三維掃描儀

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三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學儀器,用來偵測並分析現實世界中物體或環境的形狀(幾何構造)與外觀資料(如顏色、表面反照率等性質)。 蒐集到的資料常被用來進行三維重建計算,在虛擬世界中建立實際物體的數位模型。這些模型具有相當廣泛的用途,舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學資訊、生物資訊、刑事鑑定、數位文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其應用。三維掃描儀的製作並非仰賴單一技術,各種不同的重建技術都有其優缺點,成本與售價也有高低之分。目前並無一體通用之重建技術,儀器與方法往往受限於物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面,而雷射技術不適用於脆弱或易變質的表面。

功能[编辑]

三維掃描儀的用途是建立物體幾何表面的 點雲(point cloud),這些點可用來插補成物體的表面形狀,越密集的點雲可以建立更精確的模型(這個過程稱做三維重建)。若掃描儀能夠取得表面顏色,則可進一步在重建的表面上貼上材質貼圖,亦即所謂的材質印射(texture mapping)。

三維掃描儀可類比為照相機,它們的視線範圍都呈現圓錐狀,資訊的蒐集皆限定在一定的範圍內。兩者不同之處在於相機所抓取的是顏色資訊,而三維掃描儀測量的是距離。由於測得的結果含有深度資訊,因此常以深度影像(depth image)距離影像(ranged image)稱之。

由於三維掃描儀的掃描範圍有限,因此常需要變換掃描器與物體的相對位置或將物體放置於電動轉盤(turnable table)上,經過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型整合的技術稱做影像註冊(image registration)或對齊(alignment),其中涉及多種三維比對(3D-matching)方法。

技術[编辑]

三維掃描儀分類為接觸式(contact)與非接觸式(non-contact)兩種,後者又可分為主動掃描(active)與被動掃描(passive),這些分類下又細分出眾多不同的技術方法。使用可見光影像達成重建的方法,又稱做基於機器視覺(vision-based)的方式,是今日機器視覺研究主流之一。

接觸式掃描[编辑]

接觸式三維掃描儀透過實際觸碰物體表面的方式計算深度,如座標測量機(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當精確,常被用於工程製造產業,然而因其在掃描過程中必須接觸物體,待測物有遭到探針破壞損毀之可能,因此不適用於高價值物件如古文物、遺跡等的重建作業。此外,相較於其他方法接觸式掃描需要較長的時間,現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量,而光學技術如雷射掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。

非接觸主動式掃描[编辑]

主動式掃描是指將額外的能量投射至物體,藉由能量的反射來計算三維空間資訊。常見的投射能量有一般的可見光、高能光束、超音波與 X 射線。

時差測距(Time-of-Flight)[编辑]

光達(lidar,LIght Detection And Ranging的縮寫,或稱3D雷射掃描儀)可用於掃描建築物、岩層(rock formations)等,以製作3D模型。光達的雷射光束可掃描相當大的範圍:如圖中此款的儀器頭部可水平旋轉360度,而反射雷射光束的鏡面則在垂直方向快速轉動。儀器所發出的雷射光束,可量測儀器中心到雷射光所打到第一個目標物之間的距離。

時差測距(time-of-flight,或稱'飛時測距')的3D雷射掃描儀是一種主動式(active)的掃描儀,其使用雷射光探測目標物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術的雷射測距儀(laser rangefinder)。此雷射測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式,是測定儀器所發出的雷射脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個雷射光脈衝,雷射光打到物體表面後反射,再由儀器內的探測器接收訊號,並記錄時間。由於光速(speed of light)  c 為一已知條件,光訊號往返一趟的時間即可換算為訊號所行走的距離,此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍,故若令 t 為光訊號往返一趟的時間,則光訊號行走的距離等於 (c \cdot t) / 2 。顯而易見的,時差測距式的3D雷射掃描儀,其量測精度受到我們能多準確地量測時間 t ,因為大約 3.3 皮秒(picosecond;微微秒)的時間,光訊號就走了 1 公釐。

雷射測距儀每發一個雷射訊號只能測量單一點到儀器的距離。因此,掃描儀若要掃描完整的視野(field of view),就必須使每個雷射訊號以不同的角度發射。而此款雷射測距儀即可透過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡(rotating mirrors)達成此目的。旋轉鏡由於較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高,是較廣泛應用的方式。典型時差測距式的雷射掃描儀,每秒約可量測10,000到100,000個目標點。

三角測距(Triangulation)[编辑]

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

三角測距3D雷射掃描儀,也是屬於以雷射光去偵測環境情的主動式掃描儀。相對於飛時測距法,三角測距法3D雷射掃描儀發射一道雷射到待測物上,並利用攝影機尋找待測物上的雷射光點。隨著待測物(距離三角測距3D雷射掃描儀)距離的不同,雷射光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法,是因為雷射光點、攝影機,與雷射本身構成一個三角形。在這個三角形中,雷射與攝影機的距離、及雷射在三角形中的角度,是我們已知的條件。透過攝影機畫面中雷射光點的位置,我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形,並可計算出待測物的距離。在很多案例中,人們以一線形雷射條紋取代單一雷射光點,將雷射條紋對待測物作掃描,大幅加速了整個測量的行程。National Research Council of Canada 是致力於研發三角測距雷射掃描技術的協會之一(1978)。[1]


手持雷射(Handhold Laser)[编辑]

手持雷射掃描儀透過上述的三角形測距法建構出3D圖形:透過手持式裝置,對待測物發射出雷射光點或線性雷射光。 以兩個或兩個以上的偵測器(電耦元件位置感測元件)測量待測物的表面到手持雷射產品的距離,通常還需要借助特定參考點-通常是具黏性、可反射的貼片-用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的資料,會被匯入電腦中,並由軟體轉換成3D模型。手持式雷射掃描儀,通常還會綜合被動式掃描(可見光)獲得的資料(如待測物的結構、色彩分佈),建構出更完整的待測物3D模型。

結構光源(Structured Lighting)[编辑]

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,可以非常快的速度進行掃描,相對於一次測量一點的探頭,此種方法可以一次測量多點或大片區域,故能用於動態測量。

調變光(Modulated Lighting)[编辑]

使用投影機將正弦波調變之光柵投射於書本上。

調變光三維掃描儀在時間上連續性的調整光線的強弱,常用的調變方式是週期性的正弦波。藉由觀察影像每個像素的亮度變化與光的相位差,即可推算距離深度。調變光源可採用雷射或投影機,而雷射光能達到極高之精確度,然而這種方法對於雜訊相當敏感。

非接觸被動式掃描[编辑]

被動式掃描儀本身並不發射任何輻射線(如雷射),而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法,達到預期的效果。由於環境中的可見光輻射,是相當容易取得並利用的,大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對於可見光的其他輻射線,如紅外線,也是能被應用於這項用途的。因為大部分情況下,被動式掃描法並不需要規格太特殊的硬體支援,這類被動式產品往往相當便宜。

立體視覺法(Stereoscopic)[编辑]

傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機,平行注視待重建之物體。此方法在概念上,類似人類藉由雙眼感知的影像相疊推算深度[1](當然實際上人腦對深度資訊的感知歷程複雜許多),若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度,而擷取的左右兩張圖片又能成功疊合,則深度資訊可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析(correspondence analysis),一般使用區塊比對(block matching)對極幾何(epipolar geometry)演算法達成。

使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法(binocular),另有三眼視覺(trinocular)與其他使用更多攝影機的延伸方法。

色度成形法(Shape from Shading)[编辑]

早期由 B.K.P. Horn 等學者提出,使用影像像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解,方程式之解即深度資訊。由於方程組中的未知數多過限制條件,因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質(differentiability)、曲率限制(curvature constraint)、光滑程度(smoothness)以及更多限制來求得精確的解。此法之後由 Woodham 衍生出立體光學法。

立體光學法(Photometric Stereo)[编辑]

為了彌補光度成形法中單張照片提供之資訊不足,立體光學法採用一個相機拍攝多張照片,這些照片的拍攝角度是相同的,其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學法使用三盞光源,從三個不同的方向照射待測物,每次僅開啟一盞光源。拍攝完成後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射(perfect diffusion)模型解出物體表面的梯度向量(gradients),經過向量場的積分後即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面(Lambertian surface)的物體。

輪廓法[编辑]

此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓線上展現時,重建後將遺失三維資訊。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上,每次旋轉一小角度後拍攝其影像,再經由影像處理技巧去除背景並取出輪廓線條,蒐集各角度之輪廓線後即可「刻劃」成三維模型。

使用者輔助[编辑]

另外有些方法在重建過程中需要使用者提供資訊,借助人類視覺系統之獨特性能,輔助完成重建程序。

這些方式都是基於照片攝影原理,針對同個物體拍攝影像以推算三維資訊。另一種類似的方式是全景重建(panoramic reconstruction),乃是在定點上拍攝四周影像使之得以重建場景環境。

重建[编辑]

應用[编辑]

材質處理與製造[编辑]

工業製造與工程[编辑]

娛樂[编辑]

逆向工程[编辑]

文化資產[编辑]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  • François Blais, Michel Picard, Guy Godin, "Accurate 3D acquisition of freely moving objects," Proceedings. 2nd International Symposium on 3D Data Processing, Visualization and Transmission, 2004, pp.422-429.
  • Qian Chen, Toshikazu Wada, "A light Modulation/Demodulation Method for Real-Time 3D Imaging," Fifth International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, 2005, pp.15-21.
  • Brian Curless, "From Range Scans to 3D Models," ACM SIGGRAPH Computer Graphics, Vol. 33, Issue 4, Nov 2000, pp.38-41.
  • Joseph P. Lavelle, Stefan R. Schuet, Daniel J. Schuet, "High Speed 3D Scanner with Real-Time 3D Processing," 2004 IEEE International Workshop on Imaging Systems and Techniques, 2004, pp.13-17.
  • Katsushi Lkeuchi, "Modeling from Reality," Third International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, 2001, pp.117-124.
  1. ^ Roy Mayer, Scientific Canadian: Invention and Innovation From Canada's National Research Council, Vancouver: Raincoast Books, 1999.

外部連結[编辑]