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3D 扫描仪调研报告1. 3D扫描仪简介三维扫描仪(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位模型。这些模型具有相当广泛的用途，例如在工业设计、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、数位文物典藏、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，而雷射技术不适用于脆弱或易变质的表面。3D扫描仪示意图三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息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信息，而三维扫描仪测量的是距离，由于测得的结果含有深度信息，因此常称之。2. 3D扫描仪技术及产品分类2.1 3D扫描仪技术分类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，又称作基于机器视觉(vision-based)的方式，是今日机器视觉研究主流之一。接触式扫描接触式三维扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度，如坐标测量机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对象如古文物、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，现今最快的坐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。非接触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信息。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。时差测距时差测距，或称‘飞时测距’的3D激光扫描仪是一种主动式的扫描仪，其使用激光探测目标物。如下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。【光达(lidar，Light Detection And Ranging的缩写，或称3D激光扫描仪)可用于扫描建筑物、岩层(rock formations)等，以制作3D模型。光达的激光光束可扫描相当大的范围：如图中此款的仪器头部可水平旋转360度，而反射激光光束的镜面则在垂直方向快速转动。仪器所发出的激光光束，可量测仪器中心到激光光所打到第一个目标物之间的距离。】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脉冲，激光打到物体表面后反射，再由仪器内的探测器接收信号，并记录时间。由于光速为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍，故若令为光信号往返一趟的时间，则光信号行走的距离等于。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 ，因为大约3.3 皮秒；微微秒的时间，光信号就走了 1 公厘。激光测距仪每发一个激光信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)，就必须使每个激光信号以不同的角度发射。而此款激光测距仪即可通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。三角测距三角测距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，并利用摄影机查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。通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，人们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进程。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。手持激光手持激光扫描仪通过上述的三角形测