结构光三维扫描仪工作原理

作者Matthew McMillion

2022年 11月 25日

长文

概要

为真正了解世上最优秀的三维扫描仪如何采集各种尺寸和难度的物体，我们必须先深入了解结构光工作原理。本文旨在深入浅出地向您阐释结构光相较于其他技术的优势，包括三坐标测量机、CGI摄影测量法。随后，我们将介绍对于结构光三维扫描仪而言，难度较大的表面可能有哪些特征。

扫描仪类型

桌面式、手持式、手持无线式

目标应用场景

逆向工程、医疗卫生、质检、考古、法医鉴定、CGI

物体尺寸分类

XS (<90x60x60 mm), S (5-20 cm), M (20-50 cm), L (50-200 cm), XL (>200 cm)

简介

在探究结构光三维扫描仪如何以难以置信的速度和精度捕获物体前，我们首先需要了解结构光是什么。

从实践角度来说，结构光是一种精确标定后的蓝光或白光信息，三维扫描仪将光束投射到扫描物体的表面。通常，这种光信息为一组平行线、条纹或网格。

结构光接触到物体表面后，由于表面的曲线、凹陷或突起，光线会被扭曲。

扫描仪投影仪（左）发射白光，通过中间的网格后，呈现为结构化的线条或条纹。网格条纹越粗，线条间的空隙就越小，“出口“处的线条就越窄。原本笔直的线条在遇到花瓶弧形表面后，随即发生变形。

与此同时，扫描仪的摄像头会一帧一帧地采集被反射回来的光束信息，记录光束的扭曲程度。同时，扫描软件会分析这些光信息，并据此准确复制出扫描物体全部表面的3D形象。

取决于扫描物体的大小和单次扫描的时间，三维扫描仪捕获的帧数可以是几十、几百、甚至几千。

反射光变成高清3D模型

扫描软件的模式识别和重建算法能够理解，一条光束若在某处变粗或变细时，意味着扫描物体的表面距离摄像头更近或是更远，同时，其他形状和结构也是由变形方式不同的结构光束决定的。

一些三维扫描仪还包括一个额外的摄像头，来捕获物体纹理。在三维扫描和三维建模的世界里，纹理是指物体色彩和其他可见的表面特征。

采集到的帧会被转换为3D模型。若扫描时也采集了纹理帧，那它们也会被“投射”到3D模型上，让最终模型既反映真实物体的尺寸，也从视觉上更逼真。

就手持式三维扫描仪而言，为采集物体每一面，扫描仪必须被拿起并在物体周围移动，而扫描仪的结构光束会从不同角度和位置，投射到物体表面，采集大量关于物体表面的精准细节（一些扫描仪每秒可捕获数百万点的表面数据！）您还可以为小型物体使用旋转台，这样一来，就能保持手持扫描仪位置不变，从各角度完成扫描。

若是一台固定式结构光扫描仪，比如Artec Micro，您只需将待扫描物体放在小型扫描平台上，扫描仪就能自动完成剩余工作。唯一需要人工干预的一步，就是要翻动一次物体，采集之前未暴露的部分。

物体尺寸——从发丝到鲸鱼颚骨

结构光三维扫描仪一个无可争议的优势就是可以无损地采集微型到巨型的物体，部分解决方案的准确度可达10微米，也就是说，不到一个白细胞的一半！

要点

如果您的工作往往围绕一种特定类型或尺寸的物体，那么一定要选择一台适合您工作任务的扫描仪！

尽管有些扫描仪能为一系列物体完成超精确的数字副本，但如果您平时通常处理一类尺寸固定的物体，那还是建议您考虑选择一台最适合任务需求的扫描仪。

例如，您经常扫描弹簧、齿轮、珠宝等微型手表部件。您或许需要考虑使用一台桌面式结构光扫描仪，如Artec Micro，即可一个接一个地轻松扫描零件。对于很小的航空航天部件而言，也是如此，例如传统的数控铣削阀门、螺纹螺栓、开关等。但如果您扫描的物体非常之大，例如人体，那很可能不需要1/7人类发丝的精度水平。而对于房间之类更大的物体，高品质手持式结构光扫描仪可以让您不费吹灰之力，轻松搞定。

速度与便携

如果工作流程包括数字捕获人体或任何动物，那您可能需要一台速度快的扫描仪，否则，若遇到扫描对象移动，就会轻易导致扫描对齐失败，从而为后期扫描处理带来巨大的工作量。在这种情况下，请务必查看扫描仪的捕获率FPS（每秒帧数）。该数值越高越好，除非您确定扫描对象绝对静止不会移动。

手持无线式 Artec Leo就是一款速度快、极致便携又不牺牲精度的三维扫描仪，其帧率高达80 FPS，数据捕获速度高达3500万点/秒。

若想评估多款结构光三维扫描解决方案，最明智的做法就是通过现场演示，亲眼见证扫描仪如何采集您所感兴趣的物体，甚至还可以亲自试用！近距离观察设备设置、扫描过程、扫描处理的难易程度。

结构光技术的独特优势

结构光三维扫描仪多年来作为全球上千万用户的首选技术，并非没有原因。事实上，原因还不少。接下来，我们将列举最重要的几点优势，并介绍最适用的一些领域。

无接触工作 对很多物体而言，用标记进行接触测量（三坐标测量机）或摄影测量完全不应予以考虑，例如扫描对象为独一无二的考古标本或博物馆展品，亦或是私人收藏的珍贵物品。

而结构光技术可以完整采集这类物体，且精度高达亚毫米级，全程几乎无需物理接触。想想法医和考古领域，大部分物体都要在现场扫描，精准记录被发现时的状态，不仅保留完整的物体，也要精确记录物体的周围环境。因此，由接触造成的损害，哪怕风险极其微小，也应当被降低到最低水平。

高速处理 如果手头项目的交付时间非常紧迫，想必您一定希望用到最流畅的工具，且不出状况。传统摄影测量法、三坐标测量机，或手动测量工具往往需要耗上一天才能完成的工作，现在结构光三维扫描仪只需一两个小时即可完成。

如上所述，另一个高速带来的优势，就是有些扫描对象，例如人体，无法长时间保持静止。除了之前提到的对齐失败，还有可能导致扫描外形改变，导致结果差别很大。

精度优异 和卡尺、标尺、甚至三坐标测量机等历史悠久的传统测量方式不同，结构光能为三维扫描工作流程带来质的提升。您可以采集整个物体或场景，而不再是表面的离散点或线条。

在真实世界中，我们所处理的产品、零件和其他类型的物体，往往是由多个表面和数百万数据点构成的，并非我们用于测量时所选取的几个点而已。对于结构光三维扫描技术而言，也就意味着能以亚毫米级精度捕获一切，从而为物体或场景完成全方位、高精度的数字记录。

对人体百分百无害 多年来，结构光在医疗行业多个领域得到了广泛应用。从年幼儿童到耄耋老人，无论是在医院、学校、企业还是其他地方，都已经过反复验证，得到了医学界的认可。

CT扫描仪采用辐射来捕捉物体表面和内部的几何，而结构光确实是经验证的无害高效扫描技术。

结构光三维扫描技术与两类摄影测量技术

虽然CGI和艺术工作中的摄影测量不需要专门的三维扫描仪，而且摄影测量也能用来创建高品质纹理3D模型，但这其中不无缺陷，其中最大的问题就是精度。

我们将在下节探讨另一种摄影测量法，它们适合有计量级精度要求的项目。但在本节，我们仅探讨传统摄影测量技术，也就是上文我们所说的CGI团队与3D建模人员常用的技术。

由于CGI摄影测量采集数据的速度慢，战线长，所以几乎不可能用于人体扫描。正如上文所说，扫描期间任何移动都会对最终模型的精准度和对齐效果产生严重影响。

对时间要求较高的项目也不能采用摄影测量技术。例如制造业中的各类检验，需要在几分钟内生成精准可靠的结果，这是避免出现供应链瓶颈的关键因素。

此外，这类摄影测量技术还依赖强大的计算机来处理所有图片。有时，这些图片数量将达到成百上千张。

艺术领域采用摄影测量还有一大问题，就是延迟反馈。简单来说，您只有在处理完所有图片，才能知道是否完整采集了物体表面。而这时，一切为时已晚。

考古学就是一个典型案例，考察期间或在偏远地区考古时发现的文物和化石不能带离现场。

与计量技术协作：三维扫描 + 计量摄影测量

最近，有一种数字采集解决方案在整个计量市场和其他领域掀起了波澜，这就是可用于三维扫描工作流程中的摄影测量套件—— DPA摄影测量。和CGI摄影测量技术不同，该技术不仅高度精准，而且整合相片的过程也无需花上几个小时。

若与三维扫描技术协同使用，DPA摄影测量法只需用于最开始精准采集物体或场景的物理尺寸，随后，以高度精准（高达10微米）的点云形式传输给三维扫描软件。

之后，您仅需对相片中采集的物体进行三维扫描即可，通过合并扫描仪的3D多边形网格和摄影测量的点云数据，之后的3D模型就会呈现出超高水准的精度与分辨率，广泛适用于各类计量级项目。

结构光三维扫描技术常见应用场景

逆向制造老旧部件与装配线

如今，许多公司都遇到过需要维修甚至替换旧设备的情况，但是，他们往往发现原始制造商不再供应这些产品，或已完全倒闭，不再生产。这种情况下，通过结构光三维扫描解决方案自力更生，复制这些部件，不仅可以省下大笔资金，还能省下难以估量的劳动时间。手动测量和CAD绘制部件需要耗费大量时间，还要一定专业知识，相比而言，手持式三维扫描仪就显得格外香。

精准记录考古、文化、历史文物

对于世界各地的博物馆和研究人员而言，结构光三维扫描仪让他们能够为极为珍贵的物品采集表面细节，无需担心破坏文物或化石。或许您需要为史前石器、中世纪古堡墙壁、人类祖先头骨制作精. 准无误的数字副本，以便存档。但无论如何，我们都要尽量避免对这些物体造成伤害，尽可能减少对它们进行物理操作。

制作超逼真全彩CGI和特效

采用结构光三维扫描技术为电影、电视、游戏制作栩栩如生的计算机图形，已经逐渐成为一种行业标准。用上像Artec Leo这样的便携式手持三维扫描仪，就能直接前往工作场地或工作室，随即开始扫描、处理，扫描几分钟后即可安排演员、道具甚至是整个场景的数字替身。

测量身材，让服装完美贴身

如果你需要精确测量身材，那卷尺的能耐十分有限。而这正是结构光三维扫描仪所向披靡之处。特别是如果拥有一台没有线缆束缚、操作速度飞快的手持式三维扫描仪，那就可以在几分钟内为人体完成全方位的数字采集。最后，就连最细心的裁缝都会羡慕您获得的身材数据。

为生产线进行光学测量与检验

许多制造商在检验产品时，最关心的问题之一就是如何准确地检测并量化物理结构中的差异，同时在检验时不对任何产品造成损坏。卡尺、千分尺、三坐标测量仪均为物理测量手段，而三维扫描仪不同，使用过程中，没有机会以任何方式划伤、刮伤表面，也不会出现表面变形。在三维扫描软件中，您还可以直观地看到制造上的差异，精度达到亚毫米级。

结构光扫描仪的潜在问题

在评估一项新技术时，我们不仅要了解它的相对优势，还要了解它是否存在任何缺点，这点非常重要。就结构光而言，这项技术利大于弊。当然，结构光三维扫描仪在某些条件下，也不是无所不能。

扫描对象无法保持静止

当手持式结构光三维扫描仪采集物体时，我们通常默认扫描物体是静止的，或至少其运动状态是受控的，例如放在旋转台上旋转。

虽然所有三维扫描仪或多或少都有这样的弊端，但扫描效果很大程度上取决于扫描仪的捕获帧率FPS。例如，如果扫描物体或扫描仪移动过多，扫描仪追踪可能丢失。但对于FPS很高的结构光扫描仪而言，这几乎不成问题。

三维扫描仪和摄影测量挑战高难度表面

对三维扫描和CGI摄影测量技术而言，总有几类表面很难采集。但现在，这些也不再造成任何挑战。做好前期准备，在高品质三维扫描仪的协助下，您就可以大幅提升数字采集的成功概率。

超深色表面： 虽然这些表面不太常见，但也确实存在。它们能轻松吸收结构光，所以无法正常反射到扫描仪的摄像头上。如果软件可以调节灵敏度，在扫描预览时，可以尝试调高扫描仪灵敏度，直到扫描仪能清晰呈现物体表面。

高反射率表面（如铬或其他反光金属）： 结构光射到表面后，又会朝不可预测的方向反射回去，因此，从技术角度而言，扫描仪摄像头无法充分捕获扭曲的光信息，无法生成准确的图像。您可尝试在物体不同角度、不同距离进行扫描。有时，只要调整扫描仪的位置和角度，就能避免垂直扫描。这样一来，结构光就不会直接反射到摄像头，而是渐渐散开。

玻璃、透明或半透明表面：扫描仪结构光穿过这些材料，或穿过材料时被扩散，就不能反射至摄像头，形成逼真的表面几何。但有不少方式，可以让这些表面正常反射结构光，不再吸收或扩散光线。一种DIY的方法就是将玉米淀粉或婴儿爽身粉洒在扫描物体的表面。此外，还有一些高品质哑光喷雾，会在几分钟到几小时后自行发挥。

毛发表面： 结构光射到这类表面后，会朝着多个方向反射，扫描仪摄像头通常无法采集到足够的光信息，来区分物体表面的几何。和深色表面相同，如果软件可以调节灵敏度，那把它调高后就能识别出毛发上的微小几何。如果您扫描的是头部，那一定要从一侧耳朵移动到另一侧耳朵，并将扫描仪向上移动到头顶，再越过头顶扫描另一侧。此外，如果可以让脖子和肩膀也尽可能出现在扫描范围内，就能辅助扫描仪以这些特征为基准进行追踪。

纤薄物体（或物体截面）: 这背后的根本难点在于，没有足够的表面区域可以接受结构光，也无法将足够的光反射至扫描仪摄像头。例如，扫描仪在扫描物体薄边时，其呈现的宽度可能只有几毫米（甚至更短）。多数时候，该问题可以通过在扫描仪的扫描范围内放置一个彩色或有图案的背景板来解决。这很简单，只要在扫描的物体或表面背后，放一张带文字或几何图形的纸即可。

凹面与凹槽： 无论扫描仪多厉害，即便手持式扫描仪可以轻松达到扫描区域，也会有结构光无法抵达的截面，或是部分扫描场景和物体，从而导致结构光无法反射回扫描仪的摄像头。简单来说，扫描仪无法“看见”这些区域，采集也就无从谈起。部分扫描仪或许在这方面表现良好。此外，对付这类难以达到的表面，最有效的解决方案就是通过AI驱动的扫描软件，直观地识别扫描中大量局部特征，并以高分辨率彩色3D形式重建这些表面。