什么是3D扫描技术？有哪些技术类别和应用？

什么是3D扫描技术？

3D扫描的原理：

3D扫描是3D测量技术的技术方法之一。在过去技术的限制下，获取物体尺寸数据的方法只能通过传统的游标刻度，或者三维测量床不易移动，其使用受到限制。今天的技术可以通过探头或光学透镜投射光线，并根据坐标获得3D数据，可以达到测量的目的。

3D扫描技术有几十种，主要可分为接触式和非接触式。接触式测量技术，通过探头获取数字数据并将其发送回计算机。非接触式测量技术利用光学透镜获取物体的反射，通过激光或不同光源投影的变化来检测物体的形状，恢复外观进行三维重建。

目前，市场上有几十种3D扫描技术可供选择，其中接触式和非接触式是两种主流。这就是我们通常所说的3D扫描，通过光学镜头，获得物体的反射，并随着激光的变化或不同光源的投影而分析成数字信息。

在3D扫描过程中，3D扫描仪可以逐渐创建目标物体的数字图像，扫描结果通常与CAD设计软件和3D打印程序兼容，直接修改或产生3D打印实体。

3D扫描应用：

3D扫描后获得的数据可用于各种目的，其中逆向工程和产品检测（计算机辅助验证）是主要应用。当通过测量完成物理或手动模型时，建立CAD或CAM数据输出的过程，这称为逆向工程。这个过程可以节省产品开发的时间和成本。逆向工程 （RE） 与快速原型制作 （RP） 相结合是当今广泛使用的解决方案。随着3D打印技术的发展，RE+RP已经扩展到各个领域，如视觉设计、产品开发、娃娃设计等。

此外，3D扫描的应用领域还包括汽车制造、精密仪器、科技产品、航空设备、能源设备、文物等行业。

3D扫描的技术类别有哪些？

非接触式扫描：

• 飞行时间：时差测距利用激光探测目标，然后通过激光的往返时间转换物体的表面图像。由于每个激光信号只能测量一个端点，因此通常配备旋转镜对物体进行360度扫描。时差测距技术每秒可以测量大约10，000到100，000个目标点。它以高精度用于大型工业物体和领域，但与其他3D扫描技术相比，速度相对较慢。
• 激光三角测量：三角测距法是指物体上的激光光斑、传感器、激光形成三角形，将激光发射到被测物体上，通过传感器记录激光光斑的反射时间和偏差角。并使用它来计算对象的形状。三角测量法是一种高分辨率和高精度的3D扫描技术。但是，它对扫描物体的表面特性相对敏感，不适用于具有高反射或透明表面的物体。
• 光度立体：摄影测量的原理是分析从不同角度拍摄的静态照片，并自动检测彼此对应的像素。由于信息量巨大，需要由大功率计算机计算。摄影测量适用于大型领域，例如表面模型或航空拍摄。缺点之一是细节分辨率低，整形操作需要很长时间。
• 结构照明3D扫描：结构光是3D扫描的一种光学方法，其中具有特殊结构的光通过光源投射到扫描物体上。然后通过图像处理，得到物体表面的三维形状。每种类型的结构光都有不同的扫描精度和相应的算法。他们中的大多数使用双筒望远镜、结构光或TOF测量方法进行比较。结构光是使用最广泛的技术，因为它易于安装和维护并且成本低。常见的结构光扫描仪分为垂直结构光扫描仪和手持式结构光扫描仪。将线性图案投影在待测物体上，通过光栅边缘的变形计算物体的表面形状。光源通常是LED白光或蓝光，广泛用于人体或面部成像。一些3D扫描仪也可以读取彩色效果，这种全彩扫描辅助工具通常被称为纹理相机。由于它可以一次测量多个点或大面积，因此通常分为固定式360度扫描或手持式快速扫描。结构光3D扫描可以实现速度和成像质量之间的平衡，手持扫描相对简单，是一种比较常见的应用技术。但是，这种技术对环境光的影响更敏感，因此更适合室内和室外环境。建议在没有强烈阳光的阴天进行扫描。
• 红外扫描技术：3D扫描红外扫描技术，通过将红外线投射到被扫描物体上，在移动扫描的瞬间完成图像采集和实时叠加到单个三维数据中。红外扫描的原理与人眼相似，可以通过多点测量和高精度捕获，从而可以轻松测量和扫描3D图像。
• 激光扫描技术：3D扫描中的激光技术通过三角测量法进行扫描。当物体移动时，激光会在物体上投射点或线并获得扫描数据。激光在扫描精度和质量方面优于红外线。即使在光强度高的地方，激光技术仍然可以用于扫描。常见的激光扫描仪分为立式激光扫描仪和手持式激光扫描仪。

接触式扫描：

• 接触式3D扫描（Contact-Based）:P对物体进行检测，并使用探头移动到表面上的每个端点来计算3D图像，这可以想象为用笔绘制三维结构的计算方法。由于接触式3D扫描精度高，几乎不受物体表面光线的影响，因此在速度上只适用于中小型物体，由于物理接触有限，不适用于易碎的古代文物或艺术品。

3D扫描技术的优势和挑战

• 优势：3D扫描技术是经过无数次精确计算的数字模型。而这样的高科技产品也被认为是最精确的技术之一。从微小的零件到巨大的物体，3D扫描技术可以恢复物体的形状。在易于复制、修改和保存的情况下，可广泛应用于各个行业，如航空航天工程、犯罪鉴定、医疗用途等。
• 挑战：3D扫描技术虽然可以快速解决问题，但并非完全没有缺点。3D扫描扫描技术主要基于光学原理。因此，如果是影响光学反射的表面，就会成为3D扫描扫描技术的盲点。可以通过雾化物体表面或使用3D软件修复它来完成生产。