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什么是3D扫描技术？浅谈 3D 扫描技术及其分类

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3D扫描，这是我们目前经常听到的一些内容，大家对于这项技术的认知，是碎片化的，多少知道一点，一个热心且在这个行业内精耕多年的成熟人员，我想给大家普及一下这方面的知识，大家可以喊我老临。首先，我们来讲讲什么是3D扫描技术。

3D 扫描是一种能够以多种方式扫描物件后，将其实物三维信息转换为3D数字化模型的一种技术，其主要分为两大类型："接触式 "和 "非接触式"3D扫描。这两大类型的区别，顾名思义即有无碰触到物件，碰到的为接触式，没碰到为非接触式。

一、接触式3D扫描技术

接触式3D扫描技术使用感测探针接触物体表面进而获得触碰到的该点位置座标。因为需要一点一点按顺序接触物件表面，扫描整个物体相对非接触式来说需要花更多时间，但也因它与物体接触，所以精度较高（有些设备高达 0.1um），普遍用于精密量测和品质检查。

总体而言，与非接触式相比较，接触式扫描精度更高，但是，由于需要接触物件表面，柔软的物件或者是探针伸不进去的沟槽等无法进行扫描。

二、非接触式3D扫描技术

相较于接触式，目前市面上常看到的是非接触式 3D 扫描设备。非接触式大致分类为"主动式"与"被动式"两种，差异在于有无主动投出光源。

1、主动式，主动式又可以分为两类：

1）飞行时间法（Time of Flight，也称为深度感测技术，以下简称 TOF）

TOF 技术的基本原理，与蝙蝠与海豚相似，向被测物体发出“波”，然后接收从被测物体反弹回来的“波”，通过“波”的往返时间计算被测物体的距离。目前，市面上大部分TOF技术的设备使用不可见光（包括红外光、雷射光等）。TOF 技术也主要用于大范围的场景扫描，包括测距、建筑物扫描、地形地景勘测等。

另外，TOF 技术目前已经实现小型模组化，例如 iPhone 12 Pro、微软的 Kinect、Google Project Tango，无人车的研究也都使用了TOF深度感测技术。其极高的便利性，让许多厂商看好也积极投入研究。不过因其对时间测量的要求高，即使使用高规格的感测器也很难保证其精度。因此在近距离测量领域，TOF深度感测与其他主动式扫描技术的精度目前尚有不小的差距，这也限制它在近距离高精度领域的应用。

2）结构光法（Structure Light）

结构光法是工业、制造业领域主流的3D扫描技术应用方式。结构光3D扫描技术是基于光学三角测量原理，由光学投影机、相机、电脑计算系统所组成，其原理为：光源向被测物体投影按一定规则和模式编码的图像，编码图案受到物体表面形状的调制而产生形变。带有形变的结构光被另外位置的相机拍摄到，通过相机与投影光源之间的位置关系和结构光形变的程度可以确定出物体的三维形貌。根据投影机投出的光束不同分为点、线、光栅、面结构光等。

结构光法最大的优点是精度高、速度快，较适合短距离高精度的测量，也因其精度高、解析度高的特性，目前结构光为工业、制造业方面应用的主流技术，依投出的光源、图样种类、计算方式不同衍生出固定及手持等3D 扫描设备。

与 TOF 技术相比，结构光法的缺点则不适合大范围的扫描，同时也容易受环境及物件表面材质颜色影响扫描结果。

2、被动式

被动式 3D 扫描具代表性技术是摄影测量法（Photogrammetry）。摄影测量是一项由来已久的技术，被用于地形测量、勘测和历史遗址保护等领域，但近年来也被用来制作电脑游戏、动画的背景使用。它跟主动投光式不同，是透过2D数位影像从不同角度拍摄同一物件后由专业软体计算分析模拟还原3D立体模型的方法。摄影测量法的特点是它不需要3D扫描器等设备，只需使用普通的照片就可以进行制作。

近年来因为电脑规格进步使摄影测量法越来越平易近人。摄影测量需要 100 张以上的照片让软体运算，照片越多模型的细节越丰富。因为是将相片进行计算，只要搭配无人机即使是城市和建筑等大型物体也可以计算得到3D模型。同时因为是由相片合成，其颜色贴图表现相当出色，不过模型立体表现相较主动式扫描技术来说较差，并且由于是2D照片计算成3D，其精度跟主动式的3D扫描设备相比也是比较差的。

此外，摄影测量法也被拿来创建人体或宠物等会动的物件的3D模型。由于3D扫描需要被扫描物件是静止不动的状态，否则无法成像，因此人及动物一直以来都属于相当难处理的3D扫描的应用（当然，现在随着主动式3D扫描设备的非刚性算法的完善，微小的动作幅度将不会给扫描带来太大影响）。透过摄影测量法，在人的360°范围内，均匀架上100台以上的相机，同一时间按下快门，拍下大量的照片，进行合成即可得到人体立体3D模型。

随着科技的发展，3D扫描技术逐渐普及，并且随着各种扫描技术的持续开发，扫描速度、精度的不断增加，在我们的日常生产生活中将发挥更加重要的作用。