3D扫描技术工作原理

作者 Natalia Kivolya
2020年 2月 5日
概要 

选购扫描仪时最重要的是选对分辨率。此外,准确度也很重要,它决定了虚拟作品与现实中物体的差异。

扫描仪类型
4+
准确度范围
0.1-5毫米
分辨率范围
1-1000厘米

世界的维度关乎观察、扫描等一切

在3D扫描世界里,有激光扫描仪、结构光扫描仪、设计软件、3D模型等等,在我们探索这一奇妙世界前,先让我们花点时间深入了解一下我们常常挂在嘴边的三维究竟是什么,无论身处何地,三维总是无处不在(甚至可以描述我们!)。

我们都知道自己身处于3D世界,哪怕那些不了解3D扫描仪为何物的人也知道这一点。但“3D世界”到底意味着什么?其实就是指我们周围的空间有三个维度,任何物体的位置都可以用这三个数字来描述,通常称为参数或坐标。我们有不同的方式来设定这三个参数,设定规则就是我们所说的坐标系。

图.1a

最常见的坐标系是笛卡尔坐标系。

谈及周围物体的宽度、高度、深度时,我们通常采用笛卡尔坐标系,包括右手坐标系(RHS)和左手坐标系(LHS)。唯一的区别在于表示深度的z轴方向不同。

图.1b

图.1c

此外也有一些其他坐标系,比如球坐标系(左)和圆柱坐标系(右)。

这些坐标系的共同之处,就是它们都有三个独立参数,能清晰描述空间内任何一点的位置,无论是否为一个平面。这听起来很简单,但对3D扫描而言,却是最基本的原则,能帮您更好地理解并驾驭这项改变世界的技术。

在3D扫描和扫描仪领域讨论维度就显得格外重要,因为我们需要考虑如今专业3D扫描解决方案和软件的准确度和分辨率。最新3D扫描仪的性能表现已远远超过人类肉眼能识别的水平,这完全有赖于可靠且可重复的软硬件坐标系。

物体与3D扫描简介

物理世界的物体除了空间位置,它们自身也有维度。物体可以是0维、1维、2维或3维。

0维与1维物体

2维物体

3维物体

让我们想象一个非常小的物体,例如原子,我们认为它几乎不占任何空间,把它称为一个点。如果一个点对象存在空间位置,并用x、y、z坐标描述,但本身没有维度,我们将其称为0维物体。虽然我们可以找到为1维、2维或3维物体扫描的扫描仪,但我们无法扫描0维物体。

细链条就是1维物体。除了第一环和最后一环,每一环都只有两位“邻居”,即相邻锁链。

薄纸(c)就是2维物体,和长宽相比,它第三个维度(厚度)可以忽略不计。

3维物体最直观的例子就是箱子,它有长宽高,且在三个维度上都占据一定空间。

就目前市面上的专业3D扫描仪而言,制造商都会在产品介绍和宣传中清晰注明可3D扫描的最佳物体尺寸。3D扫描仪本身的尺寸也各不相同,有自动桌面式扫描仪,用于小微型物体扫描,手持式结构光扫描仪,用于中小型物体扫描,也有3D激光扫描仪这样的大型扫描仪,用于大型和超大型物体扫描。当然,这些扫描仪制作的3D模型也可根据需要,通过专业CAD设计软件调整尺寸。

我们如何感知(在脑海中扫描)3D世界

远处物体的大部分信息是依靠光传递给我们的。简单来说,光是以最快速度穿越空间的电磁辐射。大部分光线来自太阳,它们会在物体表面反弹,一部分被物体吸收,一部分反射出来,继续穿梭,直到被其他物体吸收。光线可以发生很多变化,比如反射、折射、散射或被吸收,如遇到物体,甚至还可能发生性质的改变,即颜色、强度和方向的变化等。

人眼是一个可以感知可见光方向、强度、色彩的感官。它有一个可以将光线聚焦于视网膜的晶状体。视网膜包含特殊的感光细胞,约为1亿2000万个视杆细胞和600-700万个视锥细胞。视杆细胞负责感知黑白,视锥细胞则让我们感知其他色彩。为看到这些色彩,我们的双眼会收集来自周围的光线,并将它们投射到视网膜上。

我们的双眼无法同时聚焦距离不同的多个物体,所以当我们看向近处物体,远处物体就会变得模糊,反之亦然。调节反射,一种特殊的聚焦机制,可以让我们看清6-7厘米(2.5英寸)到无限远的距离。大多数情况下,这种机制是一种生理反射,但也可以受到意识的控制。如图2所示,当相应肌肉对晶状体做出调节,眼部即可聚焦不同距离。

图.2

聚焦:a.远物

b.近物

如图2所示,当相应肌肉对晶状体做出调节,眼部即可聚焦不同距离。

图.3a

图.3b

除了协助双眼聚焦,调节反射还能帮助我们将近处物体与远处物体区分开来,但单独一只眼睛无法很好地感知深度。这就是为什么我们需要两只眼睛。

人类3D成像基于立体视觉效应。该效应是指从两个不同的位置观察物体的过程,虽然每个眼睛所观察到的映像类似,但同时又存在位置的差异。差异多大取决于你和物体之间的深度(即距离),较近物体的映像差异会更大。这一现象被称为网膜(双眼)像差,又叫双眼视差。

可惜的是,观看不同物体时,眼部的分辨率各不相同。视锥细胞主要分布于中央凹,所以如果我们追求较高分辨率和深度感知,那么双眼必须都聚焦于这个物体。双眼辐辏看向近物(见图3(b))时,需要用到眼外肌,而观看远处物体时,视角就小了很多。

当(来自双眼的)映像投射到视网膜上,它们就会通过视神经将信号传递给不同的大脑视觉区域。大脑不同区域同时分析这些信号。部分负责识别简单的表面几何,其他部分负责识别运动,或对比之前收集的映像。

最后,所有信息大约只需50毫秒即被感知,我们也就获取了所视物体的色彩、深度、运动轨迹、形状等信息。Artec 3D扫描仪,包括Artec 3D激光和结构光扫描仪,其工作原理与之相似,但和人类视觉系统相比,深度测量方面更为精确

人眼,3D感知与3D扫描仪

由于光线会因环境不同而有不同表现,所以3D视觉感官不一定每次都准确。

即便在现实世界,每个物体的3D尺寸都超过了一纳米,但人眼或现代扫描仪很难同时观看到物体的所有表面,这是因为视觉会受到其他物体的遮挡。这包括不透明的复杂物体,它们的后部就会被前部遮挡。

为了看到整个3D外形,多角度观察(扫描)物体这点非常重要,尤其是在外形未知的情况下。如果是色彩几何单一的大型物体,也很难进行3D感知,比如一些平面或者十分顺滑的表面。

重点

举个直观的例子。想象您在停车,而整个停车场地面都是浅色的。如果背景颜色相同,没有可识别的特征和停车位形成反差,那么你的眼睛(以及大脑)就无法分辨空间深度。

这是因为我们的视觉感官需要一定反差才能聚焦,色彩单一、肌理规则的表面是不存在任何反差的。黑色表面也是同样道理。

正是因为上述原因,许多专业3D扫描仪很难捕获黑色或深色表面。对许多技师和3D扫描专家而言,这造成了不小的难题,因为他们可能需要采用不同的扫描策略,甚至是完全不同的扫描仪。因此,哪怕偶尔会遇到黑色表面的3D扫描工作,我们也应该在购买前尝试一下3D扫描仪的这项性能。选择一台扫描仪不仅仅需要关心准确度和分辨率。

通过扫描、CAD等制作3D模型

当前的专业3D扫描解决方案,包括结构光扫描仪、激光扫描仪、软件,都和计算机技术密不可分。因此,我们可以研发出全新计算机控制的机器,即CNC(电脑数值控制)技术。借助CNC技术,我们可以生产各类形状的物体(有时被称为自由曲面)。

CNC的基本原理就是通过计算机,而非人,来控制机床。计算机能非常准确、精准、高效地完成这一工作。即便如此,计算机也需要特殊的命令,才能进行具体操作。这些命令就是由软件系统生成的,被称为计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助设计(CAD)。让我们简单了解一下计算机是如何处理3D物体的。

什么是顶点,以及和3D扫描有何关联?

在计算机平面和3D扫描中,顶点就是指描述一个点不同属性的数据结构。任何一点的主要属性就是它的位置,其他属性包括色彩、反射比、坐标、法向量、切向量等。

通常来说,顶点就是直线、曲线、边交汇的点,所以这一基本几何特征也用来描述其他复杂几何,比如边、表面、网格、曲面等。这也就是为什么一些顶点属性描述的不仅仅是一个点,而是一个点附近的整个曲面。

点云就是3D扫描仪,尤其是3D激光扫描仪,生成的一组顶点。

20个字告诉你什么是“边”

边是连接两点(顶点)的直线。可以是平面的一部分。

几句话解释平面、多边形等概念。

平面是几条边组成的闭合表面。平面的每个顶点都有两条相邻的边。三角形平面有三条边,四边形有四条边。三条边以上构成的平面叫做多边形,有几条边,我们就称其为几边形。

三边形/三角形

四边形/四角形

五边形/五角星

六边形

七边形

八边形

三条边以上构成的平面叫做多边形,有几条边,我们就称其为几边形。五边形拥有5条边,六边形6条,七边形7条,八边形8条。

由4条边以上构成的多边形都可以由一定数量的三角形或四边形替换。

3D扫描中的网格

3D技术中的网格(包括3D扫描仪制成的模型)是指计算机平面中呈现曲面的方式。简单来说,网格就是一组顶点和平面的集合,显示顶点如何构成平面,以及顶点之间如何相互连接。

通常,平面可以由各类多边形构成,但多数情况下会采用三角形,因为图形处理器(GPU)更易处理。不同类型的网格需要不同类型的多边形,还需要相对应的应用规则:

 

  • 平面-顶点——顶点和一组指向该点的多边形。
  • 翼边——每条边有两个顶点、两个表面、四条接触的边。
  • 四方边缘——包括边、半边、顶点,不涉及多边形。
  • corner-table结构——预定义表格中储存顶点来定义多边形。

 

其本质就是硬件图像渲染中所使用的三角扇形。这种呈现方式更为紧凑,多边形检索也更为高效,但更改多边形的操作会非常缓慢。另外,corner-table不完全等同于网格。大多数网格需要多个corner-table(三角扇形)来呈现。

顶点-顶点网格——仅使用指向其他顶点的顶点。这类格式的尺寸效率很高,不过能进行的网格操作数量有限。

 

顶点

平面

网格

简单网格可以手动生成,而复杂网格就需要通过数学等式、算法、3D扫描仪数字捕获实物等方式建模。网格最重要的一个特点就是简单。同一曲面可以有多种不同的捕获和数字呈现方式。

体素和3D扫描简介

整个笛卡尔坐标系可以分割成小型长方形平行六面体(由6个平行四边形组成的3D图像),这些六面体被称为体素。如果x、y、z三轴尺寸相同,它们就是立方体。经过体素简化后,任何固体都可以由一定数量的体素构成。体素越小,估算值越精确。

像素

体素

体素坐标由数据阵列中的位置定义。数据标准字符和体素的基本形状让处理过程简单可靠,但这也需要更多的磁盘空间来储存,以及更多内存来处理。和2D数码图像类似,非长方形曲面呈现的体素平面包含离散数据。

如果要保证一个非长方形模型的精确度,那就必须包含很小的体素。由于这样操作需要大量磁盘空间,所以一般不用体素来呈现这类物体。体素在呈现复杂多样的物体时更加高效,所以它们也更多地应用于3D扫描、成像和CAD解决方案中。

什么是扫描等领域的体和3D几何?

任何真实物体都会占据一定空间,且由特定材料构成。实体建模也有不同的方式:扫描、曲面网格建模、单元分解等。每个物体都有其边界(曲面),这些边界会将实体空间分成两部分:实体内部与外部。如此一来,一个实体就可以通过边界和数据来呈现,例如网格,也可以用来区分实体内外部。

构造立体几何法CSG效果

构造立体几何法(CSG)还有另一种方式,即采用体素(球体、椎体、立方体、圆环等)作为基本元素,在这些原始体素基础上,再通过布尔运算(图7)构建更高级的体素,即联合、相减、相交等。

纹理及其在3D扫描中的应用

在计算机绘图和3D扫描领域,纹理指曲面表面的图案。纹理图案存储于特殊文件中,每个像素带有U和V坐标值,且有对应的颜色。为曲面添加纹理的过程被称为纹理映射或UV映射。

人脑主要依靠影子、色彩、渐变色等视觉方式感知周围世界,在不改变几何的情况下,纹理是用来模拟外形的有效方式,电脑游戏制造商经常采用该方法实现更快更高效的图形渲染。

3D扫描仪制造商可以在仪器中加入一个捕获纹理的特殊摄像头,即纹理摄像头。捕获高品质图像需要明亮且稳定的光照环境,除非扫描仪自带闪光灯。

无肌理色彩曲面

带肌理色彩曲面

肌理文件

结论:有关3D科技、扫描的现状及未来

了解3D技术的各个环节不仅可以帮助我们理解周围神奇的世界,还能让我们进一步了解包括3D扫描仪等3D解决方案的工作原理。

尤其在过去20年间,3D技术在全球范围内参与了诸多重大高难度科技项目。其中包括使用3D激光扫描仪和软件保护濒临破坏的文化遗迹和文物,工程师使用手持式结构光3D扫描仪逆向制作复杂曲面和形状,并用CAD设计软件完成3D模型,以及医生和医护工作者为患者进行3D扫描,实现不同需求,包括义肢设计、皮肤病诊断等等。

掌握3D技术正变得越来越有用,因为这些知识每天都变得越来越重要。随着3D技术应用的普及,一些专家表示在不久的将来,家庭、学校、职场都会开始广泛应用3D技术。

 

重点

目前,3D技术在诸多领域的应用正在进一步扩大,包括航空航天、工程、数字制造、医疗卫生、CGI等等。将来,拥有扫描经验的3D专家将更为炙手可热。

今天的年青一代正目睹3D扫描仪走出实验室,不再像过去几十年一样,只存在于科幻电影和小说中。每年,专业3D扫描技术都在走近我们的日常生活,技术制造商也致力于将这些解决方案无缝融合至我们社会的方方面面。因此,儿童也能轻松地在课堂环境下使用结构光扫描仪,见证3D扫描仪在医疗和牙医领域的广泛使用。曾经只有专家才能使用的技术会变成我们日常生活中不可或缺的一部分。

包括激光扫描仪和结构光扫描仪在内的专业3D扫描仪和软件制造商已大幅提升了扫描仪准确度和分辨率。同时,专业设计师和其他技术人员也开始采用3D扫描技术,他们发现扫描仪和3D模型能减轻工作量,帮助他们解决之前难以解决的高难度问题。

技术专家预测,未来VR/AR等解决方案在教育领域的应用会更为广泛,儿童可以在课堂内通过安全的方式参观亚马逊热带雨林、崎岖陡峭的喜马拉雅山顶等任何地方;数字设计工程师可以充分利用3D扫描和建模技术,在VR/AR环境下,查看并修改设计品,随后根据需要,采用不同材料完成3D打印;医生也可以为患者快速完成人体3D扫描,随后用你自己的干细胞3D打印出逼真的器官等组织结构,彻底解决免疫系统不兼容的问题等等。

面对3D扫描的无线应用潜力,可以说,今天的一切仅是一个开始。

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作者: 

Natalia Kivolya

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