三維掃描儀

title: 功能.
content: 三维扫描仪的用途是建立物体几何表面的点云(point cloud),这些点可用来插补成物体的表面形状,越密集的点云可以建立更精确的模型(这个过程称做三维重建)。若扫描仪能够取得表面颜色,则可进一步在重建的表面上贴上材质贴图,亦即所谓的材质印射(texture mapping)。  三维扫描仪可类比为照相机,它们的视线范围都呈现圆锥状,资讯的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色资讯,而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度资讯,因此常以深度影像(depth image)或距离影像(ranged image)称之。  由于三维扫描仪的扫描范围有限,因此常需要变换扫描器与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘(turnable table)上,经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型整合的技术称做影像配准(image registration)或对齐(alignment),其中涉及多种三维比对(3D-matching)方法。
title: 技术.
content: 三维扫描仪分类为接触式(contact)与非接触式(non-contact)两种,后者又可分为主动扫描(active)与被动扫描(passive),这些分类下又细分出众多不同的技术方法。使用可见光影像达成重建的方法,又称做基于机器视觉(vision-based)的方式,是今日机器视觉研究主流之一。
title: 接触式扫描.
content: 接触式三维扫描仪透过实际触碰物体表面的方式计算深度,如座标测量机(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确,常被用于工程制造产业,然而因其在扫描过程中必须接触物体,待测物有遭到探针破坏损毁之可能,因此不适用于高价值物件如古文物、遗迹等的重建作业。此外,相较于其他方法接触式扫描需要较长的时间,现今最快的座标测量机每秒能完成数百次测量,而光学技术如激光扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。
title: 非接触主动式扫描.
content: 主动式扫描是指将额外的能量投射至物体,借由能量的反射来计算三维空间资讯。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与X射线。
title: 时差测距(Time-of-Flight).
content: 时差测距(time-of-flight,或称'飞时测距')的3D激光扫描仪是一种主动式(active)的扫描仪,其使用激光光探测目标物。图中的光达即是一款以时差测距为主要技术的激光测距仪(laser rangefinder)。此激光测距仪确定仪器到目标物表面距离的方式,是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得。即仪器发射一个激光光脉冲,激光光打到物体表面后反射,再由仪器内的探测器接收讯号,并记录时间。由于光速(speed of light) formula_1为一已知条件,光讯号往返一趟的时间即可换算为讯号所行走的距离,此距离又为仪器到物体表面距离的两倍,故若令formula_2为光讯号往返一趟的时间,则光讯号行走的距离等于formula_3。显而易见的,时差测距式的3D激光扫描仪,其量测精度受到我们能多准确地量测时间formula_2,因为大约3.3皮秒(picosecond;微微秒)的时间,光讯号就走了1毫米。  激光测距仪每发一个激光讯号只能测量单一点到仪器的距离。因此,扫描仪若要扫描完整的视野(field of view),就必须使每个激光讯号以不同的角度发射。而此款激光测距仪即可透过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜(rotating mirrors)达成此目的。旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描、且精度较高,是较广泛应用的方式。典型时差测距式的激光扫描仪,每秒约可量测10,000到100,000个目标点。
title: 三角测距(Triangulation).
content: 三角测距3D激光扫描仪,也是属于以激光光去侦测环境情的主动式扫描仪。相对于飞时测距法,三角测距法3D激光扫描仪发射一道激光到待测物上,并利用摄影机寻找待测物上的激光光点。随着待测物(距离三角测距3D激光扫描仪)距离的不同,激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。这项技术之所以被称为三角型测距法,是因为激光光点、摄影机,与激光本身构成一个三角形。在这个三角形中,激光与摄影机的距离、及激光在三角形中的角度,是我们已知的条件。透过摄影机画面中激光光点的位置,我们可以决定出摄影机位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形,并可计算出待测物的距离。在很多案例中,以一线形激光条纹取代单一激光光点,将激光条纹对待测物作扫描,大幅加速了整个测量的行程。National Research Council of Canada是致力于研发三角测距激光扫描技术的协会之一(1978)。
title: 手持激光(Handhold Laser).
content: 手持激光扫描仪透过上述的三角形测距法建构出3D图形:透过手持式装置,对待测物发射出激光光点或线性激光光。以两个或两个以上的侦测器(电耦元件或 位置传感元件)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。这些扫描仪获得的资料,会被汇入电脑中,并由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪,通常还会综合被动式扫描(可见光)获得的资料(如待测物的结构、色彩分布),建构出更完整的待测物3D模型。
title: 结构光源(Structured Lighting).
content: 将一维或二维的图像投影至被测物上,根据图像的形变情形,判断被测物的表面形状,可以非常快的速度进行扫描,相对于一次测量一点的探头,此种方法可以一次测量多点或大片区域,故能用于动态测量。
title: 调变光(Modulated Lighting).
content: 调变光三维扫描仪在时间上连续性的调整光线的强弱,常用的调变方式是周期性的正弦波。借由观察影像每个像素的亮度变化与光的相位差,即可推算距离深度。调变光源可采用激光或投影机,而激光光能达到极高之精确度,然而这种方法对于噪声相当敏感。
title: 非接触被动式扫描.
content: 被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线(如激光),而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法,达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射,是相当容易取得并利用的,大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线,如红外线,也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下,被动式扫描法并不需要规格太特殊的硬件支援,这类被动式产品往往相当便宜。
title: 立体视觉法(Stereoscopic).
content: 传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机,平行注视待重建之物体。此方法在概念上,类似人类借由双眼感知的影像相叠推算深度(当然实际上人脑对深度资讯的感知历程复杂许多),若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度,而撷取的左右两张图片又能成功叠合,则深度资讯可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析(correspondence analysis),一般使用区块比对(block matching)或对极几何(epipolar geometry)算法达成。  使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法(binocular),另有三眼视觉(trinocular)与其他使用更多摄影机的延伸方法。
title: 色度成形法(Shape from Shading).
content: 早期由B.K.P. Horn等学者提出,使用影像像素的亮度值代入预先设计之色度模型中求解,方程序之解即深度资讯。由于方程组中的未知数多过限制条件,因此须借由更多假设条件缩小解集之范围。例如加入表面可微分性质(differentiability)、曲率限制(curvature constraint)、光滑程度(smoothness)以及更多限制来求得精确的解。此法之后由Woodham衍生出立体光学法。
title: 立体光学法(Photometric Stereo).
content: 为了弥补光度成形法中单张照片提供之资讯不足,立体光学法采用一个相机拍摄多张照片,这些照片的拍摄角度是相同的,其中的差别是光线的照明条件。最简单的立体光学法使用三盏光源,从三个不同的方向照射待测物,每次仅开启一盏光源。拍摄完成后再综合三张照片并使用光学中的完美漫射(perfect diffusion)模型解出物体表面的梯度向量(gradients),经过向量场的积分后即可得到三维模型。此法并不适用于光滑而不近似于朗伯表面(Lambertian surface)的物体。
title: 轮廓法.
content: 此类方法是使用一系列物体的轮廓线条构成三维形体。当物体的部分表面无法在轮廓线上展现时,重建后将遗失三维资讯。常见的方式是将待测物放置于电动转盘上,每次旋转一小角度后拍摄其影像,再经由影像处理技巧去除背景并取出轮廓线条,搜集各角度之轮廓线后即可「刻划」成三维模型。
title: 使用者辅助.
content: 另外有些方法在重建过程中需要使用者提供资讯,借助人类视觉系统之独特性能,辅助完成重建程序。  这些方式都是基于照片摄影原理,针对同个物体拍摄影像以推算三维资讯。另一种类似的方式是全景重建(panoramic reconstruction),乃是在定点上拍摄四周影像使之得以重建场景环境。
title: 重建.
content: 透过3D扫描后的点云或表面资料,能够建构出2D图面(平面图、立面图、剖面图等标准图)及3D模型,可利用其他自动化工具将形体重新建造实体,亦可透过视觉化设备提供平面或立体的显示效果,辅助的相关工具:
title: 应用.
title: 逆向工程.
content: 逆向工程,是一种技术过程,即对一项目标产品进行逆向分析及研究,从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素,以制作出功能相近,但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是,在不能轻易获得必要的生产信息下,直接从成品的分析,推导出产品的设计原理。 逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害,但是在实际应用上,反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域,如果怀疑某公司侵犯知识产权,可以用逆向工程技术来寻找证据。
title: 文化资产.
content: 透过3D扫描可将各种物件进行记录,小至各种文物、艺术品,大至历史建筑、街区建筑甚至整体都市环境都可以透过扫描数字化,作为文化资产上之应用,可分为以下几种用途:

Summary: 三维扫描仪(英语:3D scanner)是一种科学仪器,用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算,在虚拟世界中建立实际物体的数码模型。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、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数码文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术,各种不同的重建技术都有其优缺点,成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术,仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面,而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。

3D skener: 3D skener je zařízení, které analyzuje objekt nebo prostředí reálného světa, aby shromažďoval údaje o jeho tvaru a případně o jeho vzhledu (například barvě). Shromážděné údaje pak mohou být použity k sestavení digitálních trojrozměrných modelů.