三維掃描儀測(cè)量方法分類

接觸式三維掃描儀通過(guò)實(shí)際觸碰物體表面的方式計(jì)算深度，如座標(biāo)測(cè)量機(jī)即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當(dāng)精確，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其在掃描過(guò)程中必須接觸物體，待測(cè)物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用于高價(jià)值對(duì)象如古文物、遺跡等的重建作業(yè)。此外，相較于其他方法接觸式掃描需要較長(zhǎng)的時(shí)間，現(xiàn)今最快的座標(biāo)測(cè)量機(jī)每秒能完成數(shù)百次測(cè)量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運(yùn)作頻率則高達(dá)每秒一萬(wàn)至五百萬(wàn)次。非接觸主動(dòng)式掃描主動(dòng)式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來(lái)計(jì)算三維空間信息。常見(jiàn)的投射能量有一般的可見(jiàn)光、高能光束、超音波與 X 射線。

時(shí)差測(cè)距，或稱'飛時(shí)測(cè)距'的3D激光掃描儀是一種主動(dòng)式的掃描儀，其使用激光光探測(cè)目標(biāo)物。圖中的光達(dá)即是一款以時(shí)差測(cè)距為主要技術(shù)的激光測(cè)距儀。此激光測(cè)距儀確定儀器到目標(biāo)物表面距離的方式，是測(cè)定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時(shí)間換算而得。即儀器發(fā)射一個(gè)激光光脈沖，激光光打到物體表面后反射，再由儀器內(nèi)的探測(cè)器接收信號(hào)，并記錄時(shí)間。由于光速 為一已知條件，光信號(hào)往返一趟的時(shí)間即可換算為信號(hào)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 為光信號(hào)往返一趟的時(shí)間，則光信號(hào)行走的距離等于。顯而易見(jiàn)的，時(shí)差測(cè)距式的3D激光掃描儀，其量測(cè)精度受到我們能多準(zhǔn)確地量測(cè)時(shí)間 ，因?yàn)榇蠹s 3.3 皮秒;微微秒)的時(shí)間，光信號(hào)就走了 1 公厘。

激光測(cè)距儀每發(fā)一個(gè)激光信號(hào)只能測(cè)量單一點(diǎn)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(gè)激光信號(hào)以不同的角度發(fā)射。而此款激光測(cè)距儀即可通過(guò)本身的水平旋轉(zhuǎn)或系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)鏡(rotating mirrors)達(dá)成此目的。旋轉(zhuǎn)鏡由于較輕便、可快速環(huán)轉(zhuǎn)掃描、且精度較高，是較廣泛應(yīng)用的方式。典型時(shí)差測(cè)距式的激光掃描儀，每秒約可量測(cè)10,000到100,000個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

三角測(cè)距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測(cè)環(huán)境情的主動(dòng)式掃描儀。相對(duì)于飛時(shí)測(cè)距法，三角測(cè)距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測(cè)物上，并利用攝影機(jī)查找待測(cè)物上的激光光點(diǎn)。隨著待測(cè)物(距離三角測(cè)距3D激光掃描儀)距離的不同，激光光點(diǎn)在攝影機(jī)畫(huà)面中的位置亦有所不同。這項(xiàng)技術(shù)之所以被稱為三角型測(cè)距法，是因?yàn)榧す夤恻c(diǎn)、攝影機(jī)，與激光本身構(gòu)成一個(gè)三角形。在這個(gè)三角形中，激光與攝影機(jī)的距離、及激光在三角形中的角度，是我們已知的條件。通過(guò)攝影機(jī)畫(huà)面中激光光點(diǎn)的位置，我們可以決定出攝影機(jī)位于三角形中的角度。這三項(xiàng)條件可以決定出一個(gè)三角形，并可計(jì)算出待測(cè)物的距離。在很多案例中，人們以一線形激光條紋取代單一激光光點(diǎn)，將激光條紋對(duì)待測(cè)物作掃描，大幅加速了整個(gè)測(cè)量的進(jìn)程。

手持激光掃描儀通過(guò)上述的三角形測(cè)距法建構(gòu)出3D圖形:通過(guò)手持式設(shè)備，對(duì)待測(cè)物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光光。 以兩個(gè)或兩個(gè)以上的偵測(cè)器(電耦組件 或 位置傳感組件)測(cè)量待測(cè)物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離，通常還需要借助特定參考點(diǎn)-通常是具黏性、可反射的貼片-用來(lái)當(dāng)作掃描儀在空間中定位及校準(zhǔn)使用。這些掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，會(huì)被導(dǎo)入電腦中，并由軟件轉(zhuǎn)換成3D模型。手持式激光掃描儀，通常還會(huì)綜合被動(dòng)式掃描(可見(jiàn)光)獲得的數(shù)據(jù)(如待測(cè)物的結(jié)構(gòu)、色彩分布)，建構(gòu)出更完整的待測(cè)物3D模型。

將一維或二維的圖像投影至被測(cè)物上，根據(jù)圖像的形變情形，判斷被測(cè)物的表面形狀，可以非常快的速度進(jìn)行掃描，相對(duì)于一次測(cè)量一點(diǎn)的探頭，此種方法可以一次測(cè)量多點(diǎn)或大片區(qū)域，故能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

使用投影機(jī)將正弦波調(diào)變之光柵投射于書(shū)本上。調(diào)變光三維掃描儀在時(shí)間上連續(xù)性的調(diào)整光線的強(qiáng)弱，常用的調(diào)變方式是周期性的正弦波。借由觀察圖像每個(gè)像素的亮度變化與光的相位差，即可推算距離深度。調(diào)變光源可采用激光或投影機(jī)，而激光光能達(dá)到極高之精確度，然而這種方法對(duì)于噪聲相當(dāng)敏感。

被動(dòng)式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線(如激光)，而是以測(cè)量由待測(cè)物表面反射周遭輻射線的方法，達(dá)到預(yù)期的效果。由于環(huán)境中的可見(jiàn)光輻射，是相當(dāng)容易取得并利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測(cè)環(huán)境的可見(jiàn)光為主。但相對(duì)于可見(jiàn)光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應(yīng)用于這項(xiàng)用途的。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，被動(dòng)式掃描法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支持，這類被動(dòng)式產(chǎn)品往往相當(dāng)便宜。

傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個(gè)放在一起的攝影機(jī)，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類借由雙眼感知的圖像相疊推算深度(當(dāng)然實(shí)際上人腦對(duì)深度信息的感知?dú)v程復(fù)雜許多)，若已知兩個(gè)攝影機(jī)的彼此間距與焦距長(zhǎng)度，而截取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析，一般使用區(qū)塊比對(duì)或?qū)O幾何算法達(dá)成。使用兩個(gè)攝影機(jī)的立體視覺(jué)法又稱做雙眼視覺(jué)法，另有三眼視覺(jué)與其他使用更多攝影機(jī)的延伸方法。

早期由 B.K.P. Horn 等學(xué)者提出，使用圖像像素的亮度值代入預(yù)先設(shè)計(jì)之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程組中的未知數(shù)多過(guò)限制條件，因此須借由更多假設(shè)條件縮小解集之范圍。例如加入表面可微分性質(zhì)、曲率限制、光滑程度以及更多限制來(lái)求得精確的解。此法之后由 Woodham 派生出立體光學(xué)法。

為了彌補(bǔ)光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學(xué)法采用一個(gè)相機(jī)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(jiǎn)單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個(gè)不同的方向照射待測(cè)物，每次僅打開(kāi)一盞光源。拍攝完成后，再綜合三張照片并使用光學(xué)中的完美漫射模型解出物體表面的梯度矢量，經(jīng)過(guò)矢量場(chǎng)的積分后即可得到三維模型。此法并不適用于光滑而不近似于朗伯表面的物體。

此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構(gòu)成三維形體。當(dāng)物體的部分表面無(wú)法在輪廓聯(lián)機(jī)展現(xiàn)時(shí)，重建后將丟失三維信息。常見(jiàn)的方式是將待測(cè)物放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上，每次旋轉(zhuǎn)一小角度后拍攝其圖像，再經(jīng)由圖像處理技巧去除背景并取出輪廓線條，搜集各角度之輪廓線后即可"刻劃"成三維模型。

另外有些方法在重建過(guò)程中需要用戶提供信息，借助人類視覺(jué)系統(tǒng)之獨(dú)特性能，輔助完成重建程序。這些方式都是基于照片攝影原理，針對(duì)同個(gè)物體拍攝圖像以推算三維信息。另一種類似的方式是全景重建，乃是在定點(diǎn)上拍攝四周圖像使之得以重建場(chǎng)景環(huán)境。

個(gè)別廠商為了不當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)目的，有時(shí)把結(jié)構(gòu)光的三種具體形式(激光點(diǎn)，激光線，結(jié)構(gòu)光柵)的掃描儀區(qū)分為一、二、三代。造成許多用戶認(rèn)識(shí)和選型上的誤導(dǎo)和歧義。這是故意而為的錯(cuò)誤，是嚴(yán)重的不當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)和非法行為。

結(jié)構(gòu)光的三種具體形式(激光點(diǎn)，激光線，結(jié)構(gòu)光柵)，其發(fā)展的主要目的，是針對(duì)不同的用途和不同的精度等級(jí)及工作效率的需求，而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。其使用和目的均有各自得市場(chǎng)，但隨科技的發(fā)展，這幾種產(chǎn)品，在用途上均會(huì)有部分交集的地方。比如，目前，國(guó)外百萬(wàn)左右的照相式掃描儀，也可以提供橄欖核級(jí)的細(xì)節(jié)精密測(cè)量。這就覆蓋激光點(diǎn)線掃描儀的一些市場(chǎng)。 再如，國(guó)外高精密的激光線掃描儀，目前測(cè)量精度可到0.01微米。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在激光線掃描儀，其精度也可以做到0.05微米。那么，激光點(diǎn)掃描儀和激光線掃描儀相比，在精度上也沒(méi)有了明顯優(yōu)勢(shì)。但，顯然，激光點(diǎn)，線掃描儀的市場(chǎng)與結(jié)構(gòu)光柵掃描儀的市場(chǎng)，還是有明顯區(qū)別的。這個(gè)區(qū)別就是通常在精度上，相差10倍或更多。

我們?cè)谶x型和區(qū)分上。重點(diǎn)看的就是實(shí)際精度。這個(gè)是第一指標(biāo)。舉例:個(gè)別廠商，在銷售上誤導(dǎo)客戶，客戶需要測(cè)量皮紋，確買了一臺(tái)照相式掃描儀。結(jié)果造成實(shí)際根本不能用。

掃描儀廠牌不同，型號(hào)不同。結(jié)構(gòu)形式不同。其必然有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)的地方。所以其測(cè)量精度等級(jí)各有不同。用戶選型時(shí)，除了看標(biāo)注的精度參數(shù)之外，還要通過(guò)實(shí)測(cè)產(chǎn)品樣件，來(lái)獲得正確評(píng)價(jià)。并且一般需要把精度指標(biāo)寫(xiě)入合同中，以避免不法廠商的欺騙行為。

1.翻開(kāi)掃描儀開(kāi)關(guān)時(shí)，掃描儀宣布反常響聲。這是因?yàn)橛行╊愋偷膾呙鑳x有鎖，其意圖是為了鎖緊鏡組，避免運(yùn)送中轟動(dòng)，因此在翻開(kāi)掃描儀電源開(kāi)關(guān)前應(yīng)先將鎖翻開(kāi)。

2.掃描儀接電后沒(méi)有任何反響。有些類型的掃描儀是節(jié)能型的，只要在進(jìn)入掃描界面后燈管才會(huì)亮，一旦退出后會(huì)主動(dòng)平息。3.掃描時(shí)顯現(xiàn)"沒(méi)有找到掃描儀"。此表象有可能是因?yàn)橄乳_(kāi)主機(jī)，后開(kāi)掃描儀所致使，可重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)或在設(shè)備管理中改寫(xiě)即可,。

4.掃描儀的分辨率與打印機(jī)的分辨率是不是是一個(gè)概念?大概如何依據(jù)掃描儀的分辨率選購(gòu)打印機(jī)?

掃描儀的分辨率的單位嚴(yán)厲界說(shuō)應(yīng)當(dāng)是ppi，而不是dpi。ppi是指每英寸的pixel數(shù)，關(guān)于掃描儀來(lái)說(shuō)，每一pixel不是0或1這樣簡(jiǎn)略的描繪聯(lián)系，而是24bit、 36bit或CMYK(1004)的描繪。打印機(jī)的分辨率的dpi中的d是指英文中的dot，每一個(gè)dot沒(méi)有深淺之分，僅僅0或1的概念，而關(guān)于掃描儀來(lái)說(shuō)，1個(gè)pixel需求若干個(gè)4種dot(CMYK)來(lái)描繪，即一點(diǎn)的顏色由不一樣的dot的疏密程度來(lái)決議。所以掃描儀的dpi與打印機(jī)的dpi概念不一樣。用1440dpi的打印機(jī)輸出1:l的圖畫(huà)，掃描時(shí)用100-150dpi左右的掃描即可。

5.掃描儀在掃描時(shí)呈現(xiàn)"硬盤(pán)空間不行或內(nèi)存不足"的提示。首要，承認(rèn)硬盤(pán)及內(nèi)存是不是夠，若空間很大，請(qǐng)查看您設(shè)定的掃描分辨率是不是太大形成文件數(shù)據(jù)量過(guò)大。

6. 掃描使噪音奇大。拆開(kāi)機(jī)器蓋子，找一些縫紉機(jī)油滴在衛(wèi)生紙大將鏡組兩條軌道上的油垢擦凈，再將縫紉機(jī)油滴在傳動(dòng)齒輪組及皮帶兩頭的軸承上(注意油量適中)，結(jié)尾恰當(dāng)調(diào)整皮帶的松緊。

7. 掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。查看硬盤(pán)剩下容量，將硬盤(pán)空間最佳化，先刪去無(wú)用的TMP文檔，做Scandisk，再做Defrag或Speed Disk。請(qǐng)注意:假如結(jié)尾實(shí)踐掃描分辨率的設(shè)定，高于掃描儀的光學(xué)分辨率，則掃描速度會(huì)變慢，這是正常表象。

牙科三維掃描儀，也稱義齒三維掃描儀。一種牙齒掃描及正畸、醫(yī)學(xué)整形專用三維掃描儀。一般牙科用三維掃描儀精確度比較高。又分為激光三維掃描儀和光學(xué)三維掃描儀等。另外牙科三維掃描儀一般都帶有一套專業(yè)的牙科CAD/CAM.

比如:德國(guó)Smartoptics的Activity 800、Activity850、Activity880三維掃描儀, 配有專業(yè)的牙科CAD 軟件系統(tǒng)dentCreate ! Smartoptics掃描儀不光在牙科領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，在其他領(lǐng)域珠寶、工藝品、設(shè)計(jì)等也有大量使用。