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概要

為真正了解世上優(yōu)秀的三維掃描儀如何采集各種尺寸和難度的物體，我們必須先深入了解結(jié)構(gòu)光工作原理。本文旨在深入淺出地向您闡釋結(jié)構(gòu)光相較于其他技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、CGI攝影測(cè)量法。隨后，我們將介紹對(duì)于結(jié)構(gòu)光三維掃描儀而言，難度較大的表面可能有哪些特征。

掃描儀類型

桌面式、手持式、手持無(wú)線式

目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景

逆向工程、醫(yī)療衛(wèi)生、質(zhì)檢、考古、法醫(yī)鑒定、CGI

物體尺寸分類

XS (<90x60x60 mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)

簡(jiǎn)介

在探究結(jié)構(gòu)光三維掃描儀如何以難以置信的速度和精度捕獲物體前，我們首先需要了解結(jié)構(gòu)光是什么。

從實(shí)踐角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)光是一種精確標(biāo)定后的藍(lán)光或白光信息，三維掃描儀將光束投射到掃描物體的表面。通常，這種光信息為一組平行線、條紋或網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)光接觸到物體表面后，由于表面的曲線、凹陷或突起，光線會(huì)被扭曲。

掃描儀投影儀（左）發(fā)射白光，通過(guò)中間的網(wǎng)格后，呈現(xiàn)為結(jié)構(gòu)化的線條或條紋。網(wǎng)格條紋越粗，線條間的空隙就越小，“出口“處的線條就越窄。原本筆直的線條在遇到花瓶弧形表面后，隨即發(fā)生變形。

與此同時(shí)，掃描儀的攝像頭會(huì)一幀一幀地采集被反射回來(lái)的光束信息，記錄光束的扭曲程度。同時(shí)，掃描軟件會(huì)分析這些光信息，并據(jù)此準(zhǔn)確復(fù)制出掃描物體全部表面的3D形象。

取決于掃描物體的大小和單次掃描的時(shí)間，三維掃描儀捕獲的幀數(shù)可以是幾十、幾百、甚至幾千。

反射光變成高清3D模型

掃描軟件的模式識(shí)別和重建算法能夠理解，一條光束若在某處變粗或變細(xì)時(shí)，意味著掃描物體的表面距離攝像頭更近或是更遠(yuǎn)，同時(shí)，其他形狀和結(jié)構(gòu)也是由變形方式不同的結(jié)構(gòu)光束決定的。

一些三維掃描儀還包括一個(gè)額外的攝像頭，來(lái)捕獲物體紋理。在三維掃描和三維建模的世界里，紋理是指物體色彩和其他可見的表面特征。

采集到的幀會(huì)被轉(zhuǎn)換為3D模型。若掃描時(shí)也采集了紋理幀，那它們也會(huì)被“投射”到3D模型上，讓模型既反映真實(shí)物體的尺寸，也從視覺(jué)上更逼真。

就手持式三維掃描儀而言，為采集物體每一面，掃描儀必須被拿起并在物體周圍移動(dòng)，而掃描儀的結(jié)構(gòu)光束會(huì)從不同角度和位置，投射到物體表面，采集大量關(guān)于物體表面的精準(zhǔn)細(xì)節(jié)（一些掃描儀每秒可捕獲數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)的表面數(shù)據(jù)！）您還可以為小型物體使用旋轉(zhuǎn)臺(tái)，這樣一來(lái)，就能保持手持掃描儀位置不變，從各角度完成掃描。

若是一臺(tái)固定式結(jié)構(gòu)光掃描儀，比如Artec Micro，您只需將待掃描物體放在小型掃描平臺(tái)上，掃描儀就能自動(dòng)完成剩余工作。唯一需要人工干預(yù)的一步，就是要翻動(dòng)一次物體，采集之前未暴露的部分。

物體尺寸——從發(fā)絲到鯨魚顎骨

結(jié)構(gòu)光三維掃描儀一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)就是可以無(wú)損地采集微型到巨型的物體，部分解決方案的準(zhǔn)確度可達(dá)10微米，也就是說(shuō)，不到一個(gè)白細(xì)胞的一半！

要點(diǎn)

如果您的工作往往圍繞一種特定類型或尺寸的物體，那么一定要選擇一臺(tái)適合您工作任務(wù)的掃描儀！

盡管有些掃描儀能為一系列物體完成超精確的數(shù)字副本，但如果您平時(shí)通常處理一類尺寸固定的物體，那還是建議您考慮選擇一臺(tái)適合任務(wù)需求的掃描儀。

例如，您經(jīng)常掃描彈簧、齒輪、珠寶等微型手表部件。您或許需要考慮使用一臺(tái)桌面式結(jié)構(gòu)光掃描儀，如Artec Micro，即可一個(gè)接一個(gè)地輕松掃描零件。對(duì)于很小的航空航天部件而言，也是如此，例如傳統(tǒng)的數(shù)控銑削閥門、螺紋螺栓、開關(guān)等。但如果您掃描的物體非常之大，例如人體，那很可能不需要1/7人類發(fā)絲的精度水平。而對(duì)于房間之類更大的物體，高品質(zhì)手持式結(jié)構(gòu)光掃描儀可以讓您不費(fèi)吹灰之力，輕松搞定。

速度與便攜

如果工作流程包括數(shù)字捕獲人體或任何動(dòng)物，那您可能需要一臺(tái)速度快的掃描儀，否則，若遇到掃描對(duì)象移動(dòng)，就會(huì)輕易導(dǎo)致掃描對(duì)齊失敗，從而為后期掃描處理帶來(lái)巨大的工作量。在這種情況下，請(qǐng)務(wù)必查看掃描儀的捕獲率FPS（每秒幀數(shù)）。該數(shù)值越高越好，除非您確定掃描對(duì)象絕對(duì)靜止不會(huì)移動(dòng)。

手持無(wú)線式 Artec Leo就是一款速度快、便攜又不犧牲精度的三維掃描儀，其幀率高達(dá)80 FPS，數(shù)據(jù)捕獲速度高達(dá)3500萬(wàn)點(diǎn)/秒。

若想評(píng)估多款結(jié)構(gòu)光三維掃描解決方案，明智的做法就是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示，親眼見證掃描儀如何采集您所感興趣的物體，甚至還可以親自試用！近距離觀察設(shè)備設(shè)置、掃描過(guò)程、掃描處理的難易程度。

結(jié)構(gòu)光技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

結(jié)構(gòu)光三維掃描儀多年來(lái)作為全球上千萬(wàn)用戶的選用技術(shù)，并非沒(méi)有原因。事實(shí)上，原因還不少。接下來(lái)，我們將列舉重要的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，并介紹適用的一些領(lǐng)域。

無(wú)接觸工作 對(duì)很多物體而言，用標(biāo)記進(jìn)行接觸測(cè)量（三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）或攝影測(cè)量完全不應(yīng)予以考慮，例如掃描對(duì)象為獨(dú)一無(wú)二的考古標(biāo)本或博物館展品，亦或是私人收藏的珍貴物品。

而結(jié)構(gòu)光技術(shù)可以完整采集這類物體，且精度高達(dá)亞毫米級(jí)，全程幾乎無(wú)需物理接觸。想想法醫(yī)和考古領(lǐng)域，大部分物體都要在現(xiàn)場(chǎng)掃描，精準(zhǔn)記錄被發(fā)現(xiàn)時(shí)的狀態(tài)，不僅保留完整的物體，也要精確記錄物體的周圍環(huán)境。因此，由接觸造成的損害，哪怕風(fēng)險(xiǎn)微小，也應(yīng)當(dāng)被降低到低水平。

高速處理 如果手頭項(xiàng)目的交付時(shí)間非常緊迫，想必您一定希望用到流暢的工具，且不出狀況。傳統(tǒng)攝影測(cè)量法、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，或手動(dòng)測(cè)量工具往往需要耗上一天才能完成的工作，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)光三維掃描儀只需一兩個(gè)小時(shí)即可完成。

如上所述，另一個(gè)高速帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，就是有些掃描對(duì)象，例如人體，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持靜止。除了之前提到的對(duì)齊失敗，還有可能導(dǎo)致掃描外形改變，導(dǎo)致結(jié)果差別很大。

精度優(yōu)異 和卡尺、標(biāo)尺、甚至三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等歷史悠久的傳統(tǒng)測(cè)量方式不同，結(jié)構(gòu)光能為三維掃描工作流程帶來(lái)質(zhì)的提升。您可以采集整個(gè)物體或場(chǎng)景，而不再是表面的離散點(diǎn)或線條。

在真實(shí)世界中，我們所處理的產(chǎn)品、零件和其他類型的物體，往往是由多個(gè)表面和數(shù)百萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的，并非我們用于測(cè)量時(shí)所選取的幾個(gè)點(diǎn)而已。對(duì)于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)而言，也就意味著能以亞毫米級(jí)精度捕獲一切，從而為物體或場(chǎng)景完成全方位、高精度的數(shù)字記錄。

對(duì)人體百分百無(wú)害 多年來(lái)，結(jié)構(gòu)光在醫(yī)療行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從 年幼兒童 到耄耋老人，無(wú)論是在醫(yī)院、學(xué)校、企業(yè)還是其他地方，都已經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，得到了醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可。

CT掃描儀采用輻射來(lái)捕捉物體表面和內(nèi)部的幾何，而結(jié)構(gòu)光確實(shí)是經(jīng)驗(yàn)證的無(wú)害高效掃描技術(shù)。

結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)與兩類攝影測(cè)量技術(shù)

雖然CGI和藝術(shù)工作中的攝影測(cè)量不需要專門的三維掃描儀，而且攝影測(cè)量也能用來(lái)創(chuàng)建高品質(zhì)紋理3D模型，但這其中不無(wú)缺陷，其中大的問(wèn)題就是精度。

我們將在下節(jié)探討另一種攝影測(cè)量法，它們適合有計(jì)量級(jí)精度要求的項(xiàng)目。但在本節(jié)，我們僅探討傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)，也就是上文我們所說(shuō)的CGI團(tuán)隊(duì)與3D建模人員常用的技術(shù)。

由于CGI攝影測(cè)量采集數(shù)據(jù)的速度慢，戰(zhàn)線長(zhǎng)，所以幾乎不可能用于人體掃描。正如上文所說(shuō)，掃描期間任何移動(dòng)都會(huì)對(duì)模型的精準(zhǔn)度和對(duì)齊效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

對(duì)時(shí)間要求較高的項(xiàng)目也不能采用攝影測(cè)量技術(shù)。例如制造業(yè)中的各類檢驗(yàn)，需要在幾分鐘內(nèi)生成精準(zhǔn)可靠的結(jié)果，這是避免出現(xiàn)供應(yīng)鏈瓶頸的關(guān)鍵因素。

此外，這類攝影測(cè)量技術(shù)還依賴強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)處理所有圖片。有時(shí)，這些圖片數(shù)量將達(dá)到成百上千張。

藝術(shù)領(lǐng)域采用攝影測(cè)量還有一大問(wèn)題，就是延遲反饋。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，您只有在處理完所有圖片，才能知道是否完整采集了物體表面。而這時(shí)，一切為時(shí)已晚。

考古學(xué)就是一個(gè)典型案例，考察期間或在偏遠(yuǎn)地區(qū)考古時(shí)發(fā)現(xiàn)的文物和化石不能帶離現(xiàn)場(chǎng)。

與計(jì)量技術(shù)協(xié)作：三維掃描 + 計(jì)量攝影測(cè)量

有一種數(shù)字采集解決方案在整個(gè)計(jì)量市場(chǎng)和其他領(lǐng)域掀起了波瀾，這就是可用于三維掃描工作流程中的攝影測(cè)量套件—— DPA攝影測(cè)量。和CGI攝影測(cè)量技術(shù)不同，該技術(shù)不僅高度精準(zhǔn)，而且整合相片的過(guò)程也無(wú)需花上幾個(gè)小時(shí)。

若與三維掃描技術(shù)協(xié)同使用，DPA攝影測(cè)量法只需用于開始精準(zhǔn)采集物體或場(chǎng)景的物理尺寸，隨后，以高度精準(zhǔn)（高達(dá)10微米）的點(diǎn)云形式傳輸給三維掃描軟件。

之后，您僅需對(duì)相片中采集的物體進(jìn)行三維掃描即可，通過(guò)合并掃描儀的3D多邊形網(wǎng)格和攝影測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后的3D模型就會(huì)呈現(xiàn)出超高水準(zhǔn)的精度與分辨率，廣泛適用于各類計(jì)量級(jí)項(xiàng)目。

結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)常見應(yīng)用場(chǎng)景

逆向制造老舊部件與裝配線

如今，許多公司都遇到過(guò)需要維修甚至替換舊設(shè)備的情況，但是，他們往往發(fā)現(xiàn)原始制造商不再供應(yīng)這些產(chǎn)品，或已完全倒閉，不再生產(chǎn)。這種情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)光三維掃描解決方案自力更生，復(fù)制這些部件，不僅可以省下大筆資金，還能省下難以估量的勞動(dòng)時(shí)間。手動(dòng)測(cè)量和CAD繪制部件需要耗費(fèi)大量時(shí)間，還要一定專業(yè)知識(shí)，相比而言，手持式三維掃描儀就顯得格外香。

精準(zhǔn)記錄考古、文化、歷史文物

對(duì)于世界各地的博物館和研究人員而言，結(jié)構(gòu)光三維掃描儀讓他們能夠?yàn)檎滟F的物品采集表面細(xì)節(jié)，無(wú)需擔(dān)心破壞文物或化石?；蛟S您需要為史前石器、中世紀(jì)古堡墻壁、人類祖先頭骨制作精. 準(zhǔn)無(wú)誤的數(shù)字副本，以便存檔。但無(wú)論如何，我們都要盡量避免對(duì)這些物體造成傷害，盡可能減少對(duì)它們進(jìn)行物理操作。

制作超逼真全彩CGI和特效

采用結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)為電影、電視、游戲制作栩栩如生的計(jì)算機(jī)圖形，已經(jīng)逐漸成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。用上像Artec Leo這樣的便攜式手持三維掃描儀，就能直接前往工作場(chǎng)地或工作室，隨即開始掃描、處理，掃描幾分鐘后即可安排演員、道具甚至是整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)字替身。

測(cè)量身材，讓服裝貼身

如果你需要精確測(cè)量身材，那卷尺的能耐十分有限。而這正是結(jié)構(gòu)光三維掃描儀所向披靡之處。特別是如果擁有一臺(tái)沒(méi)有線纜束縛、操作速度飛快的手持式三維掃描儀，那就可以在幾分鐘內(nèi)為人體完成全方位的數(shù)字采集。就連細(xì)心的裁縫都會(huì)羨慕您獲得的身材數(shù)據(jù)。

為生產(chǎn)線進(jìn)行光學(xué)測(cè)量與檢驗(yàn)

許多制造商在檢驗(yàn)產(chǎn)品時(shí)，關(guān)心的問(wèn)題之一就是如何準(zhǔn)確地檢測(cè)并量化物理結(jié)構(gòu)中的差異，同時(shí)在檢驗(yàn)時(shí)不對(duì)任何產(chǎn)品造成損壞?？ǔ?、千分尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x均為物理測(cè)量手段，而三維掃描儀不同，使用過(guò)程中，沒(méi)有機(jī)會(huì)以任何方式劃傷、刮傷表面，也不會(huì)出現(xiàn)表面變形。在三維掃描軟件中，您還可以直觀地看到制造上的差異，精度達(dá)到亞毫米級(jí)。

結(jié)構(gòu)光掃描儀的潛在問(wèn)題

在評(píng)估一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，我們不僅要了解它的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，還要了解它是否存在任何缺點(diǎn)，這點(diǎn)非常重要。就結(jié)構(gòu)光而言，這項(xiàng)技術(shù)利大于弊。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在某些條件下，也不是無(wú)所不能。

掃描對(duì)象無(wú)法保持靜止

當(dāng)手持式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀采集物體時(shí)，我們通常默認(rèn)掃描物體是靜止的，或至少其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是受控的，例如放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)。

雖然所有三維掃描儀或多或少都有這樣的弊端，但掃描效果很大程度上取決于掃描儀的捕獲幀率FPS。例如，如果掃描物體或掃描儀移動(dòng)過(guò)多，掃描儀追蹤可能丟失。但對(duì)于FPS很高的結(jié)構(gòu)光掃描儀而言，這幾乎不成問(wèn)題。

三維掃描儀和攝影測(cè)量挑戰(zhàn)高難度表面

對(duì)三維掃描和CGI攝影測(cè)量技術(shù)而言，總有幾類表面很難采集。但現(xiàn)在，這些也不再造成任何挑戰(zhàn)。做好前期準(zhǔn)備，在高品質(zhì)三維掃描儀的協(xié)助下，您就可以大幅提升數(shù)字采集的成功概率。

超深色表面： 雖然這些表面不太常見，但也確實(shí)存在。它們能輕松吸收結(jié)構(gòu)光，所以無(wú)法正常反射到掃描儀的攝像頭上。如果軟件可以調(diào)節(jié)靈敏度，在掃描預(yù)覽時(shí)，可以嘗試調(diào)高掃描儀靈敏度，直到掃描儀能清晰呈現(xiàn)物體表面。

高反射率表面（如鉻或其他反光金屬）： 結(jié)構(gòu)光射到表面后，又會(huì)朝不可預(yù)測(cè)的方向反射回去，因此，從技術(shù)角度而言，掃描儀攝像頭無(wú)法充分捕獲扭曲的光信息，無(wú)法生成準(zhǔn)確的圖像。您可嘗試在物體不同角度、不同距離進(jìn)行掃描。有時(shí)，只要調(diào)整掃描儀的位置和角度，就能避免垂直掃描。這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)光就不會(huì)直接反射到攝像頭，而是漸漸散開。

玻璃、透明或半透明表面：掃描儀結(jié)構(gòu)光穿過(guò)這些材料，或穿過(guò)材料時(shí)被擴(kuò)散，就不能反射至攝像頭，形成逼真的表面幾何。但有不少方式，可以讓這些表面正常反射結(jié)構(gòu)光，不再吸收或擴(kuò)散光線。一種DIY的方法就是將玉米淀粉或嬰兒爽身粉灑在掃描物體的表面。此外，還有一些高品質(zhì)啞光噴霧，會(huì)在幾分鐘到幾小時(shí)后自行發(fā)揮。

毛發(fā)表面： 結(jié)構(gòu)光射到這類表面后，會(huì)朝著多個(gè)方向反射，掃描儀攝像頭通常無(wú)法采集到足夠的光信息，來(lái)區(qū)分物體表面的幾何。和深色表面相同，如果軟件可以調(diào)節(jié)靈敏度，那把它調(diào)高后就能識(shí)別出毛發(fā)上的微小幾何。如果您掃描的是頭部，那一定要從一側(cè)耳朵移動(dòng)到另一側(cè)耳朵，并將掃描儀向上移動(dòng)到頭頂，再越過(guò)頭頂掃描另一側(cè)。此外，如果可以讓脖子和肩膀也盡可能出現(xiàn)在掃描范圍內(nèi)，就能輔助掃描儀以這些特征為基準(zhǔn)進(jìn)行追蹤。

纖薄物體（或物體截面）: 這背后的根本難點(diǎn)在于，沒(méi)有足夠的表面區(qū)域可以接受結(jié)構(gòu)光，也無(wú)法將足夠的光反射至掃描儀攝像頭。例如，掃描儀在掃描物體薄邊時(shí)，其呈現(xiàn)的寬度可能只有幾毫米（甚至更短）。多數(shù)時(shí)候，該問(wèn)題可以通過(guò)在掃描儀的掃描范圍內(nèi)放置一個(gè)彩色或有圖案的背景板來(lái)解決。這很簡(jiǎn)單，只要在掃描的物體或表面背后，放一張帶文字或幾何圖形的紙即可。

凹面與凹槽： 無(wú)論掃描儀多厲害，即便手持式掃描儀可以輕松達(dá)到掃描區(qū)域，也會(huì)有結(jié)構(gòu)光無(wú)法抵達(dá)的截面，或是部分掃描場(chǎng)景和物體，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光無(wú)法反射回掃描儀的攝像頭。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，掃描儀無(wú)法“看見”這些區(qū)域，采集也就無(wú)從談起。部分掃描儀或許在這方面表現(xiàn)良好。此外，對(duì)付這類難以達(dá)到的表面，有效的解決方案就是通過(guò)AI驅(qū)動(dòng)的掃描軟件，直觀地識(shí)別掃描中大量局部特征，并以高分辨率彩色3D形式重建這些表面。

結(jié)論

不難看出，如今的結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)達(dá)到了新的高度，快速高效，操作簡(jiǎn)單，效果精準(zhǔn)，能應(yīng)對(duì)各類規(guī)模和復(fù)雜程度的物體和場(chǎng)景。目前，世界各地越來(lái)越多的中小學(xué)和大學(xué)開始采用三維掃描解決方案，技術(shù)發(fā)展前景一片光明，不僅在教育行業(yè)，包括制造、法醫(yī)鑒定、醫(yī)療衛(wèi)生、科研等諸多行業(yè)領(lǐng)域，都有大的發(fā)展空間。