3D掃描儀調(diào)研報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上4 CADScan3D：廉價(jià)的桌面式3D掃描儀在使用3D打印機(jī)的過(guò)程中，有一個(gè)環(huán)節(jié)就是建模。一般情況下，使用者要借助支持輸出stl格式的軟件進(jìn)行建模，然后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)。這對(duì)于設(shè)計(jì)專業(yè)的人來(lái)說(shuō)并不算難，換是普通的PC用戶呢？去年底的時(shí)候，潘昊在小編面前展示了一個(gè)更簡(jiǎn)便的建模方法：借用Autodesk公司的免費(fèi)軟件進(jìn)行360°拍照，然后把相應(yīng)的圖片上傳到云端。過(guò)了一段時(shí)間后，相應(yīng)的建模代碼會(huì)從云端反饋過(guò)來(lái)，直接可用。不過(guò)這個(gè)軟件也有一些不足，比如說(shuō)無(wú)法保證iPad/iPhone拍攝的距離、角度完全一致。如果在拍攝的過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)狀況的話，也有可能

2、會(huì)影響效果。早些時(shí)候，CADScan3D這款3D掃描儀成功在Kickstarter上獲得9.7萬(wàn)美元的融資，它主要是提供一個(gè)廉價(jià)的桌面式3D掃描解決方案。在集資期間，他們?cè)?jīng)以599英鎊的優(yōu)惠價(jià)格賣給早批支持用戶。CADScan3D使用起來(lái)很簡(jiǎn)單：把體積小于250mm×250mm×250mm的產(chǎn)品放到轉(zhuǎn)盤(pán)中央，按下啟動(dòng)鍵后，分別位于上方和側(cè)面的兩個(gè)掃描頭會(huì)隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，從而把物品的顏色、形狀展現(xiàn)到電腦屏幕前面。精度方面，這款產(chǎn)品可以達(dá)到0.2mm。為了減少物品表面反射所帶來(lái)的影響，這款機(jī)器會(huì)使用高分辨率和低分辨率相互結(jié)合的方式，并借助白光掃描技術(shù)捕捉物品的外

3、觀細(xì)節(jié)。據(jù)他們?cè)贙ickstarter上的介紹，為了降低成本，設(shè)備的掃描頭是他們自己研發(fā)的，不需要昂貴的投影組建和光學(xué)組件。如果你是一位創(chuàng)客，而且覺(jué)得這款產(chǎn)品還是貴了點(diǎn)的話，可以在網(wǎng)上搜索“”，自己打造一個(gè)廉價(jià)的激光3D掃描儀。Via：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(diǎn)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(diǎn)云（point cloud），這些點(diǎn)可用來(lái)插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的

4、點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個(gè)過(guò)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)印射（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(cè)量的是距離。拍照式三維掃描儀拍照式三維掃描儀原理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(jì)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(shì)，可按需求自由調(diào)整測(cè)量范圍，從小型零件掃描到車身整體測(cè)量均能完美勝任，具備極高的性能價(jià)格比。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)行

5、業(yè)中，真正為客戶實(shí)現(xiàn) "一機(jī)在手，設(shè)計(jì)無(wú)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(cè)量設(shè)備，采用的是目前國(guó)際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測(cè)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(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù)。采用這種測(cè)量原理，使得對(duì)物體進(jìn)行照相測(cè)量成為可能，所謂照相測(cè)量，就是類似于照相機(jī)對(duì)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(cè)量?jī)x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(shí)測(cè)量一個(gè)面。測(cè)量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測(cè)物體上，成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同

6、步采得相應(yīng)圖象，然后對(duì)圖象進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理,解算出兩個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)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(chǎng)測(cè)量，并可調(diào)節(jié)成任意角度作全方位測(cè)量，對(duì)大型工件可分塊測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)自動(dòng)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(cè)量。三維掃描儀原理圖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(dòng)拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)（RD，比如快速成型、三維數(shù)字化、三維設(shè)計(jì)、三維立體掃描等）、逆向工程（RE，如逆向掃

7、描、逆向設(shè)計(jì)）及三維檢測(cè)CAV），是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、品質(zhì)檢測(cè)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(gè)工業(yè)級(jí)的CCD Camera所構(gòu)成，由光柵投影在待測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，即可得知待測(cè)物的實(shí)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(duì)物體表面的接觸，可以測(cè)量各種材料的模型，測(cè)量過(guò)程中被測(cè)物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動(dòng)，對(duì)物件進(jìn)行多個(gè)視角的測(cè)量，系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)拼接，輕松實(shí)現(xiàn)物體360高精度測(cè)量。并且能夠在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時(shí)，迅速的獲取紋理信息，得到

8、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(cè)量?jī)x的特點(diǎn)：1）掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬(wàn)點(diǎn)2）一次得到一個(gè)面，測(cè)量點(diǎn)分布非常規(guī)則。3）精度高，可達(dá)0.03mm4）單次測(cè)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(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。6）可對(duì)無(wú)法放到工作臺(tái)上的較重、大型工件（如模具、浮雕等）進(jìn)行測(cè)量。7）大型物體分塊測(cè)量、自動(dòng)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)300500mm三維掃描儀的發(fā)展歷程第一種三維掃描儀：點(diǎn)測(cè)量代表系統(tǒng)有：三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x；點(diǎn)激光測(cè)量?jī)x；關(guān)節(jié)臂掃描儀（精度不高）通過(guò)每一次的測(cè)

9、量點(diǎn)反映物體表面特征，優(yōu)點(diǎn)是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在測(cè)量高精密形位公差要求的物體上有優(yōu)勢(shì)。定義：適合做物體表面形位公差檢測(cè)用。第二種三維掃描儀：線測(cè)量代表系統(tǒng)有：三維臺(tái)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(guò)一段（一般為幾公分，激光線過(guò)長(zhǎng)會(huì)發(fā)散）有效的激光線照射物體表面，再通過(guò)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，掃描景深小（一般只有5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(diǎn)掃描。速度上已有極大地提高。在高精度工業(yè)設(shè)計(jì)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

10、三維掃描儀，三維攝影測(cè)量系統(tǒng)等。通過(guò)一組（一面光）光柵的位移，再同時(shí)經(jīng)過(guò)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(shí)訓(xùn)室逆向?qū)嵱?xùn)室逆向工程(RE)/快速成型(RP)1）掃描實(shí)物，建立CAD數(shù)據(jù)；或是掃描模型，建立用于檢測(cè)部件表面的三維數(shù)據(jù)。2）模具設(shè)計(jì)、精度要求低于0.05mm3）對(duì)于不能使用三維CAD數(shù)據(jù)的部件，建立數(shù)據(jù)。4）個(gè)性化設(shè)計(jì)，如服裝CAD。5）使用由RP創(chuàng)建的真實(shí)模型，建立和完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。6）有限元分析的數(shù)據(jù)捕捉。檢測(cè)(CAT)/CAE1）生產(chǎn)線質(zhì)量控制和曲面零件的形狀檢測(cè) ,(精度需求低于0

11、.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?？茖W(xué)研究1）計(jì)算機(jī)視覺(jué)2）計(jì)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(dòng)畫(huà)造型3）牙齒及畸齒矯正4）整容及上頜面手術(shù)等等2測(cè)量方法分類接觸式掃描接觸式三維掃描儀通過(guò)實(shí)際觸碰物體表面的方式計(jì)算深度，如座標(biāo)測(cè)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(guò)程中必須接觸物體，待測(cè)物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用于高價(jià)值對(duì)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(zhǎng)的時(shí)間，現(xiàn)今最快的座標(biāo)測(cè)量機(jī)每秒能完

12、成數(shù)百次測(cè)量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運(yùn)作頻率則高達(dá)每秒一萬(wàn)至五百萬(wàn)次。非接觸主動(dòng)式掃描主動(dòng)式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來(lái)計(jì)算三維空間信息。常見(jiàn)的投射能量有一般的可見(jiàn)光、高能光束、超音波與 X 射線。時(shí)差測(cè)距時(shí)差測(cè)距，或稱'飛時(shí)測(cè)距'的3D激光掃描儀是一種主動(dòng)式的掃描儀，其使用激光光探測(cè)目標(biāo)物。圖中的光達(dá)即是一款以時(shí)差測(cè)距為主要技術(shù)的激光測(cè)距儀。此激光測(cè)距儀確定儀器到目標(biāo)物表面距離的方式，是測(cè)定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時(shí)間換算而得。即儀器發(fā)射一個(gè)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(cè)器接收信號(hào)，并記錄時(shí)間。由于光速 為一已知條件，光信號(hào)往

13、返一趟的時(shí)間即可換算為信號(hào)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(hào)往返一趟的時(shí)間，則光信號(hào)行走的距離等于。顯而易見(jiàn)的，時(shí)差測(cè)距式的3D激光掃描儀，其量測(cè)精度受到我們能多準(zhǔn)確地量測(cè)時(shí)間 ，因?yàn)榇蠹s 3.3 皮秒；微微秒）的時(shí)間，光信號(hào)就走了 1 公厘。激光測(cè)距儀每發(fā)一個(gè)激光信號(hào)只能測(cè)量單一點(diǎn)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(gè)激光信號(hào)以不同的角度發(fā)射。而此款激光測(cè)距儀即可通過(guò)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。

14、典型時(shí)差測(cè)距式的激光掃描儀，每秒約可量測(cè)10,000到100,000個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。三角測(cè)距三角測(cè)距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測(cè)環(huán)境情的主動(dòng)式掃描儀。相對(duì)于飛時(shí)測(cè)距法，三角測(cè)距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測(cè)物上，并利用攝影機(jī)查找待測(cè)物上的激光光點(diǎn)。隨著待測(cè)物（距離三角測(cè)距3D激光掃描儀）距離的不同，激光光點(diǎn)在攝影機(jī)畫(huà)面中的位置亦有所不同。這項(xiàng)技術(shù)之所以被稱為三角型測(cè)距法，是因?yàn)榧す夤恻c(diǎn)、攝影機(jī)，與激光本身構(gòu)成一個(gè)三角形。在這個(gè)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(guò)攝影機(jī)畫(huà)面中激光光點(diǎn)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(xiàng)條件可以決定

15、出一個(gè)三角形，并可計(jì)算出待測(cè)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(diǎn)，將激光條紋對(duì)待測(cè)物作掃描，大幅加速了整個(gè)測(cè)量的進(jìn)程。手持激光掃描儀通過(guò)上述的三角形測(cè)距法建構(gòu)出3D圖形：通過(guò)手持式設(shè)備，對(duì)待測(cè)物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光光。 以兩個(gè)或兩個(gè)以上的偵測(cè)器（電耦組件 或 位置傳感組件）測(cè)量待測(cè)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(diǎn)通常是具黏性、可反射的貼片用來(lái)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(huì)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(huì)綜合被動(dòng)式掃描（可見(jiàn)光）獲得的數(shù)據(jù)（如待測(cè)物的結(jié)構(gòu)、色彩分布），建構(gòu)出更完整的待測(cè)物

16、3D模型。結(jié)構(gòu)光源將一維或二維的圖像投影至被測(cè)物上，根據(jù)圖像的形變情形，判斷被測(cè)物的表面形狀，可以非常快的速度進(jìn)行掃描，相對(duì)于一次測(cè)量一點(diǎn)的探頭，此種方法可以一次測(cè)量多點(diǎn)或大片區(qū)域，故能用于動(dòng)態(tài)測(cè)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(shū)本上。調(diào)變光三維掃描儀在時(shí)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(gè)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(duì)于噪聲相當(dāng)敏感。非接觸被動(dòng)式掃描被動(dòng)式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線（如激光），而是以測(cè)量由待測(cè)物表面反射周遭輻射線的方法，達(dá)到預(yù)期的效果。由

17、于環(huán)境中的可見(jiàn)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(cè)環(huán)境的可見(jiàn)光為主。但相對(duì)于可見(jiàn)光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應(yīng)用于這項(xiàng)用途的。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，被動(dòng)式掃描法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支持，這類被動(dòng)式產(chǎn)品往往相當(dāng)便宜。立體視覺(jué)法傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個(gè)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(shí)際上人腦對(duì)深度信息的感知?dú)v程復(fù)雜許多），若已知兩個(gè)攝影機(jī)的彼此間距與焦距長(zhǎng)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(duì)或?qū)O幾何算法達(dá)成。使用兩個(gè)攝影機(jī)的

18、立體視覺(jué)法又稱做雙眼視覺(jué)法，另有三眼視覺(jué)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(jì)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(guò)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(lái)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(gè)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(jiǎn)單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個(gè)不同的方向照射待測(cè)物，每次僅打開(kāi)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(guò)矢量場(chǎng)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