【中關村在線辦公列印頻道原創】隨著3D印表機越來越便宜，3D列印離我們的生活也越來越近。桌面產品不到萬元，價格不再變得難以承受。但是說起3D列印，很多人會有疑問，我列印什麼東西？傳統印表機我可以列印文檔、照片、圖片，用3D印表機能列印什麼？這就涉及到3D數字模型了。像AutoCAD、Maya之類的3D建模軟體不是一天兩天能熟練掌握的，3D列印的數據源從何而來呢？這就是3D掃描儀的作用，它把物體轉化成3D數字模型，剩下的活交給3D印表機來完成。我們先了解一些3D掃描的原理。
●從盲人摸象到察言觀色 接觸式與非接觸式3D掃描
3D掃描儀分類為接觸式（contact）與非接觸式（non-contact）兩種，後者又可分為主動掃描（active）與被動掃描（passive），這些分類下又細分出眾多不同的技術方法。
接觸式3D掃描
圖源baike.baidu.com
接觸式3D掃描讓筆者想起盲人摸象的故事。接觸式3D掃描儀通過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機（CMM,Coordinate Measuring Machine）即典型的接觸式3D掃描儀。此方法相當精確，常被用於工程製造產業，然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用於高價值對象如古文物、遺蹟等的重建作業。此外，相較於其他方法接觸式掃描需要較長的時間，現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量，而光學技術如雷射3D掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。
非接觸主動式掃描
主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，藉由能量的反射來計算三維空間信息。常見的投射能量有一般的可見光、高能光束、超音波與 X 射線。
時差測距（Time-of-Flight）
時差測距（time-of-flight，又稱「飛時測距」）的3D雷射掃描儀是一種主動式(active)的掃描儀，其使用雷射光探測目標物。雷射測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發出的雷射脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個雷射光脈衝，雷射光打到物體表面後反射，再由儀器內的探測器接收信號，並記錄時間。由光速和時間，算出被測體的一點到儀器的距離。
三角測距（Triangulation）
三角測距原理
三角測距3D雷射掃描儀，也是屬於以雷射去偵測環境的主動式掃描儀。相對於飛時測距法，三角測距法3D雷射掃描儀發射一道雷射到待測物上，並利用攝影機查找待測物上的雷射光點。隨著待測物（距離三角測距3D雷射掃描儀）距離的不同，雷射光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法，是因為雷射光點、攝影機，與光源本身構成一個三角形。在這個三角形中，光源與攝影機的距離、及雷射在三角形中的角度，是我們已知的條件。通過攝影機畫面中雷射光點的位置，可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，並可計算出待測物的距離。在很多案例中，人們以一線形雷射條紋取代單一雷射光點，將雷射條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的進程。
手持雷射（Handhold Laser）
手持雷射掃描儀通過上述的三角形測距法建構出3D圖形：通過手持式設備，對待測物發射出雷射光點或線性雷射。以兩個或兩個以上的探測器（通常是攝像頭）測量待測物的表面到手持雷射產品的距離。掃描儀獲得的數據，會被導入電腦中，並由軟體轉換成3D模型。手持式雷射掃描儀，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數據（如待測物的結構、色彩分布），建構出更完整的待測物3D模型。
非接觸被動式掃描
被動式掃描儀本身並不發射任何輻射線（如雷射），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預期的效果。由於環境中的可見光輻射，是相當容易取得並利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對於可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應用於這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法並不需要規格太特殊的硬體支持，這類被動式產品往往相當便宜。
PrimeSense技術
PrimeSense技術用光源照明給需要測量的空間編碼。光照在空間物體上形成光斑，這些光斑具有高度的隨機性，而且會隨著距離的不同變換圖案。也就是說空間中任意兩處的光斑圖案都是不同的。只要在空間中打上這樣的結構光，整個空間就都被做了標記，把一個物體放進這個空間，只要看看物體上面的光斑圖案，就可以知道這個物體在什麼位置了。由於PrimeSense技術使用的是連續的照明，不需要特製的感光晶片，而只需要普通的CMOS感光晶片，這讓3D掃描儀的成本大大降低。
●3D掃描儀如何得到物體的數字模型
很多手持式3D掃描儀、桌面3D掃描儀、3D掃描鏡頭採用的是PrimeSense技術，例如微軟第一代Kinect體感設備、Artec公司的手持式掃描儀、Matterport的桌面3D掃描儀、Occipital的3D掃描鏡頭。應該說PrimeSense的解決方案成為3D掃描大眾化的福音。3D掃描儀如何生成物體的數字模型呢？拿手持式3D掃描儀來舉個例子。
手持3D掃描儀繞物體一周。此時掃描儀獲得物體的空間信息，包括深度（depth）和顏色（color）。深度信息用來確定物體表面每一個點在空間中的位置，顏色信息用來記錄每一個點的色彩。
3D掃描儀在不同角度，會記錄物體的若干幅位置信息。軟體將這些位置信息比對（align），來獲得整體的位置信息。
軟體融合（fuse）所有的位置信息組合成一個完整的物體，這時建模才算完整。
完整的3D數字模型是由許多的小三角形拼合成物體的表面，因此3D掃描儀能夠獲取和生成的小三角形數量與掃描精度有直接關係。三角形數量越多，掃描精度越高。
位置信息處理完畢，還有表層顏色。這一步軟體將顏色信息附加到數字模型上，叫做蒙皮（texturize）。
最後，把結果導出成為3D文件格式，例如STL、OBJ等，可以在Maya、AutoCAD、3DMax等三維建模軟體中編輯，也可以直接用3D印表機列印出來。
包括手持式3D掃描儀在內，當前大多數的消費級3D掃描儀都是實用的PrimeSense技術， 數據採集原理大同小異。
●百花齊放的消費級3D掃描儀
隨著2014年CES展會的結束，多家廠商、初創公司推出消費級3D掃描產品，價格從幾百美元到上千美元不等，大大豐富了3D數據模型的來源。新老產品，百花齊放。
3D掃描鏡頭 把ipad變成3D掃描儀
Structure Sense 3D掃描鏡頭
Structure Sense 3D掃描鏡頭
初創公司Occipital在CES上展出新品Structure Sense 3D掃描鏡頭，把iPad變成3D掃描儀，基於PrimeSense技術。這款產品定價349美金，已經可以網上訂購了。
3D Systems iSense 3D掃描鏡頭 圖源：zoomit.ir
3D Systems展出了iSense 3D掃描鏡頭，與上一款產品有異曲同工之妙。預計今年第二季度上市，定價499美金。
桌面3D掃描儀 小體積物品掃描
Matterform 3D掃描儀
Matterform 3D掃描儀
Matterform桌面3D掃描儀僅有鞋盒大小，定價579美金，將桌面3D掃描儀變成「買得起的3D掃描儀」。同樣使用了PrimeSense技術。
MakerBot Digitizer 3D掃描儀
MakerBot Digitizer 3D掃描儀不是一款新品了，但是也有亮點。原價1400美金，現在MakerBot公司搞起促銷來，價格為949美金，這個降價幅度可以說是嗨翻全場。
桌面3D掃描儀特點就是有可以自動旋轉的掃描平臺，不會由於手持出現晃動。體積小的物品用桌面3D掃描儀精度足夠合適。
手持式3D掃描儀 想說愛你不容易
3D Systems手持式3D掃描儀Sense
3D Systems公司於2013年推出的手持式3D掃描儀Sense，定價399美金。相比一臺3D Systems Cube系列3D印表機來說，價格不高，但是用3D掃描儀的目的還是3D列印，這個399美金的幫手身價不菲。
Artec Eva手持式3D掃描儀
土豪級手持式3D掃描儀非它莫屬，Artec Eva。在國內3D列印店中經常能見到它的身影，定價13700歐元。看來手持式3D掃描儀，還真是想說愛你不容易。
總結：2013年是3D列印盛放的一年，從消費者到媒體、廠商、服務商都投入了空前的關注，而且越來越多的傳統列印廠商也加入到3D列印的行列。2014年，廠商已經在3D列印的數字模型上加速擴展，購買版權模型、建立3D模型庫和社區，並做收費下載。包括3D掃描儀在內的3D成像產品走向大眾，無疑會大大擴展3D數字模型的規模，甚至帶動3D列印行業的發展。
3D掃描儀是實物數位化的重要工具。值得高興的是消費級的產品越來越多，價格也越來越便宜，隨著Intel iSense的發展，相信實物3D掃描儀可以很快的降到100美元以內。
王徵