三维扫描技术的应用与发展

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特点：适用性强、精度高（可达微米级别）；不受 特点：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，且测量 前需要规划测量路径，测量速度慢、效率低；目前 还需要人工干预，不可能实现全自动测量；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。
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三维扫描技术的国内外发展现状
国外在这方面起步比较早，技术已经比较成熟
1994年，M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率 1994年，M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率 的色彩图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系 的色彩图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系 列的相关技术； 1997年，加拿大NRC（ 1997年，加拿大NRC（National Research Council）的El-Hakim构 Council）的El-Hakim构 建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车 建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车 上，得到了一个数据采集和配准系统DCR，并与1998年在原有系统 上，得到了一个数据采集和配准系统DCR，并与1998年在原有系统 的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统； 2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提 2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提 取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能； 2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同 2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同 时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物 具有照片真实感的三维模型； 除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航 除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航 空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型， 得到了更为完整的街区三维模型。
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三维白光扫描仪工作原理：采用结构光技术、相位测量技术、 三维白光扫描仪工作原理：采用结构光技术、相位测量技术、 计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅（光 点）装置投射数幅特定编码的结构光线（点）到待测物体上， 成一定夹角的两个(或多个) 成一定夹角的两个(或多个)摄像头同步采得相应图象，然后 对图象进行相位和解码计算，并利用匹配技术、三角形测量 原理，解算出两个(或多个) 原理，解算出两个(或多个)工业相机公共视场内物体表面像 素点的三维坐标。
三维扫描技术在生产中 的应用与发展
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一、三维扫描仪的产生背景
随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速 发展，并在各类生产中得到了越来越广泛的应用， 先后出现了数控系统、柔性制造系统、计算机辅助 设计\ 设计\制造、计算机集成制造系统等先进制造技术， 以及制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组 技术等先进制造模式，制造业正在经历一场新的技 术革命。 三维扫描技术作为生产制造中的一项重要技术支 撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科 学。
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四、应用三维扫描仪的流程
产品/ 产品/原型 测量规划
测量方案制定、获取点云数据
测量数据 模型分析 建模方案制定 数据预处理
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利用相关软件如 Geomagic, Imageware,Rapidform等对 Imageware,Rapidform等对 点云数据进行预处理 点云数据进行预处理
数据分块 特征约束重建 平面、二次曲面、 Beiser曲面、NURBS曲面 Beiser曲面、NURBS曲面
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当用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大误差。所 以相位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。 三角测量法：三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度 三角测量法：三角测量法的原理是，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） 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 由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。
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三维白光扫描仪的特点：
（1）非接触测量 采用非接触扫描方式，稳定性高，适用范围广，可以测量外 观复杂、柔软或易磨损的物体； （2）精度高 单面测量精度可达微米级别； （3）对环境要求较低 无需在暗室操作，对人体无辐射危害，工作环境范围广，在 露天环境亦可操作； （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。
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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 即对扫描目标物体无需进行任何表面处理，直接采集物体表面 的三维数据。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及 人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。 （2）数据采样率高 目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率 可以达到数千点/ 可以达到数千点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫 描仪甚至可以达到数十万点/ 描仪甚至可以达到数十万点/秒。 （3）主动发射扫描光源 即激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的 数据信息，因此在扫描过程中，可以不受扫描环境的时空约束 进行测量。
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3、三维照相式扫描仪
在非接触式三维扫描仪中，还有一个很重要的就是三维白光 扫描仪，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 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。 扫描实例
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（4）高分辨率、高精度 三维激光扫描技术可以快速、高精度的获取海量点云数据， 可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分 辨率的目的。 （5）数字化采集、兼容性好 三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具 有全数字特征，易于后期处理及输出。能够与其它常用软件 进行数据交换及共享，如 geomagic、imageware、UG、 geomagic、imageware、UG、 Catia 等。 （6）可与外置数码相机、GPS 系统配合使用 ）可与外置数码相机、GPS 这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信 息的获取更加全面、准确。外置数码相机，可增强彩色信息 的采集；结合GPS 的采集；结合GPS 定位系统，可进一步提高测量数据的准 确性。
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国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也 在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的 在部分领域取得一定的成果。自2000年起至今，北京大学的 三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描 仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何 与纹理的采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维 物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维空间信息获取 物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维空间信息获取 与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据 的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面 的重建。 目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的 几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂 的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又 精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。
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工作原理：三坐标测量机的测量传感器的主要形式 工作原理：三坐标测量机的测量传感器的主要形式 为各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头) 为各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头)， 当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用 力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将 测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相 关的处理得到所测量点的三维坐标。
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分类及原理：三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激 分类及原理：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 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 面列) 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 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 t2接收到反射激光。由光速 t1，t2算出 扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。 扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。
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2、三维激光扫描仪
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。而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据 着非常重要的角色。
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三、三维扫描仪的分类
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1、三坐标测量机
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。 量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。
几何约束
利用软件进行曲面重构， 得到更精确的实 模型体，为产品的快 速原型制造或快速开 发做好准备。 曲面重构
数字化模型
创新设计
STL模型 STL模型 RP快速原型 RP快速原型
新产品数字化模型重构 CAE/CAM/CNC
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我们在日常生活中随时都会接触到各种实体，而 利用一般的技术手段如照相机、平面扫描仪等获得 都是物体的二维信息。但在诸多领域如产品设计、 工业检测、实物仿形、生物医学等仅仅用物体的二 维信息是满足不了要求的，因此如何获得物体的三 维数据并将其转化为计算机可以直接处理的三维模 型是关键，而三维扫描技术的出现使得这一问题迎 刃而解。三维扫描仪就是针对三维信息领域的发展 而研制开发的计算机输入信息的前端设备。只需对 任意实际物体进行扫描，就能在电脑上得到实物的 三维图像和物体真实的色彩。
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二、概 念
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、电和计算机于一体的一 项高新技术。该技术作为获取空间数据的有效手段 ， 能够快速的获取反映客观事物实时、动态变化、真 实形态特性的信息。在国内外诸多领域得到广泛的 应用，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力。