3D建模：摄影测量与三维扫描

我们先来介绍三维扫描的工作原理，并总结市面上主流三维扫描仪类型。这有助于我们之后与摄影测量技术进行对比。

三维扫描是一项将真实物体转换为数字形态的技术，或者准确来说，将有关形状和色彩的信息转换成数字形态。一旦在电脑上完成了物体数字副本，你就拥有了无限可能：模型可用于检验、测量、修改，也能用于模拟或压力测试，方便分享、合作、导入AR/VR环境等等，不胜枚举。

你是如何为物体制作精准数字副本的？答案是：三维扫描仪。在过去几十年间，久经考验的传统三维扫描工具不断升级，全新技术不断出现，如今的三维扫描工具快速迭代。截至目前，结构光和激光三角测量扫描仪是使用最广泛的三维扫描工具。

结构光与激光三角测量三维扫描仪

这两类扫描仪的工作原理十分相近：扫描仪将光束投射到物体表面，扫描仪摄像头记录从物体反射回来的光束扭曲情况。其中的区别是，结构光扫描仪投射形成网格的白光或蓝光，而激光三角测量扫描仪投射的是简单线条。

扫描过程中，三维扫描仪收集关于物体表面的几百万点信息，扫描仪软件会分析光线的扭曲程度以及所有点位之间的相互关系，并据此在数字环境下重建物体。

对于结构光和激光三角测量三维扫描仪而言，3D点数据集被称为点云，它可以被转换为三维网格模型。取决于网格制作程序，拓扑结构可以由三角形或四边形组成，但无论如何，这些模型是由数百万个这样的面相连而成的。转换后的模型可以方便对物体进行进一步加工，可用于逆向工程、CAD、AR/VR应用等，从而实现上文提及的目的。

结构光和激光三维扫描技术在扫描几毫米到几米的小型物体时非常管用。这样，扫描物体并处理扫描仪收集的数据就会变得非常快，最终的3D模型也会十分精准，与原物极为相似。

飞行时间三维扫描技术

如果物体尺寸（高度或长度）超过了几十米，你或许需要选择一款采用飞行时间技术（TOF）的三维扫描仪，也叫脉冲式激光三维扫描技术。这类扫描仪可以认为是远距设备，和结构光、激光三角测量扫描仪不同，TOF扫描仪与物体的间距可达几米甚至几百上千米。

这项技术的原理是什么？扫描仪发射激光脉冲。当它们从表面反射回来时，会被扫描仪接收器接收，扫描仪会计算每个脉冲返回所用的时间（几分之一秒）。收集并记录数百万反弹的脉冲信息，扫描仪就能形成表面图片。准确度取决于你所使用的设备以及需要数字化的区域。如果你使用的是固定在三脚架上的三维扫描仪，那就有可能收到达到亚毫米级的精度；如果你需要绘制大面积地形图，且用了飞机或无人机，你的公差可能会达到几厘米。

三维扫描仪的利弊

从本文第一部分我们可以得出如下结论，如果你需要为尺寸较小或面积很大的区域完成精准数字副本，结构光、激光三角测量扫描以及TOF三维扫描仪都可以成为你的得力工具。正是由于优质三维扫描仪能够提供精准的空间数据，才使其成为部分领域不可或缺的工具，毕竟，有些领域中，一个微小的精度误差，可能会导致不可逆转的后果，甚至是一场灾难。三维扫描仪也在工业设计和工程领域颇受青睐，行业专家将设备用于一系列场景中，例如开发电子器件，确保管道稳固，对大规模生产的机械部件进行质量控制等等。

在医疗领域，三维扫描仪还被用于假肢和植入物的设计，在手术前后辅助评估整形手术效果，为患者制作完美贴合且持久耐用的产品。在艺术、娱乐、科研和博物馆，三维扫描仪可用于制作演员的数字替身，在考古现场和博物馆库房为几百万年前的化石制作数字模型，还能推动解剖学、古生物学甚至太空探索等领域的研究。最后，越来越多的法医人类学家开始借助三维扫描记录犯罪现场，这种方式又快又准确。

除了这些丰富的应用场景外，三维扫描仪还因操作简便而脱颖而出。例如，手持式扫描仪质量轻便，方便您绕着物体走动，采集全部表面。这款产品集合了三维扫描仪最先进的功能——内置触摸屏，可实时显示扫描进度，无需连接笔记本或平板电脑。不用笔记本或平板电脑，意味着你可以绕着物体自由移动，不用担心电线的牵绊。

屏幕提供的实时反馈对用户而言也很有价值，他们可以轻松检查是否完整捕获了物体表面。稍后，我们还会分析摄影测量法的利弊，但值得一提的是，带内置屏幕绝对是三维扫描仪的一大优势，你可以对采集的数据和遗漏的数据了如指掌。

此外，正如上文所述，三维扫描仪能采集物体形状，有些设备还能采集颜色，也就是三维扫描中俗称的“纹理”。尽管准确度是三维扫描不可否认的突出优势，但在摄影测量技术的协助下，三维扫描数据还能更进一步。

很多时候，你可能需要一个色彩逼真又极为精准的3D模型。这时，不妨把三维扫描和相片结合起来。

一个经典案例就是为时任美国总统的奥巴马制作3D雕像，这也是首座国家元首的3D肖像。当时，该项目同时使用了结构光扫描仪（Artec Eva）以及摄影测量法。或许你已经发现，摄影测量法在制作人体3D模型时，很难使用，我们的模特还是美国总统，时间相当宝贵。当时，他们的解决方法就是在总统周围安装特别的架子，放上80台相机，同时拍摄。这样一来，所有色彩、阴影、色调都能在最短的时间内被捕获，Artec Eva也能确保精准捕获总统头部的形状。

另一个案例是整车数字化。在这个项目中，我们使用了无线Artec Leo扫描仪，用于捕获汽车几何（车身及内饰）。对于工业设计师和工程师而言，准确的几何信息已绰绰有余。但在电游开发中，鲜艳的色彩比汽车空气动力学的准确性更重要，因此，游戏开发者需要在3D网格模型上叠加彩色相片。如此集成至电游中，汽车就会非常逼真，用户体验显著提升。

在软件方面，值得注意的是，Artec Studio结合三维扫描和摄影测量数据的操作更为简单。除了扫描数据捕获和处理功能外，软件还包含相片配准算法，用户可以将高分辨率相片应用至模型上，在很多情况下，提升色彩清晰度，使扫描更为真实。

一个相关案例中，Artec Studio使用了三维扫描和摄影测量的结合功能，为一张带有复杂丛林图案的椅子制作了数字模型。相片和Artec Leo的扫描数据结合，制作了纹理文件，随后使用软件的纹理算法贴至3D网格。除了这张色彩清晰鲜艳的椅子，这项功能还将耐克运动鞋140张高分辨率相片包裹在Artec Space Spider捕获的三维扫描模型上。

整个流程花了半个多小时，最后完成了十分逼真的耐克Kyrie 7篮球鞋。这双运动鞋的模型上能看到耐克360度抓地鞋底清晰可见的纹路。扫描时，运动鞋被倒置以避免折痕。另一个项目中，人们发现，即便是为一个微小的小虫模型添加精细纹理，算法也一样精准，小虫模型栩栩如生。这些案例都表明，Artec软硬件结合，细节水平更上一层楼。