D掃描儀調(diào)研報告.doc

4 CADScan3D：廉價的桌面式3D掃描儀在使用3D打印機的過程中，有一個環(huán)節(jié)就是建模。一般情況下，使用者要借助支持輸出stl格式的軟件進行建模，然后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機。這對于設(shè)計專業(yè)的人來說并不算難，換是普通的PC用戶呢？去年底的時候，潘昊在小編面前展示了一個更簡便的建模方法：借用Autodesk公司的123D Catch免費軟件進行360拍照，然后把相應(yīng)的圖片上傳到云端。過了一段時間后，相應(yīng)的建模代碼會從云端反饋過來，直接可用。不過這個軟件也有一些不足，比如說無法保證iPad/iPhone拍攝的距離、角度完全一致。如果在拍攝的過程中出現(xiàn)抖動狀況的話，也有可能會影響效果。早些時候，CADScan3D這款3D掃描儀成功在Kickstarter上獲得9.7萬美元的融資，它主要是提供一個廉價的桌面式3D掃描解決方案。在集資期間，他們曾經(jīng)以599英鎊的優(yōu)惠價格賣給早批支持用戶。CADScan3D使用起來很簡單：把體積小于250mm250mm250mm的產(chǎn)品放到轉(zhuǎn)盤中央，按下啟動鍵后，分別位于上方和側(cè)面的兩個掃描頭會隨著轉(zhuǎn)盤的運轉(zhuǎn)而進行數(shù)據(jù)收集，從而把物品的顏色、形狀展現(xiàn)到電腦屏幕前面。精度方面，這款產(chǎn)品可以達到0.2mm。為了減少物品表面反射所帶來的影響，這款機器會使用高分辨率和低分辨率相互結(jié)合的方式，并借助白光掃描技術(shù)捕捉物品的外觀細節(jié)。據(jù)他們在Kickstarter上的介紹，為了降低成本，設(shè)備的掃描頭是他們自己研發(fā)的，不需要昂貴的投影組建和光學(xué)組件。如果你是一位創(chuàng)客，而且覺得這款產(chǎn)品還是貴了點的話，可以在網(wǎng)上搜索“David Laserscanner”，自己打造一個廉價的激光3D掃描儀。Via：kickstarter三維掃描儀分類與功能編輯大體分為接觸式三維掃描儀 和非接觸式三維掃描儀 。其中非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維描儀）和激光掃描儀。而光柵三維掃描又有白光掃描或藍光掃描等，激光掃描儀又有點激光、線激光、面激光的區(qū)別。三維掃描儀功能:1：三維掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的 點云（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型（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粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)印射（texture mapping）。2： 三維掃描儀可模擬為照相機，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測量的是距離。拍照式三維掃描儀拍照式三維掃描儀原理拍照式三維掃描儀掃描原理類似于照相機拍攝照片而得名,是為滿足工業(yè)設(shè)計行業(yè)應(yīng)用需求而研發(fā)的產(chǎn)品,，它集高速掃描與高精度優(yōu)勢，可按需求自由調(diào)整測量范圍，從小型零件掃描到車身整體測量均能完美勝任，具備極高的性能價格比。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計行業(yè)中，真正為客戶實現(xiàn) 一機在手，設(shè)計無憂！拍照式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的基本原理是：采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。采用這種測量原理，使得對物體進行照相測量成為可能，所謂照相測量，就是類似于照相機對視野內(nèi)的物體進行照相，不同的是照相機攝取的是物體的二維圖象，而研制的測量儀獲得的是物體的三維信息。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時測量一個面。測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖象，然后對圖象進行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理,解算出兩個攝像機公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標。拍照式三維掃描儀可隨意搬至工件位置做現(xiàn)場測量，并可調(diào)節(jié)成任意角度作全方位測量，對大型工件可分塊測量，測量數(shù)據(jù)可實時自動拼合，非常適合各種大小和形狀物體(如汽車、摩托車外殼及內(nèi)飾、家電、雕塑等)的測量。三維掃描儀原理圖拍照式三維掃描儀采用的是白光光柵掃描，以非接觸三維掃描方式工作，全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優(yōu)點，特別適用于復(fù)雜自由曲面逆向建模， 主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計（RD，比如快速成型、三維數(shù)字化、三維設(shè)計、三維立體掃描等）、逆向工程（RE，如逆向掃描、逆向設(shè)計）及三維檢測CAV），是產(chǎn)品開發(fā)、品質(zhì)檢測的必備工具。三維掃描儀在部分地區(qū)又稱為激光抄數(shù)機或者3D抄數(shù)機。拍照式光學(xué)三維掃描儀，其結(jié)構(gòu)原理主要由光柵投影設(shè)備及兩個工業(yè)級的CCD Camera所構(gòu)成，由光柵投影在待測物上，并加以粗細變化及位移，配合CCD Camera將所擷取的數(shù)字影像透過計算機運算處理，即可得知待測物的實際3D外型。拍照式三維掃描儀采用非接觸白光技術(shù)，避免對物體表面的接觸，可以測量各種材料的模型，測量過程中被測物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動，對物件進行多個視角的測量，系統(tǒng)進行全自動拼接，輕松實現(xiàn)物體360高精度測量。并且能夠在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時，迅速的獲取紋理信息，得到逼真的物體外形,能快速的應(yīng)用于制造行業(yè)的掃描。結(jié)構(gòu)光便攜式照相測量儀的特點：1）掃描速度極快，數(shù)秒內(nèi)可得到100多萬點2）一次得到一個面，測量點分布非常規(guī)則。3）精度高，可達0.03mm4）單次測量范圍大（激光掃描儀一般只能掃描50mm寬的狹窄范圍）5）便攜，可搬到現(xiàn)場進行測量。6）可對無法放到工作臺上的較重、大型工件（如模具、浮雕等）進行測量。7）大型物體分塊測量、自動拼合。8）大景深（激光掃描儀的掃描深度一般只有100多毫米，而結(jié)構(gòu)光掃描儀的掃描深度可達300500mm三維掃描儀的發(fā)展歷程第一種三維掃描儀：點測量代表系統(tǒng)有：三坐標測量儀；點激光測量儀；關(guān)節(jié)臂掃描儀（精度不高）通過每一次的測量點反映物體表面特征，優(yōu)點是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在測量高精密形位公差要求的物體上有優(yōu)勢。定義：適合做物體表面形位公差檢測用。第二種三維掃描儀：線測量代表系統(tǒng)有：三維臺式激光掃描儀，三維手持式激光掃描儀，關(guān)節(jié)臂+激光掃描頭。通過一段（一般為幾公分，激光線過長會發(fā)散）有效的激光線照射物體表面，再通過傳感器得到物體表面數(shù)據(jù)信息。定義：適合掃描中小件物體，掃描景深?。ㄒ话阒挥?公分），精度較高，此代系統(tǒng)是發(fā)展比較成熟的,其新產(chǎn)品最高精度已經(jīng)達到0.01微米。所以，精度上，其比肩點掃描。速度上已有極大地提高。在高精度工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，將有廣闊用途。第三種三維掃描儀：面掃描代表系統(tǒng)：拍照式三維掃描儀，三維攝影測量系統(tǒng)等。通過一組（一面光）光柵的位移，再同時經(jīng)過傳感器而采集到物體表面的數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的典型應(yīng)用可用于包含下列應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域：逆向教學(xué)1）逆向工程培訓(xùn)2）逆向工程實訓(xùn)室逆向?qū)嵱?xùn)室逆向工程(RE)/快速成型(RP)1）掃描實物，建立CAD數(shù)據(jù)；或是掃描模型，建立用于檢測部件表面的三維數(shù)據(jù)。2）模具設(shè)計、精度要求低于0.05mm3）對于不能使用三維CAD數(shù)據(jù)的部件，建立數(shù)據(jù)。4）個性化設(shè)計，如服裝CAD。5）使用由RP創(chuàng)建的真實模型，建立和完善產(chǎn)品設(shè)計。6）有限元分析的數(shù)據(jù)捕捉。檢測(CAT)/CAE1）生產(chǎn)線質(zhì)量控制和曲面零件的形狀檢測 ,(精度需求低于0.05mm)例如：金屬鑄件鍛造、加工沖模和澆鑄、塑料部件(壓塑模、滾塑模、注塑模）、鋼板沖壓、木制品、復(fù)合及泡沫產(chǎn)品?？茖W(xué)研究1）計算機視覺2）計算幾何3）考古研究其他應(yīng)用1）文物、藝術(shù)品的錄入和電子展示2）動畫造型3）牙齒及畸齒矯正4）整容及上頜面手術(shù)等等2測量方法分類編輯接觸式掃描接觸式三維掃描儀通過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機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(chǎn)業(yè)，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對象如古文物、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的時間，現(xiàn)今最快的座標測量機每秒能完成數(shù)百次測量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。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信息。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。時差測距時差測距，或稱飛時測距的3D激光掃描儀是一種主動式的掃描儀，其使用激光光探測目標物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術(shù)的激光測距儀。此激光測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時間換算而得。即儀器發(fā)射一個激光光脈沖，激光光打到物體表面后反射，再由儀器內(nèi)的探測器接收信號，并記錄時間。由于光速 為一已知條件，光信號往返一趟的時間即可換算為信號所行走的距離，此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍，故若令 為光信號往返一趟的時間，則光信號行走的距離等于。顯而易見的，時差測距式的3D激光掃描儀，其量測精度受到我們能多準確地量測時間 ，因為大約 3.3 皮秒；微微秒）的時間，光信號就走了 1 公厘。激光測距儀每發(fā)一個激光信號只能測量單一點到儀器的距離。因此，掃描儀若要掃描完整的視野(field of view)，就必須使每個激光信號以不同的角度發(fā)射。而此款激光測距儀即可通過本身的水平旋轉(zhuǎn)或系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)鏡(rotating mirrors)達成此目的。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。典型時差測距式的激光掃描儀，每秒約可量測10,000到100,000個目標點。三角測距三角測距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測環(huán)境情的主動式掃描儀。相對于飛時測距法，三角測距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測物上，并利用攝影機查找待測物上的激光光點。隨著待測物（距離三角測距3D激光掃描儀）距離的不同，激光光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術(shù)之所以被稱為三角型測距法，是因為激光光點、攝影機，與激光本身構(gòu)成一個三角形。在這個三角形中，激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度，是我們已知的條件。通過攝影機畫面中激光光點的位置，我們可以決定出攝影機位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，并可計算出待測物的距離。在很多案例中，人們以一線形激光條紋取代單一激光光點，將激光條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的進程。手持激光掃描儀通過上述的三角形測距法建構(gòu)出3D圖形：通過手持式設(shè)備，對待測物發(fā)射出激光光點或線性激光光。 以兩個或兩個以上的偵測器（電耦組件 或 位置傳感組件）測量待測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通常是具黏性、可反射的貼片用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，會被導(dǎo)入電腦中，并由軟件轉(zhuǎn)換成3D模型。手持式激光掃描儀，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數(shù)據(jù)（如待測物的結(jié)構(gòu)、色彩分布），建構(gòu)出更完整的待測物3D模型。結(jié)構(gòu)光源將一維或二維的圖像投影至被測物上，根據(jù)圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非?？斓乃俣冗M行掃描，相對于一次測量一點的探頭，此種方法可以一次測量多點或大片區(qū)域，故能用于動態(tài)測量。調(diào)變光使用投影機將正弦波調(diào)變之光柵投射于書本上。調(diào)變光三維掃描儀在時間上連續(xù)性的調(diào)整光線的強弱，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，而激光光能達到極高之精確度，然而這種方法對于噪聲相當敏感。非接觸被動式掃描被動式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線（如激光），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預(yù)期的效果。由于環(huán)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(huán)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(yīng)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(guī)格太特殊的硬件支持，這類被動式產(chǎn)品往往相當便宜。立體視覺法傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個放在一起的攝影機，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（當然實際上人腦對深度信息的感知歷程復(fù)雜許多），若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度，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)塊比對或?qū)O幾何算法達成。使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法，另有三眼視覺與其他使用更多攝影機的延伸方法。色度成形法早期由 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求得精確的解。此法之后由 Woodham 派生出立體光學(xué)法。立體光學(xué)法為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學(xué)法采用一個相機拍攝多張照片，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。最簡單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個不同的方向照射待測物，每次僅打開一盞光源。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)過矢量場的積分后即可得到