概要

在3D建模開(kāi)始前，首先需要選擇合適的工具，而這又取決于你對3D模型的要求。換句話(huà)說(shuō)，這個(gè)模型有何用途。一些常見(jiàn)工具包括三維掃描和攝影測量。本文將為您介紹如何根據不同項目選擇不同工具，以及何時(shí)可以合并使用。

三維掃描技術(shù)類(lèi)別

結構光、激光三角測量法、飛行時(shí)間

三維掃描的優(yōu)勢

精度高、準確、簡(jiǎn)單易用、適用廣泛、實(shí)時(shí)反饋、硬件統一

攝影測量的優(yōu)勢

色彩鮮艷、紋理逼真、性?xún)r(jià)比高

三維掃描儀

我們先來(lái)介紹三維掃描的工作原理，并總結市面上主流三維掃描儀類(lèi)型。這有助于我們之后與攝影測量技術(shù)進(jìn)行對比。

三維掃描是一項將真實(shí)物體轉換為數字形態(tài)的技術(shù)，或者準確來(lái)說(shuō)，將有關(guān)形狀和色彩的信息轉換成數字形態(tài)。一旦在電腦上完成了物體數字副本，你就擁有了無(wú)限可能：模型可用于檢驗、測量、修改，也能用于模擬或壓力測試，方便分享、合作、導入AR/VR環(huán)境等等，不勝枚舉。

要點(diǎn)

在工業(yè)、醫療、汽車(chē)、CGI、航空航天領(lǐng)域，三維掃描技術(shù)被越來(lái)越多地應用于檢驗、測量和數字化。

你是如何為物體制作精準數字副本的？答案是：三維掃描儀。在過(guò)去幾十年間，久經(jīng)考驗的傳統三維掃描工具不斷升級，全新技術(shù)不斷出現，如今的三維掃描工具快速迭代。截至目前，結構光和激光三角測量掃描儀是使用廣泛的三維掃描工具。

結構光與激光三角測量三維掃描儀

這兩類(lèi)掃描儀的工作原理十分相近：掃描儀將光束投射到物體表面，掃描儀攝像頭記錄從物體反射回來(lái)的光束扭曲情況。其中的區別是，結構光掃描儀投射形成網(wǎng)格的白光或藍光，而激光三角測量掃描儀投射的是簡(jiǎn)單線(xiàn)條。

掃描過(guò)程中，三維掃描儀收集關(guān)于物體表面的幾百萬(wàn)點(diǎn)信息，掃描儀軟件會(huì )分析光線(xiàn)的扭曲程度以及所有點(diǎn)位之間的相互關(guān)系，并據此在數字環(huán)境下重建物體。

對于結構光和激光三角測量三維掃描儀而言，3D點(diǎn)數據集被稱(chēng)為點(diǎn)云，它可以被轉換為三維網(wǎng)格模型。取決于網(wǎng)格制作程序，拓撲結構可以由三角形或四邊形組成，但無(wú)論如何，這些模型是由數百萬(wàn)個(gè)這樣的面相連而成的。轉換后的模型可以方便對物體進(jìn)行進(jìn)一步加工，可用于逆向工程、CAD、AR/VR應用等，從而實(shí)現上文提及的目的。

結構光和激光三維掃描技術(shù)在掃描幾毫米到幾米的小型物體時(shí)非常管用。這樣，掃描物體并處理掃描儀收集的數據就會(huì )變得非?？?， 3D模型也會(huì )十分精準，與原物很相似。

飛行時(shí)間三維掃描技術(shù)

如果物體尺寸（高度或長(cháng)度）超過(guò)了幾十米，你或許需要選擇一款采用飛行時(shí)間技術(shù)（TOF）的三維掃描儀，也叫脈沖式激光三維掃描技術(shù)。這類(lèi)掃描儀可以認為是遠距設備，和結構光、激光三角測量掃描儀不同，TOF掃描儀與物體的間距可達幾米甚至幾百上千米。

這項技術(shù)的原理是什么？掃描儀發(fā)射激光脈沖。當它們從表面反射回來(lái)時(shí)，會(huì )被掃描儀接收器接收，掃描儀會(huì )計算每個(gè)脈沖返回所用的時(shí)間（幾分之一秒）。收集并記錄數百萬(wàn)反彈的脈沖信息，掃描儀就能形成表面圖片。準確度取決于你所使用的設備以及需要數字化的區域。如果你使用的是固定在三腳架上的三維掃描儀，那就有可能收到達到亞毫米級的精度；如果你需要繪制大面積地形圖，且用了飛機或無(wú)人機，你的公差可能會(huì )達到幾厘米。

三維掃描儀的利弊

從本文第一部分我們可以得出如下結論，如果你需要為尺寸較小或面積很大的區域完成精準數字副本，結構光、激光三角測量掃描以及TOF三維掃描儀都可以成為你的得力工具。正是由于優(yōu)質(zhì)三維掃描儀能夠提供精準的空間數據，才使其成為部分領(lǐng)域不可或缺的工具，畢竟，有些領(lǐng)域中，一個(gè)微小的精度誤差，可能會(huì )導致不可逆轉的后果，甚至是一場(chǎng)災難。三維掃描儀也在工業(yè)設計和工程領(lǐng)域頗受青睞，行業(yè)專(zhuān)家將設備用于一系列場(chǎng)景中，例如開(kāi)發(fā)電子器件，確保管道穩固，對大規模生產(chǎn)的機械部件進(jìn)行質(zhì)量控制等等。

在醫療領(lǐng)域，三維掃描儀還被用于假肢和植入物的設計，在手術(shù)前后輔助評估整形手術(shù)效果，為患者制作貼合且持久耐用的產(chǎn)品。在藝術(shù)、娛樂(lè )、科研和博物館，三維掃描儀可用于制作演員的數字替身，在考古現場(chǎng)和博物館庫房為幾百萬(wàn)年前的化石制作數字模型，還能推動(dòng)解剖學(xué)、古生物學(xué)甚至太空探索等領(lǐng)域的研究。越來(lái)越多的法醫人類(lèi)學(xué)家開(kāi)始借助三維掃描記錄犯罪現場(chǎng)，這種方式又快又準確。

除了這些豐富的應用場(chǎng)景外，三維掃描儀還因操作簡(jiǎn)便而脫穎而出。例如，手持式掃描儀質(zhì)量輕便，方便您繞著(zhù)物體走動(dòng)，采集全部表面。這款產(chǎn)品集合了三維掃描儀先進(jìn)的功能——內置觸摸屏，可實(shí)時(shí)顯示掃描進(jìn)度，無(wú)需連接筆記本或平板電腦。不用筆記本或平板電腦，意味著(zhù)你可以繞著(zhù)物體自由移動(dòng)，不用擔心電線(xiàn)的牽絆。

屏幕提供的實(shí)時(shí)反饋對用戶(hù)而言也很有價(jià)值，他們可以輕松檢查是否完整捕獲了物體表面。稍后，我們還會(huì )分析攝影測量法的利弊，但值得一提的是，帶內置屏幕絕對是三維掃描儀的一大優(yōu)勢，你可以對采集的數據和遺漏的數據了如指掌。

此外，正如上文所述，三維掃描儀能采集物體形狀，有些設備還能采集顏色，也就是三維掃描中俗稱(chēng)的“紋理”。盡管準確度是三維掃描不可否認的突出優(yōu)勢，但在攝影測量技術(shù)的協(xié)助下，三維掃描數據還能更進(jìn)一步。

攝影測量

攝影測量是通過(guò)將物體多張照片合并，以獲得表面3D圖像的一項技術(shù)。和上文介紹的專(zhuān)業(yè)三維掃描技術(shù)不同，攝影測量技術(shù)無(wú)需三維掃描儀，只需一臺相機。而且，也不需要一臺非常專(zhuān)業(yè)的相機，從智能手機到無(wú)人機，任何設備拍攝的相片都能完成。二維相機拍攝的相片由攝影測量軟件處理，這其中要考慮不少因素，主要包括相機焦距、鏡頭失真和分辨率、拍攝物體時(shí)相機的位置和角度，以及相機視角是否夠大、相鄰相片之間是否有重疊。

攝影測量軟件

免費軟件的效果沒(méi)有保障，且基本沒(méi)有技術(shù)支持，處理/編輯工具又十分有限，因此我們首先排除這些軟件。那剩下的兩大主流軟件就是Reality Capture和Agisoft。Reality Capture工作流程更靈活、更直觀(guān)，修改原始數據時(shí)，有不同路徑供選擇。你可以免費下載Reality Capture，讓軟件為你組裝一個(gè)3D模型。

隨后，你就能判斷這款軟件能否滿(mǎn)足你的需求，如果可以，那下載3D模型需要付費。此外，Reality Capture的計算速度比其主要競品快了十倍。而Agisoft的一大優(yōu)勢，就是穩定可靠的技術(shù)支持和廣泛的用戶(hù)社群，便于尋求建議和幫助。你還能獲得許多培訓材料，訪(fǎng)問(wèn)精彩的3D模型庫。許多用戶(hù)都認為相較于Reality Capture，Agisoft的準確度更有保障。

攝影測量技術(shù)的利弊

攝影測量法的一大優(yōu)勢就是所使用的相機性?xún)r(jià)比高?，F在，1600萬(wàn)像素的智能手機就能拍攝出色彩分辨率滿(mǎn)足攝影測量用途的相片。和三維掃描技術(shù)一樣，攝影測量技術(shù)無(wú)需物理接觸。無(wú)論是專(zhuān)業(yè)相機還是智能手機，攝影測量硬件設施都是又輕又便攜，也無(wú)需任何前期培訓。和三維掃描不同的是，我們也無(wú)需根據掃描物體的尺寸來(lái)選擇合適的工具（相機）。同一臺相機既能拍攝小型物體，也能拍攝大型物體。

圖片來(lái)源：3dscanexpert.com

當然，拍攝的質(zhì)量越高，基于相片制作的3D模型質(zhì)量也會(huì )越高。創(chuàng )建無(wú)縫3D模型時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵因素就是你所拍攝的相片是否覆蓋了物體的完整表面。如果想要更好的效果，手動(dòng)拍攝幾十、幾百甚至幾千張照片，那就要好好準備一番了。與之相比，三維掃描儀可以實(shí)時(shí)、自動(dòng)完成三維數據的捕獲。這里就不得不提到攝影測量的另一個(gè)弊端：在多數情況下，我們不建議用于人體3D模型的制作，除非模特可以在幾分鐘或幾小時(shí)內保持靜止坐姿。

同樣，攝影測量設備也很難在現場(chǎng)使用，特別是攝影棚的搭建。在偏遠地區（比如田野）掃描，就很難搭建一個(gè)寬敞的攝影棚。如果掃描的人體不在同一位置，那把三維掃描儀寄給他們要比安排多個(gè)機位容易得多。

拍攝相片時(shí)，我們還需要保證物體均勻受光。否則，你可能要在拍攝完后，花上幾天的時(shí)間修復、調整相片的亮度。在晴天戶(hù)外拍攝時(shí)，尤為如此，受光面會(huì )比陰影面明亮很多。

所以，理想的就是選擇一個(gè)多云的日子來(lái)拍照。如果在處理階段，有些表面效果不太好，你就必須返回拍攝現場(chǎng)，并復制首次拍攝的條件，包括燈光。如果可以直接把新照片添加到原始數據上，就會(huì )很輕松。但你有可能需要把整個(gè)物體或場(chǎng)景重新拍攝一遍。

你可以購買(mǎi)一個(gè)人工光源，并為相機以及這個(gè)光源安裝偏振濾光片，來(lái)避免攝影測量的一些局限。這種交叉偏振設置可以減少拍攝時(shí)被反光遮擋的部分，讓整個(gè)模型細節更豐富。但這一過(guò)程的缺點(diǎn)是，必須購買(mǎi)偏振設備，那么整個(gè)拍攝成本就增加了。這種方法也不是萬(wàn)無(wú)一失，如果偏振鏡不是同一種材料制成的，可能出現色彩偏移，導致模型外觀(guān)失真。

三維掃描提供精準的線(xiàn)性測量，與之不同，攝影測量的比例可能會(huì )失真。這是因為攝影測量技術(shù)取決于輸入圖片的品質(zhì)，而這一品質(zhì)又受到光源、分辨率、動(dòng)態(tài)模糊的影響。模型是以抽象單位組裝的，也不能用于高精度的場(chǎng)景中，例如逆向工程或質(zhì)量檢驗。

如何強強聯(lián)手？

很多時(shí)候，你可能需要一個(gè)色彩逼真又精準的3D模型。這時(shí)，不妨把三維掃描和相片結合起來(lái)。

一個(gè)經(jīng)典案例就是為時(shí)任美國總統的奧巴馬制作3D雕像，這也是首座國家元首的3D肖像。當時(shí)，該項目同時(shí)使用了結構光掃描儀（Artec Eva）以及攝影測量法?；蛟S你已經(jīng)發(fā)現，攝影測量法在制作人體3D模型時(shí)，很難使用，我們的模特還是美國總統，時(shí)間相當寶貴。當時(shí)，他們的解決方法就是在總統周?chē)惭b特別的架子，放上80臺相機，同時(shí)拍攝。這樣一來(lái)，所有色彩、陰影、色調都能在短的時(shí)間內被捕獲，Artec Eva也能確保精準捕獲總統頭部的形狀。

另一個(gè)案例是整車(chē)數字化。在這個(gè)項目中，我們使用了無(wú)線(xiàn)Artec Leo掃描儀，用于捕獲汽車(chē)幾何（車(chē)身及內飾）。對于工業(yè)設計師和工程師而言，準確的幾何信息已綽綽有余。但在電游開(kāi)發(fā)中，鮮艷的色彩比汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的準確性更重要，因此，游戲開(kāi)發(fā)者需要在3D網(wǎng)格模型上疊加彩色相片。如此集成至電游中，汽車(chē)就會(huì )非常逼真，用戶(hù)體驗顯著(zhù)提升。

在軟件方面，值得注意的是，Artec Studio結合三維掃描和攝影測量數據的操作更為簡(jiǎn)單。除了掃描數據捕獲和處理功能外，軟件還包含相片配準算法，用戶(hù)可以將高分辨率相片應用至模型上，在很多情況下，提升色彩清晰度，使掃描更為真實(shí)。

一個(gè)相關(guān)案例中，Artec Studio使用了三維掃描和攝影測量的結合功能，為一張帶有復雜叢林圖案的椅子制作了數字模型。相片和Artec Leo的掃描數據結合，制作了紋理文件，隨后使用軟件的紋理算法貼至3D網(wǎng)格。除了這張色彩清晰鮮艷的椅子，這項功能還將耐克運動(dòng)鞋140張高分辨率相片包裹在A(yíng)rtec Space Spider捕獲的三維掃描模型上。

整個(gè)流程花了半個(gè)多小時(shí)，完成了十分逼真的耐克Kyrie 7籃球鞋。這雙運動(dòng)鞋的模型上能看到耐克360度抓地鞋底清晰可見(jiàn)的紋路。掃描時(shí)，運動(dòng)鞋被倒置以避免折痕。另一個(gè)項目中，人們發(fā)現，即便是為一個(gè)微小的小蟲(chóng)模型添加精細紋理，算法也一樣精準，小蟲(chóng)模型栩栩如生。這些案例都表明，Artec軟硬件結合，細節水平更上一層樓。

結論

攝影測量技術(shù)依然深受電游開(kāi)發(fā)者歡迎，因為他們非常重視視覺(jué)效果。不過(guò)，三維掃描也逐漸在這一領(lǐng)域嶄露頭角，它們可以更快捕獲真實(shí)世界的物體與人體，且過(guò)程更靈活。手持式掃描儀持續在衛生領(lǐng)域大顯身手，精準快速地測量患者四肢，方便定制貼合的矯形裝置。

因此，如果你重視精度，希望快速捕獲高分辨率物體模型，并將模型應用于CAD程序，那或許應當考慮專(zhuān)業(yè)三維掃描儀和三維掃描軟件。

假如沒(méi)有預算限制，不急于完工，那可以考慮合并使用三維掃描和攝影測量來(lái)制作真實(shí)物體的數字副本，這無(wú)疑是理想之選。如此操作，模型既有高度精準的幾何，又有色彩鮮艷的紋理細節。