浅谈3D扫描技术

       3D扫描是分析现实对象或环境以收集有关其形状以及可能的外观（例如颜色）的数据的过程。然后，收集到的数据可用于构建数字3D模型。

       收集的3D数据可用于多种应用领域。目前这些技术已被泛娱乐业广泛用于电影和视频游戏（包括虚拟现实）的生产中。3D扫描技术的其他常见应用包括增强现实，运动捕捉，手势识别，机器人绘图，工业设计，矫正和假肢，逆向工程和原型设计，质量控制/检查和数字化文创。

1.    功能

       3D扫描仪与相机具有一些共同特征。像大多数相机一样，它们具有圆锥形的视场，并且像相机一样，它们只能收集有关未被遮盖的表面的信息。相机是收集有关其视场内表面的颜色信息时，3D扫描仪是收集有关其视场内表面的距离信息。3D扫描仪产生的“图片”描述了图像中每个点到表面的距离。这允许识别图像中每个点的三维位置。

       在大多数情况下，单次扫描不会产生完整的对象模型。通常需要从许多不同方向进行多次扫描，甚至数百次，以获取有关对象各个方面的信息。这些扫描必须带入一个通用的参考系统中，该过程通常称为对齐或配准，然后合并以创建完整的3D模型。从单个范围图到整个模型的整个过程通常称为3D扫描过程。

2.  技术

      有多种技术可以获取3D对象的数字化形状。目前完善的分类将它们分为两种类型：接触式和非接触式。非接触式解决方案可进一步分为主动和被动两大类。这些类别中的每一个都有各种各样的技术。

2.1.  接触式

       三坐标测量机——接触式3D测量设备通过物理接触探测对象，同时使对象与精密平板 接触或放置在其上，然后研磨并抛光至特定的最大表面粗糙度。如果要采集的物体不是平坦的或无法稳定地放置在平坦的表面上，则用夹具将其支撑并牢固地固定在适当的位置。

2.2.  非接触式

      有源扫描仪会发出某种辐射或光，并检测其反射或辐射穿过物体的过程，以探测物体或环境。可能使用的发射类型包括光，超声或X射线。

A.   飞行时间技术

       激光雷达扫描仪可用于扫描建筑物，岩层等，以生成3D模型。激光雷达可以在很宽的范围内对准激光束：其头部水平旋转，镜子垂直翻转。激光束用于测量到第一个物体在其路径上的距离。

       飞行时间3D激光扫描仪是一种有源扫描仪，它使用激光来探测对象。这种扫描仪的核心是飞行时间激光测距仪。激光测距仪通过定时光脉冲的往返时间来找到表面的距离。使用激光发射光脉冲，并测量检测器看到反射光之前的时间。自光速C众所周知，往返时间决定了光线的传播距离，该距离是扫描仪与表面之间距离的两倍。如果T是往返时间，则距离等于C*T/2。飞行时间3D激光扫描仪的精度取决于我们可以测量的精度T时间：光传播1毫米所需的时间为3.3皮秒。

        激光测距仪只能检测一个点在其视线方向上的距离。因此，扫描仪通过更改测距仪的视角来一次扫描整个视场，以扫描不同的点。可以通过旋转测距仪本身或使用旋转镜系统来更改激光测距仪的观察方向。通常使用后一种方法，因为反射镜要轻得多，因此可以更快，更准确地旋转。典型的飞行时间3D激光扫描仪每秒可测量10,000〜100,000点的距离。

B.   三角剖分技术

       三角剖分基于3D的激光扫描仪也是使用激光探测环境的有源扫描仪。对于飞行时间3D激光扫描仪，三角测量激光将激光照射到对象上，并利用相机寻找激光点的位置。根据激光照射表面的距离，激光点会出现在相机视场的不同位置。这项技术称为三角测量，因为激光点，相机和激光发射器形成一个三角形。三角形的一侧的长度，照相机与激光发射器之间的距离是已知的。激光发射器角的角度也是已知的。可以通过查看激光点在相机视场中的位置来确定相机角的角度。在大多数情况下，将激光条而不是单个激光点扫过物体，以加快采集过程。

C.  圆锥全息技术

      在锥镜系统中，激光束被投射到表面上，然后沿着相同光线路径的立即反射穿过锥镜晶体并投射到CCD上。结果是衍射图，可以对其进行频率分析，以确定到被测表面的距离。圆锥全息术的主要优点是仅需测量一条光线路径，从而提供了测量例如细孔深度的机会。

优点和缺点

      飞行时间和三角测量测距仪各有优缺点，因此适合不同情况。飞行时间测距仪的优势在于，它们能够在非常长的距离（约千米）上运行。因此，这些扫描仪适用于扫描大型结构，例如建筑物或地理特征。飞行时间测距仪的缺点是精度不高。由于光的高速度，难以安排往返时间，并且距离测量的精度相对较低，约为毫米。

      三角测距法恰好相反。虽然它们的范围有限，只有几米，但是它们的精度相对较高。三角测距仪的精度约为几十微米。

3.  主流产品

3.1. 手持式激光扫描仪

     手持式激光扫描仪通过上述三角测量机制创建3D图像：激光点或线从手持式设备投射到物体上，传感器（通常是电荷耦合设备或位置敏感设备）测量距离到表面。相对于内部坐标系收集数据，因此要在扫描仪运动的情况下收集数据，必须确定扫描仪的位置。位置可以由扫描仪使用被扫描表面上的参考特征（通常为粘合性反射贴片，自然特征也已用于研究工作）或使用外部跟踪方法确定。外部跟踪通常采用以下形式集成了摄像头（以确定扫描仪的方向）的激光跟踪器（以提供传感器位置）或使用3个或更多摄像头的摄影测量解决方案，可提供扫描仪的完整六个自由度。两种技术都倾向于使用连接到扫描仪的红外、蓝外发光二极管，该发光二极管可以通过对环境照明具有适应性的滤光片被照相机看到。

       数据由计算机收集并记录为三维空间内的数据点，经过处理，可以将其转换为三角网格，然后转换为计算机辅助设计模型，通常是不均匀的有理B样条曲面。手持式激光扫描仪可以将这些数据与被动的可见光传感器（捕获表面纹理和颜色）组合在一起，以构建（或“反向工程”）完整的3D模型。

3.2.  结构光3D扫描仪

       结构光3D扫描仪将光的图案投射到对象上，并观察该图案在对象上的变形。使用LCD投影仪或其他稳定光源将图案投影到对象上。照相机从图案投影仪稍微偏移一点，然后观察图案的形状并计算视野中每个点的距离。

       结构光扫描仍然是一个非常活跃的研究领域，每年都会发表许多研究论文，市面上也经能经常看到形色各异的结构光扫描仪。模型贴图也已被证明可作为结构化的光图案来解决对应问题并允许错误检测和错误纠正。

       结构光3D扫描仪的优点是速度和便携。结构化光扫描仪不是一次扫描一个点，而是一次扫描多个点或整个视野。在几分之一秒的时间内扫描整个视场可以减少或消除运动引起的失真问题。一些现有的系统能够实时扫描运动对象。VisionMaster使用5百万像素的摄像头创建了3D扫描系统-每帧采集500万个数据点。

       现在有一种使用数字条纹投影和相移技术（某些结构光方法）的实时扫描仪，以每秒40帧的速度捕获，重建和渲染可动态变形的对象（例如面部表情）的高密度细节。最近，也有团队开发了另一台扫描仪。可以将不同的模式应用于此系统，并且用于捕获和数据处理的帧速率达到每秒120帧。它还可以扫描孤立的表面，例如两只移动的手。通过利用二进制散焦技术，已经取得了速度突破，可以达到每秒数百到数千帧。

3.3.  调制光3D扫描仪

       调制光3D扫描仪向被摄体发出不断变化的光线。通常，光源只是以正弦曲线形式循环其振幅。相机检测到反射光，图案移动的量决定了光传播的距离。调制光还使扫描仪可以忽略来自激光以外的其他光源的光，因此不会产生干扰。

3.4. 体积技术

医疗

       计算机断层扫描（CT）是一种医学成像方法，可以从大量的二维X射线图像生成对象内部的三维图像，类似地，磁共振成像是另一种医学成像技术，可提供更大的对比度与计算机断层扫描（CT）相比，它在人体不同的软组织之间的分布特别好，因此特别适用于神经系统（大脑），肌肉骨骼，心血管和肿瘤（癌症）成像。这些技术产生了离散的3D体积表示，可以通过等值面提取算法将其直接可视化，操纵或转换为传统3D表面。

工业

       尽管在医学上最常见，但工业计算机断层扫描，显微断层扫描和MRI也用于其他领域，以获取对象及其内部的数字表示形式，例如无损材料测试，反向工程或研究生物学和古生物学标本。

优点和缺点

       激光扫描仪和结构光扫描仪各有优缺点，因此适合不同情况。结构光扫描仪成本较低，采用特征拼接时可以无需借助反光贴片，大多数型号可以采集色彩纹理信息生成彩色三维模型，但由于图像拼接累计误差较大，一般精度在0.1-1mm；激光扫描仪由于采取得失激光点反射数据，扫描细节较好，精度也基本能达到工业计量级标准（几十微米），但激光扫描仪造价较为昂贵，一般也无法采集彩色纹理数据。