三维扫描技术调研

三维扫描技术调研

一、技术原理

1.1 概述

三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为“实景复制技术”。

三维扫描技术是集光、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，用软件来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。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、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用，示了巨大的技术先进性和强大的生命力。

1.2 三维扫描仪分类

三维扫描仪主要分为以下几类：

三维扫描仪分类

接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式三维测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。接触式三维扫描适用性强、精度高（可达微米级别）；不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单

的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到机械运动的限制，测量速度慢、效率低；无法实现全自动测量；接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。在行业中的应用具有极大的限制。

现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。三维激光扫描仪和三维照相式扫描仪占据了及其重要的位置。

1.3 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。

脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c，时间t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。

脉冲测距法原理图

显而易见的，脉冲测距式3D激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。

三角测距法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度θ。然后结合己知激光光源与CCD 之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。

三角测距法原理图

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。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。

三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。

三维激光扫描仪的特点：

（1）非接触测量，主动扫描光源；

（2）数据采样率高；

（3）高分辨率、高精度；

（4）数字化采集、兼容性好；

（5）可与外置数码相机、GPS 系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。

1.4、三维照相式扫描仪

三维照相式扫描仪，光源主要是白光，其工作过程类似于照相过程，扫描物体的时候一次性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便可以获取百万多个测量点，基于多视角的测量数据拼接，则可以完成物体360度扫描，是三维扫描和工业设计、工业检测的好助手。

三维照相式扫描仪采用的是结构光技术，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。结构光技术一般采用两个高分辨率的CCD相机和光栅投影单元组成，利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面，两个CCD相机进行同步测量，利用立体相机测量原理，可以在极短的时间内获得物体表面高密度的三维数据。利用参考点拼接技术，可将不同位置和角度的测量数据自动对齐，从而获得完成的扫描结果，实现建模。

三维照相式扫描仪的特点：①非接触测量；②精度高，单面测量精度可达

微米级别；③对环境要求较低；④对个别颜色（如黑色）及透明材料有限制，需要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。

二、应用领域

三维扫描技术能够测得物体表面点的三维空间坐标，从这个意义上说，它实质上属于一种立体测量技术。与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、型面的三维测量，实现无接触测量，具有速度快、精度高的优点。这些特性决定了它在许多领域可以发挥重要作用，而且其测量结果能直接与多种软件接口，今天它己广泛应用在各个领域。

1、产品设计

三维激光扫描技术可用于各个行业的产品设计当中，包括飞机制造业、航空航天、汽车、模具制造、铸造行业、玩具制造业、制鞋业等；特别是在汽车、飞机、玩具等领域，并非所有的产品都能由CAD设计出来，尤其是具有非标准曲面的产品，在某些情况下常采用“直觉设计”，设计师直接用胶泥、石膏等做出手工模型，或者需要按工艺品的样品加工，该模型和样品一般具有复杂曲面特征。采用三维扫描仪，可对这些样品、模型进行扫描，得到其立体尺寸数据，并直接与各种CAD/CAM软件接口，完成建模、修改、优化和快速制造。同时，由于三维激光扫描仪采用非接触式技术，对易碎、易变性物体，也能实现好的测量，有利于产品的优化设计。

2、工业仿制

仿制是工业加工中的一项重要任务，测量其尺寸是仿制的第一步。三维扫描仪能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入CAD系统和数控加工设备，对三维模型进行优化和制造，从而实现快速仿制的目的。

3、快速制造系统

快速制造系统是目前国际上机械行业的研究热点之一，其中一个重要环节就是所谓的逆向工程（Reverse Engineering)，即从实物到数字模型，而这正是三维扫描技术研究的内容。CGI公司的三维扫描设备甚至能获得物体内腔的结构。将三维扫描设备与3D打印机相结合，可以构成快速制造系统，实现样件、试制件的快速设计与制造。

4、服装加工工业