三维扫描技术调研

三维扫描技术调研一、技术原理1.1概述三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体 表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理 的三维模型，又称为“实景复制技术”三维扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对 物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，用软件来进行三维 重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用 途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、 生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应 用，示了巨大的技术先进性和强大的生命力。1.2三维扫描仪分类三维扫描仪主要分为以下几类：三维扫描仪分类接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化 方法之一。三坐标测量机是接触式三维测量仪中的典型代表，它以精密机械为基 础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据 测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分 为单点触发式和连续扫描式两种。接触式三维扫描适用性强、精度高（可达微米 级别）不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单 的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软 质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到 机械运动的限制，测量速度慢、效率低；无法实现全自动测量；接触测头的扫描 路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量 结果往往不能反映整个零件的形状。在行业中的应用具有极大的限制。现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为 主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测 量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机 控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及 发展方向。三维激光扫描仪和三维照相式扫描仪占据了及其重要的位置。13三维激光扫描仪三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维（单点）扫 描仪、二维（线列）扫描仪和三维（面列）扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可 分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由 于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。 由光速c,时间tl, t2算出扫描仪与物体之间的距离d=（t2-tl）c/2。脉冲测距法原理图显而易见的，脉冲测距式3D激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确 地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产 生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于 近景扫描。三角测距法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度 对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接 受散射或反射光线的角度也不同，用CCD （图像传感器）光电探测器测出光斑 像的位置，就可以计算出主光线的角度e。然后结合己知激光光源与CCD之 间的基线长度d,经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距Ldtane。三角测距法原理图手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形:通过手持式设备, 对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的侦测器测量待测物的 表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点一通常是具黏性、可反 射的贴片一用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据， 会被导入电脑中，并由软件转换成3D模型。三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、 测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径 大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。三维激光扫描仪的特点：（1）非接触测量，主动扫描光源；（2）数据采样率高；（3）高分辨率、高精度；（4）数字化采集、兼容性好；(5) 可与外置数码相机、GPS系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。1.4、三维照相式扫描仪三维照相式扫描仪，光源主要是白光，其工作过程类似于照相过程，扫描物 体的时候一次性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维扫描采 用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便可以获取百万多个测量点， 基于多视角的测量数据拼接，则可以完成物体360度扫描，是三维扫描和工业设 计、工业检测的好助手。三维照相式扫描仪采用的是结构光技术，同样依据三角函数原理，但是并非 使用激光，而是依靠向物体投射一系列光线组合，然后通过检测光线的边缘来测 量物体与扫描仪之间的距离。结构光技术一般采用两个高分辨率的CCD相机和 光栅投影单元组成，利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测 量工件表面，两个CCD相机进行同步测量，利用立体相机测量原理，可以在极 短的时间内获得物体表面高密度的三维数据。利用参考点拼接技术，可将不同位 置和角度的测量数据自动对齐，从而获得完成的扫描结果，实现建模。三维照相式扫描仪的特点：非接触测量；精度高，单面测量精度可达微米级别；对环境要求较低；对个别颜色(如黑色)及透明材料有限制，需 要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。二、应用领域 三维扫描技术能够测得物体表面点的三维空间坐标，从这个意义上说，它实 质上属于一种立体测量技术。与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、型面的 三维测量，实现无接触测量，具有速度快、精度高的优点。这些特性决定了它在 许多领域可以发挥重要作用，而且其测量结果能直接与多种软件接口，今天它己 广泛应用在各个领域。1、产品设计 三维激光扫描技术可用于各个行业的产品设计当中，包括飞机制造业、航空 航天、汽车、模具制造、铸造行业、玩具制造业、制鞋业等；特别是在汽车、飞 机、玩具等领域，并非所有的产品都能由 CAD 设计出来，尤其是具有非标准曲 面的产品，在某些情况下常采用“直觉设计”，设计师直接用胶泥、石膏等做出 手工模型，或者需要按工艺品的样品加工，该模型和样品一般具有复杂曲面特征。 采用三维扫描仪，可对这些样品、模型进行扫描，得到其立体尺寸数据，并直接 与各种 CAD/CAM 软件接口，完成建模、修改、优化和快速制造。同时，由于 三维激光扫描仪采用非接触式技术，对易碎、易变性物体，也能实现好的测量， 有利于产品的优化设计。2、工业仿制 仿制是工业加工中的一项重要任务，测量其尺寸是仿制的第一步。三维扫描 仪能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入 CAD 系统和数控加工设备， 对三维模型进行优化和制造，从而实现快速仿制的目的。3、快速制造系统 快速制造系统是目前国际上机械行业的研究热点之一，其中一个重要环节就 是所谓的逆向工程(Reverse Engineering),即从实物到数字模型，而这正是三 维扫描技术研究的内容。CGI公司的三维扫描设备甚至能获得物体内腔的结构。 将三维扫描设备与 3D 打印机相结合，可以构成快速制造系统，实现样件、试制 件的快速设计与制造。4、服装加工工业传统的服装制作加工都是按照标准尺寸批量生产的。随着生活水平的提高，人们开始越来越多地追求个性化服装设计，量体裁衣。三维扫描仪可以快速地测 得人身体的所有尺寸，获得其立体模型，把这些数据与服装 CAD 技术结合，可 以在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计，设计出 最合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。5、影视特技制作领域随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术也越来越广泛地 应用于影视、广告业，给人们带来了全新的视觉感受，实现了过去无法想像的特 技效果，已经成为高质量影视、广告制作中不可缺少的手段。采用三维扫描技术， 能迅速、方便地将演员、道具、模型等的表面空间和颜色数据扫描入计算机中， 构成与真实物体完全一致的二维彩色模型，实现各种高难度特技效果。这不但大 大地提高了制作水平和艺术效果，同时也节约了制作费用和制作时间。6、虚拟现实领域在仿真训练系统、灵境（虚拟现实）、虚拟演播室系统中，也需要大量的三 维彩色模型, 靠人工构造这些模型费时费力，且真实感差。采用三维扫描技术可 提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全一致的三维彩色模型数据。7、游乐业领域随着技术的进步，现代计算机游戏己经进入了三维、互动、虚拟现实阶段， 三维扫描不仅可以为游戏、娱乐系统提供大量具有极强真实感的三维彩色模型， 还可以将游戏者的形象扫描输入到系统中，达到极佳的“参与感”、“沉浸感”，让 你感受到梦幻般的效果。8、文物保护领域对于文物保护，三维彩色扫描技术能以不损伤物体的手段，获得文物的外形 尺寸和表 面色彩、纹理，得到三维彩色拷贝。所记录的信息完整全面，而不是 像照片那样仅仅是几个侧面的图像，且这些信息便于长期保存、复制、再现、传 输、査阅和交流，使研究者能够在不直接接触文物的情况下，甚至在千里之外， 对其进行直观的研究，这些都是传统的照相等手段所无法比拟的。有了这些信息， 也给文物复制带来很大的便利。目前，许多国家已将这一技术用于文物工作，美国斯坦福大学利用三维扫描 技术实施 “数字化米开朗基罗 ”项目，计划将文艺复兴时期的这位意大利著名雕 塑家的作品数字化。英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行扫描，将其 立体色彩数字模型送到虚拟现实系统中，建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入 了远古时代。9、蜡像、雕塑创作领域 三维扫描仪与数控雕刻机、快速成型设备相结合，实现了对雕塑、蜡像创作 领域的颠覆，同时也能更好的促进艺术家的工作。艺术家们可通过三维扫描仪获 得对象的立体模型，然后利用CAD、二维建模软件，充分发挥他们的艺术想像 力和创造力，对原始模型进行随心所欲的加工、变形，随时观看效果，满意后方 进行加工制作。10、生物医疗领域 三维扫描技术能快速测量人体的各个部分，包括牙齿、面颌部、肢体等的尺 寸， 因此，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用。在发达国 家中，美容、整形外科、假肢制造、人类学、人体工程学研究等工作都开始应用 三维扫描仪。同时，在考古、刑侦领域，有时需根据人或动物的骨骼来恢复其生 前的形象，也可采用三维扫描仪将骨骼的坐标数据输入计算机，作为恢复工作的 基础数据。三、企业和市场情况 三维激光式扫描仪拥有很广泛的市场应用，具有光明的市场前景，因此国际、 国内也有很多厂家致力于开发相关设备，抢占市场先机。本报告中选择了目前国 内外中具有一定市场影响力的厂家，具体如下：1、三维型创公司（Creaform）三维型创（Creaform）公司成立于2002年，是一家从事便携式3D测量和 分析技术设备的3D扫描成像的科技公司。该公司员工总计340人，其中CAD 员工140人，计量学专家和3D扫描专家42人；目前在全世界有8个分公司， 其中上海分公司员工达到30多人，在中国有35个经销商。 2012年，三维型创 公司实现销售收入4450 加元，同比增长19%； 2013 年上半年销售额与2012 年相比增长了41%，预计能超额完成5250万加元的年度目标。三维型创公司的主要技术是利用可见光（如激光、白光），采用逆向工程， 通过扫描，实现对物品的3D建模，其尺寸精度达到士0.045mm,具体的测量原理为三角测距法。其产品可用于产品的快速成型、逆向工程、快速雕塑成型，与3D打印机技术结合，可进行快速样品制造。该公司主要产品有：1手持式3D激光扫描仪；2便携式激光光笔；3光学坐 标测量3D扫描仪；4动态跟踪模块；5用于输油管道完整性评估的3D扫描解决 方案等。手持式3D扫描仪3D坐标测量系统安装于机器人的3D扫描仪动态跟踪系统2、德国GOM公司GOM公司始建于1990 年,是全球三维光学测量领域的领导者。GOM公司 的主要业务是光学测量系统开发和销售，其主要侧重于应用，如三维数字化，三 维坐标测量，变形测量和质量控制。GOM三维扫描系统可用于产品开发和质量 保证，材料和部件测试。其产品广泛应用于汽车行业、航空航天行业和消费品行 业，同时为世界各地的研究中心和学校提供教学实验设备。GOM 提供 ATOS Triple Scan、ATOS Compact Scan、ATOS Core、ATOS Scan-Box等多个型号三维扫描系统，广泛适用于不同的应用场合和应用需求， 如便携式三维扫描系统，机器人自动化扫描系统等。ATOS三维扫描系统的的核 心为ATOS扫描头，其测量原理为结构光源原理。ATOS工业三维光学扫描技术系列能高速地提供精准及细腻的扫描数据。另外其提供的三维测量数据更可作全 面分析，如钣金零件，工具和模具，涡轮叶片，原型，注塑件，铸件，等工业部 件，有别於一般单点或激光测量，ATOS能撷取物件的完整表面几何形状和基元， 通过密集的点云或多边形网格表现出来。ATOS三维激光扫描系统3、Z Corporation 公司Z Corporation是世界上速度最快三维成型机的开发商、制造商和营销商。Z Corporation致力于制造物美价廉的多功能产品，包括全球快速且高分辨率3D 打印机（可通过数字数据制作彩色3D物理原型的设备）以及独特的便携式3D 扫描仪（实时数字化3D表面的手持式设备）。Z Corporation的技术适用于制造 业、建筑、土木工程、逆向工程、地理信息系统（GIS）、医疗及娱乐等行业的 众多应用。2009年，Z Corporation宣布推出便携式3D激光扫描仪ZScanner600，价 格约为64万元。ZScanner600拥有众多优点，包括仅有0.1毫米的分辨率以及 高达80微米的XY轴精度；由于ZScanner600在扫描时可自行定位并以部件为 参考坐标，因此，用户可在扫描过程中可随意移动目标对象而不影响扫描。ZScanner 600 和 ZScanner 7004、Polhemus 公司Polhemus （波尔希默斯）是三维位置/定位跟踪系统全球的头号供应商。主要 产品有PATRIOT运动跟踪系统，LIBERTY电磁跟踪器、LIBERTY无线跟踪系 统、FASTRAK运动跟踪系统、FastScan三维立体扫描仪、SCOUT军用六自 由度跟踪系统等等，这些产品广泛应用于医疗行业，大学研究，军事训练和模拟 产业，计算机辅助设计产业。FastSCAN COBRA Cl 扫描仪FastSCAN SCORPION 扫描仪COBRA售价约为27万，SCORPION售价约为33万，Scorpion机型配有 两台摄像头，扫描时，双摄像头可以对激光束机型监控，记录下物体的表面轮廓， 操作更简单。在距离被扫描物体20厘米范围内，可分辨到0.5mm；最佳可分辨 0.1毫米。扫描速度是每秒50线，线和线之间的间隔取决于激光头的移动速度， 在每秒50毫米的移动速度下，分辨率是1毫米。5、加拿大NDI公司NDI公司是光学测量领域的领导者，总部位于加拿大技术三角区安大略省沃 特卢，共有100多名员工，至今已有27年研发历史。NDI主要面向医疗、工业 及科研领域提供最优质的三维测量技术和服务。其三维测量技术的精度和可信度 深受全球用户信赖，在全球范围内安装了约14000余套先进三维测量系统，主要 应用在电脑辅助治疗、临床步态分析、体育/生物力学研究、工业零件检测和人 体工程学应用领域。其三维激光扫描系统主要包括两款产品：三维激光扫描器 ScanTRAK和手持式三维激光扫描仪VicraScan。三维激光扫描器SeanTRAK采用NDI光学跟踪器与SeanWorks V5激光扫 描器相结合，能同时实现非接触式手持激光扫描和接触式坐标测量强大功能及方 便操作的特性。其精度可高达0.0240mm（符合NIST标准），分辨率0.0137mm； 移动范围（1.5m-6m可测量20立方米）；使用无需标定。手持式三维激光扫描仪VicraScan集三维模型的创建、比较和处理功能于一 身，扫描精度达到0.04mm，具有自我定位技术，无需关节臂、三坐标测量机或 其他任何跟踪定位装置，确保随时随地开始扫描测量，安装过程瞬间完成，被测 工件表面安放目标靶后可迅速开始测量。三维激光扫描器ScanTRAK手持式三维激光扫描仪VicraScan6、3D CaMega北京博维恒信公司3D CaMega光学三维扫描系统由北京博维恒信科技发展有限公司自主研发。 目前，博维恒信研发的3D CaMega光学三维扫描系列产品,包括两大系列（工业三 维扫描系列和人体三维扫描系列）几十种款型的三维扫描仪产品，其中非接触式 人体三维扫描仪填补了国内空白，其对人体无害的白光扫描技术，打破了国外在 三维扫描行业的高新技术垄断，给国内用户带来了极大的便利.3D CaMega主要型号有便携式CPC双目系列、便携式CF单目系列、头部扫描系统、足部扫描系统等，扫描精度达到0.1mm，价格约在24万元。脸部扫描系统足部扫描系统便携式CPC双目系列便携式单目系列7、深圳精易迅科技有限公司深圳市精易迅科技有限公司是一家长期致力于非接触式三维扫描及检测系 统研发、销售及服务一体化的专业三维数字化高科技公司，拥有点、线、面不同 系列的激光和白光三维扫描系统，可提供从三维扫描、工业检测到工业设计、脚 型鞋楦定制、逆向工程等一系列解决方案，并力争成为国内该行业最全面最完备 的解决方案厂商。精易迅公司的主要产品有PTS-H400M综合型三维扫描仪、PTS-J200精密型 三维扫描仪、PTS-FM四目型三维扫描仪等，其主要特点在于：测量精度可达0.02mm0.05mm；测量景深范围为300500mm；可以扫描小至几毫米大至几米 的物体，适合不同大小产品。PTS-H400M综合型 PTS-J200精密型 PTS-FM四目型8、德国博尔科曼公司德国博尔科曼公司成立于1986年，是白光扫描测量行业的开拓者，也一直 是行业的领航企业。他们的产品种类最多在汽车等工业，文物保护和动画行业， 牙齿假肢等医疗行业和人体扫描都是应用最广泛，最成功的企业。其3D白光扫 描系统采用了特有的专利技术“微结构光投影技术”和非对称结构，具有如下优 占.八、1）几乎能测任何物体表面，测量精度可达20um。2）测量精度高，例如德国博尔科曼stereoSCAN-HE三维扫描仪的测量精度 可达4um，重服测量精度高，一致性好。3）抗震动，便携性好很好。4）对位拼接技术。5）边缘检测技术。博尔科曼的主要产品有stereoSCAN-HE三维扫描仪和SmartSCAN 三维扫 描仪。博尔克曼的d-StationSCAN测量系统与KaVo合作在牙齿测量和制作行业 已销售1000多台套，是世界上在该行业用的最多最成功的测量系统。完全适合 于义齿、骨骼、珠宝饰品等小物件的三维数据抄速扫描。StereoSCAN-HE三维扫描仪SmartSCAN 三维扫描仪9、德国Steinbichler光电技术有限公司德国Steinbichler光电技术有限公司成立于1987年，是世界先进的光学测 量和检测技术提供商。该公司的产品有：三维数字化扫描系统；表面检测系统； 轮胎检测系统；相位剪切干涉-无损检测系统；振动与变形分析系统（电视相位 剪切干涉系统，ESPI/PulsESPI系统），主要应用于汽车、航空航天及轮胎业领 域。三维数字化扫描系统包括基于白光光栅/条纹投影原理的Comet系统，以及 手持式激光扫描仪T-SCAN系统。COMET 5白光三维扫描仪COMET L3D蓝光三维扫描仪高精度激光扫描仪T-SCAN手持式三维激光扫描仪T-SCAN CS10、杭州先临三维科技股份有限公司先临三维公司成立于2004年，先专注于三维数字化与3D打印技术，将两项 技术进行融合创新，提供专业三维数字技术综合解决方案，应用于工业制造、生 物医疗、文化创意三大领域，帮助这些行业的客户降低产品开发制造成本，缩短 产品交付周期，并有效提高产品和服务品质。公司是国内3D打印与三维数字化 技术一体化应用的领军企业，中国3D打印技术产业联盟副理事长单位，浙江省 3D打印产业联盟理事长秘书长单位，光学三维测量系统（三维扫描仪）的行业 标准第一起草单位。先临三维公司的主要产品有OpticScan通用系列三维扫描仪、 OpticScan-Q-Plus升级版四目三维扫描仪、OpticScan-D-Plus升级版双目三维扫 描仪等。四目三维扫描仪双目三维扫描仪11、北京天远三维科技公司北京天远三维科技有限公司成立于2002年。天远三维扫描仪是北京天远三维 科技有限公司与清华大学联合开发的具有自主知识产权的照相式三维扫描系统。 该系统已达到国际先进水平，其扫描方式有别于传统的激光点扫描方式，通过在 物体表面投射光栅，用两架摄像机拍摄发生畸变的光栅图像，以实现物体表面三 维轮廓的测量。天远三维扫描仪主要型号有OKIO-H型、OKIO-B型、OKIO-F 型、OKIO-S 型。天远三维扫描仪四、科研院所1、上海光机所2011年，中科院上海光学精密机械研究所研制成功了地基全视景三维成像激 光扫描仪。“地基全视景三维成像激光扫描仪”是一种非接触式主动测量系统， 米用激光三维扫描技术（又称“实景复制技术”），是继GPS全球空间定位系统 之后测绘技术领域的又一项新突破。该测量系统可进行大面积高密度空间三维数 据的采集，完整获取各种大型、复杂及不规则实体或实景的三维数据，为获取物 体空间位置信息提供全新技术手段。产品可广泛应用于城市三维模型重建、建筑 工程、电网工程、公路隧道测量、文物保护等领域。2、西安交通大学西安交通大学模具与塑性加工研究所、西安交通大学信息机电研究所和上海 数造机电科技有限公司共同研发3DSS系列三维扫描仪。该扫描仪为是光栅投影 照相式三维测量仪，采用目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。该扫 描仪目前已开发出两代产品，第二代的四个型号是：3DSS-STD-II（标准型）、 3DSS-MINI-II （迷你型）、3DSS-HI-II （高端型）、3DSS-STDC-II（彩色标准型）。五、总结总的来讲，3D扫描技术广泛应用于工业制造业、文化产业、生物医疗产业 等领域，具有非常广阔的市场前景。目前国内国际都有大批公司进行着三维扫描 仪的研发和销售工作，比较国内外各公司的产品及目前发展情况，主要有如下特 占.八（1）近距离三维扫描技术发展到现在，已经发展得较为成熟，因此其研发 主要以公司企业为主，高校科研院所的角色在慢慢淡化。（2）目前三维扫描技术以主动式扫描技术为主，其光源多采用激光或白光, 产品中以三维照相式扫描仪居多。（3）近距离的三维扫描技术的测量基本原理均采用三角测距法和结构光 法。其中部分产品为基本原理的升华版，如三维型创公司激光扫描仪，则采用的 是双三角测距法的结合。（4）国外公司如三维型创公司、GTO公司引领着三维扫描技术的发展，虽 然目前国内的三维扫描技术有了一定的发展，涌现出一批企业，但是，其产品和 技术均以仿制国外为主，创新性不足。(5) 手持式三维扫描仪的出现，体现了三维扫描技术中建模、数据处理、 误差消除等方面的顶尖水平，这在国外已经是成熟的产品，但在国内企业中，仍 没有相关产品面市。