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激光三維掃描

概要

本文將深入探討一項(xiàng)熱門(mén)的三維掃描技術(shù)——激光三維掃描。通過(guò)閱讀本文，您將了解激光掃描儀的類(lèi)型、工作原理、合適的應(yīng)用場(chǎng)景以及掃描儀的具體用途。

激光掃描儀類(lèi)型（按技術(shù)分類(lèi)）

飛行時(shí)間、相位、三角測(cè)量

激光掃描儀類(lèi)型（按產(chǎn)品分類(lèi)）

手持、三腳架式、桌面式

激光掃描儀類(lèi)型（按距離分類(lèi)）

短距（遠(yuǎn)達(dá)5米） 、中距（遠(yuǎn)達(dá)120米）、長(zhǎng)距（遠(yuǎn)達(dá)2千米）

如今，我們有多種方式、不同科技，可以為虛擬三維空間復(fù)制真實(shí)世界的物體。多種三維掃描儀都能實(shí)現(xiàn)：桌面式、手持式、三腳架式掃描儀；工業(yè)級(jí)或消費(fèi)級(jí)掃描儀；照片掃描儀、攝影測(cè)量掃描儀；接觸式測(cè)量系統(tǒng)；內(nèi)置激光雷達(dá)傳感器的智能手機(jī)或平板電腦；移動(dòng)式、地面式、機(jī)載系統(tǒng)等等。

本文將聚焦常用的激光三維掃描掃描技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于建筑、土地測(cè)繪、法醫(yī)鑒定、遺跡保護(hù)等領(lǐng)域。通過(guò)本文，您將了解激光掃描儀的類(lèi)型、工作原理、適用場(chǎng)景與具體用途。

三維激光掃描儀

人們聽(tīng)到“激光三維掃描儀”時(shí)，腦海里可能會(huì)浮現(xiàn)出適用于不同場(chǎng)景和領(lǐng)域的不同掃描設(shè)備。例如，一位工業(yè)設(shè)計(jì)師，可能會(huì)聯(lián)想到一臺(tái)便攜式手持設(shè)備，能近距離捕獲中小型物體。一位建筑工人，可能會(huì)想到一臺(tái)三腳架式的地面型掃描儀，用于大型物體的測(cè)繪與測(cè)量，例如樓房或整個(gè)戶(hù)外空間。而一位測(cè)繪技術(shù)員，可能會(huì)想到一輛帶有機(jī)載掃描系統(tǒng)的汽車(chē)或無(wú)人機(jī)，可以在運(yùn)行或飛行過(guò)程中繪制地形圖。這些都是正確答案，以上設(shè)備都可稱(chēng)之為三維激光掃描儀。

那么，到底何為激光掃描？哪些設(shè)備能稱(chēng)之為激光掃描儀呢？

簡(jiǎn)而言之，激光掃描就是將激光作為光源，從真實(shí)世界為一件或多件物體、環(huán)境捕獲精準(zhǔn)三維信息的過(guò)程。掃描儀將激光投射至物體，形成點(diǎn)云，即數(shù)百萬(wàn)精準(zhǔn)測(cè)量的點(diǎn)，以XYZ軸形式記錄，以體現(xiàn)物體空間位置。部分激光掃描儀支持以點(diǎn)云形式下載模型，而有些掃描儀會(huì)自動(dòng)將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成三角網(wǎng)格，可繼續(xù)轉(zhuǎn)換成CAD模型，如果支持記錄紋理，也可轉(zhuǎn)換成全彩3D模型。

為近海船準(zhǔn)備一臺(tái)長(zhǎng)距激光掃描儀（供圖：ASOM）

和之前我們介紹過(guò)的接觸式測(cè)量系統(tǒng)不同，激光三維掃描儀100%無(wú)接觸，不會(huì)造成物體任何損傷，牢固物體或易碎物體，均能捕獲。激光掃描儀可用于室內(nèi)作業(yè)，部分支持室外，白天黑夜均可使用，既有固定式，也有便攜款，可掃描小微型到超大型的各類(lèi)物體和場(chǎng)景。

要點(diǎn)

非接觸式和非破壞性激光掃描儀捕獲物體表面上的大量點(diǎn)，形成XYZ坐標(biāo)軸，以計(jì)算物體尺寸，完成3D重建，確定物體空間位置，十分精準(zhǔn)。

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，既有可手持的便攜獨(dú)立型三維激光掃描儀，也有三腳架固定型設(shè)備，同時(shí)，也可作為復(fù)雜解決方案的一道工序，例如機(jī)械臂、移動(dòng)式或機(jī)載式激光掃描系統(tǒng)等。從技術(shù)分類(lèi)來(lái)看，還可分為飛行時(shí)間、相位、三角測(cè)量技術(shù)掃描儀。

下面，我們具體介紹各類(lèi)常見(jiàn)的激光掃描儀及其工作原理。

激光掃描儀類(lèi)型

#1. 飛行時(shí)間技術(shù)

這類(lèi)激光掃描儀通常用于長(zhǎng)距數(shù)據(jù)捕獲，采用飛行時(shí)間技術(shù)（TOF）。這類(lèi)三維掃描儀的工作原理和激光測(cè)距儀的工作原理相同：發(fā)射激光脈沖至物體，部分脈沖從物體表面返回至掃描儀。與物體的距離即可通過(guò)脈沖的飛行時(shí)間計(jì)算出來(lái)，采用以下公式：距離 =（光速x 飛行時(shí)間） / 2。這個(gè)數(shù)據(jù)用于計(jì)算激光束觸及點(diǎn)的坐標(biāo)值。

飛行時(shí)間技術(shù)的工作原理

飛行時(shí)間三維掃描儀的捕獲距離可高達(dá)1000米。不過(guò)，常見(jiàn)工作距離為5-300米。雖然TOF系統(tǒng)捕獲距離較遠(yuǎn)，但捕獲數(shù)據(jù)的速度慢，約為每秒幾百至幾千點(diǎn)。

設(shè)備測(cè)量返回信號(hào)時(shí)間的能力決定了TOF技術(shù)的精度。盡管不同系統(tǒng)的精度規(guī)格各有不同，但TOF掃描儀的精度一般為4-10毫米。新款TOF設(shè)備還可能配備RGB功能，通過(guò)內(nèi)置或外接攝像頭采集色彩。

#2. 相位技術(shù)

相位三維掃描儀發(fā)射交替頻率的激光束，通過(guò)測(cè)量發(fā)射與返回信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)定物體距離。與飛行時(shí)間掃描儀不同，相位掃描儀的工作距離為80-120米，常見(jiàn)工作距離為1-50米。

相位測(cè)量技術(shù)的工作原理

相位式三維掃描儀通常被認(rèn)為是速度快的激光掃描儀，部分設(shè)備的捕獲速度高達(dá)一百萬(wàn)點(diǎn)/秒。此外，這類(lèi)設(shè)備的準(zhǔn)確度和分辨率高于TOF掃描儀。和TOF掃描儀一樣，它們也包括內(nèi)置或外置色彩捕獲功能。

要點(diǎn)

所有激光掃描儀都會(huì)發(fā)射激光，但采用不同技術(shù)來(lái)解讀返回信號(hào)。飛行時(shí)間掃描儀記錄光束從物體表面返回的時(shí)間，相位掃描儀記錄發(fā)射與返回信號(hào)的相位差，三角測(cè)量掃描儀計(jì)算發(fā)射光束返回傳感器的角度。

相位掃描儀由于精度高，適合捕獲中型物體，例如大型泵、汽車(chē)和工業(yè)設(shè)備。相位和飛行時(shí)間設(shè)備都能用于地面掃描項(xiàng)目，可為幾米到幾千米的超大型物體、結(jié)構(gòu)完成測(cè)繪。

地面TOF和相位掃描系統(tǒng)都有固定式、三腳架式設(shè)備，可以單獨(dú)使用，也可以安裝在地面或飛行器上，用于采集廣闊地貌或無(wú)法抵達(dá)區(qū)域的信息。

#3. 三角測(cè)量技術(shù)

第三類(lèi)激光掃描儀采用三角測(cè)量技術(shù)，激光發(fā)射后返回至機(jī)載相機(jī)圖像傳感器陣列上的某個(gè)特定位置。為計(jì)算物體與三維掃描儀之間的距離，設(shè)備采用三角測(cè)量法，因?yàn)榧す庠?、傳感器、物體上的標(biāo)記構(gòu)成一個(gè)三角形。激光源與傳感器之間的距離、激光與傳感器的角度都是非常精確的。激光反射回傳感器后，系統(tǒng)可以測(cè)量其與傳感器之間的角度，從而計(jì)算激光源到物體表面的距離。

三角測(cè)量法的工作原理

三角測(cè)量激光掃描儀的工作距離（小于5米）比飛行時(shí)間、相位掃描儀短，這是因?yàn)閳D像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍比較小，且距離越遠(yuǎn)，精度越低。多數(shù)三角測(cè)量設(shè)備也配備內(nèi)置RGB采集功能。

通常來(lái)說(shuō)，三角測(cè)量掃描儀適合掃描小型物體，根據(jù)設(shè)備性能，掃描距離為1厘米到2、3米。從外觀來(lái)看，有固定式和三腳架式三角測(cè)量掃描儀。但是，該技術(shù)配合便攜手持式三維掃描儀效果佳。

激光掃描儀應(yīng)用場(chǎng)景

激光掃描儀可用于諸多領(lǐng)域、諸多場(chǎng)景：從建筑、土木工程到法醫(yī)、考古。隨著技術(shù)成本越來(lái)越低、設(shè)備越來(lái)越小巧輕便，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始采用激光掃描。下面，我們介紹一些常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景。

逆向工程

使用短距三角測(cè)量激光三維掃描儀掃描汽車(chē)底盤(pán)

從小型機(jī)械部件到大型工業(yè)品，激光掃描儀已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員工具箱的必備工具。過(guò)去，一項(xiàng)復(fù)雜工藝需要耗時(shí)多天才能完成組裝，還要手工測(cè)量，部件檢測(cè)的過(guò)程十分痛苦，但有了激光掃描儀，通過(guò)逆向工程制作CAD表面模型只要幾分鐘，制作參數(shù)化CAD模型只要幾個(gè)小時(shí)。如果部件受損或變形，需要重新設(shè)計(jì)卻有沒(méi)有CAD數(shù)據(jù)，那么就可以用掃描儀來(lái)制作精準(zhǔn)的數(shù)字藍(lán)圖。帶有嵌入式處理器的便攜式激光掃描儀非常適合檢測(cè)中小型物體，而中距和長(zhǎng)距掃描儀非常適合大型物體的檢測(cè)?？焖偻瓿蒀AD模型，能節(jié)省數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間，讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于產(chǎn)品改進(jìn)。

質(zhì)量檢測(cè)

使用激光掃描儀檢測(cè)水管

質(zhì)量檢測(cè)是制造過(guò)程中的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是激光掃描儀大顯身手的領(lǐng)域。過(guò)去，質(zhì)檢常常采用手動(dòng)接觸式測(cè)量法，而現(xiàn)在，得益于激光掃描品質(zhì)，工作流程速度更快，精度更高，測(cè)量數(shù)據(jù)也更多。反過(guò)來(lái)，迭代循環(huán)就更少，產(chǎn)品交付時(shí)間也會(huì)更短。CMM通常一次只能采集幾十個(gè)點(diǎn)，需接觸物體表面，還要為每個(gè)檢測(cè)部件編程，而激光掃描儀不同，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)，為幾何復(fù)雜的各類(lèi)物體捕獲數(shù)百萬(wàn)個(gè)測(cè)量值，且無(wú)需接觸物體表面。

要點(diǎn)

無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)還是非工業(yè)領(lǐng)域，激光掃描儀都被認(rèn)為是非常高效的測(cè)量工具，包括逆向工程、質(zhì)量控制、法醫(yī)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)。

短距激光三角測(cè)量掃描儀有便攜手持型設(shè)備，無(wú)論何種設(shè)備，位于何處，都能享受高度的靈活。這類(lèi)設(shè)備非常適合捕獲高度復(fù)雜、無(wú)法手動(dòng)或借助探頭測(cè)量的部件。由于質(zhì)量輕便，質(zhì)檢人員現(xiàn)在更加靈活機(jī)動(dòng)，不用被束縛在特定的操作地點(diǎn)。

長(zhǎng)距激光掃描儀適合為大型物體進(jìn)行檢測(cè)，完成精準(zhǔn)測(cè)量，還能配合使用手持式掃描解決方案，為小型元素完成高清捕獲。激光掃描儀捕獲的3D模型，可在掃描處理軟件中處理，隨后轉(zhuǎn)換成CAD文件。這時(shí)，還能與原始CAD模型對(duì)比，識(shí)別出超出公差范圍的部位。

法醫(yī)鑒定

使用三角測(cè)量激光三維掃描儀捕獲犯罪現(xiàn)場(chǎng)

由于激光掃描儀能捕獲房間內(nèi)部、樓房、完整場(chǎng)地等大型空間，因此它也成為精細(xì)記載、犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、事故再現(xiàn)等場(chǎng)景中的得力助手。和相片、視頻、卷尺等傳統(tǒng)證據(jù)搜集方式不同，激光掃描儀讓調(diào)查人員得以捕獲犯罪現(xiàn)場(chǎng)的原貌，每件證據(jù)都能精準(zhǔn)測(cè)量，無(wú)論是尸體、腳印還是彈孔，都能在幾分鐘內(nèi)完成。

帶有嵌入式處理器的便攜式手持激光掃描儀，適合一天需在多個(gè)地點(diǎn)捕獲物體的項(xiàng)目。如需更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，也可使用手持式掃描儀，例如近距離掃描尸體、破損的家具，或者掃描罪犯留下的腳印。而長(zhǎng)距掃描儀適合捕獲整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)。將其放在房間中央自動(dòng)掃描，調(diào)查人員就可以和證人、受害人談話(huà)，或進(jìn)行其他調(diào)查工作，無(wú)需再控制掃描儀。三維數(shù)據(jù)讓法醫(yī)對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)有了更為全面詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，也能讓庭審案件更具說(shuō)服力。

建筑（BIM）

使用三腳架長(zhǎng)距激光掃描儀掃描倉(cāng)庫(kù)

對(duì)于中距和長(zhǎng)距地面型激光掃描儀而言，另一種常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景，就是三維捕獲樓房或整個(gè)建筑工地，對(duì)建筑師和建筑人員而言更是司空見(jiàn)慣。通過(guò)這類(lèi)設(shè)備，設(shè)備所有人或建筑項(xiàng)目管理員就能快速完成精準(zhǔn)記錄，為樓房制作3D模型，記錄詳細(xì)情況。此外，這些設(shè)備也可用于施工進(jìn)度跟蹤或新建項(xiàng)目的質(zhì)檢，對(duì)比成品建筑與設(shè)計(jì)模型。激光掃描儀不僅節(jié)省了手動(dòng)測(cè)量的時(shí)間和成本，也大大提升了施工安全，對(duì)于一些風(fēng)險(xiǎn)較大的項(xiàng)目而言，非常重要。建筑項(xiàng)目的整個(gè)周期都可以使用激光三維掃描儀，保存好大量三維數(shù)據(jù)，還可用于今后項(xiàng)目的翻新或全新項(xiàng)目，也能隨時(shí)查看。

考古

使用手持式短距激光掃描儀捕獲三角龍頭骨（供圖：David Cano / 3D Printing Colorado）

另一個(gè)激光掃描儀不可或缺的領(lǐng)域就是考古，在考古挖掘現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)論是滅絕物種的一根骨頭，還是整座古城，都能進(jìn)行3D記錄。帶嵌入式處理器的便攜式手持激光掃描儀還能在野外工作，方便靈活，考古學(xué)家記錄任何想記錄的考古發(fā)現(xiàn)。得益于設(shè)備上自帶的屏幕，他們還能實(shí)時(shí)看到模型的構(gòu)建過(guò)程，無(wú)需另外攜帶電腦或平板。長(zhǎng)距地面型和機(jī)載激光掃描設(shè)備也能成功應(yīng)用于地形測(cè)繪、挖掘規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)研究人員無(wú)法用肉眼看的考古遺址，讓歷史不被埋沒(méi)。

過(guò)去，考古學(xué)家只能使用全站儀、GPS設(shè)備、攝影測(cè)量法等方式搜集數(shù)據(jù)，而有了激光掃描儀，考古學(xué)家搜集高清可靠數(shù)據(jù)的速度就比原來(lái)快了許多，在考古挖掘過(guò)程中，為他們節(jié)省了數(shù)百小時(shí)的時(shí)間。由于掃描儀無(wú)需接觸物體表面，不具破壞性，還能用來(lái)捕獲易碎文物，保留它們的原貌。捕獲數(shù)據(jù)可用于考古記錄，也能制作虛擬模型，用于文物修復(fù)保護(hù)和文物展覽。

移動(dòng)測(cè)繪

車(chē)載激光測(cè)繪系統(tǒng)

移動(dòng)測(cè)繪是長(zhǎng)距激光掃描儀的另一種應(yīng)用。移動(dòng)測(cè)繪是指通過(guò)陸上移動(dòng)車(chē)輛（汽車(chē)、火車(chē)、船只）或空中飛行器（無(wú)人機(jī)、直升機(jī)、飛機(jī)）收集三維地理空間數(shù)據(jù)的過(guò)程，也就是收集物體在地球上的具體位置。移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)通常裝有各種導(dǎo)航和遙感技術(shù)，例如GNSS、攝像頭、激光雷達(dá)。結(jié)合所有技術(shù)，專(zhuān)業(yè)人士即可記錄、測(cè)量、認(rèn)識(shí)某個(gè)環(huán)境，完成可視化，適合管理公路鐵路網(wǎng)絡(luò)、城市規(guī)劃，分析水下或地下結(jié)構(gòu)，提升發(fā)電廠基礎(chǔ)設(shè)施安全性，設(shè)計(jì)數(shù)字地圖等大量場(chǎng)景。

埃太科三維激光掃描儀

文末，我們?cè)賮?lái)看幾款激光掃描儀產(chǎn)品。埃太科三維推出了兩款激光掃描儀。一款為手持式設(shè)備Artec Leo，適合近距離（0.35-1.2米）掃描大中型物體，另一款為相位掃描儀Artec Ray，操作距離高達(dá)110米。

Artec Leo

Artec Leo完美適合大中型物體的掃描，分辨率高達(dá)0.2毫米，精度高達(dá)0.1毫米

Artec Leo是一款便攜型手持掃描儀，采用三角測(cè)量結(jié)構(gòu)激光技術(shù)，適用范圍廣，在同類(lèi)產(chǎn)品中表現(xiàn)優(yōu)秀。這是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)置處理器，搭載HD顯示屏、Wi-Fi功能、電池，可以實(shí)時(shí)查看掃描效果，無(wú)需任何其他設(shè)備（電腦或平板）。掃描儀可捕獲3500萬(wàn)點(diǎn)/秒，點(diǎn)云細(xì)節(jié)豐富，精度高達(dá)0.1毫米，分辨率高達(dá)0.2毫米，幾秒即可搞定。Leo掃描范圍廣（可達(dá)838 × 488毫米），可掃描處理各類(lèi)尺寸的物體，小至20-30厘米的零部件，大至50-200厘米以上的大型物體乃至整個(gè)場(chǎng)景。Leo采用1級(jí)VCSEL激光束，對(duì)眼睛完全沒(méi)有傷害，可用于靜物和人體的掃描。Leo給人靈活自由的掃描體驗(yàn)，因此，使用場(chǎng)景十分廣泛：逆向工程、CAD設(shè)計(jì)、醫(yī)療保健、考古、法醫(yī)鑒定等等。

Artec Ray

Artec Ray善于捕獲大型物體，工作距離110米，精度達(dá)亞毫米級(jí)

Artec Ray是一款長(zhǎng)距相位激光掃描儀，專(zhuān)門(mén)用于大型和超大行物體的捕獲，例如樓房、飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)，精度達(dá)亞毫米級(jí)。掃描儀工作距離可達(dá)110米，機(jī)身可自身旋轉(zhuǎn)360度，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)270度，每秒捕獲20.8萬(wàn)點(diǎn)。和許多長(zhǎng)距掃描儀不同，Ray捕獲的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、干凈，可用于逆向工程和質(zhì)量檢測(cè)。此外，設(shè)備配有三腳架，內(nèi)置電池、機(jī)載Wi-Fi，還有手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制掃描儀，掃描儀可留在室內(nèi)外自主工作。Artec Ray捕獲的數(shù)據(jù)還能與其他埃太科手持掃描儀的數(shù)據(jù)結(jié)合，讓細(xì)節(jié)豐富的高密度數(shù)據(jù)錦上添花。