三維掃描儀

三維掃描儀

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)與外觀數據(如顏色、表面反照率等性質)。搜集到的數據常被用來進行三維重建計算,在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。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、醫學信息、生物信息、刑事鑒定、數字文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其應用。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,而激光技術不適用於脆弱或易變質的表面。

功能


三維掃描儀的用途是創建物體幾何表面的點雲(point cloud),這些點可用來插補成物體的表面形狀,越密集的點雲可以創建更精確的模型(這個過程稱做三維重建)。若掃描儀能夠獲取表面顏色,則可進一步在重建的表面上粘貼材質貼圖,亦即所謂的材質印射(texture mapping)。
三維掃描儀可類比為照相機,它們的視線範圍都呈現圓錐狀,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,因此常以深度視頻(depth image)或距離視頻(ranged image)稱之。
由於三維掃描儀的掃描範圍有限,因此常需要變換掃描儀與物體的相對位置或將物體放置於電動轉盤(turnable table)上,經過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型集成的技術稱做視頻配准(image registration)或對齊(alignment),其中涉及多種三維比對(3D-matching)方法。

技術


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。使用可見光視頻達成重建的方法,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。
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對象如古文物、遺跡等的重建作業。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,而光學技術如激光掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。
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信息。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。
時差測距(Time-of-Flight)
時差測距(time-of-flight,或稱'飛時測距')的3D激光掃描儀是一種主動式(active)的掃描儀,其使用激光光探測目標物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術的激光測距儀(laser rangefinder)。此激光測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式,是測定儀器所發出的激光脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個激光光脈衝,激光光打到物體表面后反射,再由儀器內的探測器接收信號,並記錄時間。由於光速(speed of light){\displaystyle c}為一已知條件,光信號往返一趟的時間即可換算為信號所行走的距離,此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍,故若令{\displaystyle t}為光信號往返一趟的時間,則光信號行走的距離等於{\displaystyle (c\cdot t)/2}。顯而易見的,時差測距式的3D激光掃描儀,其量測精度受到我們能多準確地量測時間{\displaystyle t},因為大約3.3皮秒(picosecond;微微秒)的時間,光信號就走了1毫米。
激光測距儀每發一個激光信號只能測量單一點到儀器的距離。因此,掃描儀若要掃描完整的視野(field of view),就必須使每個激光信號以不同的角度發射。而此款激光測距儀即可透過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡(rotating mirrors)達成此目的。旋轉鏡由於較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高,是較廣泛應用的方式。典型時差測距式的激光掃描儀,每秒約可量測10,000到100,000個目標點。
三角測距(Triangulation)
三角測距3D激光掃描儀,也是屬於以激光光去偵測環境情的主動式掃描儀。相對於飛時測距法,三角測距法3D激光掃描儀發射一道激光到待測物上,並利用攝影機查找待測物上的激光光點。隨著待測物(距離三角測距3D激光掃描儀)距離的不同,激光光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法,是因為激光光點、攝影機,與激光本身構成一個三角形。在這個三角形中,激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度,是我們已知的條件。透過攝影機畫面中激光光點的位置,我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形,並可計算出待測物的距離。在很多案例中,以一線形激光條紋取代單一激光光點,將激光條紋對待測物作掃描,大幅加速了整個測量的進程。National Research Council of Canada是致力於研發三角測距激光掃描技術的協會之一(1978)。
手持激光(Handhold Laser)
手持激光掃描儀透過上述的三角形測距法建構出3D圖形:透過手持式設備,對待測物發射出激光光點或線性激光光。以兩個或兩個以上的偵測器(電耦組件或位置感測組件)測量待測物的表面到手持激光產品的距離,通常還需要藉助特定引用點-通常是具黏性、可反射的貼片-用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數據,會被導入電腦中,並由軟體轉換成3D模型。手持式激光掃描儀,通常還會綜合被動式掃描(可見光)獲得的數據(如待測物的結構、色彩分佈),建構出更完整的待測物3D模型。
結構光源(Structured Lighting)
將一維或二維的圖像投影至被測物上,根據圖像的形變情形,判斷被測物的表面形狀,可以非常快的速度進行掃描,相對於一次測量一點的探頭,此種方法可以一次測量多點或大片區域,故能用於動態測量。
調變光(Modulated Lighting)
調變光三維掃描儀在時間上連續性地調整光線的強弱,常用的調變方式是周期性的正弦波。藉由觀察視頻每個像素的亮度變化與光的相位差,即可推算距離深度。調變光源可採用激光或投影機,而激光光能達到極高之精確度,然而這種方法對於雜訊相當敏感。
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(如激光),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,是相當容易獲取並利用的,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持,這類被動式產品往往相當便宜。
立體視覺法(Stereoscopic)
傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機,平行注視待重建之物體。此方法在概念上,類似人類藉由雙眼感知的視頻相疊推算深度[1](當然實際上人腦對深度信息的感知歷程複雜許多),若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度,而截取的左右兩張圖片又能成功疊合,則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析(correspondence analysis),一般使用區塊比對(block matching)或對極幾何(epipolar geometry)演演算法達成。
使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法(binocular),另有三眼視覺(trinocular)與其他使用更多攝影機的延伸方法。
色度成形法(Shape from Shading)
早期由B.K.P. Horn等學者提出,使用視頻像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解,方程式之解即深度信息。由於方程組中的未知數多過限制條件,因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質(differentiability)、曲率限制(curvature constraint)、光滑程度(smoothness)以及更多限制來求得精確地解。此法之後由Woodham派生出立體光學法。
立體光學法(Photometric Stereo)
為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足,立體光學法採用一個相機拍攝多張照片,這些照片的拍攝角度是相同的,其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學法使用三盞光源,從三個不同的方向照射待測物,每次僅打開一盞光源。拍攝完成後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射(perfect diffusion)模型解出物體表面的梯度向量(gradients),經過向量場的積分后即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面(Lambertian surface)的物體。
輪廓法
此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓線上展現時,重建后將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上,每次旋轉一小角度后拍攝其視頻,再經由視頻處理技巧去除背景並取出輪廓線條,搜集各角度之輪廓線后即可“刻劃”成三維模型。
用戶輔助
另外有些方法在重建過程中需要用戶提供信息,藉助人類視覺系統之獨特性能,輔助完成重建程序。
這些方式都是基於照片攝影原理,針對同個物體拍攝視頻以推算三維信息。另一種類似的方式是全景重建(panoramic reconstruction),乃是在定點上拍攝四周視頻使之得以重建場景環境。

應用


逆向工程應用
逆向工程,是一種技術過程,即對一項目標產品進行逆向分析及研究,從而演繹並得出該產品的處理流程、組織結構、功能性能規格等設計要素,以製作出功能相近,但又不完全一樣的產品。逆向工程源於商業及軍事領域中的硬體分析。其主要目的是,在不能輕易獲得必要的生產信息下,直接從成品的分析,推導出產品的設計原理。逆向工程可能會被誤認為是對知識產權的嚴重侵害,但是在實際應用上,反而可能會保護知識產權所有者。例如在集成電路領域,如果懷疑某公司侵犯知識產權,可以用逆向工程技術來查找證據。
三維掃描儀
三維掃描儀
文化資產
透過3D掃描可將各種對象進行記錄,小至各種文物、藝術品,大至歷史建築、街區建築甚至整體都市環境都可以透過掃描數字化,作為文化資產上之應用,可分為以下幾種用途:
紀錄樣貌
未來修復之依據
實體複製
通過三維掃描的這個模型的還原度可以達到99%,它表面的紋飾和一些細節特徵,同時我們還可以快速的獲取一件文物的體積和表面積,這個技術它的應用方向,主要包括文物數字檔案的留存,文物虛擬修復的輔助。在文物修復中,有的文物因為受到侵蝕,表面信息已經模糊;還有的文物被發現時已經殘缺不全,三維技術能夠將採集到的文物信息轉換為數據模型,為文物修復提供精準數據依據。
三維掃描儀
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參見


立體電腦圖形
三維計算機圖形軟體
激光測距儀