三维扫描仪

　　三维扫描仪分类与功能

　　大体分为接触式三维扫描仪 和非接触式三维扫描仪 。其中非接触式三维扫描仪又分为光栅三维扫描仪（也称拍照式三维描仪）和激光扫描仪。而光栅三维扫描又有白光扫描或蓝光扫描等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。

　　三维扫描仪功能:

　　1：三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的 点云（point cloud），这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型（这个过程称做三维重建）。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，亦即所谓的材质映射（texture mapping）。

　　2： 三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。

　　手持式三维扫描仪

　　手持式三维扫描仪原理：线激光手持三维扫描仪，自带校准功能，采用635nm的红色线激光闪光灯，配有一部闪光灯和两个工业相机，工作时将激光线照射到物体上，两个相机来捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在物体上会发生反射和折射，然后这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。在扫描仪移动的过程中，光线会不断变化，而软件会及时识别这些变化并加以处理。光线投射到扫描对象上的频率高达28,000points/s，所以在扫描过程中移动扫描仪，哪怕扫描时动作很快，也同样可以获得很好的扫描效果，手持式三维扫描仪工作时使用反光型角点标志贴，与扫描软件配合使用，支持摄影测量和自校准技术。

　　定位目标可以使操作员根据其需要的任何方式360°移动物体。真正便携手持三维扫描仪，可装入手提箱，携带到作业现场或者工厂间转移十分方便。实现激光扫描技术的一些最高数据质量，保持较高解析度，同时在平面上保持较大三角形，从而生成较小的STL文件。设备的形状和重量分布有利于长时间使用，避免发生肌肉骨骼问题。功能多样并方便用户使用，允许在狭小空间内扫描几乎任何尺寸、形状或颜色的物体。

　　手持式三维扫描仪原理是基于拍照式三维扫描仪原有基础上设计的产品，扫描创建物体表面的点云图，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集创建的模型更精准，可进行三维重建。

　　拍照式三维扫描仪

　　拍照式三维扫描仪扫描原理类似于照相机拍摄照片而得名,是为满足工业设计行业应用需求而研发的产品,，它集高速扫描与高精度优势，可按需求自由调整测量范围，从小型零件扫描到车身整体测量均能完美胜任，具备极高的性能价格比。目前已广泛应用于工业设计行业中，真正为客户实现 "一机在手，设计无忧"！拍照式结构光三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。结构光三维扫描仪的基本原理是：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。拍照式三维扫描仪可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体(如汽车、摩托车外壳及内饰、家电、雕塑等)的测量。

　　拍照式三维扫描仪采用的是白光光栅扫描，以非接触三维扫描方式工作，全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，特别适用于复杂自由曲面逆向建模， 主要应用于产品研发设计（RD，比如快速成型、三维数字化、三维设计、三维立体扫描等）、逆向工程（RE，如逆向扫描、逆向设计）及三维检测CAV），是产品开发、品质检测的必备工具。三维扫描仪在部分地区又称为激光抄数机或者3D抄数机。

　　拍照式光学三维扫描仪，其结构原理主要由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCD Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。

　　拍照式三维扫描仪采用非接触白光技术，避免对物体表面的接触，可以测量各种材料的模型，测量过程中被测物体可以任意翻转和移动，对物件进行多个视角的测量，系统进行全自动拼接，轻松实现物体360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时，迅速的获取纹理信息，得到逼真的物体外形,能快速的应用于制造行业的扫描。

　　结构光便携式照相测量仪的特点：

　　1）扫描速度极快，数秒内可得到100多万点

　　2）一次得到一个面，测量点分布非常规则。

　　3）精度高，可达0.03mm

　　4）单次测量范围大（激光扫描仪一般只能扫描50mm宽的狭窄范围）

　　5）便携，可搬到现场进行测量。

　　6）可对无法放到工作台上的较重、大型工件（如模具、浮雕等）进行测量。

　　7）大型物体分块测量、自动拼合。

　　8）大景深（激光扫描仪的扫描深度一般只有100多毫米，而结构光扫描仪的扫描深度可达300~500mm

　　三维扫描仪的发展历程

　　第一种三维扫描仪：点测量

　　代表系统有：三坐标测量仪；点激光测量仪；关节臂扫描仪（精度不高）通过每一次的测量点反映物体表面特征，优点是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在测量高精密形位公差要求的物体上有优势。

　　定义：适合做物体表面形位公差检测用。

　　第二种三维扫描仪：线测量

　　代表系统有：三维台式激光扫描仪，三维手持式激光扫描仪，关节臂+激光扫描头。通过一段（一般为几公分，激光线过长会发散）有效的激光线照射物体表面，再通过传感器得到物体表面数据信息。

　　定义：适合扫描中小件物体，扫描景深小（一般只有5公分），精度较高，此代系统是发展比较成熟的,其新产品最高精度已经达到0.01微米。所以，精度上，其比肩点扫描。速度上已有极大地提高。在高精度工业设计领域，将有广阔用途。

　　第三种三维扫描仪：面扫描代表系统：拍照式三维扫描仪，三维摄影测量系统等。通过一组（一面光）光栅的位移，再同时经过传感器而采集到物体表面的数据信息。

　　应用

　　结构光三维扫描仪的典型应用

　　可用于包含下列应用的广泛领域：

　　逆向教学

　　1）逆向工程培训

　　2）逆向工程实训室

　　逆向工程(RE)/快速成型(RP)

　　1）扫描实物，建立CAD数据；或是扫描模型，建立用于检测部件表面的三维数据。

　　2）模具设计、精度要求低于0.05mm

　　3）对于不能使用三维CAD数据的部件，建立数据。

　　4）个性化设计，如服装CAD。

　　5）使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计。

　　6）有限元分析的数据捕捉。

　　检测(CAT)/CAE

　　1）生产线质量控制和曲面零件的形状检测 ,(精度需求低于0.05mm)

　　例如：金属铸件锻造、加工冲模和浇铸、塑料部件(压塑模、滚塑模、注塑模）、钢板冲压、木制品、复合及泡沫产品。

　　科学研究

　　1）计算机视觉

　　2）计算几何

　　3）考古研究

　　其他应用

　　1）文物、艺术品的录入和电子展示

　　2）动画造型

　　3）牙齿及畸齿矫正

　　4）整容及上颌面手术等等

　　测量方法分类

　　接触式扫描

　　接触式三维扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度，如座标测量机即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确，常被用于工程制造产业，然而因其在扫描过程中必须接触物体，待测物有遭到探针破坏损毁之可能，因此不适用于高价值对象如古文物、遗迹等的重建作业。此外，相较于其他方法接触式扫描需要较长的时间，现今最快的座标测量机每秒能完成数百次测量，而光学技术如激光扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。非接触主动式扫描主动式扫描是指将额外的能量投射至物体，借由能量的反射来计算三维空间信息。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与 X 射线。

　　时差测距

　　时差测距，或称'飞时测距'的3D激光扫描仪是一种主动式的扫描仪，其使用激光光探测目标物。图中的光达即是一款以时差测距为主要技术的激光测距仪。此激光测距仪确定仪器到目标物表面距离的方式，是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得。即仪器发射一个激光光脉冲，激光光打到物体表面后反射，再由仪器内的探测器接收信号，并记录时间。由于光速 为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍，故若令 为光信号往返一趟的时间，则光信号行走的距离等于。显而易见的，时差测距式的3D激光扫描仪，其量测精度受到我们能多准确地量测时间 ，因为大约 3.3 皮秒；微微秒）的时间，光信号就走了 1 公厘。

　　激光测距仪每发一个激光信号只能测量单一点到仪器的距离。因此，扫描仪若要扫描完整的视野(field of view)，就必须使每个激光信号以不同的角度发射。而此款激光测距仪即可通过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜(rotating mirrors)达成此目的。旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描、且精度较高，是较广泛应用的方式。典型时差测距式的激光扫描仪，每秒约可量测10,000到100,000个目标点。

　　三角测距

　　三角测距3D激光扫描仪，也是属于以激光光去侦测环境情的主动式扫描仪。相对于飞时测距法，三角测距法3D激光扫描仪发射一道激光到待测物上，并利用摄影机查找待测物上的激光光点。随着待测物（距离三角测距3D激光扫描仪）距离的不同，激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。这项技术之所以被称为三角型测距法，是因为激光光点、摄影机，与激光本身构成一个三角形。在这个三角形中，激光与摄影机的距离、及激光在三角形中的角度，是我们已知的条件。通过摄影机画面中激光光点的位置，我们可以决定出摄影机位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形，并可计算出待测物的距离。在很多案例中，人们以一线形激光条纹取代单一激光光点，将激光条纹对待测物作扫描，大幅加速了整个测量的进程。

　　手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形：通过手持式设备，对待测物发射出激光光点或线性激光光。 以两个或两个以上的侦测器（电耦组件 或 位置传感组件）测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点－通常是具黏性、可反射的贴片－用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入电脑中，并由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪，通常还会综合被动式扫描（可见光）获得的数据（如待测物的结构、色彩分布），建构出更完整的待测物3D模型。

　　结构光源

　　将一维或二维的图像投影至被测物上，根据图像的形变情形，判断被测物的表面形状，可以非常快的速度进行扫描，相对于一次测量一点的探头，此种方法可以一次测量多点或大片区域，故能用于动态测量。

　　调变光

　　使用投影机将正弦波调变之光栅投射于书本上。调变光三维扫描仪在时间上连续性的调整光线的强弱，常用的调变方式是周期性的正弦波。借由观察图像每个像素的亮度变化与光的相位差，即可推算距离深度。调变光源可采用激光或投影机，而激光光能达到极高之精确度，然而这种方法对于噪声相当敏感。

　　非接触被动式扫描

　　被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线（如激光），而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法，达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射，是相当容易取得并利用的，大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线，如红外线，也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下，被动式扫描法并不需要规格太特殊的硬件支持，这类被动式产品往往相当便宜。

　　立体视觉法

　　传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机，平行注视待重建之物体。此方法在概念上，类似人类借由双眼感知的图像相叠推算深度（当然实际上人脑对深度信息的感知历程复杂许多），若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度，而截取的左右两张图片又能成功叠合，则深度信息可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析，一般使用区块比对或对极几何算法达成。使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法，另有三眼视觉与其他使用更多摄影机的延伸方法。

　　色度成形法

　　早期由 B.K.P. Horn 等学者提出，使用图像像素的亮度值代入预先设计之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程组中的未知数多过限制条件，因此须借由更多假设条件缩小解集之范围。例如加入表面可微分性质、曲率限制、光滑程度以及更多限制来求得精确的解。此法之后由 Woodham 派生出立体光学法。

　　立体光学法

　　为了弥补光度成形法中单张照片提供之信息不足，立体光学法采用一个相机拍摄多张照片，这些照片的拍摄角度是相同的，其中的差别是光线的照明条件。最简单的立体光学法使用三盏光源，从三个不同的方向照射待测物，每次仅打开一盏光源。拍摄完成后，再综合三张照片并使用光学中的完美漫射模型解出物体表面的梯度矢量，经过矢量场的积分后即可得到三维模型。此法并不适用于光滑而不近似于朗伯表面的物体。

　　轮廓法

　　此类方法是使用一系列物体的轮廓线条构成三维形体。当物体的部分表面无法在轮廓联机展现时，重建后将丢失三维信息。常见的方式是将待测物放置于电动转盘上，每次旋转一小角度后拍摄其图像，再经由图像处理技巧去除背景并取出轮廓线条，搜集各角度之轮廓线后即可“刻划”成三维模型。

　　用户辅助

　　另外有些方法在重建过程中需要用户提供信息，借助人类视觉系统之独特性能，辅助完成重建程序。这些方式都是基于照片摄影原理，针对同个物体拍摄图像以推算三维信息。另一种类似的方式是全景重建，乃是在定点上拍摄四周图像使之得以重建场景环境。

　　三维扫描仪认识误区

　　1、分代误区：

　　个别厂商为了不当竞争目的，有时把结构光的三种具体形式（激光点，激光线，结构光栅）的扫描仪区分为一、二、三代。造成许多用户认识和选型上的误导和歧义。这是故意而为的错误，是严重的不当竞争和非法行为。

　　结构光的三种具体形式（激光点，激光线，结构光栅），其发展的主要目的，是针对不同的用途和不同的精度等级及工作效率的需求，而开发的产品。其使用和目的均有各自得市场，但随科技的发展，这几种产品，在用途上均会有部分交集的地方。比如，目前，国外百万左右的照相式扫描仪，也可以提供橄榄核级的细节精密测量。这就覆盖激光点线扫描仪的一些市场。 再如，国外高精密的激光线扫描仪，目前测量精度可到0.01微米。国内现在激光线扫描仪，其精度也可以做到0.05微米。那么，激光点扫描仪和激光线扫描仪相比，在精度上也没有了明显优势。但，显然，激光点，线扫描仪的市场与结构光栅扫描仪的市场，还是有明显区别的。这个区别就是通常在精度上，相差10倍或更多。

　　我们在选型和区分上。重点看的就是实际精度。这个是第一指标。举例：个别厂商，在销售上误导客户，客户需要测量皮纹，确买了一台照相式扫描仪。结果造成实际根本不能用。

　　2、精度误区：

　　扫描仪厂牌不同，型号不同。结构形式不同。其必然有其优势和劣势的地方。所以其测量精度等级各有不同。用户选型时，除了看标注的精度参数之外，还要通过实测产品样件，来获得正确评价。并且一般需要把精度指标写入合同中，以避免不法厂商的欺骗行为。

　　三维扫描仪使用常见问题

　　1．翻开扫描仪开关时，扫描仪宣布反常响声。这是因为有些类型的扫描仪有锁，其意图是为了锁紧镜组，避免运送中轰动，因此在翻开扫描仪电源开关前应先将锁翻开。

　　2．扫描仪接电后没有任何反响。有些类型的扫描仪是节能型的，只要在进入扫描界面后灯管才会亮，一旦退出后会主动平息。3．扫描时显现“没有找到扫描仪”。此表象有可能是因为先开主机，后开扫描仪所致使，可重新启动计算机或在设备管理中改写即可,。

　　4．扫描仪的分辨率与打印机的分辨率是不是是一个概念?大概如何依据扫描仪的分辨率选购打印机？

　　扫描仪的分辨率的单位严厉界说应当是ppi，而不是dpi。ppi是指每英寸的pixel数，关于扫描仪来说，每一pixel不是0或1这样简略的描绘联系，而是24bit、 36bit或CMYK（1004）的描绘。打印机的分辨率的dpi中的d是指英文中的dot，每一个dot没有深浅之分，仅仅0或1的概念，而关于扫描仪来说，1个pixel需求若干个4种dot（CMYK）来描绘，即一点的颜色由不一样的dot的疏密程度来决议。所以扫描仪的dpi与打印机的dpi概念不一样。用1440dpi的打印机输出1：l的图画，扫描时用100-150dpi左右的扫描即可。

　　5．扫描仪在扫描时呈现“硬盘空间不行或内存不足”的提示。首要，承认硬盘及内存是不是够，若空间很大，请查看您设定的扫描分辨率是不是太大形成文件数据量过大。

　　6. 扫描使噪音奇大。拆开机器盖子，找一些缝纫机油滴在卫生纸大将镜组两条轨道上的油垢擦净，再将缝纫机油滴在传动齿轮组及皮带两头的轴承上（注意油量适中），结尾恰当调整皮带的松紧。

　　7. 扫描时间过长。查看硬盘剩下容量，将硬盘空间最佳化，先删去无用的TMP文档，做Scandisk，再做Defrag或Speed Disk。请注意：假如结尾实践扫描分辨率的设定，高于扫描仪的光学分辨率，则扫描速度会变慢，这是正常表象。