三維掃描儀

三維掃描儀（3D scanner）是一種科學儀器，用來偵測並分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀資料（如顏色、表面反照率等性質）。蒐集到的資料常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中建立實際物體的數位模型。這些模型具有相當廣泛的用途，舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學資訊、生物資訊、刑事鑑定、數位文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其應用。三維掃描儀的製作並非仰賴單一技術，各種不同的重建技術都有其優缺點，成本與售價也有高低之分。目前並無一體通用之重建技術，儀器與方法往往受限於物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮（高反照率）、鏡面或半透明的表面，而雷射技術不適用於脆弱或易變質的表面。工業計算機斷層掃描和結構光三維掃描儀可用於構建三維模型，而無須進行破壞性測試。 三維掃描儀的用途是建立物體幾何表面的點雲（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點雲可以建立更精確的模型（這個過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進一步在重建的表面上貼上材質貼圖，亦即所謂的材質印射（texture mapping）。 三維掃描儀可類比為照相機，它們的視線範圍都呈現圓錐狀，資訊的蒐集皆限定在一定的範圍內。兩者不同之處在於相機所抓取的是顏色資訊，而三維掃描儀測量的是距離。由於測得的結果含有深度資訊，因此常以深度影像（depth image）或距離影像（ranged image）稱之。 由於三維掃描儀的掃描範圍有限，因此常需要變換掃描器與物體的相對位置或將物體放置於電動轉盤（turnable table）上，經過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型整合的技術稱做影像配準（image registration）或對齊（alignment），其中涉及多種三維比對（3D-matching）方法。 三維掃描儀分類為接觸式（contact）與非接觸式（non-contact）兩種，後者又可分為主動掃描（active）與被動掃描（passive），這些分類下又細分出眾多不同的技術方法。使用可見光影像達成重建的方法，又稱做基於機器視覺（vision-based）的方式，是今日機器視覺研究主流之一。 接觸式三維掃描儀透過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機（CMM, Coordinate Measuring Machine）即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當精確，常被用於工程製造產業，然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用於高價值物件如古文物、遺跡等的重建作業。此外，相較於其他方法接觸式掃描需要較長的時間，現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量，而光學技術如雷射掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。 主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，藉由能量的反射來計算三維空間資訊。常見的投射能量有一般的可見光、高能光束、超音波與X射線。 時差測距（time-of-flight，或稱'飛時測距'）的3D雷射掃描儀是一種主動式（active）的掃描儀，其使用雷射光探測目標物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術的雷射測距儀（laser rangefinder）。此雷射測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發出的雷射脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個雷射光脈衝，雷射光打到物體表面後反射，再由儀器內的探測器接收訊號，並記錄時間。由於光速（speed of light) c {\displaystyle c} 為一已知條件，光訊號往返一趟的時間即可換算為訊號所行走的距離，此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍，故若令 t {\displaystyle t} 為光訊號往返一趟的時間，則光訊號行走的距離等於 ( c ⋅ t ) / 2 {\displaystyle (c\cdot t)/2} 。顯而易見的，時差測距式的3D雷射掃描儀，其量測精度受到我們能多準確地量測時間 t {\displaystyle t} ，因為大約3.3皮秒（picosecond；微微秒）的時間，光訊號就走了1公釐。 雷射測距儀每發一個雷射訊號只能測量單一點到儀器的距離。因此，掃描儀若要掃描完整的視野（field of view），就必須使每個雷射訊號以不同的角度發射。而此款雷射測距儀即可透過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡（rotating mirrors）達成此目的。旋轉鏡由於較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高，是較廣泛應用的方式。典型時差測距式的雷射掃描儀，每秒約可量測10,000到100,000個目標點。 三角測距3D雷射掃描儀，也是屬於以雷射光去偵測環境情的主動式掃描儀。相對於飛時測距法，三角測距法3D雷射掃描儀發射一道雷射到待測物上，並利用攝影機尋找待測物上的雷射光點。隨著待測物（距離三角測距3D雷射掃描儀）距離的不同，雷射光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法，是因為雷射光點、攝影機，與雷射本身構成一個三角形。在這個三角形中，雷射與攝影機的距離、及雷射在三角形中的角度，是我們已知的條件。透過攝影機畫面中雷射光點的位置，我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，並可計算出待測物的距離。在很多案例中，以一線形雷射條紋取代單一雷射光點，將雷射條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的行程。National Research Council of Canada是致力於研發三角測距雷射掃描技術的協會之一（1978）。 手持雷射掃描儀透過上述的三角形測距法建構出3D圖形：透過手持式裝置，對待測物發射出雷射光點或線性雷射光。以兩個或兩個以上的偵測器（電耦元件或 位置感測元件）測量待測物的表面到手持雷射產品的距離，通常還需要借助特定參考點－通常是具黏性、可反射的貼片－用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的資料，會被匯入電腦中，並由軟體轉換成3D模型。手持式雷射掃描儀，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的資料（如待測物的結構、色彩分佈），建構出更完整的待測物3D模型。 將一維或二維的圖像投影至被測物上，根據圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非常快的速度進行掃描，相對於一次測量一點的探頭，此種方法可以一次測量多點或大片區域，故能用於動態測量。 調變光三維掃描儀在時間上連續性的調整光線的強弱，常用的調變方式是週期性的正弦波。藉由觀察影像每個像素的亮度變化與光的相位差，即可推算距離深度。調變光源可採用雷射或投影機，而雷射光能達到極高之精確度，然而這種方法對於雜訊相當敏感。 被動式掃描儀本身並不發射任何輻射線（如雷射），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預期的效果。由於環境中的可見光輻射，是相當容易取得並利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對於可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應用於這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法並不需要規格太特殊的硬體支援，這類被動式產品往往相當便宜。 傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類藉由雙眼感知的影像相疊推算深度[1]（當然實際上人腦對深度資訊的感知歷程複雜許多），若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度，而擷取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度資訊可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析（correspondence analysis），一般使用區塊比對（block matching）或對極幾何（epipolar geometry）演算法達成。 使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法（binocular），另有三眼視覺（trinocular）與其他使用更多攝影機的延伸方法。 早期由B.K.P. Horn等學者提出，使用影像像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解，方程式之解即深度資訊。由於方程組中的未知數多過限制條件，因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質（differentiability）、曲率限制（curvature constraint）、光滑程度（smoothness）以及更多限制來求得精確的解。此法之後由Woodham衍生出立體光學法。 為了彌補光度成形法中單張照片提供之資訊不足，立體光學法採用一個相機拍攝多張照片，這些照片的拍攝角度是相同的，其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學法使用三盞光源，從三個不同的方向照射待測物，每次僅開啟一盞光源。拍攝完成後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射（perfect diffusion）模型解出物體表面的梯度向量（gradients），經過向量場的積分後即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面（Lambertian surface）的物體。 此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓線上展現時，重建後將遺失三維資訊。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上，每次旋轉一小角度後拍攝其影像，再經由影像處理技巧去除背景並取出輪廓線條，蒐集各角度之輪廓線後即可「刻劃」成三維模型。 另外有些方法在重建過程中需要使用者提供資訊，借助人類視覺系統之獨特性能，輔助完成重建程序。 這些方式都是基於照片攝影原理，針對同個物體拍攝影像以推算三維資訊。另一種類似的方式是全景重建（panoramic reconstruction），乃是在定點上拍攝四周影像使之得以重建場景環境。 透過3D掃描後的點雲或表面資料，能夠建構出2D圖面(平面圖、立面圖、剖面圖等標準圖)及3D模型，可利用其他自動化工具將形體重新建造實體，亦可透過視覺化設備提供平面或立體的顯示效果，輔助的相關工具： 2D圖面 CNC 數控自動工具機 雷射切割(雕刻)機 3D模型 3D列印機 CNC 數控自動工具機 立體顯示器 逆向工程，是一種技術過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹並得出該產品的處理流程、組織結構、功能性能規格等設計要素，以製作出功能相近，但又不完全一樣的產品。逆向工程源於商業及軍事領域中的硬件分析。其主要目的是，在不能輕易獲得必要的生產信息下，直接從成品的分析，推導出產品的設計原理。 逆向工程可能會被誤認為是對知識產權的嚴重侵害，但是在實際應用上，反而可能會保護知識產權所有者。例如在集成電路領域，如果懷疑某公司侵犯知識產權，可以用逆向工程技術來尋找證據。 透過3D掃描可將各種物件進行記錄，小至各種文物、藝術品，大至歷史建築、街區建築甚至整體都市環境都可以透過掃描數位化，作為文化資產上之應用，可分為以下幾種用途： 紀錄樣貌 未來修復之依據 實體複製 立體電腦圖形 三维计算机图形软件 计算机视觉 雷射測距儀 François Blais, Michel Picard, Guy Godin, "Accurate 3D acquisition of freely moving objects," Proceedings. 2nd International Symposium on 3D Data Processing, Visualization and Transmission, 2004, pp.422-429. Qian Chen, Toshikazu Wada, "A light Modulation/Demodulation Method for Real-Time 3D Imaging," Fifth International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, 2005, pp.15-21. Brian Curless, "From Range Scans to 3D Models," ACM SIGGRAPH Computer Graphics, Vol. 33, Issue 4, Nov 2000, pp.38-41. Joseph P. Lavelle, Stefan R. Schuet, Daniel J. Schuet, "High Speed 3D Scanner with Real-Time 3D Processing," 2004 IEEE International Workshop on Imaging Systems and Techniques, 2004, pp.13-17. Katsushi Lkeuchi, "Modeling from Reality," Third International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, 2001, pp.117-124. Roy Mayer, Scientific Canadian: Invention and Innovation From Canada's National Research Council, Vancouver: Raincoast Books, 1999. 李家宇，《3D都市尺度雷射掃瞄在建築數位典藏之應用－以新竹縣北埔鄉、竹東鎮及大台北地區為例》，台北：台灣科技大學建築研究所博士論文，2012。 3D Photography Course Notes（页面存档备份，存于互联网档案馆） MeshLab（页面存档备份，存于互联网档案馆） - Open Source program for aligning, merging, cleaning up and simplifying scanned meshes Scanalyze（页面存档备份，存于互联网档案馆） - Open Source program for aligning and merge range data Manual 3D scanner（页面存档备份，存于互联网档案馆） 3D scan technology description