三维扫描仪如何开启三维数字化新时代
在科技飞速发展的今天，三维扫描仪作为一种能够侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）的科学仪器，正逐渐走进人们的视野，广泛应用于多个领域，为我们的生活和工作带来了极大的便利。它就像是一把神奇的钥匙，开启了三维数字化的新时代。
一、工作原理：揭秘三维数据采集过程
（一）类比相机的独特视角
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，信息的搜集皆限定在一定的范围内。然而，二者又有着本质的区别。相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息，因此常以深度图像或距离图像称之。这种对距离的精确测量，是三维扫描仪构建三维模型的基础。
（二）创建点云与三维重建
三维扫描仪的主要用途是创建物体几何表面的点云。点云，简单来说，就是由大量离散的点组成的集合，这些点包含了物体表面各个位置的坐标信息。通过扫描仪对物体进行全方位扫描，获取到足够密集的点云数据。然后，利用这些点可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。若扫描仪能够获取表面颜色，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，使重建的模型更加逼真。
（三）应对扫描范围限制
由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型集成的技术称做图像配准或对齐，其中涉及多种三维比对方法。例如，在对一座大型雕塑进行扫描时，由于扫描仪无法一次捕捉到整个雕塑的全貌，就需要围绕雕塑从不同角度进行多次扫描，然后通过图像配准技术将这些扫描数据整合起来，最终得到完整的三维模型。
二、类型多样：满足不同场景需求
三维扫描仪根据工作方式的不同，主要分为接触式与非接触式两种，而非接触式又可细分为主动扫描与被动扫描，这些分类下又有众多不同的技术方法。
（一）接触式三维扫描仪
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，如坐标测量机（CMM, Coordinate Measuring Machine）即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确，在工程制造产业中，对零部件的尺寸精度要求极高，接触式三维扫描仪能够满足这种高精度的测量需求，常被用于精密零部件的检测与制造。例如，在汽车发动机的制造过程中，利用接触式三维扫描仪可以精确测量发动机缸体、活塞等零部件的尺寸，确保其符合设计要求，保证发动机的性能和质量。
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，这就使其不适用于高价值对象如古文物、遗迹等的重建作业。想象一下，用接触式扫描仪去扫描一件珍贵的古代瓷器，探针的触碰极有可能对瓷器表面造成不可逆的损伤。此外，相较于其他方法，接触式扫描需要较长的时间，现今最快的坐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。在追求效率的现代工业生产和快速发展的科技领域，接触式三维扫描仪的速度劣势逐渐凸显。
（二）非接触式三维扫描仪
1. 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 射线等。
- 时差测距（Time-of-Flight）：时差测距的 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。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。显而易见，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 皮秒的时间，光信号就走了 1 毫米。这种扫描仪在地形测绘领域应用广泛，例如在对山区地形进行测绘时，它能够快速获取大面积地形的三维数据，为城市规划、道路建设等提供重要的地形信息。
- 三角测距（Triangulation）：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。它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。随着待测物距离的不同，激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。激光光点、摄影机与激光本身构成一个三角形，通过已知的三角形条件和摄影机画面中激光光点的位置，可以计算出待测物的距离。在很多案例中，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。在工业生产中，对于一些小型零部件的快速检测，三角测距激光扫描仪能够高效地完成任务。例如，在手机零部件的生产线上，使用三角测距激光扫描仪可以快速检测零部件的尺寸和形状是否符合标准，提高生产效率和产品质量。
- 手持激光（Handhold Laser）：手持激光扫描仪透过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引用点，如具黏性、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。在文物修复工作中，工作人员可以手持激光扫描仪对文物进行现场扫描，获取文物的三维数据，为后续的修复方案制定提供准确依据。同时，手持式激光扫描仪还通常会综合被动式扫描（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（Structured Lighting）：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。在汽车制造中，对于汽车车身的检测，结构光源三维扫描仪能够快速获取车身表面的形状信息，检测车身是否存在变形等问题，确保汽车的安全性和美观性。
- 调变光（Modulated Lighting）：调变光三维扫描仪在时间上连续性地调整光线的强弱，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。在一些对精度要求极高的科研领域，如微观物体的三维测量，调变光三维扫描仪能够发挥其高精度的优势，为科研人员提供准确的数据支持。
2. 被动式扫描
被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线，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，是相当容易获取并利用的，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（Stereoscopic）：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。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。在电影制作中，利用立体视觉法的三维扫描仪可以对演员的动作和表情进行精确捕捉，为后期的特效制作和动画角色的动作设计提供丰富的数据，使电影画面更加逼真生动。
- 色度成形法（Shape from Shading）：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地解。这种方法在一些对物体表面细节要求不高，但需要快速获取大致形状的场景中应用，如对一些简单建筑物外观的快速建模。
- 立体光学法（Photometric Stereo）：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向量，经过向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。在文物数字化保护中，对于一些表面材质较为特殊的文物，立体光学法可以在不接触文物的情况下，获取其表面的一些特征信息，为文物的保护和研究提供帮助。
- 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线上展现时，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。在工业产品设计中，对于一些形状规则的产品，轮廓法可以快速生成其三维模型，为产品的设计和改进提供参考。
三、广泛应用：推动各行业变革发展
三维扫描仪凭借其独特的优势，在众多领域发挥着重要作用，推动着各行业的变革与发展。
（一）工业设计与制造
在工业设计阶段，设计师可以利用三维扫描仪对实物模型进行扫描，快速获取其三维数据，然后将这些数据导入到计算机辅助设计（CAD）软件中，进行修改和完善，大大缩短了产品设计周期。例如，某汽车制造公司在设计一款新型汽车时，设计师先用油泥制作出汽车模型，然后使用三维扫描仪对模型进行扫描，将扫描数据导入 CAD 软件后，能够轻松地对汽车的外观线条、车身比例等进行调整和优化，使设计更加符合市场需求和审美标准。
在制造过程中，三维扫描仪可用于质量检测，对生产出来的零部件进行扫描，与原始设计模型进行对比，快速检测出零部件是否存在尺寸偏差、形状缺陷等问题，提高产品质量。如在航空航天领域，对于飞机发动机叶片等关键零部件的制造，通过三维扫描仪进行质量检测，确保叶片的尺寸精度和表面质量符合严格的航空标准，保障飞机的安全飞行。
（二）逆向工程
逆向工程是三维扫描仪的重要应用领域之一。通过对现有产品进行扫描，获取其三维模型，然后对模型进行分析和研究，从而实现产品的复制、改进或创新。例如，某企业想要对一款国外先进的机械设备进行国产化改进，但缺乏相关的设计图纸。此时，利用三维扫描仪对该机械设备进行全方位扫描，得到其精确的三维模型。工程师们通过对模型的分析，了解设备的结构和工作原理，在此基础上进行优化设计，最终实现了该机械设备的国产化生产，并且在性能上有了进一步提升。
（三）文化遗产保护
三维扫描仪在文化遗产保护方面具有不可替代的作用。对于古文物、古建筑等文化遗产，通过扫描可以获取其精确的三维数据，建立数字化档案，为文化遗产的保护、修复和研究提供重要依据。比如，对于一些地处偏远、难以到达的古建筑，利用三维扫描仪进行远程扫描，能够完整地记录下古建筑的结构和外观细节。在对敦煌莫高窟的保护工作中，三维扫描仪对洞窟内的壁画和佛像进行了高精度扫描，建立了详细的数字模型。这些数字模型不仅可以用于学术研究，还可以通过虚拟现实等技术让更多人远程欣赏到莫高窟的艺术魅力，同时也为壁画和佛像的修复工作提供了精确的数据支持，确保修复工作能够最大程度地还原其原始风貌。
（四）医疗领域
在医疗领域，三维扫描仪可用于医疗模型制作、手术规划、假肢定制等方面。例如，在假肢定制过程中，通过对患者残肢进行扫描，获取精确的三维数据，根据这些数据定制出贴合患者残肢的假肢，提高假肢的舒适度和适配性。对于复杂的手术，医生可以利用三维扫描仪对患者的病变部位进行扫描，建立三维模型，在手术前进行模拟手术，制定更加精准的手术方案，提高手术成功率。如在骨科手术中，通过对患者骨骼的三维扫描模型，医生可以清晰地了解骨骼的病变情况，提前规划手术步骤，选择合适的植入物，减少手术风险。
（五）影视游戏制作
在影视和游戏制作中，三维扫描仪能够快速创建逼真的场景、角色和道具模型，提高制作效率和质量。在电影《阿凡达》的制作过程中，制作团队使用三维扫描仪对演员的面部表情和身体动作进行了精确捕捉，将这些数据应用到电影角色的动画制作中，使角色的表演更加生动逼真。在游戏开发中，通过对现实场景和物体进行扫描，能够快速创建游戏中的虚拟环境和道具，增强游戏的真实感和沉浸感。例如，对一座古老城堡进行扫描，将其三维模型应用到游戏中，为玩家呈现出更加逼真的游戏场景。
（六）教育科研
在教育和科研领域，三维扫描仪为学生和研究人员提供了直观、准确的研究工具。在高校的机械工程专业教学中，学生可以使用三维扫描仪对机械零部件进行扫描和分析，更好地理解机械结构和设计原理。在科研方面，对于一些微观物体或复杂的自然现象，利用三维扫描仪可以获取其三维数据，进行深入研究。如在生物学研究中，对昆虫的翅膀、植物的细胞结构等进行三维扫描，有助于科学家更深入地了解生物的形态和功能，为相关领域的研究提供新的视角和方法。
四、常见问题解答
（一）三维扫描仪的精度受哪些因素影响？
三维扫描仪的精度受多种因素影响，包括扫描仪本身的技术原理、设备性能、扫描环境（如光线、温度、湿度等）、被测物体的表面特性（如颜色、材质、粗糙度等）以及操作人员的技能水平等。例如，接触式三维扫描仪的精度可能会受到探针磨损的影响；非接触式三维扫描仪中，激光扫描仪的精度可能会受到环境光干扰，而结构光源扫描仪的精度可能会因被测物体表面反光或透明而降低。
（二）不同类型的三维扫描仪价格差异为何较大？
不同类型的三维扫描仪价格差异较大主要是由于其技术复杂程度、精度高低、扫描速度、应用场景针对性等因素决定的。一般来说，接触式三维扫描仪由于其机械结构和高精度测量的要求，设备成本较高；非接触式三维扫描仪中，主动式扫描技术如激光扫描仪，尤其是高精度、高速度的产品，价格相对较高，因为其涉及到复杂的激光发射与接收系统以及精密的光学和电子元件。而被动式扫描技术相对简单，硬件要求较低，价格通常较为亲民。此外，针对特定高端应用场景，如航空航天、医疗等领域的专业三维扫描仪，由于对精度、稳定性等方面有极高要求，价格也会显著高于普通用途的扫描仪。
（三）三维扫描仪获取的数据如何进行后期处理？
三维扫描仪获取的数据通常以点云的形式存在，后期处理一般包括数据去噪、滤波、拼接、表面重建、模型优化等步骤。首先，通过去噪和滤波操作去除数据中的噪声点和异常值，提高数据质量。然后，对于多次扫描的数据，使用拼接算法将不同角度的点云数据准确拼接在一起，形成完整的物体点云。接着，利用表面重建算法将点云数据转换为多边形网格模型，构建物体的表面形状。最后，对生成的模型进行优化，如简化网格、修复漏洞、调整表面光滑度等，使其满足不同应用场景的需求。常用的后期处理软件有 Geomagic、3DMAX、Maya 等，不同软件在功能和操作上各有特点，用户可根据具体需求选择合适的软件进行处理。
（四）三维扫描仪在扫描大型物体时存在哪些挑战？如何解决？
三维扫描仪在扫描大型物体时面临诸多挑战。一方面，由于扫描范围有限，需要进行多次扫描和拼接，这增加了数据处理的复杂性和误差积累的可能性。另一方面，大型物体的表面特征可能较为复杂，如存在大面积的平面、反光表面或遮挡部分，会影响扫描精度和完整性。为解决这些问题，可以采用以下方法：一是使用具有大视场角或可扩展扫描范围的三维扫描仪；二是通过合理规划扫描路径，增加扫描重叠区域，提高拼接精度；三是对于反光表面，可以使用哑光喷剂或贴纸降低反光影响；四是针对遮挡部分，可采用多角度扫描或结合辅助设备（如旋转平台）来获取完整数据；五是利用先进的数据处理算法，对扫描数据进行优化和修复，减少误差和缺失数据的影响。
三维扫描仪如何开启三维数字化新时代
相关文章