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        3D Scanner(二)

        • 來源:光虎



        3D Scanner(二):3D掃描技術方式



        三維掃描儀分類為接觸式(contact)與非接觸式(non-contact)兩種,后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。使用可見光視頻達成重建的方法,又稱做基于機器視覺(vision-based)的方式,是今日機器視覺研究主流之一。




        接觸式掃描

         

        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,常被用于工程制造產業,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,因此不適用于高價值對象如古文物、遺跡等的重建作業。此外,相較于其他方法,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,而光學技術如激光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

        主動式掃描是指將額外的能量投射至物體,借由能量的反射來計算三維空間信息。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)

        時差測距(time-of-flight,或稱“飛時測距”)的3D激光掃描儀是一種主動式(active)的掃描儀,其使用激光光探測目標物。一些以時差測距為主要技術的激光測距儀(laser rangefinder)確定儀器到目標物表面距離的方式,是測定儀器所發出的激光脈沖往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個激光光脈沖,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,并記錄時間。由于光速(speed of light){ c}為一已知條件,光信號往返一趟的時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{ t}為光信號往返一趟的時間,則光信號行走的距離等于{ (c t)/2}。顯而易見的,時差測距式的3D激光掃描儀,其量測精度受到我們能多準確地量測時間{ t},因為大約3.3皮秒(picosecond;微微秒)的時間,光信號就走了1毫米。


        激光測距儀每發一個激光信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),就必須使每個激光信號以不同的角度發射。一些激光測距儀透過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡(rotating mirrors)可達成此目的。旋轉鏡由于較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高,是較廣泛應用的方式。典型時差測距式的激光掃描儀,每秒約可量測10,000到100,000個目標點。

         

        三角測距(Triangulation)

        三角測距3D激光掃描儀,也是屬于以激光光去偵測環境的主動式掃描儀。相對于飛時測距法,三角測距法3D激光掃描儀發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。隨著待測物(距離三角測距3D激光掃描儀)距離的不同,激光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形測距法,是因為激光光點、攝影機,與激光本身構成一個三角形。在這個三角形中,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。透過攝影機畫面中激光光點的位置,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三角形,并可計算出待測物的距離。在很多案例中,以一線形激光條紋取代單一激光光點,將激光條紋對待測物作掃描,大幅加速了整個測量的進程。


        手持激光(Handhold Laser)

        手持激光掃描儀透過上述的三角形測距法建構出3D圖形:透過手持式設備,對待測物發射出激光光點或線性激光光。以兩個或兩個以上的偵測器(電耦組件或位置感測組件)測量待測物的表面到手持激光產品的距離,通常還需要借助特定引用點——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。這些掃描儀獲得的數據,會被導入電腦中,并由軟件轉換成3D模型。手持式激光掃描儀,通常還會綜合被動式掃描(可見光)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(Structured Lighting)

        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行掃描,相對于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,故能用于動態測量。

         



        調變光(Modulated Lighting)

        調變光三維掃描儀在時間上連續性的調整光線的強弱,常用的調變方式是周期性的正弦波。借由觀察視頻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。


        非接觸被動式掃描


        被動式掃描儀本身并不發射任何輻射線(如激光),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。由于環境中的可見光輻射,是相當容易獲取并利用的,大部分這類型的掃描儀以偵測環境的可見光為主。但相對于可見光的其他輻射線,如紅外線,也是能被應用于這項用途的。因為大部分情況下,被動式掃描法并不需要規格太特殊的硬件支持,這類被動式產品往往相當便宜。

         

        立體視覺法(Stereoscopic)
        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,類似人類借由雙眼感知的視頻相疊推算深度(當然實際上人腦對深度信息的感知歷程復雜許多),若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度,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。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析(correspondence analysis),一般使用區塊比對(block matching)或對極幾何(epipolar geometry)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)

        早期由B.K.P. Horn等學者提出,使用視頻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(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。此法之后由Woodham派生出立體光學法。


        立體光學法(Photometric Stereo)

        為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足,立體光學法采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,每次僅打開一盞光源。拍攝完成后再綜合三張照片并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(Lambertian surface)的物體。


        輪廓法

        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,重建后將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置于電動轉盤上,每次旋轉一小角度后拍攝其視頻,再經由視頻處理技巧去除背景并取出輪廓線條,搜集各角度之輪廓線后即可“刻劃”成三維模型。


        用戶輔助

        另外有些方法在重建過程中需要用戶提供信息,借助人類視覺系統之獨特性能,輔助完成重建程序。

        這些方式都是基于照片攝影原理,針對同個物體拍攝視頻以推算三維信息。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視頻使之得以重建場景環境。



        【來源:網絡】


        http://www.realdoll-shop24.com   光虎光電科技(天津)有限公司

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