概要

為真正了解世上優秀的三維掃描儀如何采集各種尺寸和難度的物體，我們必須先深入了解結構光工作原理。本文旨在深入淺出地向您闡釋結構光相較于其他技術的優勢，包括三坐標測量機、CGI攝影測量法。隨后，我們將介紹對于結構光三維掃描儀而言，難度較大的表面可能有哪些特征。

掃描儀類型

桌面式、手持式、手持無線式

目標應用場景

逆向工程、醫療衛生、質檢、考古、法醫鑒定、CGI

物體尺寸分類

XS (<90x60x60 mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)

簡介

在探究結構光三維掃描儀如何以難以置信的速度和精度捕獲物體前，我們首先需要了解結構光是什么。

從實踐角度來說，結構光是一種精確標定后的藍光或白光信息，三維掃描儀將光束投射到掃描物體的表面。通常，這種光信息為一組平行線、條紋或網格。

結構光接觸到物體表面后，由于表面的曲線、凹陷或突起，光線會被扭曲。

掃描儀投影儀（左）發射白光，通過中間的網格后，呈現為結構化的線條或條紋。網格條紋越粗，線條間的空隙就越小，“出口“處的線條就越窄。原本筆直的線條在遇到花瓶弧形表面后，隨即發生變形。

與此同時，掃描儀的攝像頭會一幀一幀地采集被反射回來的光束信息，記錄光束的扭曲程度。同時，掃描軟件會分析這些光信息，并據此準確復制出掃描物體全部表面的3D形象。

取決于掃描物體的大小和單次掃描的時間，三維掃描儀捕獲的幀數可以是幾十、幾百、甚至幾千。

反射光變成高清3D模型

掃描軟件的模式識別和重建算法能夠理解，一條光束若在某處變粗或變細時，意味著掃描物體的表面距離攝像頭更近或是更遠，同時，其他形狀和結構也是由變形方式不同的結構光束決定的。

一些三維掃描儀還包括一個額外的攝像頭，來捕獲物體紋理。在三維掃描和三維建模的世界里，紋理是指物體色彩和其他可見的表面特征。

采集到的幀會被轉換為3D模型。若掃描時也采集了紋理幀，那它們也會被“投射”到3D模型上，讓模型既反映真實物體的尺寸，也從視覺上更逼真。

就手持式三維掃描儀而言，為采集物體每一面，掃描儀必須被拿起并在物體周圍移動，而掃描儀的結構光束會從不同角度和位置，投射到物體表面，采集大量關于物體表面的精準細節（一些掃描儀每秒可捕獲數百萬點的表面數據?。┠€可以為小型物體使用旋轉臺，這樣一來，就能保持手持掃描儀位置不變，從各角度完成掃描。

若是一臺固定式結構光掃描儀，比如Artec Micro，您只需將待掃描物體放在小型掃描平臺上，掃描儀就能自動完成剩余工作。唯一需要人工干預的一步，就是要翻動一次物體，采集之前未暴露的部分。

物體尺寸——從發絲到鯨魚顎骨

結構光三維掃描儀一個無可爭議的優勢就是可以無損地采集微型到巨型的物體，部分解決方案的準確度可達10微米，也就是說，不到一個白細胞的一半！

要點

如果您的工作往往圍繞一種特定類型或尺寸的物體，那么一定要選擇一臺適合您工作任務的掃描儀！

盡管有些掃描儀能為一系列物體完成超精確的數字副本，但如果您平時通常處理一類尺寸固定的物體，那還是建議您考慮選擇一臺適合任務需求的掃描儀。

例如，您經常掃描彈簧、齒輪、珠寶等微型手表部件。您或許需要考慮使用一臺桌面式結構光掃描儀，如Artec Micro，即可一個接一個地輕松掃描零件。對于很小的航空航天部件而言，也是如此，例如傳統的數控銑削閥門、螺紋螺栓、開關等。但如果您掃描的物體非常之大，例如人體，那很可能不需要1/7人類發絲的精度水平。而對于房間之類更大的物體，高品質手持式結構光掃描儀可以讓您不費吹灰之力，輕松搞定。

速度與便攜

如果工作流程包括數字捕獲人體或任何動物，那您可能需要一臺速度快的掃描儀，否則，若遇到掃描對象移動，就會輕易導致掃描對齊失敗，從而為后期掃描處理帶來巨大的工作量。在這種情況下，請務必查看掃描儀的捕獲率FPS（每秒幀數）。該數值越高越好，除非您確定掃描對象絕對靜止不會移動。

手持無線式 Artec Leo就是一款速度快、便攜又不犧牲精度的三維掃描儀，其幀率高達80 FPS，數據捕獲速度高達3500萬點/秒。

若想評估多款結構光三維掃描解決方案，明智的做法就是通過現場演示，親眼見證掃描儀如何采集您所感興趣的物體，甚至還可以親自試用！近距離觀察設備設置、掃描過程、掃描處理的難易程度。

結構光技術的獨特優勢

結構光三維掃描儀多年來作為全球上千萬用戶的選用技術，并非沒有原因。事實上，原因還不少。接下來，我們將列舉重要的幾點優勢，并介紹適用的一些領域。

無接觸工作 對很多物體而言，用標記進行接觸測量（三坐標測量機）或攝影測量完全不應予以考慮，例如掃描對象為獨一無二的考古標本或博物館展品，亦或是私人收藏的珍貴物品。

而結構光技術可以完整采集這類物體，且精度高達亞毫米級，全程幾乎無需物理接觸。想想法醫和考古領域，大部分物體都要在現場掃描，精準記錄被發現時的狀態，不僅保留完整的物體，也要精確記錄物體的周圍環境。因此，由接觸造成的損害，哪怕風險微小，也應當被降低到低水平。

高速處理 如果手頭項目的交付時間非常緊迫，想必您一定希望用到流暢的工具，且不出狀況。傳統攝影測量法、三坐標測量機，或手動測量工具往往需要耗上一天才能完成的工作，現在結構光三維掃描儀只需一兩個小時即可完成。

如上所述，另一個高速帶來的優勢，就是有些掃描對象，例如人體，無法長時間保持靜止。除了之前提到的對齊失敗，還有可能導致掃描外形改變，導致結果差別很大。

精度優異 和卡尺、標尺、甚至三坐標測量機等歷史悠久的傳統測量方式不同，結構光能為三維掃描工作流程帶來質的提升。您可以采集整個物體或場景，而不再是表面的離散點或線條。

在真實世界中，我們所處理的產品、零件和其他類型的物體，往往是由多個表面和數百萬數據點構成的，并非我們用于測量時所選取的幾個點而已。對于結構光三維掃描技術而言，也就意味著能以亞毫米級精度捕獲一切，從而為物體或場景完成全方位、高精度的數字記錄。

對人體百分百無害 多年來，結構光在醫療行業多個領域得到了廣泛應用。從 年幼兒童 到耄耋老人，無論是在醫院、學校、企業還是其他地方，都已經過反復驗證，得到了醫學界的認可。

CT掃描儀采用輻射來捕捉物體表面和內部的幾何，而結構光確實是經驗證的無害高效掃描技術。

結構光三維掃描技術與兩類攝影測量技術

雖然CGI和藝術工作中的攝影測量不需要專門的三維掃描儀，而且攝影測量也能用來創建高品質紋理3D模型，但這其中不無缺陷，其中大的問題就是精度。

我們將在下節探討另一種攝影測量法，它們適合有計量級精度要求的項目。但在本節，我們僅探討傳統攝影測量技術，也就是上文我們所說的CGI團隊與3D建模人員常用的技術。

由于CGI攝影測量采集數據的速度慢，戰線長，所以幾乎不可能用于人體掃描。正如上文所說，掃描期間任何移動都會對模型的精準度和對齊效果產生嚴重影響。

對時間要求較高的項目也不能采用攝影測量技術。例如制造業中的各類檢驗，需要在幾分鐘內生成精準可靠的結果，這是避免出現供應鏈瓶頸的關鍵因素。

此外，這類攝影測量技術還依賴強大的計算機來處理所有圖片。有時，這些圖片數量將達到成百上千張。

藝術領域采用攝影測量還有一大問題，就是延遲反饋。簡單來說，您只有在處理完所有圖片，才能知道是否完整采集了物體表面。而這時，一切為時已晚。

考古學就是一個典型案例，考察期間或在偏遠地區考古時發現的文物和化石不能帶離現場。

與計量技術協作：三維掃描 + 計量攝影測量

有一種數字采集解決方案在整個計量市場和其他領域掀起了波瀾，這就是可用于三維掃描工作流程中的攝影測量套件—— DPA攝影測量。和CGI攝影測量技術不同，該技術不僅高度精準，而且整合相片的過程也無需花上幾個小時。

若與三維掃描技術協同使用，DPA攝影測量法只需用于開始精準采集物體或場景的物理尺寸，隨后，以高度精準（高達10微米）的點云形式傳輸給三維掃描軟件。

之后，您僅需對相片中采集的物體進行三維掃描即可，通過合并掃描儀的3D多邊形網格和攝影測量的點云數據，之后的3D模型就會呈現出超高水準的精度與分辨率，廣泛適用于各類計量級項目。

結構光三維掃描技術常見應用場景

逆向制造老舊部件與裝配線

如今，許多公司都遇到過需要維修甚至替換舊設備的情況，但是，他們往往發現原始制造商不再供應這些產品，或已完全倒閉，不再生產。這種情況下，通過結構光三維掃描解決方案自力更生，復制這些部件，不僅可以省下大筆資金，還能省下難以估量的勞動時間。手動測量和CAD繪制部件需要耗費大量時間，還要一定專業知識，相比而言，手持式三維掃描儀就顯得格外香。

精準記錄考古、文化、歷史文物

對于世界各地的博物館和研究人員而言，結構光三維掃描儀讓他們能夠為珍貴的物品采集表面細節，無需擔心破壞文物或化石?；蛟S您需要為史前石器、中世紀古堡墻壁、人類祖先頭骨制作精. 準無誤的數字副本，以便存檔。但無論如何，我們都要盡量避免對這些物體造成傷害，盡可能減少對它們進行物理操作。

制作超逼真全彩CGI和特效

采用結構光三維掃描技術為電影、電視、游戲制作栩栩如生的計算機圖形，已經逐漸成為一種行業標準。用上像Artec Leo這樣的便攜式手持三維掃描儀，就能直接前往工作場地或工作室，隨即開始掃描、處理，掃描幾分鐘后即可安排演員、道具甚至是整個場景的數字替身。

測量身材，讓服裝貼身

如果你需要精確測量身材，那卷尺的能耐十分有限。而這正是結構光三維掃描儀所向披靡之處。特別是如果擁有一臺沒有線纜束縛、操作速度飛快的手持式三維掃描儀，那就可以在幾分鐘內為人體完成全方位的數字采集。就連細心的裁縫都會羨慕您獲得的身材數據。

為生產線進行光學測量與檢驗

許多制造商在檢驗產品時，關心的問題之一就是如何準確地檢測并量化物理結構中的差異，同時在檢驗時不對任何產品造成損壞?？ǔ?、千分尺、三坐標測量儀均為物理測量手段，而三維掃描儀不同，使用過程中，沒有機會以任何方式劃傷、刮傷表面，也不會出現表面變形。在三維掃描軟件中，您還可以直觀地看到制造上的差異，精度達到亞毫米級。

結構光掃描儀的潛在問題

在評估一項新技術時，我們不僅要了解它的相對優勢，還要了解它是否存在任何缺點，這點非常重要。就結構光而言，這項技術利大于弊。當然，結構光三維掃描儀在某些條件下，也不是無所不能。

掃描對象無法保持靜止

當手持式結構光三維掃描儀采集物體時，我們通常默認掃描物體是靜止的，或至少其運動狀態是受控的，例如放在旋轉臺上旋轉。

雖然所有三維掃描儀或多或少都有這樣的弊端，但掃描效果很大程度上取決于掃描儀的捕獲幀率FPS。例如，如果掃描物體或掃描儀移動過多，掃描儀追蹤可能丟失。但對于FPS很高的結構光掃描儀而言，這幾乎不成問題。

三維掃描儀和攝影測量挑戰高難度表面

對三維掃描和CGI攝影測量技術而言，總有幾類表面很難采集。但現在，這些也不再造成任何挑戰。做好前期準備，在高品質三維掃描儀的協助下，您就可以大幅提升數字采集的成功概率。

超深色表面： 雖然這些表面不太常見，但也確實存在。它們能輕松吸收結構光，所以無法正常反射到掃描儀的攝像頭上。如果軟件可以調節靈敏度，在掃描預覽時，可以嘗試調高掃描儀靈敏度，直到掃描儀能清晰呈現物體表面。

高反射率表面（如鉻或其他反光金屬）： 結構光射到表面后，又會朝不可預測的方向反射回去，因此，從技術角度而言，掃描儀攝像頭無法充分捕獲扭曲的光信息，無法生成準確的圖像。您可嘗試在物體不同角度、不同距離進行掃描。有時，只要調整掃描儀的位置和角度，就能避免垂直掃描。這樣一來，結構光就不會直接反射到攝像頭，而是漸漸散開。

玻璃、透明或半透明表面：掃描儀結構光穿過這些材料，或穿過材料時被擴散，就不能反射至攝像頭，形成逼真的表面幾何。但有不少方式，可以讓這些表面正常反射結構光，不再吸收或擴散光線。一種DIY的方法就是將玉米淀粉或嬰兒爽身粉灑在掃描物體的表面。此外，還有一些高品質啞光噴霧，會在幾分鐘到幾小時后自行發揮。

毛發表面： 結構光射到這類表面后，會朝著多個方向反射，掃描儀攝像頭通常無法采集到足夠的光信息，來區分物體表面的幾何。和深色表面相同，如果軟件可以調節靈敏度，那把它調高后就能識別出毛發上的微小幾何。如果您掃描的是頭部，那一定要從一側耳朵移動到另一側耳朵，并將掃描儀向上移動到頭頂，再越過頭頂掃描另一側。此外，如果可以讓脖子和肩膀也盡可能出現在掃描范圍內，就能輔助掃描儀以這些特征為基準進行追蹤。

纖薄物體（或物體截面）: 這背后的根本難點在于，沒有足夠的表面區域可以接受結構光，也無法將足夠的光反射至掃描儀攝像頭。例如，掃描儀在掃描物體薄邊時，其呈現的寬度可能只有幾毫米（甚至更短）。多數時候，該問題可以通過在掃描儀的掃描范圍內放置一個彩色或有圖案的背景板來解決。這很簡單，只要在掃描的物體或表面背后，放一張帶文字或幾何圖形的紙即可。

凹面與凹槽： 無論掃描儀多厲害，即便手持式掃描儀可以輕松達到掃描區域，也會有結構光無法抵達的截面，或是部分掃描場景和物體，從而導致結構光無法反射回掃描儀的攝像頭。簡單來說，掃描儀無法“看見”這些區域，采集也就無從談起。部分掃描儀或許在這方面表現良好。此外，對付這類難以達到的表面，有效的解決方案就是通過AI驅動的掃描軟件，直觀地識別掃描中大量局部特征，并以高分辨率彩色3D形式重建這些表面。

結論

不難看出，如今的結構光三維掃描技術達到了新的高度，快速高效，操作簡單，效果精準，能應對各類規模和復雜程度的物體和場景。目前，世界各地越來越多的中小學和大學開始采用三維掃描解決方案，技術發展前景一片光明，不僅在教育行業，包括制造、法醫鑒定、醫療衛生、科研等諸多行業領域，都有大的發展空間。