何谓三维扫描技术?有哪些技术类别和应用?

何谓三维扫描技术?

三维扫描技术有几十种，主要分为接触式和非接触式。接触式测量技术通过探头获取数字数据，并将其传回计算机。非接触式测量技术是利用光学透镜获取物体的反射，通过激光或不同光源投影的变化来检测物体的形状，并恢复物体的外观进行三维重建。

三维扫描原理:

三维扫描是三维测量技术的技术手段之一。在过去技术的限制下，获取物体尺寸数据的方法只能通过传统的游标尺，或者三维测量床不容易移动，其使用受到了限制。如今的技术可以通过探针或光学透镜投射光线，并根据坐标获得三维数据，从而达到测量的目的。

目前市场上有几十种3D扫描技术，其中接触式和非接触式是两种主流。也就是我们通常所说的三维扫描，通过光学透镜，通过激光的变化或不同光源的投影，得到物体的反射并分析成数字信息。

在三维扫描过程中，三维扫描仪可以逐渐生成目标物体的数字图像，扫描结果通常与CAD设计软件和3D打印程序兼容，直接修改或生成3D打印实体。

三维扫描应用程序:

三维扫描后得到的数据可以用于各种目的，其中反向工程和产品检验(计算机辅助验证)是主要的应用。当一个物理模型或人工模型通过测量完成后，就建立起了CAD或CAM数据输出的过程，这就是逆向工程。这个过程可以节省产品开发的时间和成本。逆向工程(RE)与快速成型(RP)相结合是当今广泛使用的解决方案。随着3D打印技术的发展，RE+RP已经扩展到视觉设计、产品开发、玩偶设计等各个领域。

此外，3D扫描的应用领域还包括汽车制造、精密仪器、科技产品、航空装备、能源装备、文物艺术品等行业。

3D扫描有哪些技术类别?

1. 非接触式扫描:
   • 飞行时间:时间差测距是利用激光探测目标，然后通过激光的往返时间转换物体的表面图像。由于每个激光信号只能测量一个端点，它通常配备一个旋转镜对物体进行360度扫描。时差测距技术每秒可测量约1万~ 10万个目标点。它用于大型工业物体和高精度领域，但与其他三维扫描技术相比速度相对较慢。
   • 激光三角测距法:三角测距法是指物体上的激光光斑、传感器、激光形成一个三角形，将激光照射到待测物体上，通过传感器记录激光光斑的反射时间和偏差角度。然后用它来计算物体的形状。三角法是一种分辨率高、精度高的三维扫描技术。然而，它对被扫描物体的表面特征相对敏感，不适用于具有高反射或透明表面的物体。
   • 光度立体:摄影测量的原理是分析从不同角度拍摄的静止照片，并自动检测彼此对应的像素。由于信息量巨大，需要使用大功率计算机进行计算。摄影测量适用于大范围的领域，如地面模型或航拍。缺点之一是细节分辨率低，需要长时间的整形操作。
   • 结构光三维扫描:结构光是将具有特殊结构的光通过光源投射到被扫描物体上的一种三维扫描的光学方法。然后通过图像处理，得到物体表面的三维形状。每种类型的结构光具有不同的扫描精度和相应的算法。它们大多使用双目、结构光或TOF测量方法进行比较。结构光是目前应用最广泛的技术，因为它易于安装和维护，而且成本低。常用结构光扫描仪分为垂直结构光扫描仪和手持结构光扫描仪。将线性图案投影到待测物体上，通过光栅边缘的变形计算出物体的表面形状。光源通常为LED白光或蓝光，它被广泛用于人体或面部成像。一些3D扫描仪还可以读取彩色效果，这种全彩扫描辅助通常被称为纹理相机。由于可以同时测量多个点或大面积，所以通常分为固定360度扫描和手持快速扫描两种。 Structured light 3D scanning can achieve a balance between speed and imaging quality, and hand-held scanning is relatively simple and is a relatively common application technology. However, this technology is more sensitive to the influence of ambient light, so it is more suitable for indoor and outdoor environments. It is recommended to scan on cloudy days without strong sunlight.
   • 红外扫描技术:三维扫描红外扫描技术是通过向被扫描物体投射红外线，在运动扫描时刻完成图像采集并实时叠加成单个三维数据。红外扫描原理与人眼相似，可多点测量捕捉，精度高，便于对三维图像进行测量和扫描。
   • 激光扫描技术:三维扫描中的激光技术通过三角剖分的方式进行扫描。当物体运动时，激光将点或线投射到物体上，获得扫描数据。激光在扫描精度和扫描质量上都优于红外。即使在光照强度高的地方，激光技术仍然可以用于扫描。常用的激光扫描仪分为立式激光扫描仪和手持式激光扫描仪。
2. 接触扫描:
   • 接触式三维扫描(Contact Based):物理检测物体，利用探针移动到表面上的每个端点来计算三维图像，可以想象为一种用笔绘制三维结构的计算方法。由于接触式三维扫描精度高，且几乎不受物体表面光线的影响，因此在速度上只适用于中小型物体，而不适合易碎的古器或艺术品，因为接触有限。

3D扫描技术的优势与挑战:

• 优点:3D扫描技术是经过无数次精确计算的数字模型。而这样的高科技产品也被认为是最精确的技术之一。从微小的零件到巨大的物体，3D扫描技术可以恢复物体的形状。在容易复制、修改、保存的情况下，可广泛应用于航空航天工程、刑事鉴定、医疗用途等各个行业。
• 挑战:虽然3D扫描技术可以快速解决问题，但它也不是完全没有缺点。三维扫描扫描技术主要是基于光学原理。因此，如果是影响光学反射的表面，就会成为三维扫描扫描技术的盲区。制作可以通过对物体表面雾化或使用3D软件进行修复来完成。