【中關(guān)村在線辦公打印頻道原創(chuàng)】為什么3D打印那么火？因?yàn)?D技術(shù)早已有之，火是市場(chǎng)趨勢(shì)，工業(yè)界尋找技術(shù)發(fā)力點(diǎn)，3D打印恰好符合條件，桌面式個(gè)人3D打印前景廣闊，開源技術(shù)基礎(chǔ)又讓準(zhǔn)入門檻大為降低。綜合也都造成了目前火的景象。

可是相對(duì)3D掃描對(duì)大部分人來說是一個(gè)陌生的詞語(yǔ)。最近MakerBot公司即將發(fā)布3D掃描產(chǎn)品。這款產(chǎn)品是3D打印技術(shù)的一個(gè)衍生設(shè)備。作為3D打印機(jī)的眼神，3D掃描有望獲得人們的青睞。那么什么是3D掃描技術(shù)呢？3D掃描技術(shù)有哪些應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)呢？和3D打印能否有所結(jié)合呢？本文將全面系統(tǒng)的介紹，讓您更加了解3D掃描技術(shù)。

精度超過原物倒模 3D掃描儀技術(shù)解析

什么是3D掃描儀？

三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學(xué)儀器，用來偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀(幾何構(gòu)造)與外觀資料(如顏色、表面反照率等性質(zhì))。搜集到的資料常被用來進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中建立實(shí)際物體的數(shù)位模型。這些模型具有相當(dāng)廣泛的用途，舉凡工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測(cè)、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)引、地貌測(cè)量、醫(yī)學(xué)資訊、生物資訊、刑事鑒定、數(shù)位文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應(yīng)用。

3D掃描儀

三維掃描儀的制作并非仰賴單一技術(shù)，各種不同的重建技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，成本與售價(jià)也有高低之分。目前并無(wú)一體通用之重建技術(shù)，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。例如光學(xué)技術(shù)不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而雷射技術(shù)不適用于脆弱或易變質(zhì)的表面。

3D掃描儀示意圖

三維掃描儀可模擬為照相機(jī)，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機(jī)所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測(cè)量的是距離。由于測(cè)得的結(jié)果含有深度信息，因此常稱之。

3D掃描儀分類

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(dòng)掃描(active)與被動(dòng)掃描(passive)，這些分類下又細(xì)分出眾多不同的技術(shù)方法。使用可見光影像達(dá)成重建的方法，又稱做基于機(jī)器視覺(vision-based)的方式，是今日機(jī)器視覺研究主流之一。

柯尼卡美能達(dá) RANGE7/RANGE5 非接觸式三維掃描儀

柯尼卡美能達(dá)非接觸式三維掃描儀RANGE7/RANGE5對(duì)不同外形輪廓的工業(yè)部件，包括沖壓件、加工件、模具、成型件、鑄件以及注塑件，瞬間掃描并將其轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型可以精確的在電腦屏幕上重現(xiàn)。使用選配應(yīng)用軟件，通過對(duì)比這個(gè)掃描數(shù)據(jù)和三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，你就可以快速獲得軟件自動(dòng)導(dǎo)出的檢測(cè)報(bào)告，包括全局誤差、界面誤差、壁厚分配以及GD&T（幾何尺寸及公差）。這使得制造工序中的工作速度以及產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。

3D雷射掃描儀 可用于掃描建筑物

接觸式掃描：接觸式三維掃描儀透過實(shí)際觸碰物體表面的方式計(jì)算深度，如座標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當(dāng)精確，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測(cè)物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用于高價(jià)值物件如古文物、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(zhǎng)的時(shí)間，現(xiàn)今最快的座標(biāo)測(cè)量機(jī)每秒能完成數(shù)百次測(cè)量，而光學(xué)技術(shù)如雷射掃描儀運(yùn)作頻率則高達(dá)每秒一萬(wàn)至五百萬(wàn)次。

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(如雷射)，而是以測(cè)量由待測(cè)物表面反射周遭輻射線的方法，達(dá)到預(yù)期的效果。由于環(huán)境中的可見光輻射，是相當(dāng)容易取得并利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測(cè)環(huán)境的可見光為主。但相對(duì)于可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應(yīng)用于這項(xiàng)用途的。因?yàn)榇蟛糠智闆r下，被動(dòng)式掃描法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支援，這類被動(dòng)式產(chǎn)品往往相當(dāng)便宜。非接觸被動(dòng)式掃描包括：立體視覺法(Stereoscopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立體光學(xué)法(Photometric Stereo)和輪廓法等?！　?/p>

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，借由能量的反射來計(jì)算三維空間資訊。就是像物體投射特定的光，其中代表技術(shù)激光線式的掃描，精度比較高，但是由于每次只能投射一條光線，所以掃描速度慢。另外，由于激光會(huì)對(duì)生物體以及比較珍貴的物體造成傷害，所以不能應(yīng)用于某些特定領(lǐng)域。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。非接觸主動(dòng)式掃描包括：時(shí)差測(cè)距(Time-of-Flight)、三角測(cè)距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、結(jié)構(gòu)光源(Structured Lighting)和調(diào)變光(Modulated Lighting)等等。

第3頁(yè)：小型3D掃描儀即將上市

小型3D掃描儀即將上市

MakerBot似乎在推廣3D打印事業(yè)上做出了不少貢獻(xiàn)，近來一家名為Matterform的企業(yè)正準(zhǔn)備生產(chǎn)一種簡(jiǎn)單、小型的3D掃描儀，作為3D打印機(jī)的互補(bǔ)出現(xiàn)在市場(chǎng)上，這家公司已經(jīng)為此在Indiegogo上發(fā)布了籌款項(xiàng)目。

Photon 3D掃描儀

這款名為Photon的3D掃描儀合起來的時(shí)候尺寸與普通打印機(jī)無(wú)異，打 開后就會(huì)見到承載掃描物體的平臺(tái)。機(jī)器運(yùn)作過程中，圓形托盤會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)身上裝載的攝像頭和激光會(huì)開始掃描收集該物體的外形數(shù)據(jù)，耗時(shí)約3分鐘。

Photon 3D掃描儀

這款3D掃描儀最大能夠掃描9.75英寸高、7.5英寸寬(約24.77×19.05cm)的物體，參與發(fā)起的籌款項(xiàng)目中，購(gòu)買這款設(shè)備需要392美元(約合人民幣2438元)。當(dāng)然除了這臺(tái)設(shè)備外，Matterform還為此推出了配套的掃描軟件。Matterform的目標(biāo)是造出更為易用的掃描儀產(chǎn)品，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印的普及。

因?yàn)榇蟛糠钟脩魺o(wú)法自行構(gòu)建物體模型，所以3D打印自然也會(huì)受阻。而如果能將3D打印機(jī)與掃描儀配合使用，就能完成許多小型簡(jiǎn)單物體的復(fù)制工作，也為家用或手工制品提供很好的助力。Matterform表示，最早一批的Photon將于7月份出貨，前提是籌款至少要到80000美元的目標(biāo)，離此籌款項(xiàng)目結(jié)束還有32天，目前還需要60000美元。

第4頁(yè)：手機(jī)變成3D掃描儀

手機(jī)變成3D掃描儀

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，三維掃描儀價(jià)格不菲，通常用于工業(yè)設(shè)計(jì)模型的三維掃描儀售價(jià)在數(shù)千美元。目前，設(shè)計(jì)師最新開發(fā)一個(gè)手機(jī)應(yīng)用軟件，能夠讓手機(jī)成為3D掃描儀，該軟件僅售價(jià)300美元。

最新手機(jī)軟件可使智能手機(jī)成為價(jià)廉物美的3D掃描儀

這款手機(jī)應(yīng)用軟件叫做“Moedls”，基于iPhone手機(jī)或iPad電腦，以及一個(gè)商用激光器、轉(zhuǎn)盤和簡(jiǎn)單的盒子，便能實(shí)現(xiàn)物體的3D掃描。發(fā)明者是約翰-費(fèi)爾，他曾成功設(shè)計(jì)磁性彈弓和升空磁性雕像。

最新手機(jī)軟件可使智能手機(jī)成為價(jià)廉物美的3D掃描儀

將一部智能手機(jī)放置在三腳架上，把需要掃描的物體放在轉(zhuǎn)盤上，一個(gè)小型激光器瞄準(zhǔn)掃描物體，之后激光器照亮進(jìn)行掃描。激光器的功能有點(diǎn)兒像照相機(jī)閃光燈，提供一個(gè)真實(shí)明亮的光源，使相機(jī)能夠拍攝到掃描物體的細(xì)節(jié)部分。

最新手機(jī)軟件可使智能手機(jī)成為價(jià)廉物美的3D掃描儀

費(fèi)爾說：“3D掃描難度較大的部分實(shí)際是轉(zhuǎn)盤，很難發(fā)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)緩慢，并且足夠穩(wěn)定。在此之前我曾使用過一個(gè)老式留聲機(jī)。”

當(dāng)掃描物體在轉(zhuǎn)盤上轉(zhuǎn)動(dòng)，智能手機(jī)相機(jī)能夠拍攝更多照片，最終獲得3D圖像結(jié)構(gòu)。目前，這款手機(jī)軟件仍在等待蘋果公司的審批，如果獲批將出現(xiàn)在iPhone手機(jī)的應(yīng)用商店中，同時(shí)，該軟件的手機(jī)安卓版正在研發(fā)之中。

之前曾有一些手機(jī)應(yīng)用軟件基于智能手機(jī)相機(jī)功能實(shí)現(xiàn)3D圖像呈現(xiàn)，但其中一些軟件必須要求具備雙相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行深層掃描。

第5頁(yè)：3D掃描與3D打印結(jié)合

3D掃描與3D打印結(jié)合

三維立體打印屬于一種快速成型(Rapid prototyping)技術(shù)，是一種由CAD數(shù)據(jù)(3D掃描數(shù)據(jù))通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。這一成型過程不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀。它可以自動(dòng)、快速、直接和精確地將計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效的縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮減生產(chǎn)成本。

3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)原理圖

光是將3D打印機(jī)、3D掃瞄器與自動(dòng)機(jī)器人技術(shù)分別應(yīng)用，就已經(jīng)可以創(chuàng)造非常多造福人類的用途。不過現(xiàn)在，一群來自 Drexel 大學(xué)的科學(xué)家正研究將以上三項(xiàng)技術(shù)予以融合的全新應(yīng)用，希望能成功塑造出可供教育與實(shí)驗(yàn)用途的小型恐龍骨架模型。

3D掃描與3D打印結(jié)合

首先，他們透過 3D 掃瞄器將恐龍骨骼標(biāo)本先數(shù)字化之后，再經(jīng)由 3D 打印機(jī)打造出體積縮小些的等比例模型，科學(xué)家們更期望能以此為基礎(chǔ)制造出能正常運(yùn)作的機(jī)器人模型，來幫助研究這些恐龍與其他生物在史前環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)原理。此計(jì)劃預(yù)計(jì)將于今年完成恐龍的肢體部份，之后一兩年間則會(huì)將研究方向轉(zhuǎn)為制造出完全復(fù)制恐龍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的機(jī)器龍模型。不知道未來是否有機(jī)會(huì)能在科學(xué)博物館里親眼見到這些恐龍機(jī)器人的展出，想必應(yīng)該會(huì)更有置身侏羅紀(jì)公園的感覺吧

第6頁(yè)：3D掃描儀可還原古生物化石

3D掃描儀可還原古生物化石

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，奧地利科學(xué)家成功復(fù)原了一塊此前未知的動(dòng)物化石的原貌。根據(jù)復(fù)原圖，這只動(dòng)物渾身長(zhǎng)滿釘狀結(jié)構(gòu)，據(jù)信是現(xiàn)代魷魚與章魚的祖先。此項(xiàng)研究由奧地利國(guó)家歷史博物館進(jìn)行，研究人員利用3D掃描技術(shù)逐層掃描化石，而后制作出一段視頻，展示這種動(dòng)物如何生活和移動(dòng)身體。

白堊紀(jì)時(shí)期的古生物

這種動(dòng)物被稱之為“Dissimilites intermedius”，生活在距今1.28億年前的白堊紀(jì)時(shí)期。它的化石在海底形成，最后在阿爾卑斯山白云石山山頂?shù)某练e物中發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家表示計(jì)算機(jī)X線斷層攝影術(shù)允許他們看到肉眼無(wú)法看到的一些細(xì)節(jié)，幫助他們進(jìn)一步了解這種古生物。根據(jù)他們的研究發(fā)現(xiàn)，這種動(dòng)物的身體被釘狀結(jié)構(gòu)覆蓋，每一個(gè)的長(zhǎng)度在3到4毫米之間。

科學(xué)家在挖掘原古生物化石

3D掃描技術(shù)掃描化石

研究人員利用3D掃描技術(shù)逐層掃描化石，而后制作出一段視頻，展示這種動(dòng)物如何生活和移動(dòng)身體

博物館發(fā)言人表示：“這塊化石代表此前一個(gè)未知的物種。計(jì)算機(jī)X線斷層攝影術(shù)和先進(jìn)的3D復(fù)原程序不僅可以幫助復(fù)原一年前在白云石山發(fā)現(xiàn)的化石的原貌，同時(shí)也能根據(jù)這種動(dòng)物的肢體留下的印記了解其如何移動(dòng)身體。

　　小結(jié)：三維掃描系統(tǒng)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，是對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字。三維掃描系統(tǒng)可以用于建筑和土木工程、加工工業(yè)和數(shù)字工廠、檢測(cè)和逆向工程、歷史遺產(chǎn)恢復(fù)工程、取證和事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等場(chǎng)合。與三維打印機(jī)技術(shù)相結(jié)合，可以將數(shù)據(jù)真實(shí)化，為科學(xué)研究、數(shù)據(jù)分析，以及我們的生活帶來便利。更多3d掃描儀資訊請(qǐng)關(guān)注納金網(wǎng)http://www.westwoodtownhomes.com/