什么是3D掃描儀？

三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學儀器，用來偵測并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)。搜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、刑事鑒定、數位文物典藏、電影制片、游戲創作素材等等都可見其應用。

三維掃描儀的制作并非仰賴單一技術，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。目前并無一體通用之重建技術，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。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，而雷射技術不適用于脆弱或易變質的表面。
 

三維掃描儀的功能

三維掃描儀的用途是建立物體幾何表面的點云(point cloud)，這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云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)。
 

 
3D掃描示意圖

三維掃描儀可類比為照相機，它們的視線范圍都呈現圓錐狀，資訊的搜集皆限定在一定的范圍內。兩者不同之處在于相機所抓取的是顏色資訊，而三維掃描儀測量的是距離。由于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。

由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此常需要變換掃描器與物體的相對位置或將物體放置于電動轉盤(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注冊(image registration)或對齊(alignment)，其中涉及多種三維比對(3D-matching)方法。

3D掃描儀的分類

三維掃描儀分類為接觸式(contact)與非接觸式(non-contact)兩種，后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，又稱做基于機器視覺(Vision-based)的方式，是今日機器視覺研究主流之一。
 

 
3D雷射掃描儀 可用于掃描建筑物

接觸式掃描：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，常被用于工程制造產業，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，因此不適用于高價值物件如古文物、遺跡等的重建作業。此外，相較于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。

非接觸被動式掃描：被動式掃描儀本身并不發射任何輻射線(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。由于環境中的可見光輻射，是相當容易取得并利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對于可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應用于這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法并不需要規格太特殊的硬件支援，這類被動式產品往往相當便宜。非接觸被動式掃描包括：立體視覺法(Stereoscopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立體光學法(Photometric Stereo)和輪廓法等?！　?/span>

非接觸主動式掃描：主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來計算三維空間資訊。就是像物體投射特定的光，其中代表技術激光線式的掃描，精度比較高，但是由于每次只能投射一條光線，所以掃描速度慢。另外，由于激光會對生物體以及比較珍貴的物體造成傷害，所以不能應用于某些特定領域。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。非接觸主動式掃描包括：時差測距(Time-of-Flight)、三角測距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、結構光源(Structured Lighting)和調變光(Modulated Lighting)等等。

世界上最快的唯一的模塊化的三維大空間激光掃描儀

美國FARO公司FOCUS 3D三維激光掃描儀是用于復雜測量和建檔的高速三維掃描儀，也是世界上唯一的模塊化的三維激光掃描系統，還是世界上最快的三維大空間激光掃描儀，以每秒最大976,000點的速率可掃描最長為503英尺(153米)的文檔。Focus3D采用激光技術，只需數分鐘即可產生復雜環境和幾何結構的詳細三維圖像。Focus3D配有觸摸操作屏，用于控制掃描功能和參數。最終的圖像是由數百萬彩色點的點云組成，可用來對現有環境進行數字化再現。
 

 
FOCUS 3D三維激光掃描儀

Focus3D 激光掃描儀采用最高效的三維數據文檔制作方法，適合房屋建筑、開挖體積、建筑外立面和結構變形、犯罪現場、事故細節、產品幾何結構、工廠、工藝裝置等。超小的尺寸和重量以及觸摸界面，令Focus3D使用便捷，與常規掃描器相比可節省高達50%掃描時間。

Focus3D特點：

Focus3D采用直觀的觸摸屏，利用觸摸界面可以控制所有的掃描儀功能，實現了超群的使用和控制方便性；Focus3D超輕便設計，而且工作時無需任何外部設備，尺寸僅為24x20x10cm，重量只有5kg，堪稱有史以來最小的3D掃描儀；它集成了7千萬像素全自動無視差攝像頭，能夠實現極具真實感的 3D 彩色掃描；集成的鋰離子電池可以提供長達 5 小時的供電，而且可以邊工作邊充電；Focus3D所有數據都保存在一塊 SD 卡上，可以方便、安全的轉移到 PC 上。使用 SCENE WebShare功能，圖像可以在互聯網上共享。

Focus3D多種應用：

由于控制簡單、設計小巧，Focus3D 非常適合用于 3D 建筑記錄、施工監管、逆向工程、歷史遺產保存或犯罪現場法醫記錄，能夠理想的滿足 各種應用的要求。

室內環境記錄：利用 Focus3D，可以對室內環境和技術設施(如建筑施工、傳送系統或過程設施)快速的生成 3D 記錄。

產品和組件記錄：無論是在產品設計時用于檢查大型的機械組件，或用在逆向工程中——Focus3D 都可以測量各種形狀和尺寸的產品和組件，并生成精確的數據和三維曲面模型。

室外環境記錄：Focus3D可以很好的對建筑物、建筑場所、道路和景觀特點進行記錄?？梢詫⒕嚯x最遠 120m的對象記錄下來。

三維掃描技術的應用范圍及優點(以Focus3D為例)

一、建筑和土木工程

挖掘控制：對挖掘過程進行簡單、準確的體積和尺寸控制；變形控制：記錄變化過程，監視對應措施；外墻檢查：可以在最終裝配前對建筑外殼和外墻部分進行3D尺寸檢查；結構分析和維護：快速、經濟有效的控制支撐結構的規定負載承載能力以及磨損和老化；任意形狀組件檢查：精確檢查復雜組件的尺寸，例如任意形狀的構件；　建筑環境：作為對比和擴展基礎，對現有建筑物進行精確的幾何記錄；施工過程監視：無縫的捕捉和監視施工過程，保留法律和技術記錄。
 

 
Focus3D應用于建筑和土木工程

優點：快速、簡單、完整的記錄建筑物和建筑現場當前的狀況；革命性的性價比；可以利用 WebShare 功能通過互聯網方便的在線共享掃描數據。

二、加工工業和數字工廠

轉換和擴展：按照轉換和擴展規劃對對象的當前狀態進行精確的 3D 記錄；異地生產：由于能夠進行精確的 3D CAD 數據和尺寸控制，可以實現異地精確裝配；資產管理：通過全面的 3D 數據進行虛擬現實的模擬和培訓，簡化了設施的管理、維護、培訓等等；現場監管：提高各種交易和綜合性文件和各種工作監管的協調性。
 

 
Focus3D應用于加工工業和數字工廠

優點：用3D 方式記錄復雜的工廠和車間設施可以極大的節約時間、具有高度的靈活性；對于評估困難和評估成本高昂的廢棄地改建項目或者工期要求緊的情況，可以將風險降到最低；可以將廢棄地改建項目成本降低 5-7%，將不可預見的返工成本降到低于 2%。可以將時間表縮短 10%；可以高效的監控健康和安全性以及環境。

三、檢測和逆向工程

逆向工程：對沒有施工計劃或(和)CAD 數據可用的產品和組件進行復制；內部固定裝置和配件：對輪船、汽車、飛機的復雜內部進行精確的 3D CAD 文件記錄，用作改造規劃的基礎；制造記錄：對復雜的機器組件的制造狀態進行完整的 3D 記錄；質量控制：對大型、復雜的組件，如轉子葉片、渦輪機、輪船葉輪等等，進行精確的 3D 記錄和尺寸檢查。
 

 
Focus3D應用于檢測和逆向工程

優點：經濟有效、快速、準確的對已有大型產品的幾何形狀進行 3D 捕捉；對生產的自動過程控制功能使它可以對部件實現全面的 3D 檢查和監控；由于可以進行早期的全面檢查，因此可以減少報廢和返工的發生 3D 質量控制。

四、歷史遺產

無論是要進行保存、科學分析、加固被保護建筑、還是要對不能讓人參觀歷史遺址進行虛擬呈現，本產品都是理想的選擇。FARO Focus3D 使您可以完整、詳細的記錄歷史遺跡和發掘現場。由于集成了彩色攝像頭，可以瞬時創建真實的 3D 圖像。
 

 
Focus3D應用于歷史遺產

優點：真實、完整、精確的復制對象的 3D 副本；可以輕松的復制 3D 記錄；可以方便的將采集到的場景轉換成正射影像或 CAD 文件。

五、取證和事故現場應用

輕便的 Focus3D 還可以非常理想的對犯罪和事故現場或者保險損壞進行快速完整的 3D 記錄?？梢园逊缸锘蚴鹿手蟮母鞣N相關細節都詳細的記錄下來。相應的，為了給事故制定合適的安全理念，激光掃描儀可以提供相關的 3D 數據信息。
 

 
Focus3D應用于取證和事故現場應用

優點：永久、詳細的對犯罪和事故現場進行記錄歸檔；可以方便的對犯罪和事故進行 3D 模擬；通過真實的可視化呈現，幫助開發應急方案和安全措施。