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(jié)構(gòu)光工作原理。本文旨在深入淺出地向您闡釋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光三維掃描儀而言，難度較大的表面可能有哪些特征。
掃描儀類型
桌面式、手持式、手持無線式
目標應(yīng)用場景
逆向工程、醫(yī)療衛(wèi)生、質(zhì)檢、考古、法醫(yī)鑒定、CGI
物體尺寸分類
XS (<90x60x60
mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)
簡介
在探究結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光是什么。
從實踐角度來說，結(jié)構(gòu)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、條紋或網(wǎng)格。
結(jié)構(gòu)光接觸到物體表面后，由于表面的曲線、凹陷或突起，光線會被扭曲。
掃描儀投影儀（左）發(fā)射白光，通過中間的網(wǎng)格后，呈現(xiàn)為結(jié)構(gòu)化的線條或條紋。網(wǎng)格條紋越粗，線條間的空隙就越小，“出口“處的線條就越窄。原本筆直的線條在遇到花瓶弧形表面后，隨即發(fā)生變形。
與此同時，掃描儀的攝像頭會一幀一幀地采集被反射回來的光束信息，記錄光束的扭曲程度。同時，掃描軟件會分析這些光信息，并據(jù)此準確復(fù)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間，三維掃描儀捕獲的幀數(shù)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，意味著掃描物體的表面距離攝像頭更近或是更遠，同時，其他形狀和結(jié)構(gòu)也是由變形方式不同的結(jié)構(gòu)光束決定的。
一些三維掃描儀還包括一個額外的攝像頭，來捕獲物體紋理。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的表面特征。
采集到的幀會被轉(zhuǎn)換為3D模型。若掃描時也采集了紋理幀，那它們也會被“投射”到3D模型上，讓模型既反映真實物體的尺寸，也從視覺上更逼真。
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圍移動，而掃描儀的結(jié)構(gòu)光束會從不同角度和位置，投射到物體表面，采集大量關(guān)于物體表面的精準細節(jié)（一些掃描儀每秒可捕獲數(shù)百萬點的表面數(shù)據(jù)！）您還可以為小型物體使用旋轉(zhuǎn)臺，這樣一來，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(jié)構(gòu)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，掃描儀就能自動完成剩余工作。唯一需要人工干預(yù)的一步，就是要翻動一次物體，采集之前未暴露的部分。
物體尺寸——從發(fā)絲到鯨魚顎骨
結(jié)構(gòu)光三維掃描儀一個無可爭議的優(yōu)勢就是可以無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，不到一個白細胞的一半！
要點
如果您的工作往往圍繞一種特定類型或尺寸的物體，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(shù)字副本，但如果您平時通常處理一類尺寸固定的物體，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(jié)構(gòu)光掃描儀，如Artec Micro，即可一個接一個地輕松掃描零件。對于很小的航空航天部件而言，也是如此，例如傳統(tǒng)的數(shù)控銑削閥門、螺紋螺栓、開關(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人類發(fā)絲的精度水平。而對于房間之類更大的物體，高品質(zhì)手持式結(jié)構(gòu)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(shù)字捕獲人體或任何動物，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，就會輕易導(dǎo)致掃描對齊失敗，從而為后期掃描處理帶來巨大的工作量。在這種情況下，請務(wù)必查看掃描儀的捕獲率FPS（每秒幀數(shù)）。該數(shù)值越高越好，除非您確定掃描對象絕對靜止不會移動。
手持無線式 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(shù)據(jù)捕獲速度高達3500萬點/秒。
若想評估多款結(jié)構(gòu)光三維掃描解決方案，明智的做法就是通過現(xiàn)場演示，親眼見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！近距離觀察設(shè)備設(shè)置、掃描過程、掃描處理的難易程度。
結(jié)構(gòu)光技術(shù)的獨特優(yōu)勢
結(jié)構(gòu)光三維掃描儀多年來作為全球上千萬用戶的選用技術(shù)，并非沒有原因。事實上，原因還不少。接下來，我們將列舉重要的幾點優(yōu)勢，并介紹適用的一些領(lǐng)域。
無接觸工作 對很多物體而言，用標記進行接觸測量（三坐標測量機）或攝影測量完全不應(yīng)予以考慮，例如掃描對象為獨一無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(jié)構(gòu)光技術(shù)可以完整采集這類物體，且精度高達亞毫米級，全程幾乎無需物理接觸。想想法醫(yī)和考古領(lǐng)域，大部分物體都要在現(xiàn)場掃描，精準記錄被發(fā)現(xiàn)時的狀態(tài)，不僅保留完整的物體，也要精確記錄物體的周圍環(huán)境。因此，由接觸造成的損害，哪怕風險微小，也應(yīng)當被降低到低水平。
高速處理 如果手頭項目的交付時間非常緊迫，想必您一定希望用到流暢的工具，且不出狀況。傳統(tǒng)攝影測量法、三坐標測量機，或手動測量工具往往需要耗上一天才能完成的工作，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)光三維掃描儀只需一兩個小時即可完成。
如上所述，另一個高速帶來的優(yōu)勢，就是有些掃描對象，例如人體，無法長時間保持靜止。除了之前提到的對齊失敗，還有可能導(dǎo)致掃描外形改變，導(dǎo)致結(jié)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(tǒng)測量方式不同，結(jié)構(gòu)光能為三維掃描工作流程帶來質(zhì)的提升。您可以采集整個物體或場景，而不再是表面的離散點或線條。
在真實世界中，我們所處理的產(chǎn)品、零件和其他類型的物體，往往是由多個表面和數(shù)百萬數(shù)據(jù)點構(gòu)成的，并非我們用于測量時所選取的幾個點而已。對于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)而言，也就意味著能以亞毫米級精度捕獲一切，從而為物體或場景完成全方位、高精度的數(shù)字記錄。
對人體百分百無害 多年來，結(jié)構(gòu)光在醫(yī)療行業(yè)多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從 年幼兒童 到耄耋老人，無論是在醫(yī)院、學校、企業(yè)還是其他地方，都已經(jīng)過反復(fù)驗證，得到了醫(yī)學界的認可。
CT掃描儀采用輻射來捕捉物體表面和內(nèi)部的幾何，而結(jié)構(gòu)光確實是經(jīng)驗證的無害高效掃描技術(shù)。
結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)與兩類攝影測量技術(shù)
雖然CGI和藝術(shù)工作中的攝影測量不需要專門的三維掃描儀，而且攝影測量也能用來創(chuàng)建高品質(zhì)紋理3D模型，但這其中不無缺陷，其中大的問題就是精度。
我們將在下節(jié)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(jié)，我們僅探討傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，也就是上文我們所說的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(shù)據(jù)的速度慢，戰(zhàn)線長，所以幾乎不可能用于人體掃描。正如上文所說，掃描期間任何移動都會對模型的精準度和對齊效果產(chǎn)生嚴重影響。
對時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)中的各類檢驗，需要在幾分鐘內(nèi)生成精準可靠的結(jié)果，這是避免出現(xiàn)供應(yīng)鏈瓶頸的關(guān)鍵因素。
此外，這類攝影測量技術(shù)還依賴強大的計算機來處理所有圖片。有時，這些圖片數(shù)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題，就是延遲反饋。簡單來說，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，一切為時已晚。
考古學就是一個典型案例，考察期間或在偏遠地區(qū)考古時發(fā)現(xiàn)的文物和化石不能帶離現(xiàn)場。
與計量技術(shù)協(xié)作：三維掃描 + 計量攝影測量
有一種數(shù)字采集解決方案在整個計量市場和其他領(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，而且整合相片的過程也無需花上幾個小時。
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始精準采集物體或場景的物理尺寸，隨后，以高度精準（高達10微米）的點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行三維掃描即可，通過合并掃描儀的3D多邊形網(wǎng)格和攝影測量的點云數(shù)據(jù)，之后的3D模型就會呈現(xiàn)出超高水準的精度與分辨率，廣泛適用于各類計量級項目。
結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)常見應(yīng)用場景
逆向制造老舊部件與裝配線
如今，許多公司都遇到過需要維修甚至替換舊設(shè)備的情況，但是，他們往往發(fā)現(xiàn)原始制造商不再供應(yīng)這些產(chǎn)品，或已完全倒閉，不再生產(chǎn)。這種情況下，通過結(jié)構(gòu)光三維掃描解決方案自力更生，復(fù)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時間。手動測量和CAD繪制部件需要耗費大量時間，還要一定專業(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(jié)構(gòu)光三維掃描儀讓他們能夠為珍貴的物品采集表面細節(jié)，無需擔心破壞文物或化石。或許您需要為史前石器、中世紀古堡墻壁、人類祖先頭骨制作精. 準無誤的數(shù)字副本，以便存檔。但無論如何，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行物理操作。
制作超逼真全彩CGI和特效
采用結(jié)構(gòu)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地或工作室，隨即開始掃描、處理，掃描幾分鐘后即可安排演員、道具甚至是整個場景的數(shù)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(jié)構(gòu)光三維掃描儀所向披靡之處。特別是如果擁有一臺沒有線纜束縛、操作速度飛快的手持式三維掃描儀，那就可以在幾分鐘內(nèi)為人體完成全方位的數(shù)字采集。就連細心的裁縫都會羨慕您獲得的身材數(shù)據(jù)。
為生產(chǎn)線進行光學測量與檢驗
許多制造商在檢驗產(chǎn)品時，關(guān)心的問題之一就是如何準確地檢測并量化物理結(jié)構(gòu)中的差異，同時在檢驗時不對任何產(chǎn)品造成損壞。卡尺、千分尺、三坐標測量儀均為物理測量手段，而三維掃描儀不同，使用過程中，沒有機會以任何方式劃傷、刮傷表面，也不會出現(xiàn)表面變形。在三維掃描軟件中，您還可以直觀地看到制造上的差異，精度達到亞毫米級。
結(jié)構(gòu)光掃描儀的潛在問題
在評估一項新技術(shù)時，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，這點非常重要。就結(jié)構(gòu)光而言，這項技術(shù)利大于弊。當然，結(jié)構(gòu)光三維掃描儀在某些條件下，也不是無所不能。
掃描對象無法保持靜止
當手持式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀采集物體時，我們通常默認掃描物體是靜止的，或至少其運動狀態(tài)是受控的，例如放在旋轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)。
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過多，掃描儀追蹤可能丟失。但對于FPS很高的結(jié)構(gòu)光掃描儀而言，這幾乎不成問題。
三維掃描儀和攝影測量挑戰(zhàn)高難度表面
對三維掃描和CGI攝影測量技術(shù)而言，總有幾類表面很難采集。但現(xiàn)在，這些也不再造成任何挑戰(zhàn)。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(shù)字采集的成功概率。
超深色表面： 雖然這些表面不太常見，但也確實存在。它們能輕松吸收結(jié)構(gòu)光，所以無法正常反射到掃描儀的攝像頭上。如果軟件可以調(diào)節(jié)靈敏度，在掃描預(yù)覽時，可以嘗試調(diào)高掃描儀靈敏度，直到掃描儀能清晰呈現(xiàn)物體表面。
高反射率表面（如鉻或其他反光金屬）： 結(jié)構(gòu)光射到表面后，又會朝不可預(yù)測的方向反射回去，因此，從技術(shù)角度而言，掃描儀攝像頭無法充分捕獲扭曲的光信息，無法生成準確的圖像。您可嘗試在物體不同角度、不同距離進行掃描。有時，只要調(diào)整掃描儀的位置和角度，就能避免垂直掃描。這樣一來，結(jié)構(gòu)光就不會直接反射到攝像頭，而是漸漸散開。
玻璃、透明或半透明表面：掃描儀結(jié)構(gòu)光穿過這些材料，或穿過材料時被擴散，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(jié)構(gòu)光，不再吸收或擴散光線。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，會在幾分鐘到幾小時后自行發(fā)揮。
毛發(fā)表面： 結(jié)構(gòu)光射到這類表面后，會朝著多個方向反射，掃描儀攝像頭通常無法采集到足夠的光信息，來區(qū)分物體表面的幾何。和深色表面相同，如果軟件可以調(diào)節(jié)靈敏度，那把它調(diào)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(cè)耳朵移動到另一側(cè)耳朵，并將掃描儀向上移動到頭頂，再越過頭頂掃描另一側(cè)。此外，如果可以讓脖子和肩膀也盡可能出現(xiàn)在掃描范圍內(nèi)，就能輔助掃描儀以這些特征為基準進行追蹤。
纖薄物體（或物體截面）: 這背后的根本難點在于，沒有足夠的表面區(qū)域可以接受結(jié)構(gòu)光，也無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，其呈現(xiàn)的寬度可能只有幾毫米（甚至更短）。多數(shù)時候，該問題可以通過在掃描儀的掃描范圍內(nèi)放置一個彩色或有圖案的背景板來解決。這很簡單，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： 無論掃描儀多厲害，即便手持式掃描儀可以輕松達到掃描區(qū)域，也會有結(jié)構(gòu)光無法抵達的截面，或是部分掃描場景和物體，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)光無法反射回掃描儀的攝像頭。簡單來說，掃描儀無法“看見”這些區(qū)域，采集也就無從談起。部分掃描儀或許在這方面表現(xiàn)良好。此外，對付這類難以達到的表面，有效的解決方案就是通過AI驅(qū)動的掃描軟件，直觀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(jié)論
不難看出，如今的結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)達到了新的高度，快速高效，操作簡單，效果精準，能應(yīng)對各類規(guī)模和復(fù)雜程度的物體和場景。目前，世界各地越來越多的中小學和大學開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(yī)鑒定、醫(yī)療衛(wèi)生、科研等諸多行業(yè)領(lǐng)域，都有大的發(fā)展空間。
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