精度超過原物倒模 3D掃描儀技術解析

1什麼是3D掃描儀

   【中關村在線辦公列印頻道原創】為什麼3D列印那麼火？因為3D技術早已有之，火是市場趨勢，工業界尋找技術發力點，3D列印恰好符合條件，桌面式個人3D列印前景廣闊，開源技術基礎又讓準入門檻大為降低。綜合也都造成了目前火的景象。

    可是相對3D掃描對大部分人來說是一個陌生的詞語。最近MakerBot公司即將發布3D掃描產品。這款產品是3D列印技術的一個衍生設備。作為3D印表機的眼神，3D掃描有望獲得人們的青睞。那麼什麼是3D掃描技術呢？3D掃描技術有哪些應用範圍和優缺點呢？和3D列印能否有所結合呢？本文將全面系統的介紹，讓您更加了解3D掃描技術。

精度超過原物倒模 3D掃描儀技術解析

什麼是3D掃描儀？

　  三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學儀器，用來偵測並分析現實世界中物體或環境的形狀(幾何構造)與外觀資料(如顏色、表面反照率等性質)。搜集到的資料常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中建立實際物體的數位模型。這些模型具有相當廣泛的用途，舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學資訊、生物資訊、刑事鑑定、數位文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其應用。

3D掃描儀

　　三維掃描儀的製作並非仰賴單一技術，各種不同的重建技術都有其優缺點，成本與售價也有高低之分。目前並無一體通用之重建技術，儀器與方法往往受限於物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而雷射技術不適用於脆弱或易變質的表面。

3D掃描儀示意圖 

    三維掃描儀可模擬為照相機，它們的視線範圍都體現圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的範圍內。兩者不同之處在於相機所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測量的是距離。由於測得的結果含有深度信息，因此常稱之。

23D掃描儀分類

3D掃描儀分類

　　三維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。使用可見光影像達成重建的方法，又稱做基於機器視覺(vision-based)的方式，是今日機器視覺研究主流之一。

柯尼卡美能達 RANGE7/RANGE5 非接觸式三維掃描儀

    柯尼卡美能達非接觸式三維掃描儀RANGE7/RANGE5對不同外形輪廓的工業部件，包括衝壓件、加工件、模具、成型件、鑄件以及注塑件，瞬間掃描並將其轉換為三維數據。數據模型可以精確的在電腦屏幕上重現。使用選配應用軟體，通過對比這個掃描數據和三維CAD設計數據，你就可以快速獲得軟體自動導出的檢測報告，包括全局誤差、界面誤差、壁厚分配以及GD&T（幾何尺寸及公差）。這使得製造工序中的工作速度以及產品質量大大提高。

3D雷射掃描儀 可用於掃描建築物

　　接觸式掃描：接觸式三維掃描儀透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)即典型的接觸式三維掃描儀。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物件如古文物、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，而光學技術如雷射掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。

　　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援，這類被動式產品往往相當便宜。非接觸被動式掃描包括：立體視覺法(Stereoscopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立體光學法(Photometric Stereo)和輪廓法等。　　

　　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資訊。就是像物體投射特定的光，其中代表技術雷射線式的掃描，精度比較高，但是由於每次只能投射一條光線，所以掃描速度慢。另外，由於雷射會對生物體以及比較珍貴的物體造成傷害，所以不能應用於某些特定領域。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。非接觸主動式掃描包括：時差測距(Time-of-Flight)、三角測距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、結構光源(Structured Lighting)和調變光(Modulated Lighting)等等。

3小型3D掃描儀即將上市

小型3D掃描儀即將上市

    MakerBot似乎在推廣3D列印事業上做出了不少貢獻，近來一家名為Matterform的企業正準備生產一種簡單、小型的3D掃描儀，作為3D印表機的互補出現在市場上，這家公司已經為此在Indiegogo上發布了籌款項目。

Photon 3D掃描儀

    這款名為Photon的3D掃描儀合起來的時候尺寸與普通印表機無異，打 開後就會見到承載掃描物體的平臺。機器運作過程中，圓形託盤會轉動，機身上裝載的攝像頭和雷射會開始掃描收集該物體的外形數據，耗時約3分鐘。

Photon 3D掃描儀

     這款3D掃描儀最大能夠掃描9.75英寸高、7.5英寸寬(約24.77×19.05cm)的物體，參與發起的籌款項目中，購買這款設備需要392美元(約合人民幣2438元)。當然除了這臺設備外，Matterform還為此推出了配套的掃描軟體。Matterform的目標是造出更為易用的掃描儀產品，進一步促進3D列印的普及。

      因為大部分用戶無法自行構建物體模型，所以3D列印自然也會受阻。而如果能將3D印表機與掃描儀配合使用，就能完成許多小型簡單物體的複製工作，也為家用或手工製品提供很好的助力。Matterform表示，最早一批的Photon將於7月份出貨，前提是籌款至少要到80000美元的目標，離此籌款項目結束還有32天，目前還需要60000美元。

4手機變成3D掃描儀

手機變成3D掃描儀

    據國外媒體報導，三維掃描儀價格不菲，通常用於工業設計模型的三維掃描儀售價在數千美元。目前，設計師最新開發一個手機應用軟體，能夠讓手機成為3D掃描儀，該軟體僅售價300美元。

最新手機軟體可使智慧型手機成為價廉物美的3D掃描儀

    這款手機應用軟體叫做「Moedls」，基於iPhone手機或iPad電腦，以及一個商用雷射器、轉盤和簡單的盒子，便能實現物體的3D掃描。發明者是約翰-費爾，他曾成功設計磁性彈弓和升空磁性雕像。

最新手機軟體可使智慧型手機成為價廉物美的3D掃描儀

     將一部智慧型手機放置在三腳架上，把需要掃描的物體放在轉盤上，一個小型雷射器瞄準掃描物體，之後雷射器照亮進行掃描。雷射器的功能有點兒像照相機閃光燈，提供一個真實明亮的光源，使相機能夠拍攝到掃描物體的細節部分。

最新手機軟體可使智慧型手機成為價廉物美的3D掃描儀

    費爾說：「3D掃描難度較大的部分實際是轉盤，很難發現一個平臺旋轉緩慢，並且足夠穩定。在此之前我曾使用過一個老式留聲機。」

    當掃描物體在轉盤上轉動，智慧型手機相機能夠拍攝更多照片，最終獲得3D圖像結構。目前，這款手機軟體仍在等待蘋果公司的審批，如果獲批將出現在iPhone手機的應用商店中，同時，該軟體的手機安卓版正在研發之中。

    之前曾有一些手機應用軟體基於智慧型手機相機功能實現3D圖像呈現，但其中一些軟體必須要求具備雙相機系統進行深層掃描。

53D掃描與3D列印結合

3D掃描與3D列印結合

　  三維立體列印屬於一種快速成型(Rapid prototyping)技術，是一種由CAD數據(3D掃描數據)通過成型設備以材料累加的方式製成實物模型的技術。這一成型過程不再需要傳統的刀具、夾具和工具機就可以打造出任意形狀。它可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計轉化為模型，甚至直接製造零件或模具，從而有效的縮短產品研發周期、提高產品質量並縮減生產成本。

3D印表機實現原理圖

     光是將3D印表機、3D掃瞄器與自動機器人技術分別應用，就已經可以創造非常多造福人類的用途。不過現在，一群來自 Drexel 大學的科學家正研究將以上三項技術予以融合的全新應用，希望能成功塑造出可供教育與實驗用途的小型恐龍骨架模型。

3D掃描與3D列印結合

　　首先，他們透過 3D 掃瞄器將恐龍骨骼標本先數位化之後，再經由 3D 印表機打造出體積縮小些的等比例模型，科學家們更期望能以此為基礎製造出能正常運作的機器人模型，來幫助研究這些恐龍與其他生物在史前環境中的運動原理。此計劃預計將於今年完成恐龍的肢體部份，之後一兩年間則會將研究方向轉為製造出完全複製恐龍運動狀態的機器龍模型。不知道未來是否有機會能在科學博物館裡親眼見到這些恐龍機器人的展出，想必應該會更有置身侏羅紀公園的感覺吧

63D掃描儀可還原古生物化石

3D掃描儀可還原古生物化石

　　據國外媒體報導，奧地利科學家成功復原了一塊此前未知的動物化石的原貌。根據復原圖，這隻動物渾身長滿釘狀結構，據信是現代魷魚與章魚的祖先。此項研究由奧地利國家歷史博物館進行，研究人員利用3D掃描技術逐層掃描化石，而後製作出一段視頻，展示這種動物如何生活和移動身體。

白堊紀時期的古生物

　　這種動物被稱之為「Dissimilites intermedius」，生活在距今1.28億年前的白堊紀時期。它的化石在海底形成，最後在阿爾卑斯山白雲石山山頂的沉積物中發現。科學家表示計算機X線斷層攝影術允許他們看到肉眼無法看到的一些細節，幫助他們進一步了解這種古生物。根據他們的研究發現，這種動物的身體被釘狀結構覆蓋，每一個的長度在3到4毫米之間。

科學家在挖掘原古生物化石

3D掃描技術掃描化石

    研究人員利用3D掃描技術逐層掃描化石，而後製作出一段視頻，展示這種動物如何生活和移動身體

　　博物館發言人表示：「這塊化石代表此前一個未知的物種。計算機X線斷層攝影術和先進的3D復原程序不僅可以幫助復原一年前在白雲石山發現的化石的原貌，同時也能根據這種動物的肢體留下的印記了解其如何移動身體。

    小結：三維掃描系統是集光、機、電和計算機技術於一體的高新技術，是對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在於能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字。三維掃描系統可以用於建築和土木工程、加工工業和數字工廠、檢測和逆向工程、歷史遺產恢復工程、取證和事故現場應用等場合。與三維印表機技術相結合，可以將數據真實化，為科學研究、數據分析，以及我們的生活帶來便利。