什么是3D扫描仪？

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，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。

三维扫描仪的功能

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)。

 
3D扫描示意图

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注册(image registration)或对齐(alignment)，其中涉及多种三维比对(3D-matching)方法。

3D扫描仪的分类

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。

 
3D雷射扫描仪 可用于扫描建筑物

接触式扫描：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，而光学技术如雷射扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。

非接触被动式扫描：被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线(如雷射)，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。非接触被动式扫描包括：立体视觉法(Stereoscopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立体光学法(Photometric Stereo)和轮廓法等。　　

非接触主动式扫描：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。就是像物体投射特定的光，其中代表技术激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。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。非接触主动式扫描包括：时差测距(Time-of-Flight)、三角测距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、结构光源(Structured Lighting)和调变光(Modulated Lighting)等等。

世界上最快的唯一的模块化的三维大空间激光扫描仪

美国FARO公司FOCUS 3D三维激光扫描仪是用于复杂测量和建档的高速三维扫描仪，也是世界上唯一的模块化的三维激光扫描系统，还是世界上最快的三维大空间激光扫描仪，以每秒最大976,000点的速率可扫描最长为503英尺(153米)的文档。Focus3D采用激光技术，只需数分钟即可产生复杂环境和几何结构的详细三维图像。Focus3D配有触摸操作屏，用于控制扫描功能和参数。最终的图像是由数百万彩色点的点云组成，可用来对现有环境进行数字化再现。

 
FOCUS 3D三维激光扫描仪

Focus3D 激光扫描仪采用最高效的三维数据文档制作方法，适合房屋建筑、开挖体积、建筑外立面和结构变形、犯罪现场、事故细节、产品几何结构、工厂、工艺装置等。超小的尺寸和重量以及触摸界面，令Focus3D使用便捷，与常规扫描器相比可节省高达50%扫描时间。

Focus3D特点：

Focus3D采用直观的触摸屏，利用触摸界面可以控制所有的扫描仪功能，实现了超群的使用和控制方便性；Focus3D超轻便设计，而且工作时无需任何外部设备，尺寸仅为24x20x10cm，重量只有5kg，堪称有史以来最小的3D扫描仪；它集成了7千万像素全自动无视差摄像头，能够实现极具真实感的 3D 彩色扫描；集成的锂离子电池可以提供长达 5 小时的供电，而且可以边工作边充电；Focus3D所有数据都保存在一块 SD 卡上，可以方便、安全的转移到 PC 上。使用 SCENE WebShare功能，图像可以在互联网上共享。

Focus3D多种应用：

由于控制简单、设计小巧，Focus3D 非常适合用于 3D 建筑记录、施工监管、逆向工程、历史遗产保存或犯罪现场法医记录，能够理想的满足 各种应用的要求。

室内环境记录：利用 Focus3D，可以对室内环境和技术设施(如建筑施工、传送系统或过程设施)快速的生成 3D 记录。

产品和组件记录：无论是在产品设计时用于检查大型的机械组件，或用在逆向工程中——Focus3D 都可以测量各种形状和尺寸的产品和组件，并生成精确的数据和三维曲面模型。

室外环境记录：Focus3D可以很好的对建筑物、建筑场所、道路和景观特点进行记录。可以将距离最远 120m的对象记录下来。

三维扫描技术的应用范围及优点(以Focus3D为例)

一、建筑和土木工程

挖掘控制：对挖掘过程进行简单、准确的体积和尺寸控制；变形控制：记录变化过程，监视对应措施；外墙检查：可以在最终装配前对建筑外壳和外墙部分进行3D尺寸检查；结构分析和维护：快速、经济有效的控制支撑结构的规定负载承载能力以及磨损和老化；任意形状组件检查：精确检查复杂组件的尺寸，例如任意形状的构件；　建筑环境：作为对比和扩展基础，对现有建筑物进行精确的几何记录；施工过程监视：无缝的捕捉和监视施工过程，保留法律和技术记录。

 
Focus3D应用于建筑和土木工程

优点：快速、简单、完整的记录建筑物和建筑现场当前的状况；革命性的性价比；可以利用 WebShare 功能通过互联网方便的在线共享扫描数据。

二、加工工业和数字工厂

转换和扩展：按照转换和扩展规划对对象的当前状态进行精确的 3D 记录；异地生产：由于能够进行精确的 3D CAD 数据和尺寸控制，可以实现异地精确装配；资产管理：通过全面的 3D 数据进行虚拟现实的模拟和培训，简化了设施的管理、维护、培训等等；现场监管：提高各种交易和综合性文件和各种工作监管的协调性。

 
Focus3D应用于加工工业和数字工厂

优点：用3D 方式记录复杂的工厂和车间设施可以极大的节约时间、具有高度的灵活性；对于评估困难和评估成本高昂的废弃地改建项目或者工期要求紧的情况，可以将风险降到最低；可以将废弃地改建项目成本降低 5-7%，将不可预见的返工成本降到低于 2%。可以将时间表缩短 10%；可以高效的监控健康和安全性以及环境。

三、检测和逆向工程

逆向工程：对没有施工计划或(和)CAD 数据可用的产品和组件进行复制；内部固定装置和配件：对轮船、汽车、飞机的复杂内部进行精确的 3D CAD 文件记录，用作改造规划的基础；制造记录：对复杂的机器组件的制造状态进行完整的 3D 记录；质量控制：对大型、复杂的组件，如转子叶片、涡轮机、轮船叶轮等等，进行精确的 3D 记录和尺寸检查。

 
Focus3D应用于检测和逆向工程

优点：经济有效、快速、准确的对已有大型产品的几何形状进行 3D 捕捉；对生产的自动过程控制功能使它可以对部件实现全面的 3D 检查和监控；由于可以进行早期的全面检查，因此可以减少报废和返工的发生 3D 质量控制。

四、历史遗产

无论是要进行保存、科学分析、加固被保护建筑、还是要对不能让人参观历史遗址进行虚拟呈现，本产品都是理想的选择。FARO Focus3D 使您可以完整、详细的记录历史遗迹和发掘现场。由于集成了彩色摄像头，可以瞬时创建真实的 3D 图像。

 
Focus3D应用于历史遗产

优点：真实、完整、精确的复制对象的 3D 副本；可以轻松的复制 3D 记录；可以方便的将采集到的场景转换成正射影像或 CAD 文件。

五、取证和事故现场应用

轻便的 Focus3D 还可以非常理想的对犯罪和事故现场或者保险损坏进行快速完整的 3D 记录。可以把犯罪或事故之后的各种相关细节都详细的记录下来。相应的，为了给事故制定合适的安全理念，激光扫描仪可以提供相关的 3D 数据信息。

 
Focus3D应用于取证和事故现场应用

优点：永久、详细的对犯罪和事故现场进行记录归档；可以方便的对犯罪和事故进行 3D 模拟；通过真实的可视化呈现，帮助开发应急方案和安全措施。

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