全面、系统解析3D扫描仪技术

3D技术早已有之，已经成为市场趋势，工业界寻找技术发力点，3D打印恰好符合条件，桌面式个人3D打印前景广阔，开源技术基础又让准入门槛大为降低。可是相对3D扫描对大部分人来说是一个陌生的词语。3D扫描产品是3D打印技术的一个衍生设备。作为3D打印机的眼神，3D扫描有望获得人们的青睐。那么什么是3D扫描技术呢？本文将全面系统的介绍，让您更加了解3D扫描技术。

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。

三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都体现圆锥状，信息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信息，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息，因此常称之。

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。

三维扫描仪价格不菲，通常用于工业设计模型的三维扫描仪售价在数千美元。目前，设计师最新开发一个手机应用软件，能够让手机成为3D扫描仪，该软件仅售价300美元。

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。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。

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。