三维扫描技术的研究

摘 要：随着科学技术的发展，在很多领域包括工业产品设计、服装、医学等领域都开始使用三维扫描技术，而传统的二维信息已经不能够满足需求。如何获取实物表面的三维数据是三维扫描的关键问题，目前三维数据的获取方技术要有三种，分别是三坐标测量技术、三维激光扫描技术、三维拍照式扫描技术。本文将针对以上三种三维扫描技术进行研究分析。

关键词：三维扫描;三维激光;三维拍照

1 前言

随着科学技术的不断发展，尤其是光学技术、机械制造技术、电子信息技术和计算机技术的进步，三维扫描技术得以实现。该技术具有巨大的优点，该技术能够快速的获取物体表面三维特征信息，除了空间几何特征以外，它的颜色特征也能够被采集。[1]三维扫描技术目前的使用范围非常广泛。例如逆向工程，逆向工程的原理是现有产品实物，再根据产品的零件实物画出模型，这是使用三维扫描技术的优势就非常突出，在很多几何数据难以测量的地方都可以用三维扫描技术轻松采集到;[2]文物保护，对于某些不能随便触碰的贵重文物，有些技术人员也会采用三维扫描技术来对这些文物建立数字资料库，这样对文物的管理更加方便也更加[3]。本文将针对三坐标测量技术、三维激光扫技术、三维拍照式扫描技术进行研究分析。

2 三维扫描技术

三维扫描技术是现代科学的集大成者，它包含了光学、机械、信息技术。目前发展比较成熟的三维扫描技术有：三坐标测量技术、三维激光扫技术、三维拍照式扫描技术。

2.1 三坐标测量技术

三坐标测量技术是接触式测量技术中最具有代表性的，目前很多产模型的自由曲面的数据测量使用的就是这种方法。三维坐标测量技术除了使用光学技术和计算机技术以外，它的功能的实现主要还是利用了数控技术和传感器技术。三坐标测量技术数据信号的获取主要是靠传感器。根据传感器触发信号的方式的不同，三坐标测量的方法可以分为单点式和连续式。三坐标的测量的原理是，当三坐标测量设备上的探头接触到被测量工件的表面时，探头由于受到工件表面的反作用力而发生弹性弯曲变形，而这种变形量将会触发传感器的信号接收装置，从而传感器将接受到的信号传递给计算机，在经过计算机相应软件店的处理最终得到产品实物表面的三维数据。

三坐标测量技術相对于其他技术的优点是，物体表面数据测量的精度高，外界环境包括光线和温度对它的影响较小。三坐标测量技术适合于产品表面的曲面不是太复杂的地方。它的缺点也很明显：（1）由于它的探头需要与工件表面，所以存在对工件表面划伤的可能性。（2）由于受到机械运动范围的限制，被测量的物体表面形状不能过于复杂。（3）由于数据采集是有点的形式进行采集的所以所需要的时间较长。（4）由于探头的移动路径是人为规划的，可能会存在数据缺失等现象。

2.2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术相对于三坐标测量技术是一种非接触的测量技术，它主要依靠了光学原理和计算机图像处理技术。这种非接触式测量具有，测量精度高，无损伤，适用于各种具有复杂曲面的零件。根据三维激光测量的原理的不同，三维激光测量方法可以分为，脉冲测距法和三角测量法。

脉冲测距法：测量原理有激光扫描设备发射一束激光打在物体表面，物体反射光线被扫描设备接收到。光速C是一定的，再结合发射和接受光线的时间差t，计算出物体表面的点到扫描设备的距离d=（t2-t1）c/2。脉冲测距法有个缺点就是如果测量距离过近时测量的数据不准确。

三角测量法：测量原理是，有激光扫描设备发射一束激光照射到物体的表面，然后再从另外一个角度接受反射回来的光线进行成像。然后根据三角形几何定理计算出扫描设备与物体间的距离L≈dtanθ。三角形测量法具有测量距离大，测量精度高的特点。

2.3 三维拍照式扫描技术

三维拍照式扫描技术与拍照类似，但它的实物的三维数据的提取和前两种不一样，它是一种面光技术，它一次性提取的是物体的一个面，而不是一个点，这样它的三维数据提取非常快捷。通过多视角扫描数据的拼接可以实现对物体360o全方位数据采集。三维拍照式扫描测量时激光设备发射一定数量的光线到待测物体上，这些光线都是经过特定编码的。有成一定角度的一组摄像头采集图像，并对其进行相应处理后再根据三角测量原理计算出物体表面的三维坐标。三维拍照式扫描技术具有突出的优点是稳定性高，适用各种工作环境。

3 总结

三维扫描发展到现在，已经出现了很多相关技术和方法，并且国内外的研究者仍然在不断的改进当中，各种商用的扫描仪将不断的出现。三维扫描技术将被继续使用在、人机工程、虚拟现实、工业产品设计等领域。与三维扫描技术配套的是点云数据处理技术，目前点云数据处理技术已经达到一定的水平，但是自动化程度还是不够高，后期还需要工作人员花费大量时间去进行处理，因此点云处理技术也限制了三维扫描技术的发展，后期如果点云数据处理技术能够进一步提高，那么三维扫描的应用推广速度将进一步被加快。

参考文献：

[1]徐治新.三维扫描技术在新产品开发及过程质量控制中的应用[J].中国铸造装备与技术，2018（06）：34-38.

[2]郭娟.非接触式三维人体扫描技术的应用分析[J].山东纺织科技，2018（01）：39-41.

[3]郭玮.三维激光虚拟现实技术在古建筑破损重建中的应用[J].激光杂志，2018（12）：102-105.

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