什么是3D扫描技术?有哪些技术类别和应用?

什么是3D扫描技术?

3D扫描技术有几十种，主要可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发回计算机。非接触式测量技术是利用光学透镜获得物体的反射，通过激光或不同光源的投影变化来检测物体的形状，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比尺，或者三维测量床不易移动，其使用受到了限制。如今的技术可以通过探头或光学透镜投射光线，获得基于坐标的三维数据，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3D扫描，通过光学透镜，随着激光的变化或不同光源的投影，获得物体的反射并分析成数字信息。

在3D扫描过程中，3D扫描仪可以逐步创建目标物体的数字图像，并且扫描结果通常与CAD设计软件和3D打印程序兼容，直接修改或生产3D打印实体。

3D扫描应用:

三维扫描后获得的数据可用于多种用途，其中逆向工程和产品检验(计算机辅助验证)是主要应用。当一个物理模型或手工模型通过测量完成后，就建立了CAD或CAM数据输出的过程，称为逆向工程。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、娃娃设计等各个领域。

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、艺术品文物等行业。

3D扫描的技术类别有哪些?

1. 非接触式扫描:
   • 飞行时间:时差测距利用激光探测目标，然后通过激光的往返时间转换目标的表面图像。由于每个激光信号只能测量一个端点，因此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以测量大约1万到10万个目标点。它用于大型工业对象和高精度领域，但与其他3D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、传感器和激光器形成三角形，将激光射向被测物体，通过传感器记录激光光斑的反射时间和偏差角。然后用它来计算物体的形状。三角测量法是一种高分辨率、高精度的三维扫描技术。但是，它对被扫描物体的表面特性比较敏感，不适合高反射或表面透明的物体。
   • 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，需要用大功率的计算机进行计算。摄影测量适用于大的领域，如地面模型或航拍。缺点之一是细节分辨率低，整形操作所需时间长。
   • 结构照明3D扫描:结构光是一种3D扫描扫描的光学方法，通过光源将具有特殊结构的光投射到被扫描物体上。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。结构光是最广泛使用的技术，因为它易于安装和维护，成本低。常用的结构光扫描仪分为垂直结构光扫描仪和手持式结构光扫描仪。将线性图案投影在被测物体上，通过光栅边缘的变形计算出被测物体的表面形状。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。由于它可以一次测量多个点或大面积，因此通常分为固定360度扫描或手持式快速扫描。 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，通过向被扫描物体投射红外线，在移动扫描的瞬间完成图像采集和实时叠加成单个三维数据。红外扫描的原理与人眼相似，可以通过多点测量和高精度捕获，从而方便地测量和扫描三维图像。
   • 激光扫描技术:三维扫描中的激光技术是通过三角测量法进行扫描的。当物体移动时，激光在物体上投射点或线，获得扫描数据。激光在扫描精度和扫描质量上都优于红外。即使在高光强的地方，激光技术仍然可以用于扫描。常见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3D扫描(基于接触式):对物体进行物理检测，利用探头移动到物体表面上的各个端点，计算出三维图像，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3D扫描精度高，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，由于物理接触有限，不适合易碎的古代文物或艺术品。

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。在便于复制、修改、保存的情况下，可广泛应用于各个行业，如航空航天工程、刑事鉴定、医疗用途等。
• 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。三维扫描主要是基于光学原理的扫描技术。因此，如果是影响光学反射的表面，就会成为3D扫描扫描技术的盲点。制作可以通过雾化物体表面或使用3D软件进行修复来完成。