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内容概要：
1.使用3D建模软件建模
2.3D扫描原理
3.3D扫描方法概述
4. 基于结构光的3D扫描
5.结构光3D扫描仪的特点
6.结构光3D扫描仪的应用场景
7.主流3D扫描仪的技术参数
1.使用3D建模软件建模
ACG领域（游戏、影视、动画）的常用3D建模软件：3dsmax, Maya, Blender, Cinema4D
建筑和工业设计中的常用建模软件：AutoCAD、Rhino
优点：精度高，流程比较成熟
缺点：耗费大量人力、时间、精力，无法实现自动化，效果取决于建模人员的技能和经验
2.3D扫描原理
3D扫描是提取一个物体的表面和物理测量，并用数字的方式将其表示出来。这些数据被采集为一个由X，Y和Z坐标（表示物体外部表面）组成的点云。对于一个3D扫描的分析可以确定被扫描物体的表面积、体积、表面形状、外形和特征尺寸。
一个3D扫描仪需要一个探针来确定到物体表面上每一个点的距离。理论上，这个探针可以是一个触觉（物理接触）探针。然而，很多应用需要非接触式测量。只使用光照来探测感兴趣物体的光学技术提出了针对这个问题的解决方案。其中一个方法至少采用2个摄像头来提供立体感视觉技术，它对于计算的要求通常比较严格，并且对于环境光照条件很敏感。另外一个方法采用结构照明图形，它只需一个投影仪（用于生成光图形）以及一个单摄像头和计算能力中等的算法。
3.3D扫描方法概述
（1）接触式3D扫描
接触式三维扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度，如座标测量机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对象如古文物、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，而光学技术如激光扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。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信息。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。
（2）时差测距
时差测距，或称'飞时测距'的3D激光扫描仪是一种主动式的扫描仪，其使用激光光探测目标物。图中的光达即是一款以时差测距为主要技术的激光测距仪。此激光测距仪确定仪器到目标物表面距离的方式，是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得。即仪器发射一个激光光脉冲，激光光打到物体表面后反射，再由仪器内的探测器接收信号，并记录时间。由于光速 为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍，故若令 为光信号往返一趟的时间，则光信号行走的距离等于。显而易见的，时差测距式的3D激光扫描仪，其量测精度受到我们能多准确地量测时间 ，因为大约 3.3 皮秒；微微秒）的时间，光信号就走了 1 公厘。
激光测距仪每发一个激光信号只能测量单一点到仪器的距离。因此，扫描仪若要扫描完整的视野(field of view)，就必须使每个激光信号以不同的角度发射。而此款激光测距仪即可通过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜(rotating mirrors)达成此目的。旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描、且精度较高，是较广泛应用的方式。典型时差测距式的激光扫描仪，每秒约可量测10,000到100,000个目标点。
（3）三角测距
三角测距3D激光扫描仪，也是属于以激光光去侦测环境情的主动式扫描仪。相对于飞时测距法，三角测距法3D激光扫描仪发射一道激光到待测物上，并利用摄影机查找待测物上的激光光点。随着待测物（距离三角测距3D激光扫描仪）距离的不同，激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。这项技术之所以被称为三角型测距法，是因为激光光点、摄影机，与激光本身构成一个三角形。在这个三角形中，激光与摄影机的距离、及激光在三角形中的角度，是我们已知的条件。通过摄影机画面中激光光点的位置，我们可以决定出摄影机位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形，并可计算出待测物的距离。在很多案例中，人们以一线形激光条纹取代单一激光光点，将激光条纹对待测物作扫描，大幅加速了整个测量的进程。
手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形：通过手持式设备，对待测物发射出激光光点或线性激光光。 以两个或两个以上的侦测器（电耦组件 或 位置传感组件）测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点－通常是具黏性、可反射的贴片－用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入电脑中，并由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪，通常还会综合被动式扫描（可见光）获得的数据（如待测物的结构、色彩分布），建构出更完整的待测物3D模型。
（4）结构光源
将一维或二维的图像投影至被测物上，根据图像的形变情形，判断被测物的表面形状，可以非常快的速度进行扫描，相对于一次测量一点的探头，此种方法可以一次测量多点或大片区域，故能用于动态测量。
（5）调变光
使用投影机将正弦波调变之光栅投射于书本上。调变光三维扫描仪在时间上连续性的调整光线的强弱，常用的调变方式是周期性的正弦波。借由观察图像每个像素的亮度变化与光的相位差，即可推算距离深度。调变光源可采用激光或投影机，而激光光能达到极高之精确度，然而这种方法对于噪声相当敏感。
（6）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（如激光），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持，这类被动式产品往往相当便宜。
（7）立体视觉法
传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机，平行注视待重建之物体。此方法在概念上，类似人类借由双眼感知的图像相叠推算深度（当然实际上人脑对深度信息的感知历程复杂许多），若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度，而截取的左右两张图片又能成功叠合，则深度信息可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析，一般使用区块比对或对极几何算法达成。使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法，另有三眼视觉与其他使用更多摄影机的延伸方法。
（8）色度成形法
早期由 B.K.P. Horn 等学者提出，使用图像像素的亮度值代入预先设计之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程组中的未知数多过限制条件，因此须借由更多假设条件缩小解集之范围。例如加入表面可微分性质、曲率限制、光滑程度以及更多限制来求得精确的解。此法之后由 Woodham 派生出立体光学法。
（9）立体光学法
为了弥补光度成形法中单张照片提供之信息不足，立体光学法采用一个相机拍摄多张照片，这些照片的拍摄角度是相同的，其中的差别是光线的照明条件。最简单的立体光学法使用三盏光源，从三个不同的方向照射待测物，每次仅打开一盏光源。拍摄完成后，再综合三张照片并使用光学中的完美漫射模型解出物体表面的梯度矢量，经过矢量场的积分后即可得到三维模型。此法并不适用于光滑而不近似于朗伯表面的物体。
（10轮廓法
此类方法是使用一系列物体的轮廓线条构成三维形体。当物体的部分表面无法在轮廓联机展现时，重建后将丢失三维信息。常见的方式是将待测物放置于电动转盘上，每次旋转一小角度后拍摄其图像，再经由图像处理技巧去除背景并取出轮廓线条，搜集各角度之轮廓线后即可“刻划”成三维模型。
（11）用户辅助
另外有些方法在重建过程中需要用户提供信息，借助人类视觉系统之独特性能，辅助完成重建程序。这些方式都是基于照片摄影原理，针对同个物体拍摄图像以推算三维信息。另一种类似的方式是全景重建，乃是在定点上拍摄四周图像使之得以重建场景环境。
4. 基于结构光的3D扫描
结构光3D扫描原理：
结构光是3D扫描的一个光学方法，它投射出一组用数学方法构造的光图形，按照一定顺序照亮被测量的物体。一个到投影仪的距离已知的摄像头同步捕捉一组被照亮物体的图像。相对于用于校准的平面基准表面，摄像头看到的图形被经扫描物体的表面形状所扭曲。几何三角剖分的原理使得计算被扫描物体表面上每个点的XYZ坐标成为可能（如图）。然后，获得的点云数据用于被扫描物体表面详细3D模型的计算构造。
使用DLP技术的结构光
可编程图形结构光
可编程图形扫描仪使用具有数字空间光调制器（SLM）的激光或LED光源将一系列图形投射到物体表面上。通过使用多个图形，一个可编程结构光扫描仪能够获得更高的准确性，并且能够根据环境光照条件、物体表面，以及物体光反射特性来改变图形。
由于可编程图形结构光需要显示多个图形，空间光调制器就成为此类扫描仪的一个关键组件。目前市面上有多项空间光调制技术，其中包括德州仪器（TI）DLP技术，特别是DLP6500和DLP9000芯片组。
不同的结构光扫描算法要求SLM能够产生二级制或灰度图形中的一种，或者能够产生这两种图形。高对比度图形有助于在处理不断变化的物体反射率和环境光条件时尽可能提高准确度和运转可靠耐用性。由于尺寸、冷却和电池要求，系统设计将光通量和能效视为重中之重。
目前有很多对3D结构光图形进行优化的技术。其中一个特别有效的方法就是自适应图形集。算法确定了图形与波长的最佳组合，以提高被扫描物体的分辨率。根据物体的颜色，可以选择多变的颜色（光的波长）。自适应图形提高了对表面质地复杂或者不连续的物体的扫描能力。
设计考虑
在设计可编程结构光解决方案时，有几个重要的设计注意事项。被测量物体的尺寸和距离以及3D测量所要求的空间精度决定了所需的空间光调制器和图形捕捉摄像头的性能特性。SLM分辨率（像素数量）和扫描场尺寸（像素/mm）决定了可实现的精度。摄像头的分辨率必须足够大，根据采样定理，通常情况下，应该至少为SLM像素密度的四倍。
扫描期间，任何的物体运动会使数据模糊不清，从而降低测量精度。为了实现所需的3D精度等级，物体运动的越快，就必须越快速地执行一个完整扫描。越快的扫描需要更快速的空间光调制器和帧捕捉速率更高的摄像头，而亮度更高的图形照明也会对快速扫描有所帮助。在不同的3D测量系统中，也许需要从每秒数次到最高每秒数百次的图形速率。
5.结构光3D扫描仪的特点
拍照式三维扫描仪采用的是白光光栅扫描，以非接触三维扫描方式工作，全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，特别适用于复杂自由曲面逆向建模， 主要应用于产品研发设计（RD，比如快速成型、三维数字化、三维设计、三维立体扫描等）、逆向工程（RE，如逆向扫描、逆向设计）及三维检测CAV），是产品开发、品质检测的必备工具。三维扫描仪在部分地区又称为激光抄数机或者3D抄数机。
拍照式光学三维扫描仪，其结构原理主要由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCD Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。
拍照式三维扫描仪采用非接触白光技术，避免对物体表面的接触，可以测量各种材料的模型，测量过程中被测物体可以任意翻转和移动，对物件进行多个视角的测量，系统进行全自动拼接，轻松实现物体360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时，迅速的获取纹理信息，得到逼真的物体外形,能快速的应用于制造行业的扫描。
结构光便携式照相测量仪的特点：
1）扫描速度极快，数秒内可得到100多万点
2）一次得到一个面，测量点分布非常规则。
3）精度高，可达0.03mm
4）单次测量范围大（激光扫描仪一般只能扫描50mm宽的狭窄范围）
5）便携，可搬到现场进行测量。
6）可对无法放到工作台上的较重、大型工件（如模具、浮雕等）进行测量。
7）大型物体分块测量、自动拼合。
8）大景深（激光扫描仪的扫描深度一般只有100多毫米，而结构光扫描仪的扫描深度可达300~500mm
6.结构光3D扫描仪的应用场景
逆向教学
1）逆向工程培训
2）逆向工程实训室
逆向实训室
逆向工程(RE)/快速成型(RP)
1）扫描实物，建立CAD数据；或是扫描模型，建立用于检测部件表面的三维数据。
2）模具设计、精度要求低于0.05mm
3）对于不能使用三维CAD数据的部件，建立数据。
4）个性化设计，如服装CAD。
5）使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计。
6）有限元分析的数据捕捉。
检测(CAT)/CAE
1）生产线质量控制和曲面零件的形状检测 ,(精度需求低于0.05mm)
例如：金属铸件锻造、加工冲模和浇铸、塑料部件(压塑模、滚塑模、注塑模）、钢板冲压、木制品、复合及泡沫产品。
科学研究
1）计算机视觉
2）计算几何
3）考古研究
其他应用
1）文物、艺术品的录入和电子展示
2）动画造型
3）牙齿及畸齿矫正
4）整容及上颌面手术等等
7.主流3D扫描仪的技术参数
2014 BEST 3D Scanners
(1)CREAFORM
技术原理：激光扫描仪
用途：工业逆向工程
技术规格：
计量级测量：高达 0.030 毫米的精度，高达 0.050 毫米的分辨率，具有极高的可重复性和可追踪的证明。
实际操作条件下的高精确性：无论环境条件、部件设置和用户情况如何，都能实现高精确性。
无需固定安装：使用光学反射靶来形成锁定至部件自身的参考系统，使用户可以在扫描期间按自己需要的方式移动物体（动态参考）。 而且周围环境的变化丝毫不会影响数据采集质量和精度。
自定位：HandySCAN 3D 扫描仪是一个数据采集系统，也是其自身的定位系统。 这意味着无需配备外部跟踪或定位设备。 它使用三角测量法来实时确定自身与被扫描部件的相对位置。
可靠：所有工作条件或环境下持续稳定且可重复的结果。
按需用户校准：用户可以按照所需的频率对扫描仪进行校准（每天或者在每个新的扫描开始之前）。 校准只需花费 2 分钟左右的时间，而且它可以确保最佳工作状态。
独立设备：无需外部定位系统，也无需使用测量臂、三角架或夹具。
便携式扫描：可以带到各个地点，并且可以在内部或现场使用。
轻巧：重量不到 1 千克。
便携：可装入随身携带的手提箱。
可在狭小空间内轻松使用：这一点得益于其小巧的尺寸和灵活的基准距离。
所有激光扫描仪中最高的测量速率：480,000 次测量/秒。
自动网格输出：完成采集之后，即可获得随时可用的文件。
快速工作流整合：能够将可用扫描文件导入至 RE/CAD 软件，无需进行后期处理。
快速安装：能在 2 分钟内启动并运行。
直接网格输出：无需执行复杂的对齐或点云处理。
实时可视化：可以在计算机屏幕上看到自己正在执行的操作，以及还需要执行哪些操作。
多功能：几乎无限制的 3D 扫描 – 不受部件尺寸大小、复杂程度、原料材质或颜色的影响。
兼容软件
3D Systems (Geomagic® Solutions)
InnovMetric 软件 (PolyWorks)
Dassault Systèmes（CATIA V5 和 SolidWorks）
PTC (Pro/ENGINEER)
Siemens（NX 和 Solid Edge）
Autodesk（Inventor、Alias、3ds Max、Maya、Softimage）
售价：$50,000-100,000
其它：
（2） GOSCAN
（3） visbody
（4）3D SYSTEMS
（5）xyzPrinting da Vinci
（7）ZEISS
（8）FUEL3D
（9）HPDavid
（11） STRUCTURE
（12） matterandform
参考链接：
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