从模型到3D扫描到3D打印

  文章来自 迈济智能科技接触式与非接触式3D扫描
    随着3D打印机越来越便宜，3D打印离我们的生活也越来越近。桌面产品不到万元，价格不再变得难以承受。但是说起3D打印，很多人会有疑问，我打印什么东西？传统打印机我可以打印文档、照片、图片，用3D打印机能打印什么？这就涉及到3D数字模型了。像AutoCAD、Maya之类的3D建模软件不是一天两天能熟练掌握的，3D打印的数据源从何而来呢？这就是3D扫描仪的作用，它把物体转化成3D数字模型，剩下的活交给3D打印机来完成。我们先了解一些3D扫描的原理。



       3D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。
     接触式3D扫描

从模型到3D扫描到3D打印

       接触式3D扫描让笔者想起盲人摸象的故事。接触式3D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（CMM,Coordinate Measuring Machine）即典型的接触式3D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3D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。
     时差测距（Time-of-Flight）
     时差测距（time-of-flight，又称“飞时测距”）的3D激光扫描仪是一种主动式(active)的扫描仪，其使用激光光探测目标物。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。由光速和时间，算出被测体的一点到仪器的距离。

     三角测距（Triangulation）

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        三角测距3D激光扫描仪，也是属于以激光去侦测环境的主动式扫描仪。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，与光源本身构成一个三角形。在这个三角形中，光源与摄影机的距离、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，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（Handhold Laser）
     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。以两个或两个以上的探测器（通常是摄像头）测量待测物的表面到手持激光产品的距离。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。
     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。
     PrimeSense技术
　  PrimeSense技术用光源照明给需要测量的空间编码。光照在空间物体上形成光斑，这些光斑具有高度的随机性，而且会随着距离的不同变换图案。也就是说空间中任意两处的光斑图案都是不同的。只要在空间中打上这样的结构光，整个空间就都被做了标记，把一个物体放进这个空间，只要看看物体上面的光斑图案，就可以知道这个物体在什么位置了。由于PrimeSense技术使用的是连续的照明，不需要特制的感光芯片，而只需要普通的CMOS感光芯片，这让3D扫描仪的成本大大降低。
     手持式3D扫描仪如何得到数字模型
     3D扫描仪如何得到物体的数字模型
　  很多手持式3D扫描仪、桌面3D扫描仪、3D扫描镜头采用的是PrimeSense技术，例如微软第一代Kinect体感设备、Artec公司的手持式扫描仪、Matterport的桌面3D扫描仪、Occipital的3D扫描镜头。应该说PrimeSense的解决方案成为3D扫描大众化的福音。3D扫描仪如何生成物体的数字模型呢？拿手持式3D扫描仪来举个例子。
　  手持3D扫描仪绕物体一周。此时扫描仪获得物体的空间信息，包括深度（depth）和颜色（color）。深度信息用来确定物体表面每一个点在空间中的位置，颜色信息用来记录每一个点的色彩。
     3D扫描仪在不同角度，会记录物体的若干幅位置信息。软件将这些位置信息比对（align），来获得整体的位置信息。

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     软件融合（fuse）所有的位置信息组合成一个完整的物体，这时建模才算完整。

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      完整的3D数字模型是由许多的小三角形拼合成物体的表面，因此3D扫描仪能够获取和生成的小三角形数量与扫描精度有直接关系。三角形数量越多，扫描精度越高。

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     位置信息处理完毕，还有表层颜色。这一步软件将颜色信息附加到数字模型上，叫做蒙皮（texturize）。

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     最后，把结果导出成为3D文件格式，例如STL、OBJ等，可以在Maya、AutoCAD、3DMax等三维建模软件中编辑，也可以直接用3D打印机打印出来。包括手持式3D扫描仪在内，当前大多数的消费级3D扫描仪都是实用的PrimeSense技术， 数据采集原理大同小异。
     总结：2013年是3D打印盛放的一年，从消费者到媒体、厂商、服务商都投入了空前的关注，而且越来越多的传统打印厂商也加入到3D打印的行列。2014年，厂商已经在3D打印的数字模型上加速扩展，购买版权模型、建立3D模型库和社区，并做收费下载。包括3D扫描仪在内的3D成像产品走向大众，无疑会大大扩展3D数字模型的规模，甚至带动3D打印行业的发展。