|
【PConline 资讯】在日常生活中，我们经常能见到“3D”这个符号，如：3D显示、3D电影、3D打印、3D扫描等等。前两种相信大家已经耳熟能详，而3D打印笔者在之前也进行过详细的介绍(点击查看)，不过3D扫描对大部分人来说是一个陌生的词语。那么什么是3D扫描技术呢？3D扫描技术有哪些应用范围和优缺点呢？和3D打印能否有所结合呢？本文将全面系统的介绍3D扫描技术，以飨读者。
据国外媒体报道，奥地利科学家成功复原了一块此前未知的动物化石的原貌。根据复原图，这只动物浑身长满钉状结构，据信是现代鱿鱼与章鱼的祖先。此项研究由奥地利国家历史博物馆进行，研究人员利用3D扫描技术逐层扫描化石，而后制作出一段视频，展示这种动物如何生活和移动身体。（文中用图来源于网络） 这种动物被称之为“Dissimilites intermedius”，生活在距今1.28亿年前的白垩纪时期。它的化石在海底形成，最后在阿尔卑斯山白云石山山顶的沉积物中发现。科学家表示计算机X线断层摄影术允许他们看到肉眼无法看到的一些细节，帮助他们进一步了解这种古生物。根据他们的研究发现，这种动物的身体被钉状结构覆盖，每一个的长度在3到4毫米之间。
博物馆发言人表示：“这块化石代表此前一个未知的物种。计算机X线断层摄影术和先进的3D复原程序不仅可以帮助复原一年前在白云石山发现的化石的原貌，同时也能根据这种动物的肢体留下的印记了解其如何移动身体。”
三维扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中建立实际物体的数位模型。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、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数位文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。 三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面，而雷射技术不适用于脆弱或易变质的表面。 >> ----------------------------------------------------------------------------- 相关文章： 可打印肝脏!三维打印机或将无所不能 Hold住成本 测联想家用激光打印机LJ1680 如果您有什么办公设备问题，请点击以下链接，进入PConline产品论坛讨论： ----------------------------------------------------------------------------- 三维扫描仪的功能 三维扫描仪的用途是建立物体几何表面的点云(point cloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以建立更精确的模型(这个过程称做三维重建)。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上贴上材质贴图，亦即所谓的材质印射(texture mapping)。
三维扫描仪可类比为照相机，它们的视线范围都呈现圆锥状，资讯的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色资讯，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度资讯，因此常以深度影像(depth image)或距离影像(ranged image)称之。 由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描器与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘(turnable table)上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型整合的技术称做影像注册(image registration)或对齐(alignment)，其中涉及多种三维比对(3D-matching)方法。 >> 3D扫描仪的分类 三维扫描仪分类为接触式(contact)与非接触式(non-contact)两种，后者又可分为主动扫描(active)与被动扫描(passive)，这些分类下又细分出众多不同的技术方法。使用可见光影像达成重建的方法，又称做基于机器视觉(vision-based)的方式，是今日机器视觉研究主流之一。
接触式扫描：接触式三维扫描仪透过实际触碰物体表面的方式计算深度，如座标测量机(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确，常被用于工程制造产业，然而因其在扫描过程中必须接触物体，待测物有遭到探针破坏损毁之可能，因此不适用于高价值物件如古文物、遗迹等的重建作业。此外，相较于其他方法接触式扫描需要较长的时间，现今最快的座标测量机每秒能完成数百次测量，而光学技术如雷射扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。 非接触被动式扫描：被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线(如雷射)，而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法，达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射，是相当容易取得并利用的，大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线，如红外线，也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下，被动式扫描法并不需要规格太特殊的硬件支援，这类被动式产品往往相当便宜。非接触被动式扫描包括：立体视觉法(Stereoscopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立体光学法(Photometric Stereo)和轮廓法等。 非接触主动式扫描：主动式扫描是指将额外的能量投射至物体，借由能量的反射来计算三维空间资讯。就是像物体投射特定的光，其中代表技术激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与 X 射线。非接触主动式扫描包括：时差测距(Time-of-Flight)、三角测距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、结构光源(Structured Lighting)和调变光(Modulated Lighting)等等。 >> 世界上最快的唯一的模块化的三维大空间激光扫描仪 美国FARO公司FOCUS 3D三维激光扫描仪是用于复杂测量和建档的高速三维扫描仪，也是世界上唯一的模块化的三维激光扫描系统，还是世界上最快的三维大空间激光扫描仪，以每秒最大976,000点的速率可扫描最长为503英尺(153米)的文档。Focus3D采用激光技术，只需数分钟即可产生复杂环境和几何结构的详细三维图像。Focus3D配有触摸操作屏，用于控制扫描功能和参数。最终的图像是由数百万彩色点的点云组成，可用来对现有环境进行数字化再现。
Focus3D 激光扫描仪采用最高效的三维数据文档制作方法，适合房屋建筑、开挖体积、建筑外立面和结构变形、犯罪现场、事故细节、产品几何结构、工厂、工艺装置等。超小的尺寸和重量以及触摸界面，令Focus3D使用便捷，与常规扫描器相比可节省高达50%扫描时间。 Focus3D特点： Focus3D多种应用： 三维扫描技术的应用范围及优点(以Focus3D为例) 一、建筑和土木工程 挖掘控制：对挖掘过程进行简单、准确的体积和尺寸控制；变形控制：记录变化过程，监视对应措施；外墙检查：可以在最终装配前对建筑外壳和外墙部分进行3D尺寸检查；结构分析和维护：快速、经济有效的控制支撑结构的规定负载承载能力以及磨损和老化；任意形状组件检查：精确检查复杂组件的尺寸，例如任意形状的构件； 建筑环境：作为对比和扩展基础，对现有建筑物进行精确的几何记录；施工过程监视：无缝的捕捉和监视施工过程，保留法律和技术记录。
优点：快速、简单、完整的记录建筑物和建筑现场当前的状况；革命性的性价比；可以利用 WebShare 功能通过互联网方便的在线共享扫描数据。 二、加工工业和数字工厂 转换和扩展：按照转换和扩展规划对对象的当前状态进行精确的 3D 记录；异地生产：由于能够进行精确的 3D CAD 数据和尺寸控制，可以实现异地精确装配；资产管理：通过全面的 3D 数据进行虚拟现实的模拟和培训，简化了设施的管理、维护、培训等等；现场监管：提高各种交易和综合性文件和各种工作监管的协调性。
优点：用3D 方式记录复杂的工厂和车间设施可以极大的节约时间、具有高度的灵活性；对于评估困难和评估成本高昂的废弃地改建项目或者工期要求紧的情况，可以将风险降到最低；可以将废弃地改建项目成本降低 5-7%，将不可预见的返工成本降到低于 2%。可以将时间表缩短 10%；可以高效的监控健康和安全性以及环境。 三、检测和逆向工程 逆向工程：对没有施工计划或(和)CAD 数据可用的产品和组件进行复制；内部固定装置和配件：对轮船、汽车、飞机的复杂内部进行精确的 3D CAD 文件记录，用作改造规划的基础；制造记录：对复杂的机器组件的制造状态进行完整的 3D 记录；质量控制：对大型、复杂的组件，如转子叶片、涡轮机、轮船叶轮等等，进行精确的 3D 记录和尺寸检查。
优点：经济有效、快速、准确的对已有大型产品的几何形状进行 3D 捕捉；对生产的自动过程控制功能使它可以对部件实现全面的 3D 检查和监控；由于可以进行早期的全面检查，因此可以减少报废和返工的发生 3D 质量控制。 四、历史遗产 无论是要进行保存、科学分析、加固被保护建筑、还是要对不能让人参观历史遗址进行虚拟呈现，本产品都是理想的选择。FARO Focus3D 使您可以完整、详细的记录历史遗迹和发掘现场。由于集成了彩色摄像头，可以瞬时创建真实的 3D 图像。
优点：真实、完整、精确的复制对象的 3D 副本；可以轻松的复制 3D 记录；可以方便的将采集到的场景转换成正射影像或 CAD 文件。 五、取证和事故现场应用 轻便的 Focus3D 还可以非常理想的对犯罪和事故现场或者保险损坏进行快速完整的 3D 记录。可以把犯罪或事故之后的各种相关细节都详细的记录下来。相应的，为了给事故制定合适的安全理念，激光扫描仪可以提供相关的 3D 数据信息。
优点：永久、详细的对犯罪和事故现场进行记录归档；可以方便的对犯罪和事故进行 3D 模拟；通过真实的可视化呈现，帮助开发应急方案和安全措施。 >> 3D扫描与3D打印结合 三维立体打印属于一种快速成型(Rapid prototyping)技术，是一种由CAD数据(3D扫描数据)通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。
三维打印机采用分层加工，叠加成型方式来“造型”，会将设计品分为若干薄层，每次用原材料生成一个薄层，再通过逐层叠加获得3D实体。这一点它与喷墨打印机工作方法十分类似，3DP是一层一层地印，而喷墨打印机是一条直线一条直线地喷，通过若干直线的叠加形成图像。它通过对电脑中三维软件的识别，进行STL(三角网格格式)转换，再结合切层软件确定摆放方位和切层路径，并进行切层工作和相关支撑材料的构造。
最后使用喷头将固态的线型成型材料加热成半熔融状态之后挤出来，和支撑材料自下而上，一次一层的构铸成最终实体。简单的说，可以理解为软件把物体分成若干个横截面，而三维打印机将这些横截面一次一层的沉淀、堆积，最终形成我们所需的实体。 3D打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D辅助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。 >> 3D扫描揭开1700年前木乃伊性别之谜 据国外媒体报道，英国专家利用先进的3D扫描技术，揭开了一具拥有1700年历史的埃及木乃伊的性别之谜，发现它其实是一个身穿女装的男孩。 这个男孩生活在大约公元350年，专家希望通过医学扫描确定其性别，揭开它身患致命脑出血的谜团。这具木乃伊如今保存在英国艾塞克斯郡的萨福隆·沃尔登博物馆，自1878年在私人收藏中被发现以来，就披上了神秘面纱。2009年的研究发现，木乃伊被具有女性特征的衣物包裹着，胸前穿着锥形胸衣，还戴着女性手镯。
最新CT扫描是在剑桥市阿登布鲁克医院进行的，最终揭开了这个千古谜团，发现这具木乃伊其实只是一个身穿女装的男孩。这些惊人的照片还显示，男孩死时年龄在4到5岁之间，死前颅骨断裂，大脑出血，锁骨碎裂，至于他为何遭受了如此大的伤害，原因还是一个谜。萨福隆·沃尔登博物馆馆长卡罗琳·维格菲尔德(Carolyn Wingfield)说，男孩要比专家最初认为的小两岁或三岁。 她补充说：“我们通过CT扫描获得了木乃伊内脏、骨骼和包裹材料的清晰照片，这些照片证实此人是男性，根据牙齿和骨骼生长判断，他的年龄在四到五岁之间。他的骨骼很坚实，但脑袋右侧太阳穴上方的裂缝清晰可见，而右臂的锁骨还断裂，这些都发生在他死之前。”
“大约在死前三周，摔倒或其他厄运可能降临到他的头上。我们没有发现他患病的证据。很显然，他来自一个富裕的家庭，尸体用防腐材料保存，同时用亚麻细布包裹，一根木棒放在后背支撑他的身体。至于他为何被用女人的裹尸布包裹着，原因还是一个谜。” >> Drexel 大学研究将3D扫描 / 3D打印技术用以打造机器 光是将3D打印机、3D扫瞄器与自动机器人技术分别应用，就已经可以创造非常多造福人类的用途。不过现在，一群来自 Drexel 大学的科学家正研究将以上三项技术予以融合的全新应用，希望能成功塑造出可供教育与实验用途的小型恐龙骨架模型。
首先，他们透过 3D 扫瞄器将恐龙骨骼标本先数字化之后，再经由 3D 打印机打造出体积缩小些的等比例模型，科学家们更期望能以此为基础制造出能正常运作的机器人模型，来帮助研究这些恐龙与其他生物在史前环境中的运动原理。此计划预计将于今年完成恐龙的肢体部份，之后一两年间则会将研究方向转为制造出完全复制恐龙运动状态的机器龙模型。不知道未来是否有机会能在科学博物馆里亲眼见到这些恐龙机器人的展出，想必应该会更有置身侏罗纪公园的感觉吧。 >> 酷设计：简易3D扫描仪 来自NASA实验室的研究员 Andy Barry 用视像头和镭射设备自制了简易3D扫描仪。
Barry 认为市面上的产品都太贵了，他的目标是让这种产品足够便宜以使每个人都可以拥有一台。在大四的时候，他用了3个星期造出原型机，在借下来的寒假里边他改进了机器。而在实验室的这个夏天里，他已经成功扫描人脸并用塑料制模。另外，这部设备还可以帮助修复受损的塑料物件。
3D扫描仪的设备的工作原理并不复杂，把物件放在摄像头面前然后通过红色镭射光束扫描。当物件靠近摄像头的时候，光束会转移到物件的两侧，再经过电脑计算就可以得出物件的厚度。Barry 希望通过 MakerBot 来销售自己的发明，售价约为200美元。
全文总结：三维扫描系统是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，是对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字。 三维扫描系统可以用于建筑和土木工程、加工工业和数字工厂、检测和逆向工程、历史遗产恢复工程、取证和事故现场应用等场合。与三维打印机技术相结合，可以将数据真实化，为科学研究、数据分析，以及我们的生活带来便利。[返回频道首页] |
正在阅读：可还原亿年前生物 解析3D立体扫描技术可还原亿年前生物 解析3D立体扫描技术
2012-06-18 00:16
出处：PConline原创
责任编辑：liuxiaohui
