研究
其他應用
1)文物、藝術品的錄入和電子展示
2)動畫造型
3)牙齒及畸齒矯正
4)整容及上頜面手術等等

3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,如座標測量機即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當精確,常被用於工程製造產業,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,因此不適用於高價值對象如古文物、遺迹等的重建作業。此外,相較於其他方法接觸式掃描需要較長的時間,現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量,而光學技術如激光掃描儀運作頻率則高達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,藉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物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術的激光測距儀。此激光測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式,是測定儀器所發出的激光脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個激光光脈衝,激光光打到物體表面后反射,再由儀器內的探測器接收信號,並記錄時間。由於光速 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於。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 公釐。
激光測距儀每發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射。而此款激光測距儀即可通過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡(rotating mirrors)達成此目的。旋轉鏡由於較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高,是較廣泛應用的方式。典型時差測距式的激光掃描儀,每秒約可量測10,000到100,000個目標點。
三角測距
三角測距3D激光掃描儀,也是屬於以激光光去偵測環境情的主動式掃描儀。相對於飛時測距法,三角測距法3D激光掃描儀發射一道激光到待測物上,並利用攝影機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,激光光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法,是因為激光光點、攝影機,與激光本身構成一個三角形。在這個三角形中,激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度,是我們已知的條件。通過攝影機畫面中激光光點的位置,我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形,並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程。National Research Council of Canada 是致力於研發三角測距激光掃描技術的協會之一。
手持激光 
手持激光掃描儀通過上述的三角形測距法建構出3D圖形:通過手持式設備,對待測物發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 位置感測組件)測量待測物的表面到手持激光產品的距離,通常還需要藉助特定參考點-通常是具黏性、可反射的貼片-用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數據,會被導入電腦中,並由軟體轉換成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)獲得的數據(如待測物的結構、色彩分佈),建構出更完整的待測物3D模型。
結構光源
將一維或二維的圖像投影至被測物上,根據圖像的形變情形,判斷被測物的表面形狀,可以非常快的速度進行掃描,相對於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域,故能用於動態測量。
調變光
使用投影機將正弦波調變之光柵投射於書本上。調變光三維掃描儀在時間上連續性的調整光線的強弱,常用的調變方式是周期性的正弦波。藉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。調變光源可採用激光或投影機,而激光光能達到極高之精確度,然而這種方法對於雜訊相當敏感。
非接觸被動式掃描
被動式掃描儀本身並不發射任何輻射線(如激光),而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法,達到預期的效果。由於環境中的可見光輻射,是相當容易取得並利用的,大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對於可見光的其他輻射線,如紅外線,也是能被應用於這項用途的。因為大部分情況下,被動式掃描法並不需要規格太特殊的硬體支持,這類被動式產品往往相當便宜。
立體視覺法
傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機,平行注視待重建之物體。此方法在概念上,類似人類藉由雙眼感知的圖像相疊推算深度[1](當然實際上人腦對深度信息的感知歷程複雜許多),若已知兩個攝影機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,一般使用區塊比對或對極幾何演算法達成。使用兩個攝影機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的延伸方法。
色度成形法
早期由 B.K.P. Horn 等學者提出,使用圖像像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解,方程式之解即深度信息。由於方程組中的未知數多過限制條件,因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質、曲率限制、光滑程度以及更多限制來求得精確的解。此法之後由 Woodham 派生出立體光學法。
立體光學法
為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足,立體光學法採用一個相機拍攝多張照片,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。拍攝完成後,再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射模型解出物體表面的梯度矢量,經過矢量場的積分后即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面的物體。
輪廓法
此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓聯機展現時,重建后將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上,每次旋轉一小角度后拍攝其圖像,再經由圖像處理技巧去除背景並取出輪廓線條,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,藉助人類視覺系統之獨特性能,輔助完成重建程序。這些方式都是基於照片攝影原理,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境。
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