從古老三角法到現代高精尖掃描儀

當我們對對物體進(jin)行三(san)維測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)時(shi)(shi)，一個非常重要的(de)(de)話題，便是如何捕捉被測(ce)(ce)(ce)點的(de)(de)空間三(san)維坐(zuo)標信息，而比較常用(yong)的(de)(de)方法(fa)就是三(san)角測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)法(fa)。人(ren)類對于(yu)三(san)角測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)法(fa)的(de)(de)應(ying)用(yong)由來已久(jiu)，早在古埃及(ji)時(shi)(shi)期人(ren)們就已經使(shi)用(yong)三(san)角測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)法(fa)來進(jin)行測(ce)(ce)(ce)繪。而三(san)維掃(sao)描儀(yi)，作為一類常見的(de)(de)光學測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)儀(yi)器，其應(ying)用(yong)的(de)(de)主要測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)方法(fa)即三(san)角測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)法(fa)。

三角測量的實現

三角測(ce)量(liang)的(de)(de)基(ji)本構(gou)成要素(su)分(fen)為(wei)(wei)測(ce)站，觀測(ce)角和測(ce)站間距(ju)，根據(ju)三角形的(de)(de)基(ji)本性質即(ji)可計(ji)(ji)算出被測(ce)物體的(de)(de)距(ju)離。而在三維掃(sao)(sao)描(miao)儀中(zhong)，三角測(ce)量(liang)由(you)多個視圖(tu)來(lai)完成，由(you)多個相機中(zhong)的(de)(de)照(zhao)片來(lai)構(gou)成觀測(ce)站，由(you)對掃(sao)(sao)描(miao)儀的(de)(de)標定獲(huo)得相機間距(ju)和夾角，從而構(gou)成三角計(ji)(ji)算的(de)(de)基(ji)本要素(su)。那么接(jie)下來(lai)的(de)(de)問(wen)題就是在多視圖(tu)的(de)(de)三角計(ji)(ji)算中(zhong)，如何確定照(zhao)片中(zhong)哪個點是來(lai)自于物體表(biao)面上同一(yi)個位(wei)置的(de)(de)，即(ji)多視圖(tu)中(zhong)的(de)(de)同源點。為(wei)(wei)了克服這一(yi)問(wen)題，也就此發展出了各(ge)種不同的(de)(de)方法來(lai)實(shi)現對物體表(biao)面的(de)(de)“編碼”過程。目前常見的(de)(de)兩(liang)種方法即(ji)為(wei)(wei)面結(jie)構(gou)光掃(sao)(sao)描(miao)和線(xian)激光掃(sao)(sao)描(miao)。

面結構光掃描：精密的“光柵編織者”

面(mian)結(jie)構光(guang)(guang)(guang)掃(sao)描(miao)儀使用投(tou)射出來(lai)的(de)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)條紋(wen)來(lai)對所投(tou)射光(guang)(guang)(guang)線(xian)范圍內的(de)物體表面(mian)進(jin)(jin)行編(bian)碼。常(chang)用的(de)編(bian)碼方法有，格雷碼，相移法，外差(cha)法等。為了提高對于(yu)投(tou)影(ying)識別的(de)精(jing)度(du)(du)，表面(mian)“編(bian)碼”的(de)計算常(chang)常(chang)以(yi)投(tou)射多幅圖案的(de)形(xing)式進(jin)(jin)行，即所謂“時域編(bian)碼”，并進(jin)(jin)一步(bu)將多種方法相互融合，結(jie)合先進(jin)(jin)的(de)數(shu)字光(guang)(guang)(guang)線(xian)處理技術(shu)(shu)可以(yi)實現高精(jing)度(du)(du)的(de)表面(mian)數(shu)據計算，實現工業級精(jing)密測量(liang)。這一技術(shu)(shu)具有精(jing)度(du)(du)高，表面(mian)數(shu)據獲取效率高，溯源性強的(de)特點。

線激光三維掃描：便攜的“激光畫師”

線(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)三維掃(sao)描(miao)儀主要使用(yong)激光(guang)(guang)(guang)(guang)線(xian)來進(jin)行(xing)物體表面(mian)編碼。與面(mian)結(jie)構光(guang)(guang)(guang)(guang)不(bu)同，線(xian)激光(guang)(guang)(guang)(guang)由于(yu)(yu)在(zai)整個面(mian)上并不(bu)連(lian)續，因此(ci)單(dan)次拍(pai)攝所(suo)投射(she)出的激光(guang)(guang)(guang)(guang)線(xian)即可實(shi)現表面(mian)數據(ju)的計算(suan)。連(lian)續不(bu)斷地拍(pai)攝激光(guang)(guang)(guang)(guang)線(xian)所(suo)“掃(sao)過”的位置即可實(shi)現三維掃(sao)描(miao)。由于(yu)(yu)其投射(she)的激光(guang)(guang)(guang)(guang)線(xian)區域相對較(jiao)小，對激光(guang)(guang)(guang)(guang)器功率要求更(geng)(geng)低，單(dan)次拍(pai)攝時(shi)間較(jiao)短(duan)，因此(ci)可以實(shi)現更(geng)(geng)小體積的手持式掃(sao)描(miao)。其具(ju)有(you)便攜，使用(yong)方便，適(shi)用(yong)場景廣泛的特點。

ZEISS ATOS家族

ZEISS ATOS家族(zu)產品是結(jie)構(gou)(gou)光(guang)(guang)三維掃描(miao)領域的(de)佼佼者(zhe)，其(qi)結(jie)構(gou)(gou)光(guang)(guang)技術(shu)(shu)經過(guo)數十年的(de)經驗積(ji)累，使其(qi)展現出出色的(de)精(jing)度，高(gao)細(xi)節分辨能力，良好(hao)的(de)設(she)備穩定性，使其(qi)獲得了眾(zhong)多用戶的(de)認可。而面結(jie)構(gou)(gou)光(guang)(guang)的(de)另一(yi)(yi)大問(wen)題(ti)在于如何使得投射出的(de)光(guang)(guang)線在更大的(de)范圍(wei)內仍然保(bao)持高(gao)亮度和均一(yi)(yi)性。ATOS家族(zu)產品中除(chu)了使用LED光(guang)(guang)源外，也(ye)克服(fu)了激(ji)光(guang)(guang)技術(shu)(shu)的(de)一(yi)(yi)些(xie)問(wen)題(ti)，采用面激(ji)光(guang)(guang)實(shi)現了更高(gao)亮度的(de)條(tiao)紋(wen)投影，即ATOS 5X三維掃描(miao)儀，實(shi)現更大范圍(wei)的(de)快速掃描(miao)。

由(you)于(yu)(yu)面(mian)結構光三維掃(sao)描的(de)(de)“時域編碼”的(de)(de)特點，其(qi)更(geng)容易實現(xian)多(duo)圖(tu)像的(de)(de)采集(ji)，因此(ci)其(qi)對于(yu)(yu)部(bu)件特征(zheng)的(de)(de)計(ji)算方法也更(geng)為(wei)多(duo)樣(yang)，如“灰度值特征(zheng)”等方法都(dou)是基于(yu)(yu)面(mian)結構光所開發出來的(de)(de)。面(mian)結構光三維掃(sao)描儀也更(geng)容易實現(xian)對于(yu)(yu)薄壁部(bu)件的(de)(de)特征(zheng)采集(ji)，結合其(qi)大測量(liang)范圍，可以更(geng)加快速(su)地(di)獲取(qu)完整的(de)(de)表(biao)面(mian)數據(ju)。因此(ci)廣泛地(di)應用于(yu)(yu)包括汽(qi)車制造，消費電子，航空航天(tian)等諸多(duo)有(you)著(zhu)高質(zhi)量(liang)要求(qiu)的(de)(de)行業。