激光三維掃描

概要

本文將深入探討一項熱門(mén)的三維掃描技術(shù)——激光三維掃描。通過(guò)閱讀本文，您將了解激光掃描儀的類(lèi)型、工作原理、合適的應用場(chǎng)景以及掃描儀的具體用途。

激光掃描儀類(lèi)型（按技術(shù)分類(lèi)）

飛行時(shí)間、相位、三角測量

激光掃描儀類(lèi)型（按產(chǎn)品分類(lèi)）

手持、三腳架式、桌面式

激光掃描儀類(lèi)型（按距離分類(lèi)）

短距（遠達5米） 、中距（遠達120米）、長(cháng)距（遠達2千米）

如今，我們有多種方式、不同科技，可以為虛擬三維空間復制真實(shí)世界的物體。多種三維掃描儀都能實(shí)現：桌面式、手持式、三腳架式掃描儀；工業(yè)級或消費級掃描儀；照片掃描儀、攝影測量掃描儀；接觸式測量系統；內置激光雷達傳感器的智能手機或平板電腦；移動(dòng)式、地面式、機載系統等等。

本文將聚焦常用的激光三維掃描掃描技術(shù)，它被廣泛應用于建筑、土地測繪、法醫鑒定、遺跡保護等領(lǐng)域。通過(guò)本文，您將了解激光掃描儀的類(lèi)型、工作原理、適用場(chǎng)景與具體用途。

三維激光掃描儀

人們聽(tīng)到“激光三維掃描儀”時(shí)，腦海里可能會(huì )浮現出適用于不同場(chǎng)景和領(lǐng)域的不同掃描設備。例如，一位工業(yè)設計師，可能會(huì )聯(lián)想到一臺便攜式手持設備，能近距離捕獲中小型物體。一位建筑工人，可能會(huì )想到一臺三腳架式的地面型掃描儀，用于大型物體的測繪與測量，例如樓房或整個(gè)戶(hù)外空間。而一位測繪技術(shù)員，可能會(huì )想到一輛帶有機載掃描系統的汽車(chē)或無(wú)人機，可以在運行或飛行過(guò)程中繪制地形圖。這些都是正確答案，以上設備都可稱(chēng)之為三維激光掃描儀。

那么，到底何為激光掃描？哪些設備能稱(chēng)之為激光掃描儀呢？

簡(jiǎn)而言之，激光掃描就是將激光作為光源，從真實(shí)世界為一件或多件物體、環(huán)境捕獲精準三維信息的過(guò)程。掃描儀將激光投射至物體，形成點(diǎn)云，即數百萬(wàn)精準測量的點(diǎn)，以XYZ軸形式記錄，以體現物體空間位置。部分激光掃描儀支持以點(diǎn)云形式下載模型，而有些掃描儀會(huì )自動(dòng)將點(diǎn)云轉換成三角網(wǎng)格，可繼續轉換成CAD模型，如果支持記錄紋理，也可轉換成全彩3D模型。

為近海船準備一臺長(cháng)距激光掃描儀（供圖：ASOM）

和之前我們介紹過(guò)的接觸式測量系統不同，激光三維掃描儀100%無(wú)接觸，不會(huì )造成物體任何損傷，牢固物體或易碎物體，均能捕獲。激光掃描儀可用于室內作業(yè)，部分支持室外，白天黑夜均可使用，既有固定式，也有便攜款，可掃描小微型到超大型的各類(lèi)物體和場(chǎng)景。

要點(diǎn)

非接觸式和非破壞性激光掃描儀捕獲物體表面上的大量點(diǎn)，形成XYZ坐標軸，以計算物體尺寸，完成3D重建，確定物體空間位置，十分精準。

根據不同應用場(chǎng)景，既有可手持的便攜獨立型三維激光掃描儀，也有三腳架固定型設備，同時(shí)，也可作為復雜解決方案的一道工序，例如機械臂、移動(dòng)式或機載式激光掃描系統等。從技術(shù)分類(lèi)來(lái)看，還可分為飛行時(shí)間、相位、三角測量技術(shù)掃描儀。

下面，我們具體介紹各類(lèi)常見(jiàn)的激光掃描儀及其工作原理。

激光掃描儀類(lèi)型

#1. 飛行時(shí)間技術(shù)

這類(lèi)激光掃描儀通常用于長(cháng)距數據捕獲，采用飛行時(shí)間技術(shù)（TOF）。這類(lèi)三維掃描儀的工作原理和激光測距儀的工作原理相同：發(fā)射激光脈沖至物體，部分脈沖從物體表面返回至掃描儀。與物體的距離即可通過(guò)脈沖的飛行時(shí)間計算出來(lái)，采用以下公式：距離 =（光速x 飛行時(shí)間） / 2。這個(gè)數據用于計算激光束觸及點(diǎn)的坐標值。

飛行時(shí)間技術(shù)的工作原理

飛行時(shí)間三維掃描儀的捕獲距離可高達1000米。不過(guò)，常見(jiàn)工作距離為5-300米。雖然TOF系統捕獲距離較遠，但捕獲數據的速度慢，約為每秒幾百至幾千點(diǎn)。

設備測量返回信號時(shí)間的能力決定了TOF技術(shù)的精度。盡管不同系統的精度規格各有不同，但TOF掃描儀的精度一般為4-10毫米。新款TOF設備還可能配備RGB功能，通過(guò)內置或外接攝像頭采集色彩。

#2. 相位技術(shù)

相位三維掃描儀發(fā)射交替頻率的激光束，通過(guò)測量發(fā)射與返回信號的相位差來(lái)測定物體距離。與飛行時(shí)間掃描儀不同，相位掃描儀的工作距離為80-120米，常見(jiàn)工作距離為1-50米。

相位測量技術(shù)的工作原理

相位式三維掃描儀通常被認為是速度快的激光掃描儀，部分設備的捕獲速度高達一百萬(wàn)點(diǎn)/秒。此外，這類(lèi)設備的準確度和分辨率高于TOF掃描儀。和TOF掃描儀一樣，它們也包括內置或外置色彩捕獲功能。

要點(diǎn)

所有激光掃描儀都會(huì )發(fā)射激光，但采用不同技術(shù)來(lái)解讀返回信號。飛行時(shí)間掃描儀記錄光束從物體表面返回的時(shí)間，相位掃描儀記錄發(fā)射與返回信號的相位差，三角測量掃描儀計算發(fā)射光束返回傳感器的角度。

相位掃描儀由于精度高，適合捕獲中型物體，例如大型泵、汽車(chē)和工業(yè)設備。相位和飛行時(shí)間設備都能用于地面掃描項目，可為幾米到幾千米的超大型物體、結構完成測繪。

地面TOF和相位掃描系統都有固定式、三腳架式設備，可以單獨使用，也可以安裝在地面或飛行器上，用于采集廣闊地貌或無(wú)法抵達區域的信息。

#3. 三角測量技術(shù)

第三類(lèi)激光掃描儀采用三角測量技術(shù)，激光發(fā)射后返回至機載相機圖像傳感器陣列上的某個(gè)特定位置。為計算物體與三維掃描儀之間的距離，設備采用三角測量法，因為激光源、傳感器、物體上的標記構成一個(gè)三角形。激光源與傳感器之間的距離、激光與傳感器的角度都是非常精確的。激光反射回傳感器后，系統可以測量其與傳感器之間的角度，從而計算激光源到物體表面的距離。

三角測量法的工作原理

三角測量激光掃描儀的工作距離（小于5米）比飛行時(shí)間、相位掃描儀短，這是因為圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍比較小，且距離越遠，精度越低。多數三角測量設備也配備內置RGB采集功能。

通常來(lái)說(shuō)，三角測量掃描儀適合掃描小型物體，根據設備性能，掃描距離為1厘米到2、3米。從外觀(guān)來(lái)看，有固定式和三腳架式三角測量掃描儀。但是，該技術(shù)配合便攜手持式三維掃描儀效果佳。

激光掃描儀應用場(chǎng)景

激光掃描儀可用于諸多領(lǐng)域、諸多場(chǎng)景：從建筑、土木工程到法醫、考古。隨著(zhù)技術(shù)成本越來(lái)越低、設備越來(lái)越小巧輕便，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始采用激光掃描。下面，我們介紹一些常見(jiàn)的應用場(chǎng)景。

逆向工程

使用短距三角測量激光三維掃描儀掃描汽車(chē)底盤(pán)

從小型機械部件到大型工業(yè)品，激光掃描儀已成為產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)人員工具箱的必備工具。過(guò)去，一項復雜工藝需要耗時(shí)多天才能完成組裝，還要手工測量，部件檢測的過(guò)程十分痛苦，但有了激光掃描儀，通過(guò)逆向工程制作CAD表面模型只要幾分鐘，制作參數化CAD模型只要幾個(gè)小時(shí)。如果部件受損或變形，需要重新設計卻有沒(méi)有CAD數據，那么就可以用掃描儀來(lái)制作精準的數字藍圖。帶有嵌入式處理器的便攜式激光掃描儀非常適合檢測中小型物體，而中距和長(cháng)距掃描儀非常適合大型物體的檢測?？焖偻瓿蒀AD模型，能節省數小時(shí)甚至數天的時(shí)間，讓研發(fā)團隊專(zhuān)注于產(chǎn)品改進(jìn)。

質(zhì)量檢測

使用激光掃描儀檢測水管

質(zhì)量檢測是制造過(guò)程中的另一個(gè)重要環(huán)節，也是激光掃描儀大顯身手的領(lǐng)域。過(guò)去，質(zhì)檢常常采用手動(dòng)接觸式測量法，而現在，得益于激光掃描品質(zhì)，工作流程速度更快，精度更高，測量數據也更多。反過(guò)來(lái)，迭代循環(huán)就更少，產(chǎn)品交付時(shí)間也會(huì )更短。CMM通常一次只能采集幾十個(gè)點(diǎn)，需接觸物體表面，還要為每個(gè)檢測部件編程，而激光掃描儀不同，它可以在很短的時(shí)間內，為幾何復雜的各類(lèi)物體捕獲數百萬(wàn)個(gè)測量值，且無(wú)需接觸物體表面。

要點(diǎn)

無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)還是非工業(yè)領(lǐng)域，激光掃描儀都被認為是非常高效的測量工具，包括逆向工程、質(zhì)量控制、法醫、自動(dòng)駕駛汽車(chē)。

短距激光三角測量掃描儀有便攜手持型設備，無(wú)論何種設備，位于何處，都能享受高度的靈活。這類(lèi)設備非常適合捕獲高度復雜、無(wú)法手動(dòng)或借助探頭測量的部件。由于質(zhì)量輕便，質(zhì)檢人員現在更加靈活機動(dòng)，不用被束縛在特定的操作地點(diǎn)。

長(cháng)距激光掃描儀適合為大型物體進(jìn)行檢測，完成精準測量，還能配合使用手持式掃描解決方案，為小型元素完成高清捕獲。激光掃描儀捕獲的3D模型，可在掃描處理軟件中處理，隨后轉換成CAD文件。這時(shí)，還能與原始CAD模型對比，識別出超出公差范圍的部位。

法醫鑒定

使用三角測量激光三維掃描儀捕獲犯罪現場(chǎng)

由于激光掃描儀能捕獲房間內部、樓房、完整場(chǎng)地等大型空間，因此它也成為精細記載、犯罪現場(chǎng)調查、事故再現等場(chǎng)景中的得力助手。和相片、視頻、卷尺等傳統證據搜集方式不同，激光掃描儀讓調查人員得以捕獲犯罪現場(chǎng)的原貌，每件證據都能精準測量，無(wú)論是尸體、腳印還是彈孔，都能在幾分鐘內完成。

帶有嵌入式處理器的便攜式手持激光掃描儀，適合一天需在多個(gè)地點(diǎn)捕獲物體的項目。如需更精準的數據，也可使用手持式掃描儀，例如近距離掃描尸體、破損的家具，或者掃描罪犯留下的腳印。而長(cháng)距掃描儀適合捕獲整個(gè)現場(chǎng)。將其放在房間中央自動(dòng)掃描，調查人員就可以和證人、受害人談話(huà)，或進(jìn)行其他調查工作，無(wú)需再控制掃描儀。三維數據讓法醫對犯罪現場(chǎng)有了更為全面詳細的認識，也能讓庭審案件更具說(shuō)服力。

建筑（BIM）

使用三腳架長(cháng)距激光掃描儀掃描倉庫

對于中距和長(cháng)距地面型激光掃描儀而言，另一種常見(jiàn)應用場(chǎng)景，就是三維捕獲樓房或整個(gè)建筑工地，對建筑師和建筑人員而言更是司空見(jiàn)慣。通過(guò)這類(lèi)設備，設備所有人或建筑項目管理員就能快速完成精準記錄，為樓房制作3D模型，記錄詳細情況。此外，這些設備也可用于施工進(jìn)度跟蹤或新建項目的質(zhì)檢，對比成品建筑與設計模型。激光掃描儀不僅節省了手動(dòng)測量的時(shí)間和成本，也大大提升了施工安全，對于一些風(fēng)險較大的項目而言，非常重要。建筑項目的整個(gè)周期都可以使用激光三維掃描儀，保存好大量三維數據，還可用于今后項目的翻新或全新項目，也能隨時(shí)查看。

考古

使用手持式短距激光掃描儀捕獲三角龍頭骨（供圖：David Cano / 3D Printing Colorado）

另一個(gè)激光掃描儀不可或缺的領(lǐng)域就是考古，在考古挖掘現場(chǎng)，無(wú)論是滅絕物種的一根骨頭，還是整座古城，都能進(jìn)行3D記錄。帶嵌入式處理器的便攜式手持激光掃描儀還能在野外工作，方便靈活，考古學(xué)家記錄任何想記錄的考古發(fā)現。得益于設備上自帶的屏幕，他們還能實(shí)時(shí)看到模型的構建過(guò)程，無(wú)需另外攜帶電腦或平板。長(cháng)距地面型和機載激光掃描設備也能成功應用于地形測繪、挖掘規劃，發(fā)現研究人員無(wú)法用肉眼看的考古遺址，讓歷史不被埋沒(méi)。

過(guò)去，考古學(xué)家只能使用全站儀、GPS設備、攝影測量法等方式搜集數據，而有了激光掃描儀，考古學(xué)家搜集高清可靠數據的速度就比原來(lái)快了許多，在考古挖掘過(guò)程中，為他們節省了數百小時(shí)的時(shí)間。由于掃描儀無(wú)需接觸物體表面，不具破壞性，還能用來(lái)捕獲易碎文物，保留它們的原貌。捕獲數據可用于考古記錄，也能制作虛擬模型，用于文物修復保護和文物展覽。

移動(dòng)測繪

車(chē)載激光測繪系統

移動(dòng)測繪是長(cháng)距激光掃描儀的另一種應用。移動(dòng)測繪是指通過(guò)陸上移動(dòng)車(chē)輛（汽車(chē)、火車(chē)、船只）或空中飛行器（無(wú)人機、直升機、飛機）收集三維地理空間數據的過(guò)程，也就是收集物體在地球上的具體位置。移動(dòng)測繪系統通常裝有各種導航和遙感技術(shù)，例如GNSS、攝像頭、激光雷達。結合所有技術(shù)，專(zhuān)業(yè)人士即可記錄、測量、認識某個(gè)環(huán)境，完成可視化，適合管理公路鐵路網(wǎng)絡(luò )、城市規劃，分析水下或地下結構，提升發(fā)電廠(chǎng)基礎設施安全性，設計數字地圖等大量場(chǎng)景。

埃太科三維激光掃描儀

文末，我們再來(lái)看幾款激光掃描儀產(chǎn)品。埃太科三維推出了兩款激光掃描儀。一款為手持式設備Artec Leo，適合近距離（0.35-1.2米）掃描大中型物體，另一款為相位掃描儀Artec Ray，操作距離高達110米。

Artec Leo

Artec Leo完美適合大中型物體的掃描，分辨率高達0.2毫米，精度高達0.1毫米

Artec Leo是一款便攜型手持掃描儀，采用三角測量結構激光技術(shù)，適用范圍廣，在同類(lèi)產(chǎn)品中表現優(yōu)秀。這是因為設備內置處理器，搭載HD顯示屏、Wi-Fi功能、電池，可以實(shí)時(shí)查看掃描效果，無(wú)需任何其他設備（電腦或平板）。掃描儀可捕獲3500萬(wàn)點(diǎn)/秒，點(diǎn)云細節豐富，精度高達0.1毫米，分辨率高達0.2毫米，幾秒即可搞定。Leo掃描范圍廣（可達838 × 488毫米），可掃描處理各類(lèi)尺寸的物體，小至20-30厘米的零部件，大至50-200厘米以上的大型物體乃至整個(gè)場(chǎng)景。Leo采用1級VCSEL激光束，對眼睛完全沒(méi)有傷害，可用于靜物和人體的掃描。Leo給人靈活自由的掃描體驗，因此，使用場(chǎng)景十分廣泛：逆向工程、CAD設計、醫療保健、考古、法醫鑒定等等。

Artec Ray

Artec Ray善于捕獲大型物體，工作距離110米，精度達亞毫米級

Artec Ray是一款長(cháng)距相位激光掃描儀，專(zhuān)門(mén)用于大型和超大行物體的捕獲，例如樓房、飛機、風(fēng)力渦輪機，精度達亞毫米級。掃描儀工作距離可達110米，機身可自身旋轉360度，垂直轉動(dòng)270度，每秒捕獲20.8萬(wàn)點(diǎn)。和許多長(cháng)距掃描儀不同，Ray捕獲的數據精準、干凈，可用于逆向工程和質(zhì)量檢測。此外，設備配有三腳架，內置電池、機載Wi-Fi，還有手機APP遠程控制掃描儀，掃描儀可留在室內外自主工作。Artec Ray捕獲的數據還能與其他埃太科手持掃描儀的數據結合，讓細節豐富的高密度數據錦上添花。