初识扫描系统之硬件系统篇

上一篇,我们初步揭开了 3D 扫描的神秘面纱,从 3D 对象和获取 3D 对象的流程(3D 扫描的流程),这两个角度,宏观地解析了 3D 扫描。我们认识到,3D 扫描区别于照相,是一个过程,而非一个行为。

这一篇,我们将去具体地认识一下,实现 3D 扫描这一过程,需要借助的一个系统。

一个完整的扫描系统,分为硬件系统和软件系统两部分,硬件系统用于原始数据的获取,包括几何数据和彩色数据,软件系统用于数据的处理,模型的重建,以及后期的修复。本文将先从硬件系统的角度来进行说明。

硬件系统

扫描的硬件系统,完整地来说,包含以下几个部分:扫描仪系统、灯光系统、转盘系统。

扫描仪系统包括扫描仪、升价仪、导轨等部件。其中,扫描仪是核心部位,升降仪和导轨的作用是辅助扫描仪的移动,当扫描仪的移动性能比较好的时候,可以用手持的方式替代。

灯光系统的作用,是构建一个良好的扫描环境,捕获更优质的纹理、颜色细节。

转盘系统的作用,也是对扫描仪的辅助,通过转盘的转动,来多视角捕获扫描对象的信息。

要获取好的扫描效果,硬件系统的搭建至关重要,转盘和升降仪要做到平稳,灯光系统要做到提供一个均匀的柔光环境。

对于扫描仪,我们这里做一个详细的介绍。

3D 扫描仪分为接触式和非接触式两种。接触式三维扫描仪透过实际触碰物体表面的方式计算深度,从而获取三维信息。

真实的测量过程,是通过如上图的探针接触式的测量。接触式测量的方法,优点是精度高,常被用于工程制造业。缺点在于,接触式的测量方式,对于文物等对象的扫描时不友好的,而且扫描速度很慢,每秒才能完成几百次探针的接触。

非接触式的测量则更为友好。我们从扫描仪的测量范围由远及近来进行介绍。

l 中远程扫描仪——激光脉冲扫描仪;激光扫描仪基于一个基本的想法:我们精确知道光速的大小,如果能探测到光线入射和反射的时间差,那么距离自然而然就可以测定出来。因此,激光扫描又被称为飞行时间扫描(Time-of-flight)。激光扫描的特点是精度高、噪声低。但是由于设备精度很高,价格非常昂贵;而且激光对于人体是有一定伤害的,不适用于人体的扫描。

l 短程 3D 扫描仪:根据原理的不同,短程的 3D 扫描仪又大致分为这么三种:基于三角测距的(triangulation)、基于结构光的 (Structure light)、基于光编码技术的 (light coding technology)。

基于三角测距的 3D 扫描仪,也是利用了激光技术,它使用激光线或单一的激光点扫描整个物体,通过入射光线、反射光线、夹角、距离这些参数,利用高中数学中最基本的三角几何来测量扫描对象与扫描仪之间的距离。不用赘述,激光技术都离不开精确和昂贵这两个特性。同时也不适合扫描人体。

基于结构光的 3D 扫描仪,依靠向物体投射一系列光线组合(白光或蓝光),然后通过检测光线的边缘来测量物体与扫描仪之间的距离。(具体的成像原理这里不花费笔墨去讲解,我们尽量带领大家从一个宏观的层面去了解 3D 扫描,而不是钻进技术的深渊之中不能自拔。)

结构光的特点是精度高,对人体没有伤害,适合于人体的扫描。当配合多台扫描仪一起扫描的时候,速度很快。但仍然要面对的一个问题是,价格昂贵,离消费级产品还有一定距离。

最后说一说基于光编码技术的扫描仪。

光编码技术的简单想法是,对于待扫描的场景预先做好一种特定的编码,如果场景中有物体了,这样的编码就会发生扭曲,通过对照扭曲前后的情景,来确定空间中一点的几何位置。

基于光编码技术的相机,又被称为深度相机,因为它输出的数据是一张类似于彩色图片的深度图,每个像素反映的是空间中该点到相机的距离 (又被称为深度)。

除此之外,深度相机还被广泛用于体感领域。被苹果收购的 PrimeSense,微软的 Kinect,Intel 的 RealSense,以及 Xtion,Sense 等产品,正越来越多地被用于体感操作、体感游戏等领域。因此,深度相机还有个别名——体感相机。

微软于 2011 年提出了 KinectFusion 三维重建算法的,使得深度相机实时捕获、重建三维模型变得非常轻松、自由,再加上深度相机自身小巧、廉价的特点,未来 3D 扫描的推广和走向家用,将变得越来越有可能。

扫描仪正向着移动端不断地发展,近期苹果和 Intel 分别推出了适用于移动设备的轻量版扫描仪。除此之外,国外许多科研团队,已经推出了各种各样的算法,将我们的手机转化为一个最简单的 3D 扫描仪,通过二维图像的比较和二维向三维的转化技术,让我们的 3D 扫描变得更为方便快捷。

3D 扫描硬件的主要发展方向,一是扫描仪尺寸不断缩小,二是数据精度不断地提高,三是成本的不断降低。同时也可以看到,扫描仪背后的软件驱动,才是 3D 扫描得以实现的最有力的支柱。下一篇,我们将从软件系统的角度,为大家分享更多精彩的 3D 扫描技术,期待大家的关注。

发布者:Cara,转载请注明出处:http://www.makercollider.com/viewpoint/1948

发表评论

登录后才能评论
QR code