Adam Waraksa：什么是三维扫描？新手指南 - 广州国际模具展览会

三维扫描（又称3D扫描）是指捕获物理对象以在数字环境中准确表示其几何形状的过程。主体可以是任何物体、人，甚至是周围的环境。

就像相机捕捉平面2D图像一样，三维扫描仪捕捉物体的高度、宽度、深度，有些还捕捉颜色。

三维扫描通常会获取真实世界对象的数百万个数据点。制造商可以通过多种方式使用这些数据点，包括增材制造、数字孪生、三维逆向工程、尺寸分析、三维检测计量以及针对特定人员或应用程序的定制。

三维扫描如何工作？

一般来说，三维扫描可以通过接触式和非接触式两种方式完成。通常，当我们讨论三维扫描时，会暗示非接触方法。收集测量值时，信息包含在三轴世界坐标系中的一组数据点（点云或网格表示）中。

然后可以在无数程序中处理这些数据，为多边形模型、CAD、CAE、CFD、FEA和参数逆向工程创建所需的输出。

虽然有多种3D数据采集方法，但四种比较流行的三维扫描类型包括：

1.激光扫描

基于激光的三维扫描主要有两种类型：

激光三角测量：通过测量投射到物体表面的激光束的变形来捕获物体。一个或多个激光源将非常小的点投射到表面上，一台或多台照相机记录这些点的位置。

激光线点和相机之间的角度是预先确定的，允许计算3D三角测量。当激光线在物体表面移动时，即时计算会在3D空间中记录这些点。这种方法可以产生准确、高分辨率的扫描，并且在物体反光和/或黑暗和闪亮时比较有效。

飞行时间：是一种激光扫描，用于测量激光束反射回传感器所需的时间。因为激光的速度保持不变，反射时间可以用来计算物体的距离。通过足够的这些测量，可以创建对象的非常密集的点云表示。

2.结构光扫描

结构光扫描一般采用一台投光器和多台相机。它类似于激光三角测量，但它测量的是投影在表面上的条纹图案或网格的变形。

通常，蓝色LED或激光照亮DLP芯片以创建边缘图案。当图案在表面上移动时，相机会收集有关已知图案变化的数据，并对距离进行三角测量以创建点云。

考虑到经常使用的车载摄像头的分辨率，结构光会产生密集的点云，在锐利的边缘上具有非常详细的细节。根据系统中采用的投影技术，环境光的日光水平有时会对结构光构成挑战。

3.摄影测量

摄影测量使用标准到高度修改的相机和特殊算法从多张2D照片创建3D模型。照片将从多个角度拍摄，软件会识别图像中的公共参考点，通常连同用于缩放的标尺，以将所有图像融合到3D点云中。

摄影测量的优点是它的捕获速度和保留捕获点颜色数据的能力。它是捕捉大型物体和风景的理想选择。

这种方法的缺点是它完全取决于用于重建3D图像的照片的分辨率和曝光质量，而暗区通常会导致点云中的数据丢失。

4.计算机断层扫描(CT)

CT扫描也开始于在对象的不同部分拍摄的二维X射线照片。当所有这些2D切片组合在一起时，就形成了3D像素或体素对象。体素对象包括外部几何体及其内部组件，并且通常导出为.stl或其他类型的3D网格以供下游应用程序使用。

CT扫描广泛用于工业环境中，以对视线视觉系统无法看到或无法以所需精度水平进行测量的物体进行高精度测量。

CT在任何同质零件上都有许多优点，而缺点是它通常不适用于大型、高密度或某些混合材料零件。

三维扫描仪市场提供多种类型的设备，用途广泛。

三维扫描仪的类型

三维扫描仪有多种类型，但我们将着重介绍使用上述模式的三维扫描仪。需要注意的是，远程扫描仪通常不适用于较短的范围，反之亦然。

这并不意味着您不能使用远程扫描仪扫描较小的物体，而使用短程扫描仪扫描较大的物体，但该过程可能笨拙且效率低下。远程扫描仪的焦距通常在几米到数百或数千米之间，而短程扫描仪的焦距范围不到几米。

带激光线测头的便携式CMM

便携式CMM提供物理硬探测，通常带有非接触式探测系统（扫描仪）。硬探针要么在关节臂的末端，要么以某种方式被另一个带有摄像头和/或激光的设备进行光学跟踪。非接触式探头（扫描仪）可以连接到手臂的末端，也可以通过单独的光学跟踪系统进行跟踪。

履带式系统比较常用于较大的工作体积，高达几立方米，而基于臂的系统用于测量小于一立方米的较小体积。

将针对深层和盲区特征的接触探测与针对所有视线或有机形状区域的扫描相结合，通常具有高度的通用性。

手持激光扫描仪

这些是使用激光三角测量的小型便携式设备，通常使用多个激光来非常快速地扫描一个区域。

您通常需要在零件上贴上小的圆形目标贴纸，以便扫描仪可以跟踪它收集数据的位置。这可能需要一些时间，但在扫描过程中可以在许多方面发挥优势。

手持式结构光扫描仪

这些扫描仪在尺寸上类似于手持式激光扫描仪。它们非常适合快速、准确的三维扫描，包括人体躯干或车轮等中型物体的纹理（颜色）。光源的安全性有助于扫描人，并且这些扫描仪可用于反光物体。

固定式结构光扫描仪

这些设备可能是安装在三脚架上的系统，能够扫描从非常小的零件到整辆汽车的各种物体。它们也可能是桌面系统，可以将更小、更复杂的对象放在适当的位置进行扫描。

LIDAR

LIDAR（或激光成像、检测和测距）使用激光雷达检测小物体的细节，从而产生高分辨率的3D图像。它不是测量变形激光束的角度，而是测量激光束从物体反弹并返回所需的时间。激光雷达在测绘、地理和林业方面也有大规模的制图应用。

借助范围广泛的三维扫描仪，非接触式数据采集现在比以往任何时候都更容易。

三维扫描的应用

行业最近才开始转向数字化工作，但现在几乎所有设计和工程任务都是以这种方式完成的。这就是三维扫描对众多行业如此重要的原因——因为它允许物理对象以高精度进入数字领域。三维扫描的例子很多，包括：

制造业

-三维扫描使工程师能够扫描现有产品以进行迭代改进

-对缺少CAD模型的遗留零件进行逆向工程

-从现有对象创建用于3D打印的网格，无需花时间从头开始创建模型

-对制造的零件进行详细的质量控制检查

-为有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)收集详细数据

-重新创建准确的CNC刀具路径以重新制造旧零件

建筑、工程和施工

AEC公司经常使用三维扫描来捕获改造前结构的现有（竣工）状况，无需实地考察即可创建项目估算，与利益相关者共享进行中的项目更新，执行远程结构检查，并创建数字设施管理大楼的双胞胎。

医疗健康

医疗健康中的三维扫描可以创建精确贴合人体的产品。这可以是任何东西，从牙科中的牙冠和牙桥到更合身且重量更轻的定制矫形器和假肢、用于定制医疗植入物的功能性笼子、为烧伤患者定制的面罩和定制轮椅等等。

三维身体扫描还允许医疗保健专业人员监测身体测量值随时间的变化，并快速收集准确的术前和术后患者数据。

娱乐在电影、视频游戏和虚拟现实环境中，三维扫描通常用于创建超逼真的图形、栩栩如生的数字角色和复杂精细的物体。

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三维扫描快速弥合物理世界和数字世界之间的差距，创建真实世界对象的高度精确模型。它在产品生命周期的各个阶段的制造中变得越来越重要。