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激光三維掃描
概要
本文將深入探討一項熱門的三維掃描技術——激光三維掃描。通過閱讀本文，您將了解激光掃描儀的類型、工作原理、合適的應用場景以及掃描儀的具體用途。
激光掃描儀類型（按技術分類）
飛行時間、相位、三角測量
激光掃描儀類型（按產品分類）
手持、三腳架式、桌面式
激光掃描儀類型（按距離分類）
短距（遠達5米） 、中距（遠達120米）、長距（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世界的物體。多種三維掃描儀都能實現：桌面式、手持式、三腳架式掃描儀；工業級或消費級掃描儀；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，它被廣泛應用于建筑、土地測繪、法醫鑒定、遺跡保護等領域。通過本文，您將了解激光掃描儀的類型、工作原理、適用場景與具體用途。
三維激光掃描儀
人們聽到“激光三維掃描儀”時，腦海里可能會浮現出適用于不同場景和領域的不同掃描設備。例如，一位工業設計師，可能會聯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，例如樓房或整個戶外空間。而一位測繪技術員，可能會想到一輛帶有機載掃描系統的汽車或無人機，可以在運行或飛行過程中繪制地形圖。這些都是正確答案，以上設備都可稱之為三維激光掃描儀。
那么，到底何為激光掃描？哪些設備能稱之為激光掃描儀呢？
簡而言之，激光掃描就是將激光作為光源，從真實世界為一件或多件物體、環境捕獲精準三維信息的過程。掃描儀將激光投射至物體，形成點云，即數百萬精準測量的點，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云形式下載模型，而有些掃描儀會自動將點云轉換成三角網格，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距激光掃描儀（供圖：ASOM）
和之前我們介紹過的接觸式測量系統不同，激光三維掃描儀100%無接觸，不會造成物體任何損傷，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，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物體和場景。
要點
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，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，也可作為復雜解決方案的一道工序，例如機械臂、移動式或機載式激光掃描系統等。從技術分類來看，還可分為飛行時間、相位、三角測量技術掃描儀。
下面，我們具體介紹各類常見的激光掃描儀及其工作原理。
激光掃描儀類型
#1. 飛行時間技術
這類激光掃描儀通常用于長距數據捕獲，采用飛行時間技術（TOF）。這類三維掃描儀的工作原理和激光測距儀的工作原理相同：發射激光脈沖至物體，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脈沖的飛行時間計算出來，采用以下公式：距離 =（光速x 飛行時間） / 2。這個數據用于計算激光束觸及點的坐標值。
飛行時間技術的工作原理
飛行時間三維掃描儀的捕獲距離可高達1000米。不過，常見工作距離為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。
設備測量返回信號時間的能力決定了TOF技術的精度。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，通過內置或外接攝像頭采集色彩。
#2. 相位技術
相位三維掃描儀發射交替頻率的激光束，通過測量發射與返回信號的相位差來測定物體距離。與飛行時間掃描儀不同，相位掃描儀的工作距離為80-120米，常見工作距離為1-50米。
相位測量技術的工作原理
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點/秒。此外，這類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
所有激光掃描儀都會發射激光，但采用不同技術來解讀返回信號。飛行時間掃描儀記錄光束從物體表面返回的時間，相位掃描儀記錄發射與返回信號的相位差，三角測量掃描儀計算發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、汽車和工業設備。相位和飛行時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法抵達區域的信息。
#3. 三角測量技術
第三類激光掃描儀采用三角測量技術，激光發射后返回至機載相機圖像傳感器陣列上的某個特定位置。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）比飛行時間、相位掃描儀短，這是因為圖像傳感器的動態范圍比較小，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。
通常來說，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。從外觀來看，有固定式和三腳架式三角測量掃描儀。但是，該技術配合便攜手持式三維掃描儀效果佳。
激光掃描儀應用場景
激光掃描儀可用于諸多領域、諸多場景：從建筑、土木工程到法醫、考古。隨著技術成本越來越低、設備越來越小巧輕便，越來越多的行業開始采用激光掃描。下面，我們介紹一些常見的應用場景。
逆向工程
使用短距三角測量激光三維掃描儀掃描汽車底盤
從小型機械部件到大型工業品，激光掃描儀已成為產品設計和開發人員工具箱的必備工具。過去，一項復雜工藝需要耗時多天才能完成組裝，還要手工測量，部件檢測的過程十分痛苦，但有了激光掃描儀，通過逆向工程制作CAD表面模型只要幾分鐘，制作參數化CAD模型只要幾個小時。如果部件受損或變形，需要重新設計卻有沒有CAD數據，那么就可以用掃描儀來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，而中距和長距掃描儀非常適合大型物體的檢測。快速完成CAD模型，能節省數小時甚至數天的時間，讓研發團隊專注于產品改進。
質量檢測
使用激光掃描儀檢測水管
質量檢測是制造過程中的另一個重要環節，也是激光掃描儀大顯身手的領域。過去，質檢常常采用手動接觸式測量法，而現在，得益于激光掃描品質，工作流程速度更快，精度更高，測量數據也更多。反過來，迭代循環就更少，產品交付時間也會更短。CMM通常一次只能采集幾十個點，需接觸物體表面，還要為每個檢測部件編程，而激光掃描儀不同，它可以在很短的時間內，為幾何復雜的各類物體捕獲數百萬個測量值，且無需接觸物體表面。
要點
無論是工業生產還是非工業領域，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、質量控制、法醫、自動駕駛汽車。
短距激光三角測量掃描儀有便攜手持型設備，無論何種設備，位于何處，都能享受高度的靈活。這類設備非常適合捕獲高度復雜、無法手動或借助探頭測量的部件。由于質量輕便，質檢人員現在更加靈活機動，不用被束縛在特定的操作地點。
長距激光掃描儀適合為大型物體進行檢測，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，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
由于激光掃描儀能捕獲房間內部、樓房、完整場地等大型空間，因此它也成為精細記載、犯罪現場調查、事故再現等場景中的得力助手。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的原貌，每件證據都能精準測量，無論是尸體、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，適合一天需在多個地點捕獲物體的項目。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。而長距掃描儀適合捕獲整個現場。將其放在房間中央自動掃描，調查人員就可以和證人、受害人談話，或進行其他調查工作，無需再控制掃描儀。三維數據讓法醫對犯罪現場有了更為全面詳細的認識，也能讓庭審案件更具說服力。
建筑（BIM）
使用三腳架長距激光掃描儀掃描倉庫
對于中距和長距地面型激光掃描儀而言，另一種常見應用場景，就是三維捕獲樓房或整個建筑工地，對建筑師和建筑人員而言更是司空見慣。通過這類設備，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度跟蹤或新建項目的質檢，對比成品建筑與設計模型。激光掃描儀不僅節省了手動測量的時間和成本，也大大提升了施工安全，對于一些風險較大的項目而言，非常重要。建筑項目的整個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）
另一個激光掃描儀不可或缺的領域就是考古，在考古挖掘現場，無論是滅絕物種的一根骨頭，還是整座古城，都能進行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，考古學家記錄任何想記錄的考古發現。得益于設備上自帶的屏幕，他們還能實時看到模型的構建過程，無需另外攜帶電腦或平板。長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，發現研究人員無法用肉眼看的考古遺址，讓歷史不被埋沒。
過去，考古學家只能使用全站儀、GPS設備、攝影測量法等方式搜集數據，而有了激光掃描儀，考古學家搜集高清可靠數據的速度就比原來快了許多，在考古挖掘過程中，為他們節省了數百小時的時間。由于掃描儀無需接觸物體表面，不具破壞性，還能用來捕獲易碎文物，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。
移動測繪
車載激光測繪系統
移動測繪是長距激光掃描儀的另一種應用。移動測繪是指通過陸上移動車輛（汽車、火車、船只）或空中飛行器（無人機、直升機、飛機）收集三維地理空間數據的過程，也就是收集物體在地球上的具體位置。移動測繪系統通常裝有各種導航和遙感技術，例如GNSS、攝像頭、激光雷達。結合所有技術，專業人士即可記錄、測量、認識某個環境，完成可視化，適合管理公路鐵路網絡、城市規劃，分析水下或地下結構，提升發電廠基礎設施安全性，設計數字地圖等大量場景。
埃太科三維激光掃描儀
文末，我們再來看幾款激光掃描儀產品。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，適用范圍廣，在同類產品中表現優秀。這是因為設備內置處理器，搭載HD顯示屏、Wi-Fi功能、電池，可以實時查看掃描效果，無需任何其他設備（電腦或平板）。掃描儀可捕獲3500萬點/秒，點云細節豐富，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場景。Leo采用1級VCSEL激光束，對眼睛完全沒有傷害，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是一款長距相位激光掃描儀，專門用于大型和超大行物體的捕獲，例如樓房、飛機、風力渦輪機，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270度，每秒捕獲20.8萬點。和許多長距掃描儀不同，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。
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