三维立体扫描技术综述.docx

三维立体扫描技术曾经看过一部好莱坞科幻大片《异形》中，有这样的场景：在外星球上，勘探人员在 进入未知洞穴之前，先释放一个可控制飞行状态的球状飞行器，飞入洞穴中，球状飞行 器机体上有一圈的激光发射器，发射激光照射到洞穴内壁上，然后计算得知洞穴内壁的 轮廓数据，无线传送至终端形成全息影像，供勘探队员了解分析其中的轮廓，用来避免 其中的未知的危险这其中就运用到了三维立体扫描技术三维立体扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面 点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型， 又称为“实景复制技术"该项技术是集光，机，电和计算机于一体的一项高新技术此 技术作为获取空间数据的有效手段能够快速的获取反映客观事物实时动态变化，真实形 态特性的信息三维立体扫描仪就是针对三维信息领域的发展而研制开发的计算机输入 信息的前端设备，只需对任意实际物体进行扫描就能在电脑上得到实物的三维图像和物 体的真实色彩三维扫描仪分为两大类：接触式与非接触式接触式有三坐标测量机， 铳削测量机；非接触式有激光扫描仪，照相式扫描仪，CT断层扫描仪三维立体扫描技术的发展历程：第一代：接触式测量又成为机械测量，这是目前应用为广泛的自由曲面三维模型数字化的方法 之一。

三坐标测量机是接触式测量仪中的典型代表，它是以精密机械为基础，综合运用 了电子技术，计算机技术，光学技术和数控技术等先进技术根据测量传感器的运动方 式和触发信号的产生方式不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两 种三坐标测量机的测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针，当探针沿着 被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使得探针发生形变，这种形变触发测量传感 器将测出的信号反馈给测量控制系统，经过计算机进行相关的处理得到所测量点的三维 坐标其特点是：适用性强，精度高，不受物体光照和颜色的限制;适用于没有复杂型腔, 外形尺寸较为简单的实体测量；由于采用接触式测量，可能会损伤探头和被测物表面， 也不能对软质物体进行测量，应用范围受限制，切测量前需要规划测量路径，测量速度 慢，效率低；目前还需要人工干预，不可实现全自动测量；接触式测量的扫描路径不可 能遍及被测曲面的所有点，获取的只是关键特征点，因而测量结果往往不能反映整个零 件的形状三坐标测量机就是第一代三维立体扫描技术的典型代表，特点是逐点扫描， 速度慢第二代：第二代三维立体扫描技术的代表是三维激光扫描仪二代技术的普遍特点逐线扫描, 速度仍然比较慢。

三维激光扫描仪是现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原 理，以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速的发展, 各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触，无损伤，高精度，高速度以及易 于在计算机控制下实现自动化测量等一系列的特点，已经成为现代三维面形测量的重要 途径和发展方向，而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据着非常重要的角色三维激 光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为单点扫描仪，线列扫描仪和三维 扫描仪而按照工作不同原理来分类，可分为脉冲测距法和三角测量法脉冲测距法： 激光扫描仪是由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光, 所以扫描仪的接收器在时间t2接收到反射激光，有光速C，时间tl,t2计算出扫描仪与物 体之间的距离d=(t1-⑵c/2用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大的误差，所 以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合近景扫描三角测量法： 三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对 物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或 者反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线 的角度。

然后结合已知激光光源与CCD之间的基线长度d,经过三角形几何关系推求出 扫描仪与物体之间的距离L三角测量法的特点：结构简单，测量距离大，抗干扰，测 量点小，测量准确度高但是会受到光学元件本身的精度，环境温度，激光束的光强和 直径大小以及被测物体的表面的特征因素的影响三维激光扫描仪的特点：1，非接触式测量即对扫描目标物体无需进行任何的表面处理，直接采集物体表面的三维数据，可以用 于解决危险目标，环境及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势2,数据采样率高目前，采用脉冲激光或者时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数千点每 秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点每秒3，主动发射扫描光源即激光，通过探测本身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描 过程中不受扫描环境的时空约束进行测量4, 高分辨率，高精度三维激光扫描技术可以快速，高精度的获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密 度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的5, 数字化采集，兼容性好三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期 处理和输出能够与其它常用软件进行数据交换及共享。

6, 可以与外置数码相机，GPS系统配合使用这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信息的获取更加全面，准确 外置数码相机，可增强彩色信息的采集；结合GPS定位系统，可进一步提高测量数据的 准确性第三代：第三代扫描技术的典型代表是三维照相式扫描仪，具有面扫描和速度快的特点三维 光学扫描仪按照其原理分为两类，一种是“照相式”，一种是“激光式”，两者都是非接触 式，也就是说，在扫描的时候，这两种设备均不需要与被测物体接触激光式”扫描仪 属于较早的产品，由扫描仪发出一束激光光带，光带照射到被测物体上并在被测物体上 移动时，就可以采集出物体的实际形状激光式”扫描仪一般要配备关节臂.“照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三 座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍由于有效的控制了整合误差，整体测量 精度也大大提高其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分 辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理， 可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云其独特的流动式设计和不同视角点云的 自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12M,而扫描大型工件则 变得高效、轻松和容易。

其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆 向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工三维照相式扫描仪的工作原理： 采用结构光技术，相位测量技术，计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光 栅装置投射数幅特定编码的结构光线到待测物体上，成一定夹角的两个或者多个摄像头 同步采得相应图像，然后对图像进行相位和解码计算，并利用匹配技术，三角形测量原 理，解算出两个或者多个工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标其特点是一 次测量一个面，扫描速度极快，数秒内可得到100多万点便携，可搬到现场进行测量， 工件或测量头可随意调节成便于测量的姿势，大景深（可达300〜500mm），测量范围大, 精度高，测量点分布非常规则，大型物体分块测量、自动拼合三维扫描技术国内外发展现状:国外发展现状：三维扫描技术国外起步较早，技术已经比较成熟1. 1994 年, M.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的色彩图像获取 并重建了 Michelangelo的主要雕塑作品，并提出了一系列的相关技术2. 1997 年，加拿大NRC (National Research Council)的 El-Hakim 构建了 自己的硬件平 台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系 统DCR，并与1998年在原有系统的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统；3. 2001年，Y.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提取出来，并对物 体的三维模型提供了编辑和一定功能；4. 2002年，I.Stamos和P.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型 建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型；5. 除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激 光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模 型。

国内发展现状：国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也在部分领域取得一定的 成果自2000年起至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的 激光扫描仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何与纹理的采集并通 过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立；2005年，首都师范大学三维 空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表 面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建目前国内外对于三维激光扫描技 术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂 的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物 体仍是研究该技术的关键三维激光扫描技术的应用：三维激光扫描技术的应用面非常宽广在诸多领域如：逆向工程、数据可视化、计算 机辅助设计、虚拟现实环境、数字文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场 检测、数字城市、城市规划、数字娱乐（游戏、动画、电影）等，均有广泛的应用一）逆向工程一、 产生的背景逆向工程思想是二战之后提出来的，进入九十年代，该技术引起了各国工业界的高 度重视。

作为一门比较新的技术，凭借其有效的缩短产品开发周期的特性和强大的成本 优势，已逐渐被个领域所接受和推广由于它和传统设计方式相比所具有的多方面优势, 在汽车、冲压模具、注塑模具、航空等领域逐渐成为了产品开发的主流方法二、 逆向工程的定义逆向工程（Reverse Engineering，简称RE）,也称反求工程，反向工程起源于精密测 量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路在一般工程技术人员的概念 中，产品设计过程是一个“从无到有”的过程，即设计人员首先根据用户给定的性能要求 确定方案，构思产品的整体外形和结构，然后确定大致的技术参数，再通过各种软件绘 制产品的二维或三维CAD模型，最终将这个模型转入到制造流程中，从而完成整个产品 的设计制造周期我们称这样的产品设计过程为“正向设计”过程，它是由未知到已知， 由想象到现实的过程逆向工程的产品设计过程刚好与此相反，是一个“从有到无”的过程首先从己有的 实物或产品样件出发，通过先进的数字测量手段反向获取产品的外形数据，然后利用各 种造型软件由点云数据重构出该产品的CAD模型，经过不断的修改后，形成图纸或可快 速成形制造的CAD模型，最后转入加工制造或快速成形过程。

逆向工程是对己有产品进 行分析、改进和再创造的过程，是对已有设计的再设计逆向工程的实施过程是多领域、 多学科的协同过程，是从数据采集、数据处理到常规CAD/CAM系统应用的多系统的融 合过程三、逆向工程的应用① 飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发，在产品的空气动力学性能和美学 设计显得特别重要的领域② 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改的 领域③ 在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表 达的产品数字化模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)等先进技术，进行产品创新设计④ 某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致 整机停。