3D扫描

曹杨Page2前言在日常生活中，我们经常能见到“3D”这个符号，如：3D电影，3D显示，3D打印，3D扫描等等。前两种相信大家已经能耳熟能详，而3D扫描对大部分人来说是一个陌生的词语。那么什么是3D扫描技术呢？3D扫描技术有哪些应用范围和优缺点呢？本PPT将全面系统的介绍3D扫描。Page3目录3D扫描的发展史3D扫描的主要技术开源项目主要厂商发展趋势发展现状Page4虚拟现实就是在一定软硬件的基础之上，创建尽可能真实的3D立体的场景和对象，在虚拟仿真中，场景和对象的真实感是最为关键一个因素。20世纪90年代，虚拟现实(VR)技术作为一门崭新的综合性信息技术出现，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术的技术分支，与此同时诞生的还有3D立体扫描技术。3D扫描的发展Page5随着观众对虚拟现实技术所展现的场景的精细性、准确性、真实性要求的不断提高，对于现实世界的真实数据获取和精细建模的瓶颈日趋明显并严重制约着虚拟现实技术的前进步伐。随着3D立体扫描技术的出现，它完美的解决了虚拟现实技术的实现真实场景过程中的数据获取的难题。Page6三维激光扫描技术不同于单纯的测绘技术(因为传统的高精度测绘技术已经很多，也够用了)，它主要面向高精度逆向三维建模及重构，您知道，传统测绘技术主要是单点精确测量，但用它做建模工作时就爱莫能助了，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几万个，多则几百万以上，这样才能把目标完整的搬到电脑中来，所以，用现代高精度传感技术做辅助就解决了这个问题，三维激光扫描技术就是这类全自动高精度立体扫描的技术。三维激光扫描技术的应用面非常宽广，它是正向建模(如：由人工操作CATIA、UG、CAD)的对称应用，所以说它为逆向建模技术(如：从实体或实景中直接还原出模型)。逆向建模可以将设计、生产、实验、使用等过程中的变化内容重构回来，然后进行各种结构特性分析(如：形变、应力、效能、过程、工艺、姿态、预测等)、检测、模拟、仿真、CIMS、CMMS、虚拟现实、柔性制造、虚拟制造、虚拟装配等，这对于有限元分析、工程力学分析、流体动力分析等软件来说是非常重要的，对于精度适合的工作还可以进行后处理测绘、计量等。Page73D扫描技术简介高速三维扫描及数字化系统在反求工程中发挥着巨大作用，高速三维扫描仪已在我国多家模具厂点得到应用,取得良好效果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能,大大缩短了模具的研制制造周期。由于三维扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用,相信以后将发挥更大的作用。三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。Page83D扫描技术向我们展示了无限的可能性。想象一下你可以拍摄现实世界里的任何物体，然后在几分钟就取得它的数字模型。这其实不光是想象了，每天都有数以千计的公司，使用3D扫描仪建立CAD模型，检验物体质量或者其他各种工作。3D扫描仪以及相应的软件已经触手可及。3D扫描仪变得更快，更便宜，同时更精准，而3D扫描处理软件则更自动化，效果更好，效率也不断提升。Page93D扫描的主要技术3D扫描技术是一种非接触式的建模工作。最突出的好处就是获得外形而又不会因为接触而破坏物体原有的面貌，这对于很多珍贵的文物、比较脆弱的物体，都有非常重要的意义。并且有很多物体原件体积非常庞大，只有借助三维扫描仪才能实现计算机的数字化建模。3D扫描的原理：原型、点云、结网3D模型Page10三维扫描仪的原理非常简单：在被扫描物体表面取一些点，计算这些点与扫描仪之间的距离，当测量的点足够多，就能得到被扫描物体的轮廓，把这些点相邻的之间建立联系，就是三维立体的模型。三角测量法，需要两个摄像头Page11现在的3D扫描仪，摄像头位置是固定的，发射的激光不再是像测距仪一样只有一个点，而是一道光栅，这样就能同时测量多个点，并且算法上也更多的时候的是三角法：摄像头与发射器之间的距离是已知的，各个点返回的光的时间是可测量的，并且摄像头也知道照射的角度，所以很容易就能通过三角函数来得到摄像头到被扫描物体之间的值。三角法虽好，但是要俩摄像头，所以一般来说很贵，现在很多是用照相法。工业级的3D扫描仪精度高，价格非常昂贵Page12什么是3D扫描仪有很多设备都能被称为3D扫描仪。我们可以将用激光、射线或者X光扫描物理世界，进而生成密集的点云或者多边形网格的设备称为3D扫描仪。他们还有很多其他名字，比如3D数字化仪，激光扫描仪，白光扫描仪，工业CT，或者是激光雷达之类的。这些设备的共同点是，他们通过无数次的测量，来构建物体表面的几何信息。三维扫描仪(3Dscanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中建立实际物体的数位模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数位文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。Page13三维扫描仪发展史代表系统有：三坐标测量扫描仪;点激光测量扫描仪;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，只能在测量较规则物体上有优势。第一代三维扫描仪：点测量扫描代表系统：拍照式三维扫描仪，结构光、光栅式扫描仪，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。第三代三维扫描仪：面测量扫描代表系统有：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。第二代三维扫描仪：线测量扫描Page14三维扫描仪是依靠创建物体几何表面的点云(pointcloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云越可以创建更精确的模型(这个过程称为三维建模或者三维重建)。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，亦即所谓的材质印射(texturemapping)。三维扫描仪原理无论扫描仪的类型如何，三维扫描仪的构造原理都是相近的。三维扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。三维扫描仪工作原理Page15为什么需要3D扫描软件扫描仪能够得到大量数据，这些数据需要在Geomagic这样的专业软件中处理，才能够被更多的软件使用。根据最终用途的不同，Geomagic可以对数据进行不同的处理。3D扫描最广泛的用处，包括逆向工程，检测，数字归档，和3D打印。类似Geomagic的软件能够将3D扫描仪的潜力最大范围的发挥出来。Page16三维扫描仪的用途是建立物体几何表面的点云(pointcloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以建立更精确的模型(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贴上材质贴图，亦即所谓的材质印射(texturemapping)。三维扫描示意图三维扫描仪的功能Page17三维扫描仪可类比为照相机，它们的视线范围都呈现圆锥状，资讯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资讯，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度资讯，因此常以深度影像(depthimage)或距离影像(rangedimage)称之。由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描器与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘(turnabletable)上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型整合的技术称做影像注册(imageregistration)或对齐(alignment)，其中涉及多种三维比对(3D-matching)方法。Page183D扫描仪的分类三维扫描仪分类为接触式(contact)与非接触式(non-contact)两种，后者又可分为主动扫描(active)与被动扫描(passive)，这些分类下又细分出众多不同的技术方法。使用可见光影像达成重建的方法，又称做基于机器视觉（vision-based）的方式，是今日机器视觉研究主流之一。Page193D雷射扫描仪，可用于扫描建筑物Page20接触式三维扫描仪透过实际触碰物体表面的方式计算深度，如座标测量机(CMM,CoordinateMeasuringMachine)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物件如古文物、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，而光学技术如雷射扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。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(如雷射)，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援，这类被动式产品往往相当便宜。非接触被动式扫描包括：立体视觉法(Stereoscopic)、色度成形法(ShapefromShading)、立体光学法(PhotometricStereo)和轮廓法等。Page21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资讯。就是像物体投射特定的光，其中代表技术激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。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。非接触主动式扫描包括：时差测距(Time-of-Flight)、三角测距(Triangulation)、手持雷射(HandholdLaser)、结构光源(StructuredLighting)和调变光(ModulatedLighting)等等。Page223D扫描工作方式根据成像原理的不同，3D扫描仪有多种工作方式。有些方式适合短程扫描，其他一些则适合中程以及远程扫描。Page23短程扫描（焦距小于1米）激光三角法3D扫描仪激光三角法扫描仪使用激光线或单一的激光点扫描整个物体。传感器接收来自物体的反光，并且使用三角函数计算物体到扫描仪的距离。激光光源与传感器之间的距离和角度都是事先预知的。当物体反射激光时，系统可以得到反射光线的入射角度，进而得到光源与物体表面之间的距离。Page24结构光（白光或蓝光）3D扫描仪结构光扫描仪同样依据三角函数原理，但是并非使用激光，而是依靠向物体投射一系列光线组合，然后通过检测光线的边缘来测量物体与扫描仪之间的距离。Page25短程3D扫描仪优势劣势形式更丰富一般精确度不高激光三角法无需表面处理分辨率较低构造简单高噪声对环境光要求低更精确只有区域扫描一种形式结构光分辨率较高一般不可手持低噪声需要表面预处理对光线要求高Page26中远程扫描（焦距大于2米）激光脉冲3D扫描仪激光脉冲扫描仪，又称飞行时间扫描仪，基于一个简单的概念：我们精确的知道光线的速度，所以如果我们可以测量激光射向物体然后返回到传感器的时间，我们就能知道物体离我们多远。这样的设备一般可以