三维扫描仪工作原理及应用

三维扫描仪（3D scanner）是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮（高反照率）、镜面或半透明的表面，而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。

三维扫描仪的用途是创建物体几何表面的点云（point cloud），这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型（这个过程称做三维重建）。若扫描仪能够获取表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，亦即所谓的材质印射（texture mapping）。

三维扫描仪可模拟为照相机，它们的视线范围都呈现圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息，因此常以深度视频（depth image）或距离视频（ranged image）称之。

由于三维扫描仪的扫描范围有限，因此常需要变换扫描仪与物体的相对位置或将物体放置于电动转盘（turnable table）上，经过多次的扫描以拼凑物体的完整模型。将多个片面模型集成的技术称做视频配准（image registration）或对齐（alignment），其中涉及多种三维比对（3D-matching）方法。

三维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。使用可见光视频达成重建的方法，又称做基于机器视觉（vision-based）的方式，是今日机器视觉研究主流之一。

接触式扫描：

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，如座标测量机（CMM,CoordinateMeasuring Machine）即典型的接触式三维扫描仪。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）

光达（lidar，LIght Detection And Ranging的缩写，或称3D激光扫描仪）可用于扫描建筑物、岩层（rock formations）等，以制作3D模型。光达的激光光束可扫描相当大的范围：如图中此款的仪器头部可水平旋转360度，而反射激光光束的镜面则在垂直方向快速转动。仪器所发出的激光光束，可量测仪器中心到激光光所打到第一个目标物之间的距离。

时差测距（time-of-flight，或称'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。图中的光达即是一款以时差测距为主要技术的激光测距仪（laser rangefinder）。此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。由于光速（speed of light)为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍，故若令为光信号往返一趟的时间，则光信号行走的距离等于。显而易见的，时差测距式的3D激光扫描仪，其量测精度受到我们能多准确地量测时间，因为大约3.3皮秒（picosecond；微微秒）的时间，光信号就走了1毫米。

激光测距仪每发一个激光信号只能测量单一点到仪器的距离。因此，扫描仪若要扫描完整的视野（field of view），就必须使每个激光信号以不同的角度发射。而此款激光测距仪即可透过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜（rotating mirrors）达成此目的。旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描、且精度较高，是较广泛应用的方式。典型时差测距式的激光扫描仪，每秒约可量测10,000到100,000个目标点。

三角测距（Triangulation）

Principle of a laser triangulation sensor. Two object positions are shown.

三角测距3D激光扫描仪，也是属于以激光光去侦测环境情的主动式扫描仪。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，与激光本身构成一个三角形。在这个三角形中，激光与摄影机的距离、及激光在三角形中的角度，是我们已知的条件。透过摄影机画面中激光光点的位置，我们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，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。National Research Council of Canada是致力于研发三角测距激光扫描技术的协会之一（1978）。

手持激光（Handhold Laser）

手持激光扫描仪透过上述的三角形测距法建构出3D图形：透过手持式设备，对待测物发射出激光光点或线性激光光。以两个或两个以上的侦测器（电耦组件或 位置感测组件）测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点－通常是具黏性、可反射的贴片－用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入计算机中，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。

结构光源（Structured Lighting）

将一维或二维的图像投影至被测物上，根据图像的形变情形，判断被测物的表面形状，可以非常快的速度进行扫描，相对于一次测量一点的探头，此种方法可以一次测量多点或大片区域，故能用于动态测量。

调变光（Modulated Lighting）调变光三维扫描仪在时间上连续性的调整光线的强弱，常用的调变方式是周期性的正弦波。借由观察视频每个像素的亮度变化与光的相位差，即可推算距离深度。调变光源可采用激光或投影机，而激光光能达到极高之精确度，然而这种方法对于噪声相当敏感。

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，是相当容易获取并利用的，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。

立体视觉法（Stereoscopic）

传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机，平行注视待重建之物体。此方法在概念上，类似人类借由双眼感知的视频相叠推算深度（当然实际上人脑对深度信息的感知历程复杂许多），若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度，而截取的左右两张图片又能成功叠合，则深度信息可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析（correspondence analysis），一般使用区块比对（block matching）或对极几何（epipolar geometry）算法达成。

使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法（binocular），另有三眼视觉（trinocular）与其他使用更多摄影机的延伸方法。

色度成形法（Shape from Shading）

早期由B.K.P. Horn等学者提出，使用视频像素的亮度值代入预先设计之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程组中的未知数多过限制条件，因此须借由更多假设条件缩小解集之范围。例如加入表面可微分性质（differentiability）、曲率限制（curvatureconstraint）、光滑程度（smoothness）以及更多限制来求得精确的解。此法之后由Woodham派生出立体光学法。

立体光学法（Photometric Stereo）

为了弥补光度成形法中单张照片提供之信息不足，立体光学法采用一个相机拍摄多张照片，这些照片的拍摄角度是相同的，其中的差别是光线的照明条件。最简单的立体光学法使用三盏光源，从三个不同的方向照射待测物，每次仅打开一盏光源。拍摄完成后再综合三张照片并使用光学中的完美漫射（perfect diffusion）模型解出物体表面的梯度向量（gradients），经过向量场的积分后即可得到三维模型。此法并不适用于光滑而不近似于朗伯表面（Lambertian surface）的物体。

轮廓法

此类方法是使用一系列物体的轮廓线条构成三维形体。当物体的部分表面无法在轮廓线上展现时，重建后将丢失三维信息。常见的方式是将待测物放置于电动转盘上，每次旋转一小角度后拍摄其视频，再经由视频处理技巧去除背景并取出轮廓线条，搜集各角度之轮廓线后即可“刻划”成三维模型。

用户辅助

另外有些方法在重建过程中需要用户提供信息，借助人类视觉系统之独特性能，辅助完成重建程序。这些方式都是基于照片摄影原理，针对同个物体拍摄视频以推算三维信息。另一种类似的方式是全景重建（panoramicreconstruction），乃是在定点上拍摄四周视频使之得以重建场景环境。

应用

在马德罗丹制作的3D自拍，由Shapeways3D打印。Fantasitron 3D自拍的照片展台

逆向工程

逆向工程，是一种技术过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下，直接从成品的分析，推导出产品的设计原理。 逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来查找证据。

三维扫描仪选择指南

3D扫描仪有何用途？

3D扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中建立实际物体的数位模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数位文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。下面咱们就来看看这样一款3D扫描仪。

Z Corporation-ZScanner 800 Z Corporation-ZScanner 800ZScanner系列扫描仪产品为三维扫描带来了所需要的高速度、易用性以及前所未有的通用性。这一系列的产品能够在最为狭小的空间内扫描任意物体，并在一次性连续扫描中实时进行扫描。

传统扫描仪要求采用固定三脚架、粗重的机械支臂、或者需要外部定位设备，而且外部定位设备必须处于目标表面的视线以内。这样，那些难以接触到的物体近乎是不可能进行扫描的，并且需要进行大量的后处理工作，将多个扫描图像拼合成一个扫描图像。

哪些3D扫描仪可以实现自动扫描？

自动化3D扫描测量系统可以实现自动扫描的功能。

自动化3D扫描测量系统其实是一种智能三维检测设备，它搭载了3D扫描仪，用智能检测软件控制，在转台上放上要扫描的样件，自动化3D扫描测量系统就能控制机械臂将3D扫描仪运动起来，对被测物体进行表面三维全尺寸检测。

中科院广州电子科教与智能制造部CASAIM全新升级的CASAIM-IM就是一套先进的自动化3D扫描测量系统。

这套自动化3D扫描测量系统专为工厂车间的近线检测及智能测量室而设计，可无缝集成到自动化测量及质量控制流程中，让检测更加自动化、数据化、智能化，助力企业实现降本增效。

除了自动扫描外，CASAIM-IM能够帮助各大生产厂商完成生产工件的智能三维尺寸测量、批量自动化检测，对汽车排气歧管进行CAV检测分析整体变形趋势、关键配合尺寸、形位公差等检测项目，最终生成详细的检测报告。

对于工业制造企业来说，自动化3D扫描测量系统可以帮助他们及时发现缺陷并快速加以控制，从而减少缺陷产品的产生，整体提高企业的经济效益。

如果您想了解更多自动化检测系统的话，欢迎随时来中科院广州电子CASAIM官网跟我们探讨！

三维扫描仪的三维扫描仪分类与功能

市场上关于三维扫描仪的分类方式有很多种，按测量方式分为：基于脉冲方式、时间—相位差方式、三角测距原理等；按距离的远近分为：近距、中距、远距等；按光源分为：基于激光、白光、红外线等。各个种类的三维扫描设备价格是有差别的。

就三维扫描仪设备的功能来说，扫描速度、扫描精度、分辨率等都会对价格造成影响。同一类型的扫描仪中，速度越快、精度越高、分辨率越高价格相对来说也会更高一点。

以上即是三维扫描仪的分类与功能，望采纳~

三维扫描仪品牌十大排行榜

第一名、XYZprinting扫描仪2.0。

台湾3D打印机制造商XYZprinting早在2015年就推出了第一款3D扫描仪。现在，一个新的版本刚刚推出，三维扫描仪2.0。它体积小，重量轻，238克，为用户提供了极大的移动性和易用性。它包括4种不同的扫描模式，可以扫描物体、全身、头部或面部。扫描的最大尺寸为100×100×200厘米，分辨率为1～2.5毫米。

第二名、BQ-Ciclop三维扫描仪。

BQ的Ciclop扫描仪是我们排名中唯一的开源3D扫描仪。3D激光扫描仪配有Horus软件，其设计、软件和电子元件的所有信息都是免费在线的。

Ciclop基于激光三角测量技术，可以在8分钟内扫描物体，扫描面积为200x200x205mm。自2016年以来，BQ的直销渠道已经断货。不过，扫描器仍然可以在线使用，也可以通过亚马逊这样的经销商获得。

第三名、The Structure Sensor。

这个扫描器可以让你把它直接连接到你的苹果平板电脑上。下载相关应用程序后，您将能够自主扫描3D模型长达4小时。

它的尺寸为119.2 x 28 x 29毫米，重量为0.21磅（95克），是世界上最小的三维扫描仪之一。它的精度可以达到0.5毫米，这款小3D扫描仪可以直接在你的苹果平板电脑上进行3D扫描、室内地图绘制和混合现实游戏，你可以在我们的比较器中比较它的规格。

第四名、3D Systems的Sense 三维扫描仪。

3D Systems在20世纪80年代后期创建了立体平版3D打印机，目前他们已经发布了Sense 3D扫描仪。这是当今市场上最流行的低成本扫描仪之一，可以扫描200 x 200 x 200 mm到2立方米的大柱子！它的尺寸只有178x129x330mm，精度为0.90mm，对于纹理-颜色-纹理映射，颜色分辨率为1920×1080像素。

第五名、Matter & Form V2 三维扫描仪。

这个三维扫描仪是由加拿大Matter&Form设计的。用两个激光器，Matter&FormV2允许扫描物体，最大高度为9.8（25cm），直径为7（18厘米）。其精度为0.1毫米，与所有3D打印机兼容，可供制造商用于从艺术到设计和培训的各种应用。

3D扫描仪的概述

最早出现的是接触式测量方法，代表是三维坐标测量机，虽然精度达到微米量级（0.5mm），但是由于体积巨大、造价高以及不能测量柔软的物体等缺点，使其应用领域受到限制 。

于是出现了非接触式测量方法，主要分两类。

一类是被动方式，就是不需要特定的光源，完全依靠物体所处的自然光条件进行扫描，常采用双目技术，但是精度低，只能扫描出有几何特征的物体，不能满足很多领域的要求。

另一类是主动方式，就是像物体投射特定的光，其中代表技术激光线式的扫描，精度比较高，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。另外，由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害，所以不能应用于某些特定领域。

新兴的技术是结构光式的扫描，结构光也属于主动方式，通过投影或者光栅投射同时多条光线，就可以采取物体的一个表面，只需要几个面的信息就可以完成扫描，最大的特点是扫描速度快，而且可编程实现。

还有一种是低频脉冲波(低频声波)式原理，主要应用于物位测量方面。基于二维数组波束形成器传送低频脉冲，介可视3D物位扫描仪接收来自筒仓、仓室或其他容室内物料的回波。设备的数字信号处理器对接收到的信号进行取样和分析，通过估算回波到达的时间和方向，处理器形成一个物料表面的三维图，这个图像通过一种专有的计算方法对信息进行处理并生成3D图象，可以在远端屏幕上显示出来. 物位计可以据此准确得出物料的体积和质量，够使工艺物位监测和库存控制达到一个新的高度。料位计精确的物料检测能够提高操作效率和管理能力，高成本突发状况减少，加快收益回馈。

三维扫描仪工作原理

三维扫描仪的基本工作原理是：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。

XTOM三维拍照式扫描仪是一款高精度三维光学扫描仪，专为工业三维扫描而研发制造，适用于工业检测的全流程全域数字化处理。新拓三维XTOM三维拍照式扫描仪具有高精度的细节测量性能和工业级的稳定性，适用于各种严苛工业环境下的高精度数据测量。

为何一提到三维扫描仪，大家想到的都是激光扫描仪？

1. 什么是三维扫描仪？

一种可以获取物体表面坐标、颜色等信息的实物数字化工具。通常基于计算机视觉原理，利用立体视觉技术（双目相机或单目相机+投影仪） 实现。可形象的称之为三维照相机，即可以输出物体三维坐标和颜色信息的照相机。

2. 我可以拿三维扫描仪做什么？

三维扫描仪核心功能是可以实现实物数字化，即可以获取一个现实世界中物体的数字化模型。因此，与此相关的需求都可以使用三维扫描仪实现，如逆向建模、文物考古、虚拟现实、商品展示、游戏动漫等领域现在都在大量使用三维扫描仪。

3. 三维扫描仪有哪些类型？

为了获得较高的扫描精度，一般需要人为在被扫描物体表面制造标记。这种标记通常由向物体表面投射某种结构光来实现。常见的结构光通常有两种，即线结构光和面结构光。激光是线结构光的一种典型代表，又可以分为单线激光和多线激光；面结构光可以通过投影仪来实现，可使用普通卤素灯投影仪或专业投影仪来进行编码图案的投射，根据投射时编码图案的颜色不同，面结构光又可分为白光和蓝光两种。因此，按照上述分类标准，三维扫描仪主要可以分为激光扫描仪和结构光扫描仪两类。

三维扫描仪价格？

网上有很多价格信息，我归下类：

100万左右的，较大型进口三维扫描仪，一般为激光测绘或车床设计方面

70~80万的，较大型的进口货，扫描文物或者人体什么的，国内有一家叫北京博维恒信的人体三维扫描仪，全套下来大概在这个价位。

50~60万，高精细三维扫描仪，国外除了便携式的大多都在这个价位，国内大多都是复合型的，也就是三维扫描仪和三坐标测量机集成在一起，能有这个价位。

30万~40万，国外的便携式三维扫描仪和国内高精度型的差不多也在这个层次上

10万~20万，国内的便携式，手持式三维扫描仪

5~10万，市场上有一些盗版三维扫描仪价格较低，就看它的信誉能力能不能支撑了

3d扫描仪哪家好

3d扫描仪嘉腾的比较好。

一、产品介绍：三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

二、产品特点：

1.独立摄景测量功能：超越空间的精度保证。

2.单目定位技术：物体表面无需粘贴定位标点。

3.双目扫描相机：高效采集物体表面信息，形成高品质三维模型。

4.真正的“拿来即扫”：物体表面无需粘贴定位标点，也无需跟踪器和球形靶标框架，显著提高扫描工作效率。

5.独立摄影测量功能：蓝色LED光源，成像清晰度远远高于红外光源，且独立对焦，大大提升摄景测量精度。