概要
在3D建模開始前，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。換句話說，這個(gè)模型有何用途。一些常見工具包括三維掃描和攝影測量。本文將為您介紹如何根據(jù)不同項(xiàng)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)類別
結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確、簡單易用、適用廣泛、實(shí)時(shí)反饋、硬件統(tǒng)一
攝影測量的優(yōu)勢
色彩鮮艷、紋理逼真、性價(jià)比高
三維掃描儀
我們先來介紹三維掃描的工作原理，并總結(jié)市面上主流三維掃描儀類型。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(xiàng)將真實(shí)物體轉(zhuǎn)換為數(shù)字形態(tài)的技術(shù)，或者準(zhǔn)確來說，將有關(guān)形狀和色彩的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形態(tài)。一旦在電腦上完成了物體數(shù)字副本，你就擁有了無限可能：模型可用于檢驗(yàn)、測量、修改，也能用于模擬或壓力測試，方便分享、合作、導(dǎo)入AR/VR環(huán)境等等，不勝枚舉。
要點(diǎn)
在工業(yè)、醫(yī)療、汽車、CGI、航空航天領(lǐng)域，三維掃描技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于檢驗(yàn)、測量和數(shù)字化。
你是如何為物體制作精準(zhǔn)數(shù)字副本的？答案是：三維掃描儀。在過去幾十年間，久經(jīng)考驗(yàn)的傳統(tǒng)三維掃描工具不斷升級，全新技術(shù)不斷出現(xiàn)，如今的三維掃描工具快速迭代。截至目前，結(jié)構(gòu)光和激光三角測量掃描儀是使用廣泛的三維掃描工具。
結(jié)構(gòu)光與激光三角測量三維掃描儀
這兩類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的光束扭曲情況。其中的區(qū)別是，結(jié)構(gòu)光掃描儀投射形成網(wǎng)格的白光或藍(lán)光，而激光三角測量掃描儀投射的是簡單線條。
掃描過程中，三維掃描儀收集關(guān)于物體表面的幾百萬點(diǎn)信息，掃描儀軟件會分析光線的扭曲程度以及所有點(diǎn)位之間的相互關(guān)系，并據(jù)此在數(shù)字環(huán)境下重建物體。
對于結(jié)構(gòu)光和激光三角測量三維掃描儀而言，3D點(diǎn)數(shù)據(jù)集被稱為點(diǎn)云，它可以被轉(zhuǎn)換為三維網(wǎng)格模型。取決于網(wǎng)格制作程序，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以由三角形或四邊形組成，但無論如何，這些模型是由數(shù)百萬個(gè)這樣的面相連而成的。轉(zhuǎn)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(yīng)用等，從而實(shí)現(xiàn)上文提及的目的。
結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)就會變得非常快， 3D模型也會十分精準(zhǔn)，與原物很相似。
飛行時(shí)間三維掃描技術(shù)
如果物體尺寸（高度或長度）超過了幾十米，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)。這類掃描儀可以認(rèn)為是遠(yuǎn)距設(shè)備，和結(jié)構(gòu)光、激光三角測量掃描儀不同，TOF掃描儀與物體的間距可達(dá)幾米甚至幾百上千米。
這項(xiàng)技術(shù)的原理是什么？掃描儀發(fā)射激光脈沖。當(dāng)它們從表面反射回來時(shí)，會被掃描儀接收器接收，掃描儀會計(jì)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(shù)百萬反彈的脈沖信息，掃描儀就能形成表面圖片。準(zhǔn)確度取決于你所使用的設(shè)備以及需要數(shù)字化的區(qū)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(dá)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(jī)或無人機(jī)，你的公差可能會達(dá)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(jié)論，如果你需要為尺寸較小或面積很大的區(qū)域完成精準(zhǔn)數(shù)字副本，結(jié)構(gòu)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(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)，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，可能會導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的后果，甚至是一場災(zāi)難。三維掃描儀也在工業(yè)設(shè)計(jì)和工程領(lǐng)域頗受青睞，行業(yè)專家將設(shè)備用于一系列場景中，例如開發(fā)電子器件，確保管道穩(wěn)固，對大規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)械部件進(jìn)行質(zhì)量控制等等。
在醫(yī)療領(lǐng)域，三維掃描儀還被用于假肢和植入物的設(shè)計(jì)，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、科研和博物館，三維掃描儀可用于制作演員的數(shù)字替身，在考古現(xiàn)場和博物館庫房為幾百萬年前的化石制作數(shù)字模型，還能推動解剖學(xué)、古生物學(xué)甚至太空探索等領(lǐng)域的研究。越來越多的法醫(yī)人類學(xué)家開始借助三維掃描記錄犯罪現(xiàn)場，這種方式又快又準(zhǔn)確。
除了這些豐富的應(yīng)用場景外，三維掃描儀還因操作簡便而脫穎而出。例如，手持式掃描儀質(zhì)量輕便，方便您繞著物體走動，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(nèi)置觸摸屏，可實(shí)時(shí)顯示掃描進(jìn)度，無需連接筆記本或平板電腦。不用筆記本或平板電腦，意味著你可以繞著物體自由移動，不用擔(dān)心電線的牽絆。
屏幕提供的實(shí)時(shí)反饋對用戶而言也很有價(jià)值，他們可以輕松檢查是否完整捕獲了物體表面。稍后，我們還會分析攝影測量法的利弊，但值得一提的是，帶內(nèi)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(shù)據(jù)和遺漏的數(shù)據(jù)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(shè)備還能采集顏色，也就是三維掃描中俗稱的“紋理”。盡管準(zhǔn)確度是三維掃描不可否認(rèn)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(shù)據(jù)還能更進(jìn)一步。
攝影測量
攝影測量是通過將物體多張照片合并，以獲得表面3D圖像的一項(xiàng)技術(shù)。和上文介紹的專業(yè)三維掃描技術(shù)不同，攝影測量技術(shù)無需三維掃描儀，只需一臺相機(jī)。而且，也不需要一臺非常專業(yè)的相機(jī)，從智能手機(jī)到無人機(jī)，任何設(shè)備拍攝的相片都能完成。二維相機(jī)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(jī)焦距、鏡頭失真和分辨率、拍攝物體時(shí)相機(jī)的位置和角度，以及相機(jī)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(fèi)軟件的效果沒有保障，且基本沒有技術(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，修改原始數(shù)據(jù)時(shí)，有不同路徑供選擇。你可以免費(fèi)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足你的需求，如果可以，那下載3D模型需要付費(fèi)。此外，Reality Capture的計(jì)算速度比其主要競品快了十倍。而Agisoft的一大優(yōu)勢，就是穩(wěn)定可靠的技術(shù)支持和廣泛的用戶社群，便于尋求建議和幫助。你還能獲得許多培訓(xùn)材料，訪問精彩的3D模型庫。許多用戶都認(rèn)為相較于Reality Capture，Agisoft的準(zhǔn)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(jī)性價(jià)比高。現(xiàn)在，1600萬像素的智能手機(jī)就能拍攝出色彩分辨率滿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)無需物理接觸。無論是專業(yè)相機(jī)還是智能手機(jī)，攝影測量硬件設(shè)施都是又輕又便攜，也無需任何前期培訓(xùn)。和三維掃描不同的是，我們也無需根據(jù)掃描物體的尺寸來選擇合適的工具（相機(jī)）。同一臺相機(jī)既能拍攝小型物體，也能拍攝大型物體。
圖片來源：3dscanexpert.com
當(dāng)然，拍攝的質(zhì)量越高，基于相片制作的3D模型質(zhì)量也會越高。創(chuàng)建無縫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，手動拍攝幾十、幾百甚至幾千張照片，那就要好好準(zhǔn)備一番了。與之相比，三維掃描儀可以實(shí)時(shí)、自動完成三維數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)保持靜止坐姿。
同樣，攝影測量設(shè)備也很難在現(xiàn)場使用，特別是攝影棚的搭建。在偏遠(yuǎn)地區(qū)（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(jī)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(fù)、調(diào)整相片的亮度。在晴天戶外拍攝時(shí)，尤為如此，受光面會比陰影面明亮很多。
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(xiàn)場，并復(fù)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(shù)據(jù)上，就會很輕松。但你有可能需要把整個(gè)物體或場景重新拍攝一遍。
你可以購買一個(gè)人工光源，并為相機(jī)以及這個(gè)光源安裝偏振濾光片，來避免攝影測量的一些局限。這種交叉偏振設(shè)置可以減少拍攝時(shí)被反光遮擋的部分，讓整個(gè)模型細(xì)節(jié)更豐富。但這一過程的缺點(diǎn)是，必須購買偏振設(shè)備，那么整個(gè)拍攝成本就增加了。這種方法也不是萬無一失，如果偏振鏡不是同一種材料制成的，可能出現(xiàn)色彩偏移，導(dǎo)致模型外觀失真。
三維掃描提供精準(zhǔn)的線性測量，與之不同，攝影測量的比例可能會失真。這是因?yàn)閿z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景中，例如逆向工程或質(zhì)量檢驗(yàn)。
如何強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手？
很多時(shí)候，你可能需要一個(gè)色彩逼真又精準(zhǔn)的3D模型。這時(shí)，不妨把三維掃描和相片結(jié)合起來。
一個(gè)經(jīng)典案例就是為時(shí)任美國總統(tǒng)的奧巴馬制作3D雕像，這也是首座國家元首的3D肖像。當(dāng)時(shí)，該項(xiàng)目同時(shí)使用了結(jié)構(gòu)光掃描儀（Artec Eva）以及攝影測量法。或許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)，時(shí)間相當(dāng)寶貴。當(dāng)時(shí)，他們的解決方法就是在總統(tǒng)周圍安裝特別的架子，放上80臺相機(jī)，同時(shí)拍攝。這樣一來，所有色彩、陰影、色調(diào)都能在短的時(shí)間內(nèi)被捕獲，Artec Eva也能確保精準(zhǔn)捕獲總統(tǒng)頭部的形狀。
另一個(gè)案例是整車數(shù)字化。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們使用了無線Artec Leo掃描儀，用于捕獲汽車幾何（車身及內(nèi)飾）。對于工業(yè)設(shè)計(jì)師和工程師而言，準(zhǔn)確的幾何信息已綽綽有余。但在電游開發(fā)中，鮮艷的色彩比汽車空氣動力學(xué)的準(zhǔn)確性更重要，因此，游戲開發(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，汽車就會非常逼真，用戶體驗(yàn)顯著提升。
在軟件方面，值得注意的是，Artec Studio結(jié)合三維掃描和攝影測量數(shù)據(jù)的操作更為簡單。除了掃描數(shù)據(jù)捕獲和處理功能外，軟件還包含相片配準(zhǔn)算法，用戶可以將高分辨率相片應(yīng)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(jié)合功能，為一張帶有復(fù)雜叢林圖案的椅子制作了數(shù)字模型。相片和Artec Leo的掃描數(shù)據(jù)結(jié)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(xiàng)功能還將耐克運(yùn)動鞋140張高分辨率相片包裹在Artec 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(yùn)動鞋的模型上能看到耐克360度抓地鞋底清晰可見的紋路。掃描時(shí)，運(yùn)動鞋被倒置以避免折痕。另一個(gè)項(xiàng)目中，人們發(fā)現(xiàn)，即便是為一個(gè)微小的小蟲模型添加精細(xì)紋理，算法也一樣精準(zhǔn)，小蟲模型栩栩如生。這些案例都表明，Artec軟硬件結(jié)合，細(xì)節(jié)水平更上一層樓。
結(jié)論
攝影測量技術(shù)依然深受電游開發(fā)者歡迎，因?yàn)樗麄兎浅Ｖ匾曇曈X效果。不過，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，且過程更靈活。手持式掃描儀持續(xù)在衛(wèi)生領(lǐng)域大顯身手，精準(zhǔn)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(yīng)用于CAD程序，那或許應(yīng)當(dāng)考慮專業(yè)三維掃描儀和三維掃描軟件。
假如沒有預(yù)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制作真實(shí)物體的數(shù)字副本，這無疑是理想之選。如此操作，模型既有高度精準(zhǔn)的幾何，又有色彩鮮艷的紋理細(xì)節(jié)。
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