知晓：3D扫描技术工作原理

guozhiwei · 发表于 2022-4-23 14:29:27

在3D扫描世界里，有激光扫描仪、结构光扫描仪、设计软件、3D模型等等，在我们探索这一奇妙世界前，先让我们花点时间深入了解一下我们常常挂在嘴边的三维究竟是什么，无论身处何地，三维总是无处不在（甚至可以描述我们！）。三维激光扫描技术https://www.artec3d.cn/Artec 3D扫描仪,三维扫描仪公司提供高精度,专业便携的3D扫描解决方案,3d扫描建模,室内3d扫描,手持三维扫描仪,三维立体扫描仪,逆向工程,逆向设计等方案，适合艺术品、文物、事故现场、厂房、工业设计等行业的三维扫描服务和应用，经历15年以上市场验证。

我们都知道自己身处于3D世界，哪怕那些不了解3D扫描仪为何物的人也知道这一点。但“3D世界”到底意味着什么？其实就是指我们周围的空间有三个维度，任何物体的位置都可以用这三个数字来描述，通常称为参数或坐标。我们有不同的方式来设定这三个参数，设定规则就是我们所说的坐标系。

图.1a

最常见的坐标系是笛卡尔坐标系。

谈及周围物体的宽度、高度、深度时，我们通常采用笛卡尔坐标系，包括右手坐标系（RHS）和左手坐标系（LHS）。唯一的区别在于表示深度的z轴方向不同。

图.1b

图.1c

此外也有一些其他坐标系，比如球坐标系（左）和圆柱坐标系（右）。

这些坐标系的共同之处，就是它们都有三个独立参数，能清晰描述空间内任何一点的位置，无论是否为一个平面。这听起来很简单，但对3D扫描而言，却是最基本的原则，能帮您更好地理解并驾驭这项改变世界的技术。

在3D扫描和扫描仪领域讨论维度就显得格外重要，因为我们需要考虑如今专业3D扫描解决方案和软件的准确度和分辨率。最新3D扫描仪的性能表现已远远超过人类肉眼能识别的水平，这完全有赖于可靠且可重复的软硬件坐标系。

物体与3D扫描简介
物理世界的物体除了空间位置，它们自身也有维度。物体可以是0维、1维、2维或3维。

0维与1维物体

2维物体

3维物体

让我们想象一个非常小的物体，例如原子，我们认为它几乎不占任何空间，把它称为一个点。如果一个点对象存在空间位置，并用x、y、z坐标描述，但本身没有维度，我们将其称为0维物体。虽然我们可以找到为1维、2维或3维物体扫描的扫描仪，但我们无法扫描0维物体。

细链条就是1维物体。除了第一环和最后一环，每一环都只有两位“邻居”，即相邻锁链。

薄纸（c）就是2维物体，和长宽相比，它第三个维度（厚度）可以忽略不计。

3维物体最直观的例子就是箱子，它有长宽高，且在三个维度上都占据一定空间。

就目前市面上的专业3D扫描仪而言，制造商都会在产品介绍和宣传中清晰注明可3D扫描的最佳物体尺寸。3D扫描仪本身的尺寸也各不相同，有自动桌面式扫描仪，用于小微型物体扫描，手持式结构光扫描仪，用于中小型物体扫描，也有3D激光扫描仪这样的大型扫描仪，用于大型和超大型物体扫描。当然，这些扫描仪制作的3D模型也可根据需要，通过专业CAD设计软件调整尺寸。

我们如何感知（在脑海中扫描）3D世界
远处物体的大部分信息是依靠光传递给我们的。简单来说，光是以最快速度穿越空间的电磁辐射。大部分光线来自太阳，它们会在物体表面反弹，一部分被物体吸收，一部分反射出来，继续穿梭，直到被其他物体吸收。光线可以发生很多变化，比如反射、折射、散射或被吸收，如遇到物体，甚至还可能发生性质的改变，即颜色、强度和方向的变化等。

人眼是一个可以感知可见光方向、强度、色彩的感官。它有一个可以将光线聚焦于视网膜的晶状体。视网膜包含特殊的感光细胞，约为1亿2000万个视杆细胞和600-700万个视锥细胞。视杆细胞负责感知黑白，视锥细胞则让我们感知其他色彩。为看到这些色彩，我们的双眼会收集来自周围的光线，并将它们投射到视网膜上。

我们的双眼无法同时聚焦距离不同的多个物体，所以当我们看向近处物体，远处物体就会变得模糊，反之亦然。调节反射，一种特殊的聚焦机制，可以让我们看清6-7厘米（2.5英寸）到无限远的距离。大多数情况下，这种机制是一种生理反射，但也可以受到意识的控制。如图2所示，当相应肌肉对晶状体做出调节，眼部即可聚焦不同距离。

图.2

聚焦：a.远物

b．近物

如图2所示，当相应肌肉对晶状体做出调节，眼部即可聚焦不同距离。

图.3a

图.3b

除了协助双眼聚焦，调节反射还能帮助我们将近处物体与远处物体区分开来，但单独一只眼睛无法很好地感知深度。这就是为什么我们需要两只眼睛。

人类3D成像基于立体视觉效应。该效应是指从两个不同的位置观察物体的过程，虽然每个眼睛所观察到的映像类似，但同时又存在位置的差异。差异多大取决于你和物体之间的深度（即距离），较近物体的映像差异会更大。这一现象被称为网膜（双眼）像差，又叫双眼视差。

可惜的是，观看不同物体时，眼部的分辨率各不相同。视锥细胞主要分布于中央凹，所以如果我们追求较高分辨率和深度感知，那么双眼必须都聚焦于这个物体。双眼辐辏看向近物（见图3（b））时，需要用到眼外肌，而观看远处物体时，视角就小了很多。

当（来自双眼的）映像投射到视网膜上，它们就会通过视神经将信号传递给不同的大脑视觉区域。大脑不同区域同时分析这些信号。部分负责识别简单的表面几何，其他部分负责识别运动，或对比之前收集的映像。

最后，所有信息大约只需50毫秒即被感知，我们也就获取了所视物体的色彩、深度、运动轨迹、形状等信息。Artec 3D扫描仪，包括Artec 3D激光和结构光扫描仪，其工作原理与之相似，但和人类视觉系统相比，深度测量方面更为精确

人眼，3D感知与3D扫描仪
由于光线会因环境不同而有不同表现，所以3D视觉感官不一定每次都准确。

即便在现实世界，每个物体的3D尺寸都超过了一纳米，但人眼或现代扫描仪很难同时观看到物体的所有表面，这是因为视觉会受到其他物体的遮挡。这包括不透明的复杂物体，它们的后部就会被前部遮挡。

为了看到整个3D外形，多角度观察（扫描）物体这点非常重要，尤其是在外形未知的情况下。如果是色彩几何单一的大型物体，也很难进行3D感知，比如一些平面或者十分顺滑的表面。

重点

举个直观的例子。想象您在停车，而整个停车场地面都是浅色的。如果背景颜色相同，没有可识别的特征和停车位形成反差，那么你的眼睛（以及大脑）就无法分辨空间深度。

这是因为我们的视觉感官需要一定反差才能聚焦，色彩单一、肌理规则的表面是不存在任何反差的。黑色表面也是同样道理。

正是因为上述原因，许多专业3D扫描仪很难捕获黑色或深色表面。对许多技师和3D扫描专家而言，这造成了不小的难题，因为他们可能需要采用不同的扫描策略，甚至是完全不同的扫描仪。因此，哪怕偶尔会遇到黑色表面的3D扫描工作，我们也应该在购买前尝试一下3D扫描仪的这项性能。选择一台扫描仪不仅仅需要关心准确度和分辨率。

通过扫描、CAD等制作3D模型
当前的专业3D扫描解决方案，包括结构光扫描仪、激光扫描仪、软件，都和计算机技术密不可分。因此，我们可以研发出全新计算机控制的机器，即CNC（电脑数值控制）技术。借助CNC技术，我们可以生产各类形状的物体（有时被称为自由曲面）。

CNC的基本原理就是通过计算机，而非人，来控制机床。计算机能非常准确、精准、高效地完成这一工作。即便如此，计算机也需要特殊的命令，才能进行具体操作。这些命令就是由软件系统生成的，被称为计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助设计（CAD）。让我们简单了解一下计算机是如何处理3D物体的。