概要

為真正了解世上優(yōu)秀的三維掃描儀如何采集各種尺寸和難度的物體，我們必須先深入了解結構光工作原理。本文旨在深入淺出地向您闡釋結構光相較于其他技術(shù)的優(yōu)勢，包括三坐標測量機、CGI攝影測量法。隨后，我們將介紹對于結構光三維掃描儀而言，難度較大的表面可能有哪些特征。

掃描儀類(lèi)型

桌面式、手持式、手持無(wú)線(xiàn)式

目標應用場(chǎng)景

逆向工程、醫療衛生、質(zhì)檢、考古、法醫鑒定、CGI

物體尺寸分類(lèi)

XS (<90x60x60 mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)

簡(jiǎn)介

在探究結構光三維掃描儀如何以難以置信的速度和精度捕獲物體前，我們首先需要了解結構光是什么。

從實(shí)踐角度來(lái)說(shuō)，結構光是一種精確標定后的藍光或白光信息，三維掃描儀將光束投射到掃描物體的表面。通常，這種光信息為一組平行線(xiàn)、條紋或網(wǎng)格。

結構光接觸到物體表面后，由于表面的曲線(xiàn)、凹陷或突起，光線(xiàn)會(huì )被扭曲。

掃描儀投影儀（左）發(fā)射白光，通過(guò)中間的網(wǎng)格后，呈現為結構化的線(xiàn)條或條紋。網(wǎng)格條紋越粗，線(xiàn)條間的空隙就越小，“出口“處的線(xiàn)條就越窄。原本筆直的線(xiàn)條在遇到花瓶弧形表面后，隨即發(fā)生變形。

與此同時(shí)，掃描儀的攝像頭會(huì )一幀一幀地采集被反射回來(lái)的光束信息，記錄光束的扭曲程度。同時(shí)，掃描軟件會(huì )分析這些光信息，并據此準確復制出掃描物體全部表面的3D形象。

取決于掃描物體的大小和單次掃描的時(shí)間，三維掃描儀捕獲的幀數可以是幾十、幾百、甚至幾千。

反射光變成高清3D模型

掃描軟件的模式識別和重建算法能夠理解，一條光束若在某處變粗或變細時(shí)，意味著(zhù)掃描物體的表面距離攝像頭更近或是更遠，同時(shí)，其他形狀和結構也是由變形方式不同的結構光束決定的。

一些三維掃描儀還包括一個(gè)額外的攝像頭，來(lái)捕獲物體紋理。在三維掃描和三維建模的世界里，紋理是指物體色彩和其他可見(jiàn)的表面特征。

采集到的幀會(huì )被轉換為3D模型。若掃描時(shí)也采集了紋理幀，那它們也會(huì )被“投射”到3D模型上，讓模型既反映真實(shí)物體的尺寸，也從視覺(jué)上更逼真。

就手持式三維掃描儀而言，為采集物體每一面，掃描儀必須被拿起并在物體周?chē)苿?dòng)，而掃描儀的結構光束會(huì )從不同角度和位置，投射到物體表面，采集大量關(guān)于物體表面的精準細節（一些掃描儀每秒可捕獲數百萬(wàn)點(diǎn)的表面數據?。┠€可以為小型物體使用旋轉臺，這樣一來(lái)，就能保持手持掃描儀位置不變，從各角度完成掃描。

若是一臺固定式結構光掃描儀，比如Artec Micro，您只需將待掃描物體放在小型掃描平臺上，掃描儀就能自動(dòng)完成剩余工作。唯一需要人工干預的一步，就是要翻動(dòng)一次物體，采集之前未暴露的部分。

物體尺寸——從發(fā)絲到鯨魚(yú)顎骨

結構光三維掃描儀一個(gè)無(wú)可爭議的優(yōu)勢就是可以無(wú)損地采集微型到巨型的物體，部分解決方案的準確度可達10微米，也就是說(shuō)，不到一個(gè)白細胞的一半！

要點(diǎn)

如果您的工作往往圍繞一種特定類(lèi)型或尺寸的物體，那么一定要選擇一臺適合您工作任務(wù)的掃描儀！

盡管有些掃描儀能為一系列物體完成超精確的數字副本，但如果您平時(shí)通常處理一類(lèi)尺寸固定的物體，那還是建議您考慮選擇一臺適合任務(wù)需求的掃描儀。

例如，您經(jīng)常掃描彈簧、齒輪、珠寶等微型手表部件。您或許需要考慮使用一臺桌面式結構光掃描儀，如Artec Micro，即可一個(gè)接一個(gè)地輕松掃描零件。對于很小的航空航天部件而言，也是如此，例如傳統的數控銑削閥門(mén)、螺紋螺栓、開(kāi)關(guān)等。但如果您掃描的物體非常之大，例如人體，那很可能不需要1/7人類(lèi)發(fā)絲的精度水平。而對于房間之類(lèi)更大的物體，高品質(zhì)手持式結構光掃描儀可以讓您不費吹灰之力，輕松搞定。

速度與便攜

如果工作流程包括數字捕獲人體或任何動(dòng)物，那您可能需要一臺速度快的掃描儀，否則，若遇到掃描對象移動(dòng)，就會(huì )輕易導致掃描對齊失敗，從而為后期掃描處理帶來(lái)巨大的工作量。在這種情況下，請務(wù)必查看掃描儀的捕獲率FPS（每秒幀數）。該數值越高越好，除非您確定掃描對象絕對靜止不會(huì )移動(dòng)。

手持無(wú)線(xiàn)式 Artec Leo就是一款速度快、便攜又不犧牲精度的三維掃描儀，其幀率高達80 FPS，數據捕獲速度高達3500萬(wàn)點(diǎn)/秒。

若想評估多款結構光三維掃描解決方案，明智的做法就是通過(guò)現場(chǎng)演示，親眼見(jiàn)證掃描儀如何采集您所感興趣的物體，甚至還可以親自試用！近距離觀(guān)察設備設置、掃描過(guò)程、掃描處理的難易程度。

結構光技術(shù)的獨特優(yōu)勢

結構光三維掃描儀多年來(lái)作為全球上千萬(wàn)用戶(hù)的選用技術(shù)，并非沒(méi)有原因。事實(shí)上，原因還不少。接下來(lái)，我們將列舉重要的幾點(diǎn)優(yōu)勢，并介紹適用的一些領(lǐng)域。

無(wú)接觸工作 對很多物體而言，用標記進(jìn)行接觸測量（三坐標測量機）或攝影測量完全不應予以考慮，例如掃描對象為獨一無(wú)二的考古標本或博物館展品，亦或是私人收藏的珍貴物品。

而結構光技術(shù)可以完整采集這類(lèi)物體，且精度高達亞毫米級，全程幾乎無(wú)需物理接觸。想想法醫和考古領(lǐng)域，大部分物體都要在現場(chǎng)掃描，精準記錄被發(fā)現時(shí)的狀態(tài)，不僅保留完整的物體，也要精確記錄物體的周?chē)h(huán)境。因此，由接觸造成的損害，哪怕風(fēng)險微小，也應當被降低到低水平。

高速處理 如果手頭項目的交付時(shí)間非常緊迫，想必您一定希望用到流暢的工具，且不出狀況。傳統攝影測量法、三坐標測量機，或手動(dòng)測量工具往往需要耗上一天才能完成的工作，現在結構光三維掃描儀只需一兩個(gè)小時(shí)即可完成。

如上所述，另一個(gè)高速帶來(lái)的優(yōu)勢，就是有些掃描對象，例如人體，無(wú)法長(cháng)時(shí)間保持靜止。除了之前提到的對齊失敗，還有可能導致掃描外形改變，導致結果差別很大。

精度優(yōu)異 和卡尺、標尺、甚至三坐標測量機等歷史悠久的傳統測量方式不同，結構光能為三維掃描工作流程帶來(lái)質(zhì)的提升。您可以采集整個(gè)物體或場(chǎng)景，而不再是表面的離散點(diǎn)或線(xiàn)條。

在真實(shí)世界中，我們所處理的產(chǎn)品、零件和其他類(lèi)型的物體，往往是由多個(gè)表面和數百萬(wàn)數據點(diǎn)構成的，并非我們用于測量時(shí)所選取的幾個(gè)點(diǎn)而已。對于結構光三維掃描技術(shù)而言，也就意味著(zhù)能以亞毫米級精度捕獲一切，從而為物體或場(chǎng)景完成全方位、高精度的數字記錄。

對人體百分百無(wú)害 多年來(lái)，結構光在醫療行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。從 年幼兒童 到耄耋老人，無(wú)論是在醫院、學(xué)校、企業(yè)還是其他地方，都已經(jīng)過(guò)反復驗證，得到了醫學(xué)界的認可。

CT掃描儀采用輻射來(lái)捕捉物體表面和內部的幾何，而結構光確實(shí)是經(jīng)驗證的無(wú)害高效掃描技術(shù)。

結構光三維掃描技術(shù)與兩類(lèi)攝影測量技術(shù)

雖然CGI和藝術(shù)工作中的攝影測量不需要專(zhuān)門(mén)的三維掃描儀，而且攝影測量也能用來(lái)創(chuàng )建高品質(zhì)紋理3D模型，但這其中不無(wú)缺陷，其中大的問(wèn)題就是精度。

我們將在下節探討另一種攝影測量法，它們適合有計量級精度要求的項目。但在本節，我們僅探討傳統攝影測量技術(shù)，也就是上文我們所說(shuō)的CGI團隊與3D建模人員常用的技術(shù)。

由于CGI攝影測量采集數據的速度慢，戰線(xiàn)長(cháng)，所以幾乎不可能用于人體掃描。正如上文所說(shuō)，掃描期間任何移動(dòng)都會(huì )對模型的精準度和對齊效果產(chǎn)生嚴重影響。

對時(shí)間要求較高的項目也不能采用攝影測量技術(shù)。例如制造業(yè)中的各類(lèi)檢驗，需要在幾分鐘內生成精準可靠的結果，這是避免出現供應鏈瓶頸的關(guān)鍵因素。

此外，這類(lèi)攝影測量技術(shù)還依賴(lài)強大的計算機來(lái)處理所有圖片。有時(shí)，這些圖片數量將達到成百上千張。

藝術(shù)領(lǐng)域采用攝影測量還有一大問(wèn)題，就是延遲反饋。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，您只有在處理完所有圖片，才能知道是否完整采集了物體表面。而這時(shí)，一切為時(shí)已晚。

考古學(xué)就是一個(gè)典型案例，考察期間或在偏遠地區考古時(shí)發(fā)現的文物和化石不能帶離現場(chǎng)。

與計量技術(shù)協(xié)作：三維掃描 + 計量攝影測量

有一種數字采集解決方案在整個(gè)計量市場(chǎng)和其他領(lǐng)域掀起了波瀾，這就是可用于三維掃描工作流程中的攝影測量套件—— DPA攝影測量。和CGI攝影測量技術(shù)不同，該技術(shù)不僅高度精準，而且整合相片的過(guò)程也無(wú)需花上幾個(gè)小時(shí)。

若與三維掃描技術(shù)協(xié)同使用，DPA攝影測量法只需用于開(kāi)始精準采集物體或場(chǎng)景的物理尺寸，隨后，以高度精準（高達10微米）的點(diǎn)云形式傳輸給三維掃描軟件。

之后，您僅需對相片中采集的物體進(jìn)行三維掃描即可，通過(guò)合并掃描儀的3D多邊形網(wǎng)格和攝影測量的點(diǎn)云數據，之后的3D模型就會(huì )呈現出超高水準的精度與分辨率，廣泛適用于各類(lèi)計量級項目。

結構光三維掃描技術(shù)常見(jiàn)應用場(chǎng)景

逆向制造老舊部件與裝配線(xiàn)

如今，許多公司都遇到過(guò)需要維修甚至替換舊設備的情況，但是，他們往往發(fā)現原始制造商不再供應這些產(chǎn)品，或已完全倒閉，不再生產(chǎn)。這種情況下，通過(guò)結構光三維掃描解決方案自力更生，復制這些部件，不僅可以省下大筆資金，還能省下難以估量的勞動(dòng)時(shí)間。手動(dòng)測量和CAD繪制部件需要耗費大量時(shí)間，還要一定專(zhuān)業(yè)知識，相比而言，手持式三維掃描儀就顯得格外香。

精準記錄考古、文化、歷史文物

對于世界各地的博物館和研究人員而言，結構光三維掃描儀讓他們能夠為珍貴的物品采集表面細節，無(wú)需擔心破壞文物或化石?；蛟S您需要為史前石器、中世紀古堡墻壁、人類(lèi)祖先頭骨制作精. 準無(wú)誤的數字副本，以便存檔。但無(wú)論如何，我們都要盡量避免對這些物體造成傷害，盡可能減少對它們進(jìn)行物理操作。

制作超逼真全彩CGI和特效

采用結構光三維掃描技術(shù)為電影、電視、游戲制作栩栩如生的計算機圖形，已經(jīng)逐漸成為一種行業(yè)標準。用上像Artec Leo這樣的便攜式手持三維掃描儀，就能直接前往工作場(chǎng)地或工作室，隨即開(kāi)始掃描、處理，掃描幾分鐘后即可安排演員、道具甚至是整個(gè)場(chǎng)景的數字替身。

測量身材，讓服裝貼身

如果你需要精確測量身材，那卷尺的能耐十分有限。而這正是結構光三維掃描儀所向披靡之處。特別是如果擁有一臺沒(méi)有線(xiàn)纜束縛、操作速度飛快的手持式三維掃描儀，那就可以在幾分鐘內為人體完成全方位的數字采集。就連細心的裁縫都會(huì )羨慕您獲得的身材數據。

為生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行光學(xué)測量與檢驗

許多制造商在檢驗產(chǎn)品時(shí)，關(guān)心的問(wèn)題之一就是如何準確地檢測并量化物理結構中的差異，同時(shí)在檢驗時(shí)不對任何產(chǎn)品造成損壞?？ǔ?、千分尺、三坐標測量?jì)x均為物理測量手段，而三維掃描儀不同，使用過(guò)程中，沒(méi)有機會(huì )以任何方式劃傷、刮傷表面，也不會(huì )出現表面變形。在三維掃描軟件中，您還可以直觀(guān)地看到制造上的差異，精度達到亞毫米級。

結構光掃描儀的潛在問(wèn)題

在評估一項新技術(shù)時(shí)，我們不僅要了解它的相對優(yōu)勢，還要了解它是否存在任何缺點(diǎn)，這點(diǎn)非常重要。就結構光而言，這項技術(shù)利大于弊。當然，結構光三維掃描儀在某些條件下，也不是無(wú)所不能。

掃描對象無(wú)法保持靜止

當手持式結構光三維掃描儀采集物體時(shí)，我們通常默認掃描物體是靜止的，或至少其運動(dòng)狀態(tài)是受控的，例如放在旋轉臺上旋轉。

雖然所有三維掃描儀或多或少都有這樣的弊端，但掃描效果很大程度上取決于掃描儀的捕獲幀率FPS。例如，如果掃描物體或掃描儀移動(dòng)過(guò)多，掃描儀追蹤可能丟失。但對于FPS很高的結構光掃描儀而言，這幾乎不成問(wèn)題。

三維掃描儀和攝影測量挑戰高難度表面

對三維掃描和CGI攝影測量技術(shù)而言，總有幾類(lèi)表面很難采集。但現在，這些也不再造成任何挑戰。做好前期準備，在高品質(zhì)三維掃描儀的協(xié)助下，您就可以大幅提升數字采集的成功概率。

超深色表面： 雖然這些表面不太常見(jiàn)，但也確實(shí)存在。它們能輕松吸收結構光，所以無(wú)法正常反射到掃描儀的攝像頭上。如果軟件可以調節靈敏度，在掃描預覽時(shí)，可以嘗試調高掃描儀靈敏度，直到掃描儀能清晰呈現物體表面。

高反射率表面（如鉻或其他反光金屬）： 結構光射到表面后，又會(huì )朝不可預測的方向反射回去，因此，從技術(shù)角度而言，掃描儀攝像頭無(wú)法充分捕獲扭曲的光信息，無(wú)法生成準確的圖像。您可嘗試在物體不同角度、不同距離進(jìn)行掃描。有時(shí)，只要調整掃描儀的位置和角度，就能避免垂直掃描。這樣一來(lái)，結構光就不會(huì )直接反射到攝像頭，而是漸漸散開(kāi)。

玻璃、透明或半透明表面：掃描儀結構光穿過(guò)這些材料，或穿過(guò)材料時(shí)被擴散，就不能反射至攝像頭，形成逼真的表面幾何。但有不少方式，可以讓這些表面正常反射結構光，不再吸收或擴散光線(xiàn)。一種DIY的方法就是將玉米淀粉或嬰兒爽身粉灑在掃描物體的表面。此外，還有一些高品質(zhì)啞光噴霧，會(huì )在幾分鐘到幾小時(shí)后自行發(fā)揮。

毛發(fā)表面： 結構光射到這類(lèi)表面后，會(huì )朝著(zhù)多個(gè)方向反射，掃描儀攝像頭通常無(wú)法采集到足夠的光信息，來(lái)區分物體表面的幾何。和深色表面相同，如果軟件可以調節靈敏度，那把它調高后就能識別出毛發(fā)上的微小幾何。如果您掃描的是頭部，那一定要從一側耳朵移動(dòng)到另一側耳朵，并將掃描儀向上移動(dòng)到頭頂，再越過(guò)頭頂掃描另一側。此外，如果可以讓脖子和肩膀也盡可能出現在掃描范圍內，就能輔助掃描儀以這些特征為基準進(jìn)行追蹤。

纖薄物體（或物體截面）: 這背后的根本難點(diǎn)在于，沒(méi)有足夠的表面區域可以接受結構光，也無(wú)法將足夠的光反射至掃描儀攝像頭。例如，掃描儀在掃描物體薄邊時(shí)，其呈現的寬度可能只有幾毫米（甚至更短）。多數時(shí)候，該問(wèn)題可以通過(guò)在掃描儀的掃描范圍內放置一個(gè)彩色或有圖案的背景板來(lái)解決。這很簡(jiǎn)單，只要在掃描的物體或表面背后，放一張帶文字或幾何圖形的紙即可。

凹面與凹槽： 無(wú)論掃描儀多厲害，即便手持式掃描儀可以輕松達到掃描區域，也會(huì )有結構光無(wú)法抵達的截面，或是部分掃描場(chǎng)景和物體，從而導致結構光無(wú)法反射回掃描儀的攝像頭。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，掃描儀無(wú)法“看見(jiàn)”這些區域，采集也就無(wú)從談起。部分掃描儀或許在這方面表現良好。此外，對付這類(lèi)難以達到的表面，有效的解決方案就是通過(guò)AI驅動(dòng)的掃描軟件，直觀(guān)地識別掃描中大量局部特征，并以高分辨率彩色3D形式重建這些表面。

結論

不難看出，如今的結構光三維掃描技術(shù)達到了新的高度，快速高效，操作簡(jiǎn)單，效果精準，能應對各類(lèi)規模和復雜程度的物體和場(chǎng)景。目前，世界各地越來(lái)越多的中小學(xué)和大學(xué)開(kāi)始采用三維掃描解決方案，技術(shù)發(fā)展前景一片光明，不僅在教育行業(yè)，包括制造、法醫鑒定、醫療衛生、科研等諸多行業(yè)領(lǐng)域，都有大的發(fā)展空間。