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三維掃描儀的測量方法分類(lèi)
日期:2016/4/6 9:44:04

接觸式掃描

接觸式三維掃描儀通過(guò)實(shí)際觸碰物體表面的方式計算深度,如座標測量機即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當精確,常被用于工程制造產(chǎn)業(yè),然而因其在掃描過(guò)程中必須接觸物體,待測物有遭到探針破壞損毀之可能,因此不適用于高價(jià)值對象如古文物、遺跡等的重建作業(yè)。此外,相較于其他方法接觸式掃描需要較長(cháng)的時(shí)間,現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量,而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則高達每秒一萬(wàn)至五百萬(wàn)次。非接觸主動(dòng)式掃描主動(dòng)式掃描是指將額外的能量投射至物體,借由能量的反射來(lái)計算三維空間信息。常見(jiàn)的投射能量有一般的可見(jiàn)光、高能光束、超音波與 X 射線(xiàn)。

時(shí)差測距

時(shí)差測距,或稱(chēng)'飛時(shí)測距'的3D激光掃描儀是一種主動(dòng)式的掃描儀,其使用激光光探測目標物。圖中的光達即是一款以時(shí)差測距為主要技術(shù)的激光測距儀。此激光測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式,是測定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時(shí)間換算而得。即儀器發(fā)射一個(gè)激光光脈沖,激光光打到物體表面后反射,再由儀器內的探測器接收信號,并記錄時(shí)間。由于光速 為一已知條件,光信號往返一趟的時(shí)間即可換算為信號所行走的距離,此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍,故若令 為光信號往返一趟的時(shí)間,則光信號行走的距離等于。顯而易見(jiàn)的,時(shí)差測距式的3D激光掃描儀,其量測精度受到我們能多準確地量測時(shí)間 ,因為大約 3.3 皮秒;微微秒)的時(shí)間,光信號就走了 1 公厘。

激光測距儀每發(fā)一個(gè)激光信號只能測量單一點(diǎn)到儀器的距離。因此,掃描儀若要掃描完整的視野(field of view),就必須使每個(gè)激光信號以不同的角度發(fā)射。而此款激光測距儀即可通過(guò)本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡(rotating mirrors)達成此目的。旋轉鏡由于較輕便、可快速環(huán)轉掃描、且精度較高,是較廣泛應用的方式。典型時(shí)差測距式的激光掃描儀,每秒約可量測10,000到100,000個(gè)目標點(diǎn)。

三角測距

三角測距3D激光掃描儀,也是屬于以激光光去偵測環(huán)境情的主動(dòng)式掃描儀。相對于飛時(shí)測距法,三角測距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測物上,并利用攝影機查找待測物上的激光光點(diǎn)。隨著(zhù)待測物(距離三角測距3D激光掃描儀)距離的不同,激光光點(diǎn)在攝影機畫(huà)面中的位置亦有所不同。這項技術(shù)之所以被稱(chēng)為三角型測距法,是因為激光光點(diǎn)、攝影機,與激光本身構成一個(gè)三角形。在這個(gè)三角形中,激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度,是我們已知的條件。通過(guò)攝影機畫(huà)面中激光光點(diǎn)的位置,我們可以決定出攝影機位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個(gè)三角形,并可計算出待測物的距離。在很多案例中,人們以一線(xiàn)形激光條紋取代單一激光光點(diǎn),將激光條紋對待測物作掃描,大幅加速了整個(gè)測量的進(jìn)程。

手持激光掃描儀通過(guò)上述的三角形測距法建構出3D圖形:通過(guò)手持式設備,對待測物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線(xiàn)性激光光。 以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的偵測器(電耦組件 或 位置傳感組件)測量待測物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離,通常還需要借助特定參考點(diǎn)-通常是具黏性、可反射的貼片-用來(lái)當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數據,會(huì )被導入電腦中,并由軟件轉換成3D模型。手持式激光掃描儀,通常還會(huì )綜合被動(dòng)式掃描(可見(jiàn)光)獲得的數據(如待測物的結構、色彩分布),建構出更完整的待測物3D模型。

結構光源

將一維或二維的圖像投影至被測物上,根據圖像的形變情形,判斷被測物的表面形狀,可以非??斓乃俣冗M(jìn)行掃描,相對于一次測量一點(diǎn)的探頭,此種方法可以一次測量多點(diǎn)或大片區域,故能用于動(dòng)態(tài)測量。

調變光

使用投影機將正弦波調變之光柵投射于書(shū)本上。調變光三維掃描儀在時(shí)間上連續性的調整光線(xiàn)的強弱,常用的調變方式是周期性的正弦波。借由觀(guān)察圖像每個(gè)像素的亮度變化與光的相位差,即可推算距離深度。調變光源可采用激光或投影機,而激光光能達到極高之精確度,然而這種方法對于噪聲相當敏感。

非接觸被動(dòng)式掃描

被動(dòng)式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線(xiàn)(如激光),而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線(xiàn)的方法,達到預期的效果。由于環(huán)境中的可見(jiàn)光輻射,是相當容易取得并利用的,大部分這類(lèi)型的掃描儀以偵測環(huán)境的可見(jiàn)光為主。但相對于可見(jiàn)光的其他輻射線(xiàn),如紅外線(xiàn),也是能被應用于這項用途的。因為大部分情況下,被動(dòng)式掃描法并不需要規格太特殊的硬件支持,這類(lèi)被動(dòng)式產(chǎn)品往往相當便宜。

立體視覺(jué)法

傳統的立體成像系統使用兩個(gè)放在一起的攝影機,平行注視待重建之物體。此方法在概念上,類(lèi)似人類(lèi)借由雙眼感知的圖像相疊推算深度(當然實(shí)際上人腦對深度信息的感知歷程復雜許多),若已知兩個(gè)攝影機的彼此間距與焦距長(cháng)度,而截取的左右兩張圖片又能成功疊合,則深度信息可迅速推得。此法須仰賴(lài)有效的圖片像素匹配分析,一般使用區塊比對或對極幾何算法達成。使用兩個(gè)攝影機的立體視覺(jué)法又稱(chēng)做雙眼視覺(jué)法,另有三眼視覺(jué)與其他使用更多攝影機的延伸方法。

色度成形法

早期由 B.K.P. Horn 等學(xué)者提出,使用圖像像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解,方程式之解即深度信息。由于方程組中的未知數多過(guò)限制條件,因此須借由更多假設條件縮小解集之范圍。例如加入表面可微分性質(zhì)、曲率限制、光滑程度以及更多限制來(lái)求得精確的解。此法之后由 Woodham 派生出立體光學(xué)法。

立體光學(xué)法

為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足,立體光學(xué)法采用一個(gè)相機拍攝多張照片,這些照片的拍攝角度是相同的,其中的差別是光線(xiàn)的照明條件。最簡(jiǎn)單的立體光學(xué)法使用三盞光源,從三個(gè)不同的方向照射待測物,每次僅打開(kāi)一盞光源。拍攝完成后,再綜合三張照片并使用光學(xué)中的完美漫射模型解出物體表面的梯度矢量,經(jīng)過(guò)矢量場(chǎng)的積分后即可得到三維模型。此法并不適用于光滑而不近似于朗伯表面的物體。

輪廓法

此類(lèi)方法是使用一系列物體的輪廓線(xiàn)條構成三維形體。當物體的部分表面無(wú)法在輪廓聯(lián)機展現時(shí),重建后將丟失三維信息。常見(jiàn)的方式是將待測物放置于電動(dòng)轉盤(pán)上,每次旋轉一小角度后拍攝其圖像,再經(jīng)由圖像處理技巧去除背景并取出輪廓線(xiàn)條,搜集各角度之輪廓線(xiàn)后即可“刻劃”成三維模型。

用戶(hù)輔助

另外有些方法在重建過(guò)程中需要用戶(hù)提供信息,借助人類(lèi)視覺(jué)系統之獨特性能,輔助完成重建程序。這些方式都是基于照片攝影原理,針對同個(gè)物體拍攝圖像以推算三維信息。另一種類(lèi)似的方式是全景重建,乃是在定點(diǎn)上拍攝四周圖像使之得以重建場(chǎng)景環(huán)境。

 

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