三维扫描解决方案

埃太科三维支持乌克兰

激光三维扫描

2022年 1月 24日
概要 

本文将深入探讨一项热门的三维扫描技术——激光三维扫描。通过阅读本文,您将了解激光扫描仪的类型、工作原理、合适的应用场景以及扫描仪的具体用途。

激光扫描仪类型(按技术分类)
飞行时间、相位、三角测量
激光扫描仪类型(按产品分类)
手持、三脚架式、桌面式
激光扫描仪类型(按距离分类)
短距(远达5米) 、中距(远达120米)、长距(远达2千米)

如今,我们有多种方式、不同科技,可以为虚拟三维空间复制真实世界的物体。多种三维扫描仪都能实现:桌面式、手持式、三脚架式扫描仪;工业级或消费级扫描仪;照片扫描仪、摄影测量扫描仪;接触式测量系统;内置激光雷达传感器的智能手机或平板电脑;移动式、地面式、机载系统等等。

本文将聚焦最常用的激光三维扫描扫描技术,它被广泛应用于建筑、土地测绘、法医鉴定、遗迹保护等领域。通过本文,您将了解激光扫描仪的类型、工作原理、适用场景与具体用途。

三维激光扫描仪

人们听到“激光三维扫描仪”时,脑海里可能会浮现出适用于不同场景和领域的不同扫描设备。例如,一位工业设计师,可能会联想到一台便携式手持设备,能近距离捕获中小型物体。一位建筑工人,可能会想到一台三脚架式的地面型扫描仪,用于大型物体的测绘与测量,例如楼房或整个户外空间。而一位测绘技术员,可能会想到一辆带有机载扫描系统的汽车或无人机,可以在运行或飞行过程中绘制地形图。这些都是正确答案,以上设备都可称之为三维激光扫描仪。

那么,到底何为激光扫描?哪些设备能称之为激光扫描仪呢?

简而言之,激光扫描就是将激光作为光源,从真实世界为一件或多件物体、环境捕获精准三维信息的过程。扫描仪将激光投射至物体,形成点云,即数百万精准测量的点,以XYZ轴形式记录,以体现物体空间位置。部分激光扫描仪支持以点云形式下载模型,而有些扫描仪会自动将点云转换成三角网格,可继续转换成CAD模型,如果支持记录纹理,也可转换成全彩3D模型。

为近海船准备一台长距激光扫描仪(供图:ASOM

和之前我们介绍过的接触式测量系统不同,激光三维扫描仪100%无接触,不会造成物体任何损伤,牢固物体或易碎物体,均能捕获。激光扫描仪可用于室内作业,部分支持室外,白天黑夜均可使用,既有固定式,也有便携款,可扫描小微型到超大型的各类物体和场景。

要点

非接触式和非破坏性激光扫描仪捕获物体表面上的大量点,形成XYZ坐标轴,以计算物体尺寸,完成3D重建,确定物体空间位置,十分精准。

根据不同应用场景,既有可手持的便携独立型三维激光扫描仪,也有三脚架固定型设备,同时,也可作为复杂解决方案的一道工序,例如机械臂、移动式或机载式激光扫描系统等。从技术分类来看,还可分为飞行时间、相位、三角测量技术扫描仪。

下面,我们具体介绍各类常见的激光扫描仪及其工作原理。

激光扫描仪类型

#1. 飞行时间技术

这类激光扫描仪通常用于长距数据捕获,采用飞行时间技术(TOF)。这类三维扫描仪的工作原理和激光测距仪的工作原理相同:发射激光脉冲至物体,部分脉冲从物体表面返回至扫描仪。与物体的距离即可通过脉冲的飞行时间计算出来,采用以下公式:距离 =(光速x 飞行时间) / 2。这个数据用于计算激光束触及点的坐标值。

飞行时间技术的工作原理

飞行时间三维扫描仪的捕获距离可高达1000米。不过,常见工作距离为5-300米。虽然TOF系统捕获距离较远,但捕获数据的速度最慢,约为每秒几百至几千点。

设备测量返回信号时间的能力决定了TOF技术的精度。尽管不同系统的精度规格各有不同,但TOF扫描仪的精度一般为4-10毫米。新款TOF设备还可能配备RGB功能,通过内置或外接摄像头采集色彩。

#2. 相位技术

相位三维扫描仪发射交替频率的激光束,通过测量发射与返回信号的相位差来测定物体距离。与飞行时间扫描仪不同,相位扫描仪的工作距离最多为80-120米,常见工作距离为1-50米。

相位测量技术的工作原理

相位式三维扫描仪通常被认为是速度最快的激光扫描仪,部分设备的捕获速度高达一百万点/秒。此外,这类设备的准确度和分辨率高于TOF扫描仪。和TOF扫描仪一样,它们也包括内置或外置色彩捕获功能。

要点

所有激光扫描仪都会发射激光,但采用不同技术来解读返回信号。飞行时间扫描仪记录光束从物体表面返回的时间,相位扫描仪记录发射与返回信号的相位差,三角测量扫描仪计算发射光束返回传感器的角度。

相位扫描仪由于精度高,最适合捕获中型物体,例如大型泵、汽车和工业设备。相位和飞行时间设备都能用于地面扫描项目,可为几米到几千米的超大型物体、结构完成测绘。

地面TOF和相位扫描系统都有固定式、三脚架式设备,可以单独使用,也可以安装在地面或飞行器上,用于采集广阔地貌或无法抵达区域的信息。

#3. 三角测量技术

第三类激光扫描仪采用三角测量技术,激光发射后返回至机载相机图像传感器阵列上的某个特定位置。为计算物体与三维扫描仪之间的距离,设备采用三角测量法,因为激光源、传感器、物体上的标记构成一个三角形。激光源与传感器之间的距离、激光与传感器的角度都是非常精确的。激光反射回传感器后,系统可以测量其与传感器之间的角度,从而计算激光源到物体表面的距离。

三角测量法的工作原理

三角测量激光扫描仪的工作距离(小于5米)比飞行时间、相位扫描仪短,这是因为图像传感器的动态范围比较小,且距离越远,精度越低。多数三角测量设备也配备内置RGB采集功能。

通常来说,三角测量扫描仪最适合扫描小型物体,根据设备性能,扫描距离为1厘米到2、3米。从外观来看,有固定式和三脚架式三角测量扫描仪。但是,该技术配合便携手持式三维扫描仪效果最佳。

激光扫描仪应用场景

激光扫描仪可用于诸多领域、诸多场景:从建筑、土木工程到法医、考古。随着技术成本越来越低、设备越来越小巧轻便,越来越多的行业开始采用激光扫描。下面,我们介绍一些常见的应用场景。

逆向工程

使用短距三角测量激光三维扫描仪扫描汽车底盘

从小型机械部件到大型工业品,激光扫描仪已成为产品设计和开发人员工具箱的必备工具。过去,一项复杂工艺需要耗时多天才能完成组装,还要手工测量,部件检测的过程十分痛苦,但有了激光扫描仪,通过逆向工程制作CAD表面模型只要几分钟,制作参数化CAD模型只要几个小时。如果部件受损或变形,需要重新设计却有没有CAD数据,那么就可以用扫描仪来制作精准的数字蓝图。带有嵌入式处理器的便携式激光扫描仪非常适合检测中小型物体,而中距和长距扫描仪非常适合大型物体的检测。快速完成CAD模型,能节省数小时甚至数天的时间,让研发团队专注于产品改进。

质量检测

使用激光扫描仪检测水管

质量检测是制造过程中的另一个重要环节,也是激光扫描仪大显身手的领域。过去,质检常常采用手动接触式测量法,而现在,得益于激光扫描品质,工作流程速度更快,精度更高,测量数据也更多。反过来,迭代循环就更少,产品交付时间也会更短。CMM通常一次只能采集几十个点,需接触物体表面,还要为每个检测部件编程,而激光扫描仪不同,它可以在很短的时间内,为几何复杂的各类物体捕获数百万个测量值,且无需接触物体表面。

要点

无论是工业生产还是非工业领域,激光扫描仪都被认为是非常高效的测量工具,包括逆向工程、质量控制、法医、自动驾驶汽车。

短距激光三角测量扫描仪有便携手持型设备,无论何种设备,位于何处,都能享受极致的灵活。这类设备非常适合捕获高度复杂、无法手动或借助探头测量的部件。由于质量轻便,质检人员现在更加灵活机动,不用被束缚在特定的操作地点。

长距激光扫描仪适合为大型物体进行检测,完成精准测量,还能配合使用手持式扫描解决方案,为小型元素完成高清捕获。激光扫描仪捕获的3D模型,可在扫描处理软件中处理,随后转换成CAD文件。这时,还能与原始CAD模型对比,识别出超出公差范围的部位。

法医鉴定

使用三角测量激光三维扫描仪捕获犯罪现场

由于激光扫描仪能捕获房间内部、楼房、完整场地等大型空间,因此它也成为精细记载、犯罪现场调查、事故再现等场景中的得力助手。和相片、视频、卷尺等传统证据搜集方式不同,激光扫描仪让调查人员得以捕获犯罪现场的原貌,每件证据都能精准测量,无论是尸体、脚印还是弹孔,都能在几分钟内完成。

带有嵌入式处理器的便携式手持激光扫描仪,适合一天需在多个地点捕获物体的项目。如需更精准的数据,也可使用手持式扫描仪,例如近距离扫描尸体、破损的家具,或者扫描罪犯留下的脚印。而长距扫描仪适合捕获整个现场。将其放在房间中央自动扫描,调查人员就可以和证人、受害人谈话,或进行其他调查工作,无需再控制扫描仪。三维数据让法医对犯罪现场有了更为全面详细的认识,也能让庭审案件更具说服力。

建筑(BIM

使用三脚架长距激光扫描仪扫描仓库

对于中距和长距地面型激光扫描仪而言,另一种常见应用场景,就是三维捕获楼房或整个建筑工地,对建筑师和建筑人员而言更是司空见惯。通过这类设备,设备所有人或建筑项目管理员就能快速完成精准记录,为楼房制作3D模型,记录详细情况。此外,这些设备也可用于施工进度跟踪或新建项目的质检,对比成品建筑与设计模型。激光扫描仪不仅节省了手动测量的时间和成本,也大大提升了施工安全,对于一些风险较大的项目而言,非常重要。建筑项目的整个周期都可以使用激光三维扫描仪,保存好大量三维数据,还可用于今后项目的翻新或全新项目,也能随时查看。

考古

使用手持式短距激光扫描仪捕获三角龙头骨(供图:David Cano / 3D Printing Colorado

另一个激光扫描仪不可或缺的领域就是考古,在考古挖掘现场,无论是灭绝物种的一根骨头,还是整座古城,都能进行3D记录。带嵌入式处理器的便携式手持激光扫描仪还能在野外工作,方便灵活,考古学家记录任何想记录的考古发现。得益于设备上自带的屏幕,他们还能实时看到模型的构建过程,无需另外携带电脑或平板。长距地面型和机载激光扫描设备也能成功应用于地形测绘、挖掘规划,发现研究人员无法用肉眼看的考古遗址,让历史不被埋没。

过去,考古学家只能使用全站仪、GPS设备、摄影测量法等方式搜集数据,而有了激光扫描仪,考古学家搜集高清可靠数据的速度就比原来快了许多,在考古挖掘过程中,为他们节省了数百小时的时间。由于扫描仪无需接触物体表面,不具破坏性,还能用来捕获易碎文物,保留它们的原貌。捕获数据可用于考古记录,也能制作虚拟模型,用于文物修复保护和文物展览。

移动测绘

车载激光测绘系统

移动测绘是长距激光扫描仪的另一种应用。移动测绘是指通过陆上移动车辆(汽车、火车、船只)或空中飞行器(无人机、直升机、飞机)收集三维地理空间数据的过程,也就是收集物体在地球上的具体位置。移动测绘系统通常装有各种导航和遥感技术,例如GNSS、摄像头、激光雷达。结合所有技术,专业人士即可记录、测量、认识某个环境,完成可视化,适合管理公路铁路网络、城市规划,分析水下或地下结构,提升发电厂基础设施安全性,设计数字地图等大量场景。

埃太科三维激光扫描仪

文末,我们再来看几款激光扫描仪产品。埃太科三维推出了两款激光扫描仪。一款为手持式设备Artec Leo,适合近距离(0.35-1.2米)扫描大中型物体,另一款为相位扫描仪Artec Ray,操作距离高达110米。

Artec Leo

Artec Leo完美适合大中型物体的扫描,分辨率高达0.2毫米,精度高达0.1毫米

Artec Leo是一款便携型手持扫描仪,采用三角测量结构激光技术,适用范围广,在同类产品中表现优秀。这是因为设备内置处理器,搭载HD显示屏、Wi-Fi功能、电池,可以实时查看扫描效果,无需任何其他设备(电脑或平板)。扫描仪可捕获3500万点/秒,点云细节丰富,精度高达0.1毫米,分辨率高达0.2毫米,几秒即可搞定。Leo扫描范围广(最大可达838 × 488毫米),可扫描处理各类尺寸的物体,小至20-30厘米的零部件,大至50-200厘米以上的大型物体乃至整个场景。Leo采用1级VCSEL激光束,对眼睛完全没有伤害,可用于静物和人体的扫描。Leo给人灵活自由的扫描体验,因此,使用场景十分广泛:逆向工程、CAD设计、医疗保健、考古、法医鉴定等等。

Artec Ray

Artec Ray善于捕获大型物体,最远工作距离110米,精度达亚毫米级

Artec Ray是一款长距相位激光扫描仪,专门用于大型和超大行物体的捕获,例如楼房、飞机、风力涡轮机,精度达亚毫米级。扫描仪工作距离可达110米,机身可自身旋转360度,垂直转动270度,每秒捕获20.8万点。和许多长距扫描仪不同,Ray捕获的数据精准、干净,可用于逆向工程和质量检测。此外,设备配有三脚架,内置电池、机载Wi-Fi,还有手机APP远程控制扫描仪,扫描仪可留在室内外自主工作。Artec Ray捕获的数据还能与其他埃太科手持扫描仪的数据结合,让细节丰富的高密度数据锦上添花。

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