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3D扫描仪技术 - 虚拟现实新闻

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葰涃 发表于 2019-7-17 09:51:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

3D扫描仪技术简介
三维扫描仪分类为接触式与非接触式两种,后者又可分为主动扫描与被动扫描,这些分类下又细分出众多不同的技术方法。使用可见光图像达成重建的方法,又称做基于机器视觉的方式,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,现今最快的座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。
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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。
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时差测距(Time-of-Flight)
时差测距(time-of-flight,或称'飞时测距')的3D激光扫描仪是一种主动式(active)的扫描仪,其使用激光光探测目标物。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(laser rangefinder)。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光脉冲,激光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(speed of light) 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(picosecond;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。
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三角测距(Triangulation)
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(1978)。
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手持激光(Handhold Laser)
手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形:通过手持式设备,对待测物发射出激光光点或线性激光光。 以两个或两个以上的侦测器(电耦组件 或 位置传感组件)测量待测物的表面到手持激光产品的距离,通常还需要借助特定参考点-通常是具黏性、可反射的贴片-用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据,会被导入电脑中,并由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪,通常还会综合被动式扫描(可见光)获得的数据(如待测物的结构、色彩分布),建构出更完整的待测物3D模型。
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结构光源(Structured Lighting)
将一维或二维的图像投影至被测物上,根据图像的形变情形,判断被测物的表面形状,可以非常快的速度进行扫描,相对于一次测量一点的探头,此种方法可以一次测量多点或大片区域,故能用于动态测量。

调变光(Modulated Lighting)
使用投影机将正弦波调变之光栅投射于书本上。
调变光三维扫描仪在时间上连续性的调整光线的强弱,常用的调变方式是周期性的正弦波。借由观察图像每个像素的亮度变化与光的相位差,即可推算距离深度。调变光源可采用激光或投影机,而激光光能达到极高之精确度,然而这种方法对于噪声相当敏感。
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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(如激光),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持,这类被动式产品往往相当便宜。
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立体视觉法(Stereoscopic)
传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机,平行注视待重建之物体。此方法在概念上,类似人类借由双眼感知的图像相叠推算深度[1](当然实际上人脑对深度信息的感知历程复杂许多),若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度,而截取的左右两张图片又能成功叠合,则深度信息可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析(correspondence analysis),一般使用区块比对(block matching)或对极几何(epipolar geometry)算法达成。
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使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法(binocular),另有三眼视觉(trinocular)与其他使用更多摄影机的延伸方法。
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色度成形法(Shape from Shading)
早期由 B.K.P. Horn 等学者提出,使用图像像素的亮度值代入预先设计之色度模型中求解,方程式之解即深度信息。由于方程组中的未知数多过限制条件,因此须借由更多假设条件缩小解集之范围。例如加入表面可微分性质(differentiability)、曲率限制(curvature constraint)、光滑程度(smoothness)以及更多限制来求得精确的解。此法之后由 Woodham 派生出立体光学法。
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立体光学法(Photometric Stereo)
为了弥补光度成形法中单张照片提供之信息不足,立体光学法采用一个相机拍摄多张照片,这些照片的拍摄角度是相同的,其中的差别是光线的照明条件。最简单的立体光学法使用三盏光源,从三个不同的方向照射待测物,每次仅打开一盏光源。拍摄完成后再综合三张照片并使用光学中的完美漫射(perfect diffusion)模型解出物体表面的梯度矢量(gradients),经过矢量场的积分后即可得到三维模型。此法并不适用于光滑而不近似于朗伯表面(Lambertian Surface)的物体。

轮廓法
此类方法是使用一系列物体的轮廓线条构成三维形体。当物体的部分表面无法在轮廓联机展现时,重建后将丢失三维信息。常见的方式是将待测物放置于电动转盘上,每次旋转一小角度后拍摄其图像,再经由图像处理技巧去除背景并取出轮廓线条,搜集各角度之轮廓线后即可“刻划”成三维模型。

用户辅助
另外有些方法在重建过程中需要用户提供信息,借助人类视觉系统之独特性能,辅助完成重建程序。

这些方式都是基于照片摄影原理,针对同个物体拍摄图像以推算三维信息。另一种类似的方式是全景重建(panoramic reconstruction),乃是在定点上拍摄四周图像使之得以重建场景环境。

主要代表品牌

3D激光扫描器

creaform  MVT  Faro Laser Scanner  FastSCAN Cobra  Surface Imaging  Arius3D3rdTech  Z Corporation  DAVID  ExactMetrology  Stereo3D Technology  NDI  Intricad  Leica  Roland  RIEGL

3D光学扫描器

Solutionix  Creaform  3D Digital  3D Camega  ExactMetrology  Stereo3D Technology  ViALUX  Artec  3D3  Steinbichler  Shining3D  3D Systems  Breuckmann

机械3D扫描器

Immersion

乌镇和威尼斯 发表于 2019-7-18 10:15:36 | 显示全部楼层
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,如座标测量机(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接触式三维扫描仪
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人间正道 发表于 2019-7-29 12:20:15 | 显示全部楼层
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。
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