干貨 3D打印的“眼睛”-三維掃描技術調查報告

三維掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，通過測量空間物體表面點的三維坐標值，得到物體表面的點云信息，并轉化為計算機可以直接處理的三維模型，又稱為“實景復制技術”。
三維掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，用軟件來進行三維重建計算，在虛擬世界中創(chuàng)建實際物體的數字模型。這些模型具有相當廣泛的用途，舉凡工業(yè)設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫(yī)學信息、生物信息、刑事鑒定、數字文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應用，示了巨大的技術先進性和強大的生命力。
一、三維掃描儀分類
三維掃描儀主要分為以下幾類：

三維掃描儀分類

1.1 接觸式測量儀
接觸式測量又稱為機械測量，這是目前應用最廣的自由曲面三維模型數字化方法之一。三坐標測量機是接觸式三維測量儀中的典型代表，它以精密機械為基礎，綜合應用了電子技術、計算機技術、光學技術和數控技術等先進技術。
根據測量傳感器的運動方式和觸發(fā)信號的產生方式的不同，一般將接觸式測量方法分為單點觸發(fā)式和連續(xù)掃描式兩種。接觸式三維掃描適用性強、精度高（可達微米級別）；不受物體光照和顏色的限制；適用于沒有復雜型腔、外形尺寸較為簡單的實體的測量；由于采用接觸式測量，可能損傷探頭和被測物表面，也不能對軟質的物體進行測量，應用范圍受到限制；受環(huán)境溫濕度影響；同時掃描速度受到機械運動的限制，測量速度慢、效率低；無法實現全自動測量；接觸測頭的掃描路徑不可能遍歷被測曲面的所有點，它獲取的只是關鍵特征點，因而，它的測量結果往往不能反映整個零件的形狀。在行業(yè)中的應用具有極大的限制。
三坐標測量機的工作原理為：使用各種不同直徑和形狀的探針(或稱為接觸測頭)作為測量傳感器，當探針沿被測物體表面運動時，被測表面的反作用力使探針發(fā)生形變。這種形變觸發(fā)測量傳感器，將測出的信號反饋給測量控制系統，經計算機進行相關的處理得到所測量點的三維坐標。
現代計算機技術和光電技術的發(fā)展使得基于光學原理、以計算機圖像處理為主要手段的三維自由曲面非接觸式測量技術得到了快速發(fā)展，各種各樣的新型測量方法不斷產生，它們具有非接觸、無損傷、高精度、高速度以及易于在計算機控制下實行自動化測量等一系列特點，已經成為現代三維面形測量的重要途徑及發(fā)展方向。三維激光掃描儀和三維照相式掃描儀占據了及其重要的位置。


1.2 非接觸式測量儀

1、三維激光掃描儀
三維激光掃描儀按照掃描成像方式的不同，激光掃描儀可分為一維(單點)掃描儀、二維(線列)掃描儀和三維(面列)掃描儀。而按照不同工作原理來分類，可分為脈沖測距法（亦稱時間差測量法）和三角測量法。

脈沖測距和三角測量掃描儀

脈沖測距法：激光掃描儀由激光發(fā)射體向物體在時間t1發(fā)送一束激光，由于物體表面可以反射激光，所以掃描儀的接收器會在時間t2接收到反射激光。由光速c，時間t1，t2算出掃描儀與物體之間的距離d=(t2-t1)c/2。

脈沖測距法原理圖

顯而易見的，脈沖測距式3D激光掃描儀，其測量精度受到掃描儀系統準確地量測時間的限制。當用該方式測量近距離物體的時候，由于時間太短，就會產生很大誤差。所以該方法比較適合測量遠距離物體，如地形掃描，但是不適合于近景掃描。
三角測距法：用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面，然后從另一角度對物體表面上的激光光斑進行成像，物體表面激光照射點的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD（圖像傳感器）光電探測器測出光斑像的位置，就可以計算出主光線的角度θ。然后結合己知激光光源與CCD之間的基線長度d，經由三角形幾何關系推求掃描儀與物體之間的距L≈dtanθ。

三角測距法原理圖

手持激光掃描儀通過上述的三角形測距法建構出3D圖形：通過手持式設備，對待測物發(fā)射出激光光點或線性激光。以兩個或兩個以上的偵測器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。這些掃描儀獲得的數據，會被導入電腦中，并由軟件轉換成3D模型。
三角測量法的特點：結構簡單、測量距離大、抗干擾、測量點�。◣资�微米）、測量準確度高。但是會受到學元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征等因素的影響。
三維激光掃描儀的特點：①非接觸測量，主動掃描光源；②數據采樣率高；③主動發(fā)射掃描光源；④高分辨率、高精度；⑤數字化采集、兼容性好；⑥可與外置數碼相機、GPS 系統配合使用。
2、 三維照相式掃描儀
在非接觸式三維掃描儀中，還有一個很重要的就是三維白光掃描儀，其工作過程類似于照相過程，掃描物體的時候一次性掃描一個測量面，快速，簡潔，因此而得名。照相式三維掃描采用的是面光技術，掃描速度非�？�，一般在幾秒內便可以獲取百萬多個測量點，基于多視角的測量數據拼接，則可以完成物體360度掃描，是三維掃描和工業(yè)設計、工業(yè)檢測的好助手。

照相式三維掃描儀

三維照相式掃描儀采用的結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的三維非接觸式測量方式，測量時光柵（光點）裝置投射數幅特定編碼的結構光線（點）到待測物體上，成一定夾角的兩個(或多個)攝像頭同步采得相應圖象，然后對圖象進行相位和解碼計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，解算出兩個(或多個)工業(yè)相機公共視場內物體表面像素點的三維坐標。

照相式三維掃描原理圖

三維照相式掃描儀的特點：①非接觸測量；②精度高，單面測量精度可達微米級別；③對環(huán)境要求較低；④對個別顏色（如黑色）及透明材料有限制，需要噴涂顯像劑方能較好的掃描出來。


二、企業(yè)和市場情況
三維激光式掃描儀擁有很廣泛的市場應用，具有光明的市場前景，因此國際、國內也有很多廠家致力于開發(fā)相關設備，搶占市場先機。具調研，目前國內外中具有一定市場影響力的廠家有如下11家：

1、三維型創(chuàng)公司（Creaform）
三維型創(chuàng)（Creaform）公司成立于2002年，是一家從事便攜式3D測量和分析技術設備的3D掃描成像的科技公司。該公司員工總計340人，其中CAD員工140人，計量學專家和3D掃描專家42人；目前在全世界有8個分公司，其中上海分公司員工達到30多人，在中國有35個經銷商。2012年，三維型創(chuàng)公司實現銷售收入4450加元，同比增長19%；2013年上半年銷售額與2012年相比增長了41%，預計能超額完成5250萬加元的年度目標。
三維型創(chuàng)公司的主要技術是利用可見光（如激光、白光），采用逆向工程，通過掃描，實現對物品的3D建模，其尺寸精度達到±0.045mm，具體的測量原理為三角測距法。其產品可用于產品的快速成型、逆向工程、快速雕塑成型，與3D打印機技術結合，可進行快速樣品制造。
該公司主要產品有：1.手持式3D激光掃描儀；2.便攜式激光光筆；3.光學坐標測量3D掃描儀；4.動態(tài)跟蹤模塊；5.用于輸油管道完整性評估的3D掃描解決方案等。

2、德國GOM公司
GOM公司始建于1990年，是全球三維光學測量領域的領導者。GOM公司的主要業(yè)務是光學測量系統開發(fā)和銷售，其主要側重于應用，如三維數字化，三維坐標測量，變形測量和質量控制。GOM三維掃描系統可用于產品開發(fā)和質量保證，材料和部件測試。其產品廣泛應用于汽車行業(yè)、航空航天行業(yè)和消費品行業(yè)，同時為世界各地的研究中心和學校提供教學實驗設備。
GOM提供ATOS Triple Scan、ATOS Compact Scan、ATOS Core、ATOS Scan-Box等多個型號三維掃描系統，廣泛適用于不同的應用場合和應用需求，如便攜式三維掃描系統，機器人自動化掃描系統等。ATOS三維掃描系統的的核心為ATOS掃描頭，其測量原理為結構光源原理。ATOS工業(yè)三維光學掃描技術系列能高速地提供精準及細膩的掃描數據。另外其提供的三維測量數據更可作全面分析，如鈑金零件，工具和模具，渦輪葉片，原型，注塑件，鑄件，等工業(yè)部件，有別於一般單點或激光測量，ATOS能擷取物件的完整表面幾何形狀和基元，通過密集的點云或多邊形網格表現出來。

3、Z Corporation公司
Z Corporation是世界上速度最快三維成型機的開發(fā)商、制造商和營銷商。Z Corporation致力于制造物美價廉的多功能產品，包括全球快速且高分辨率3D打印機（可通過數字數據制作彩色3D物理原型的設備）以及獨特的便攜式3D掃描儀（實時數字化3D表面的手持式設備）。Z Corporation的技術適用于制造業(yè)、建筑、土木工程、逆向工程、地理信息系統（GIS）、醫(yī)療及娛樂等行業(yè)的眾多應用。
2012年，Z Corporation宣布推出便攜式3D激光掃描儀ZScanner600，價格約為64萬元。ZScanner600擁有眾多優(yōu)點，包括僅有0.1毫米的分辨率以及高達80微米的XY軸精度；由于ZScanner600在掃描時可自行定位并以部件為參考坐標，因此，用戶可在掃描過程中可隨意移動目標對象而不影響掃描。
4、Polhemus公司
Polhemus (波爾希默斯)是三維位置/定位跟蹤系統全球的頭號供應商。主要產品有PATRIOT運動跟蹤系統，LIBERTY 電磁跟蹤器、LIBERTY無線跟蹤系統、FASTRAK運動跟蹤系統、FastScan 三維立體掃描儀、SCOUT軍用六自由度跟蹤系統等等，這些產品廣泛應用于醫(yī)療行業(yè)，大學研究，軍事訓練和模擬產業(yè)，計算機輔助設計產業(yè)。

COBRA售價約為27萬，SCORPION售價約為33萬，Scorpion機型配有兩臺攝像頭，掃描時，雙攝像頭可以對激光束機型監(jiān)控，記錄下物體的表面輪廓，操作更簡單。在距離被掃描物體20厘米范圍內，可分辨到0.5mm；最佳可分辨0.1毫米。 掃描速度是每秒50線，線和線之間的間隔取決于激光頭的移動速度，在每秒50毫米的移動速度下，分辨率是1毫米。
5、加拿大NDI公司
NDI公司是光學測量領域的領導者，總部位于加拿大技術三角區(qū)安大略省沃特盧，共有100多名員工，至今已有27年研發(fā)歷史。NDI主要面向醫(yī)療、工業(yè)及科研領域提供最優(yōu)質的三維測量技術和服務。其三維測量技術的精度和可信度深受全球用戶信賴，在全球范圍內安裝了約14000余套先進三維測量系統，主要應用在電腦輔助治療、臨床步態(tài)分析、體育/生物力學研究、工業(yè)零件檢測和人體工程學應用領域。其三維激光掃描系統主要包括兩款產品：三維激光掃描器ScanTRAK和手持式三維激光掃描儀VicraScan。

三維激光掃描器ScanTRAK采用NDI光學跟蹤器與ScanWorks V5激光掃描器相結合，能同時實現非接觸式手持激光掃描和接觸式坐標測量強大功能及方便操作的特性。其精度可高達 0.0240mm（符合NIST標準），分辨率0.0137mm；移動范圍（1.5m-6m 可測量20立方米）；使用無需標定。
手持式三維激光掃描儀VicraScan集三維模型的創(chuàng)建、比較和處理功能于一身，掃描精度達到0.04mm，具有自我定位技術，無需關節(jié)臂、三坐標測量機或其他任何跟蹤定位裝置，確保隨時隨地開始掃描測量，安裝過程瞬間完成，被測工件表面安放目標靶后可迅速開始測量。

6、3D CaMega—北京博維恒信公司
3D CaMega光學三維掃描系統由北京博維恒信科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)。目前，博維恒信研發(fā)的3D CaMega光學三維掃描系列產品,包括兩大系列(工業(yè)三維掃描系列和人體三維掃描系列)幾十種款型的三維掃描儀產品，其中非接觸式人體三維掃描儀填補了國內空白，其對人體無害的白光掃描技術，打破了國外在三維掃描行業(yè)的高新技術壟斷,給國內用戶帶來了極大的便利.
3D CaMega主要型號有便攜式CPC雙目系列、便攜式CF單目系列、頭部掃描系統、足部掃描系統等，掃描精度達到0.1mm，價格約在24萬元。

7、深圳精易迅科技有限公司
深圳市精易迅科技有限公司是一家長期致力于非接觸式三維掃描及檢測系統研發(fā)、銷售及服務一體化的專業(yè)三維數字化高科技公司，擁有點、線、面不同系列的激光和白光三維掃描系統，可提供從三維掃描、工業(yè)檢測到工業(yè)設計、腳型鞋楦定制、逆向工程等一系列解決方案，并力爭成為國內該行業(yè)最全面最完備的解決方案廠商。
精易迅公司的主要產品有PTS-H400M綜合型三維掃描儀、PTS-J200精密型三維掃描儀、PTS-FM四目型三維掃描儀等，其主要特點在于：測量精度可達0.02mm~0.05mm； 測量景深范圍為300~500mm；可以掃描小至幾毫米大至幾米的物體，適合不同大小產品。

8、德國博爾科曼公司
德國博爾科曼公司成立于1986年，是白光掃描測量行業(yè)的開拓者，也一直是行業(yè)的領航企業(yè)。他們的產品種類最多在汽車等工業(yè)，文物保護和動畫行業(yè)，牙齒假肢等醫(yī)療行業(yè)和人體掃描都是應用最廣泛，最成功的企業(yè)。其3D白光掃描系統采用了特有的專利技術“微結構光投影技術”和非對稱結構，具有如下優(yōu)點：


1)幾乎能測任何物體表面，測量精度可達20um。
2)測量精度高，例如德國博爾科曼stereoSCAN-HE 三維掃描儀的測量精度可達4um，重服測量精度高，一致性好。
3)抗震動，便攜性好很好。
4)對位拼接技術。
5)邊緣檢測技術。
博爾科曼的主要產品有stereoSCAN-HE 三維掃描儀和SmartSCAN 三維掃描儀。博爾克曼的d-StationSCAN測量系統與KaVo合作在牙齒測量和制作行業(yè)已銷售1000多臺套，是世界上在該行業(yè)用的最多最成功的測量系統。完全適合于義齒、骨骼、珠寶飾品等小物件的三維數據抄速掃描。

9、德國Steinbichler光電技術有限公司
德國Steinbichler 光電技術有限公司成立于1987年，是世界先進的光學測量和檢測技術提供商。該公司的產品有：三維數字化掃描系統；表面檢測系統；輪胎檢測系統；相位剪切干涉-無損檢測系統；振動與變形分析系統（電視相位剪切干涉系統，ESPI/PulsESPI系統），主要應用于汽車、航空航天及輪胎業(yè)領域。
三維數字化掃描系統包括基于白光光柵/條紋投影原理的Comet®系統，以及手持式激光掃描儀T-SCAN系統。

10、杭州先臨三維科技股份有限公司
先臨三維公司成立于2004年，先專注于三維數字化與3D打印技術，將兩項技術進行融合創(chuàng)新，提供專業(yè)三維數字技術綜合解決方案，應用于工業(yè)制造、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意三大領域, 幫助這些行業(yè)的客戶降低產品開發(fā)制造成本，縮短產品交付周期，并有效提高產品和服務品質。公司是國內3D打印與三維數字化技術一體化應用的領軍企業(yè)，中國3D打印技術產業(yè)聯盟副理事長單位，浙江省3D打印產業(yè)聯盟理事長秘書長單位，光學三維測量系統（三維掃描儀）的行業(yè)標準第一起草單位。
先臨三維公司的主要產品有OpticScan通用系列三維掃描儀、 OpticScan-Q-Plus 升級版四目三維掃描儀、OpticScan-D-Plus 升級版雙目三維掃描儀等。

11、北京天遠三維科技公司
北京天遠三維科技有限公司成立于2002年。天遠三維掃描儀是北京天遠三維科技有限公司與清華大學聯合開發(fā)的具有自主知識產權的照相式三維掃描系統。該系統已達到國際先進水平，其掃描方式有別于傳統的激光點掃描方式，通過在物體表面投射光柵，用兩架攝像機拍攝發(fā)生畸變的光柵圖像，以實現物體表面三維輪廓的測量。天遠三維掃描儀主要型號有OKIO-H型、OKIO-B型、OKIO-F型、OKIO-S型。

三、科研院所
1、上海光機所
2011年，中科院上海光學精密機械研究所研制成功了地基全視景三維成像激光掃描儀�！暗鼗�全視景三維成像激光掃描儀”是一種非接觸式主動測量系統，采用激光三維掃描技術（又稱“實景復制技術”），是繼GPS全球空間定位系統之后測繪技術領域的又一項新突破。該測量系統可進行大面積高密度空間三維數據的采集，完整獲取各種大型、復雜及不規(guī)則實體或實景的三維數據，為獲取物體空間位置信息提供全新技術手段。產品可廣泛應用于城市三維模型重建、建筑工程、電網工程、公路隧道測量、文物保護等領域。
2、西安交通大學
西安交通大學模具與塑性加工研究所、西安交通大學信息機電研究所和上海數造機電科技有限公司共同研發(fā)3DSS系列三維掃描儀。該掃描儀為是光柵投影照相式三維測量儀，采用目前國際上最先進的結構光非接觸照相測量原理。該掃描儀目前已開發(fā)出兩代產品，第二代的四個型號是：3DSS-STD-II(標準型)、3DSS-MINI-II（迷你型）、3DSS-HI-II（高端型）、3DSS-STDC-II(彩色標準型)。

四、總結
總的來講，3D掃描技術廣泛應用于軍事、工業(yè)制造業(yè)、文化產業(yè)、生物醫(yī)療產業(yè)等領域，具有非常廣闊的市場前景。目前國內國際都有大批公司進行著三維掃描儀的研發(fā)和銷售工作，比較國內外各公司的產品及目前發(fā)展情況，我們發(fā)現，目前三維掃描技術以主動式掃描技術為主，其光源多采用激光或白光，產品中以三維照相式掃描儀居多。國外公司如三維型創(chuàng)公司、GTO公司引領著三維掃描技術的發(fā)展，雖然目前國內的三維掃描技術有了一定的發(fā)展，涌現出一批企業(yè)，但是，其產品和技術均以仿制國外為主，請關注南極熊3d打印網。
來源：航天先進結構資訊
延伸閱讀：
干貨 | 手持三維掃描儀大解析