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什么是3D掃描技術?淺談 3D 掃描技術及其分類

什么是3D掃描技術?淺談 3D 掃描技術及其分類

  • 分類:新聞資訊
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  • 來源:
  • 發布時間:2022-06-22
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【概要描述】

什么是3D掃描技術?淺談 3D 掃描技術及其分類

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3D掃描,這是我們目前經常聽到的一些內容,大家對于這項技術的認知,是碎片化的,多少知道一點,但是不全面,最為一個熱心且在這個行業內精耕多年的資深人員,我想給大家普及一下這方面的知識,大家可以喊我老臨。首先,我們來講講什么是3D掃描技術。

3D 掃描是一種能夠以多種方式掃描物件后,將其實物三維信息轉換為3D數字化模型的一種技術,其主要分為兩大類型:"接觸式 "和 "非接觸式"3D掃描。這兩大類型的區別,顧名思義即有無碰觸到物件,碰到的為接觸式,沒碰到為非接觸式。

一、接觸式3D掃描技術

接觸式3D掃描技術使用感測探針接觸物體表面進而獲得觸碰到的該點位置座標。因為需要一點一點按順序接觸物件表面,掃描整個物體相對非接觸式來說需要花更多時間,但也因它與物體接觸,所以精度較高(有些設備甚至高達 0.1um),普遍用于精密量測和品質檢查。

總體而言,與非接觸式相比較,接觸式掃描精度更高,但是,由于需要接觸物件表面,柔軟的物件或者是探針伸不進去的溝槽等無法進行掃描。

二、非接觸式3D掃描技術

相較于接觸式,目前市面上??吹降氖欠墙佑|式 3D 掃描設備。非接觸式大致分類為"主動式"與"被動式"兩種,差異在于有無主動投出光源。

1、主動式,主動式又可以分為兩類:

1)飛行時間法(Time of Flight,也稱為深度感測技術,以下簡稱 TOF)

TOF 技術的基本原理,與蝙蝠與海豚相似,向被測物體發出“波”,然后接收從被測物體反彈回來的“波”,通過“波”的往返時間計算被測物體的距離。目前,市面上大部分TOF技術的設備使用不可見光(包括紅外光、雷射光等)。TOF 技術也主要用于大范圍的場景掃描,包括測距、建筑物掃描、地形地景勘測等。

另外,TOF 技術目前已經實現小型模組化,例如 iPhone 12 Pro、微軟的 Kinect、Google Project Tango,甚至無人車的研究也都使用了TOF深度感測技術。其極高的便利性,讓許多廠商看好也積極投入研究。不過因其對時間測量的要求高,即使使用高規格的感測器也很難保證其精度。因此在近距離測量領域,TOF深度感測與其他主動式掃描技術的精度目前尚有不小的差距,這也限制它在近距離高精度領域的應用。

2)結構光法(Structure Light)

結構光法是工業、制造業領域主流的3D掃描技術應用方式。結構光3D掃描技術是基于光學三角測量原理,由光學投影機、相機、電腦計算系統所組成,其原理為:光源向被測物體投影按一定規則和模式編碼的圖像,編碼圖案受到物體表面形狀的調制而產生形變。帶有形變的結構光被另外位置的相機拍攝到,通過相機與投影光源之間的位置關系和結構光形變的程度可以確定出物體的三維形貌。根據投影機投出的光束不同分為點、線、光柵、面結構光等。

結構光法最大的優點是精度高、速度快,較適合短距離高精度的測量,也因其精度高、解析度高的特性,目前結構光為工業、制造業方面應用的主流技術,依投出的光源、圖樣種類、計算方式不同衍生出固定及手持等3D 掃描設備。

與 TOF 技術相比,結構光法的缺點則不適合大范圍的掃描,同時也容易受環境及物件表面材質顏色影響掃描效果。

 

2、被動式

被動式 3D 掃描最具代表性技術是攝影測量法(Photogrammetry)。攝影測量是一項由來已久的技術,被用于地形測量、勘測和歷史遺址保護等領域,但近年來也被用來制作電腦游戲、動畫的背景使用。它跟主動投光式不同,是透過2D數位影像從不同角度拍攝同一物件后由專業軟體計算分析模擬還原3D立體模型的方法。攝影測量法最大的特點是它不需要3D掃描器等設備,只需使用普通的照片就可以進行制作。

近年來因為電腦規格進步使攝影測量法越來越平易近人。一般來說,攝影測量需要 100 張以上的照片讓軟體運算,照片越多模型的細節越豐富。因為是將相片進行計算,只要搭配無人機即使是城市和建筑等大型物體也可以計算得到3D模型。同時因為是由相片合成,其顏色貼圖表現相當出色,不過模型立體表現相較主動式掃描技術來說較差,并且由于是2D照片計算成3D,其精度跟主動式的3D掃描設備相比也是比較差的。

此外,攝影測量法也被拿來創建人體或寵物等會動的物件的3D模型。由于3D掃描需要被掃描物件是靜止不動的狀態,否則無法成像,因此人及動物一直以來都屬于相當難處理的3D掃描的應用(當然,現在隨著主動式3D掃描設備的非剛性算法的完善,微小的動作幅度將不會給掃描帶來太大影響)。透過攝影測量法,在人的360°范圍內,均勻架上100臺以上的相機,同一時間按下快門,拍下大量的照片,進行合成即可得到人體立體3D模型。

隨著科技的發展,3D掃描技術逐漸普及,并且隨著各種掃描技術的持續開發,掃描速度、精度的不斷提升,在我們的日常生產生活中將發揮更加重要的作用。

 

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