3D 扫描仪

工业工程领域的一大进步是逆向工程的发展 过程。这包括直接从物理系统中提取信息并将其转换为数字模型。

在对系统或产品进行建模和仿真时，逆向工程具有许多优势。一方面，它允许从模型中提取直接信息， 更可靠，质量更高，另一方面，它加快并缩短了工作时间。这允许在更短的时间内更可靠地对复杂系统进行建模。

逆向工程应用最成功的领域之一是计量学，它实现了复杂几何形状的数字化。

3D 扫描仪

3D 扫描是将物理表面转换为数字模型的过程。 它包括提取该表面上多个点的相对位置（点云）并对包含它们的表面进行数字插值，从而重建零件的几何形状。

定义此点云的主要参数是分辨率和精度。分辨率由两点之间可以分辨的最小距离给出，精度由确定每个点的真实位置的误差给出。 更高的分辨率将允许捕获更小的细节，而高精度将使模型的尺寸更接近现实，因此公差更小。

为此目的设计的设备称为 3D 扫描仪。 根据技术的不同，有很多类型，它们可以分为两大类：接触式和非接触式。

接触式 3D 扫描仪 可能是最不常见的，尽管它们是最准确的。 它们由一个关节臂组成，通常有 6 个自由度，末端有一个手写笔。操作员用手写笔穿过表面，同时传感器以特定频率记录位置。该技术的主要缺点是它需要操作员使用手写笔扫描整个表面，这可能是一个非常缓慢的过程。 另一方面，触笔在表面上的摩擦会损坏表面，这对于考古文物或艺术品来说可能是个问题。

图 1：带 Faro 触点的 3D 扫描仪。来源：Faro.com

非接触式扫描仪 基于光学技术，分为两类：无源系统和有源系统。

被动系统 主要基于从两个定义的视点拍摄的照片中提取表面的几何信息，这种技术被称为立体视觉，并基于人类视觉的视差效应。它的主要优点是可以快速且便宜地绘制大表面， 但是它的分辨率和准确度很低。 此外，它不允许捕获真实测量值，因此它需要一个补充系统，允许将模型重新缩放到其真实尺寸。

最著名的被动 3D 扫描技术 是摄影测量， 主要用于地形测绘和土木工程。它通常辅以卫星定位数据，以添加准确的尺寸数据。

图片 2：通过摄影测量制作的地形模型。来源：aamspi.com

最后，还有主动式非接触式 3D 扫描系统。这是目前规模最大，在工业、艺术、医学、娱乐等领域应用最广泛的群体。

这种类型的系统基于测量表面发射的信号。 尽管可以使用能够与表面相互作用的任何类型的信号，例如超声波，最常见的系统是光学系统。

此类别中有多种技术，但是，最常见的有四种： 飞行时间3D扫描仪、三角测量3D扫描仪、相位差3D扫描仪和结构光3D扫描仪。

飞行时间 (Tof) 3D 扫描仪 ：基于通过测量激光脉冲往返于表面所需的时间来计算到表面的距离。 它结合了远距离和高频率的点采集。它主要用于绘制大型结构图或用作确定结构元素变形的计量工具 .如今，由于其激光雷达传感器在某些手机（如 iPhone）中的实施，非专业用途已变得司空见惯。

视频 1：在 iPhone 上使用 Tof 技术进行 3D 扫描。来源：labs.laan.com

三角测量或激光 3D 扫描仪： 它们由以特定角度定位的激光发射器和光电二极管阵列传感器组成。当激光束在要映射的表面上反射时，它会入射到传感器上的某个点，具体取决于到表面的距离。这使得可以对激光束入射点的位置进行三角测量。这是最准确的系统之一， 然而，这取决于激光入射到表面的角度，因此它需要非常短的工作距离。 适用于高分辨率、高精度的中小型物体测绘。

视频 2：3D 三角测量扫描仪的操作。来源：www.micro-epsilon.com

相位差扫描仪： 这是一个前两个解决方案的中间解决方案。 它们由调制激光发射器和检测器组成，通过比较发射光和接收光的相位来确定到物体的距离。它们具有良好的工作距离和中等精度， 使它们适用于高精度地映射大型对象。

结构光扫描仪： 可能是当今最常见的。 T 它们是最通用的 3D 扫描仪，因为它们结合了出色的分辨率、高精度、高采集速度和低成本。 它们由一个带有校准镜头的相机和一个将光图案投射到表面上的投影仪组成。 相机捕捉表面上这些图案变形的图像，并通过复杂的处理算法生成点云。该系统每次捕获可获得数百个点，因此具有较高的采集速度。此外，根据所使用的镜头，可以调整工作距离、精度和分辨率。它们还有一个优势，即许多模型（例如来自 Thor3D 的模型）可以手持使用，无需三脚架。它们的主要缺点是它们对环境光条件和零件的表面光洁度敏感，因此 3D 扫描必须在适当的照明下进行，并且在有光泽或透明的表面的情况下，可能需要涂上特殊的亚光涂料。

视频 3：校准结构光 3D 扫描仪。来源 Thor3Dscanner.com

点云处理

通常，3D 扫描系统不会捕获连续数据， 但是要捕获的表面的离散位置。这被称为点云。 3D扫描仪获取的点云不能直接使用，需要进行多次后处理才能实现数字复制。

模型的最终质量将取决于， 除了从质量点云开始，正确处理。 这需要具有良好重建算法的软件和一些点云处理知识。

首先，如果在多次捕获中执行了 3D 扫描，必须对齐并合并不同的点云以实现覆盖整个模型的单个点云。 对齐点云的准确性在很大程度上取决于 3D 扫描仪的跟踪能力。标记跟踪总是最容易对齐的，但是，在某些情况下无法使用标记，例如在艺术品的情况下。对于这些情况，一些扫描仪（例如 Calibry 或 Calibry Mini）包含多个跟踪选项，例如纹理跟踪。

视频 4：带标记的 3D 扫描。资料来源：Thor3Dscanner.com。

接下来，必须通过移除那些与表面不对应的点来清理点云， 要么是因为它们属于环境中的对象，要么是因为它们由于 3D 扫描仪中的错误而出现。高质量的 3D 扫描仪和良好的扫描过程将提供干净的点云，几乎没有或没有多余的点。

清理点云后，需要重建网格 .选择适当的参数将提供准确和正确调整的网格。

将点云转换为多边形网格后，需要对其进行检查和修复。最常见的缺陷之一通常是由于扫描过程中丢失数据而在网格中出现间隙。 修复这些缺陷的唯一方法是通过插值应用补丁。在软件中实现的插值算法的质量将影响重建的质量。

图 3：使用 Calibry Nest 修复网格中的孔。资料来源：Thor3Dscanner.com。

最后，有必要优化网格。 优化的类型在很大程度上取决于最终应用。 可以简化网格，以减小文件大小为代价牺牲分辨率。 网格简化通常有助于纠正小缺陷，从而获得更简单和更均匀的几何形状 .另一方面，可以通过插入新元素来提高网格分辨率。 增加网格分辨率不会增加捕获的分辨率 ，但是，它有助于在具有曲率的表面中获得更大的连续性和平滑度。

一些 3D 扫描仪，例如那些基于结构光的扫描仪，可以通过照片同时捕捉表面的纹理和颜色。 这允许通过允许将纹理映射到网格上来进行额外的处理步骤。这对于与艺术和娱乐相关的应用尤其有趣。

视频 5：使用 Calibry 扫描的 3D 纹理模型。资料来源：Thor3Dscanner.com。

3D 扫描仪在不同的工业领域有许多可能的应用。例如，在医学和骨科领域，他们可以数字化复制患者身体的某些部位，以开发定制的矫形器。在娱乐领域，它们已被广泛用于电影和视频游戏中，以创建演员的数字双胞胎。它们越来越多地用于艺术和考古学，以制作艺术品和历史文物的数字复制品，供世界各地的科学家研究。在工程方面，它们使复杂零件的设计计划变得更加容易，减少了工作时间并获得了更准确的模型。在检查中，它们可以更轻松地比较组件随时间变化的几何形状，以检测有助于防止故障的变形。

如今，3D 扫描仪是许多领域不可或缺的工具。 结构光等新技术的发展催生了新型 3D 扫描仪，这些扫描仪具有高分辨率和准确度，同时具有高数据采集速度和经济的价格。例如，新的 Calibry 和 Calibry Mini 扫描仪或 Shining 的 EinScan 系列。