激光雷达
激光雷达是一项测绘技术，采用激光来测量设备到目标表面的距离。简言之，这项技术能以惊人的精度为房间、大面积地形等各类对象生成三维地图。我们将在本文介绍激光雷达解决方案的功能特征、各种类型及应用方式。
在深入了解激光雷达扫描的原理之前，首先，我们来了解下激光雷达英文名称LiDAR是怎么来的。“radar”（雷达）的名称来源于“radio detection and ranging（无线电探测和测距）”，“sonar”（声呐）来源于“sound detection and ranging”（声音探测和测距）。而LiDAR同样是缩写。
“Light detection and ranging（光探测和测距）”或“laser imaging, detection, and ranging（激光成像、探测和测距）”，无论哪种方式的首字母缩写，都是LiDAR。
激光雷达能捕获的范围各不相同：从海拔、坑洞、植被到整个城市，您都可以在电脑屏幕上看到它们的三维地图，还能放大查看细节，或查看完整全貌。激光雷达，可谓功不可没。
为了更直观地介绍激光雷达的功能，这里举例说明：纽约市的三维地图就是根据激光雷达的空间数据、全彩相片、卫星图制作的。这张地图，以及您经常看到的其他城镇地图都可以在谷歌地图上轻松访问，同时，您还可以从各个角度（除了底部）仔细查看摩天大楼、广场、纪念碑等各种地标建筑，细节惊人。当然，我们也能看平面图，但如果大型城市的俯瞰图能有平面图远不能及的真实感，我们为何弃之不用呢？
除了制作精彩图片，激光雷达还有什么过人之处？
激光雷达已经为工程、建筑、城市规划等领域提供了巨大的可能性，这些领域的诸多决策取决于能否获得大型、超大型表面区域形状和尺寸的精确信息。比如，你要在山区修建一条马路，您需要知道要准备多少建筑材料，以及施工需要多长时间。道路长度不仅仅是两点间的最短距离。要解决这一问题，您要考虑沿途所有起伏道路。但解决这个问题，难道要带着卷尺和指南针去森林吗？这不现实。这时，机载激光雷达系统就能为您提供一个快速准确的解决方案。
要点
激光雷达技术为工程、建筑、城市规划等领域带来了新的可能，这些领域的不少决策都取决于能否获得大型、超大型表面区域形状和尺寸的精确信息。
激光雷达工作原理
激光雷达传感器通过发射激光束来扫描周围环境。光线照射到最近的表面时，会反弹至激光雷达设备，设备接收射入信号。激光雷达会根据使用的技术，通过记录光束返回的时间或分析射入信号的相移，来计算设备到最近表面的距离。
要点
激光雷达通过记录光束返回的时间或分析射入信号的相移，来计算设备到最近表面的距离。
该传感器由两个关键部分组成：发射器与接收器。发射器朝着被扫描物体的方向发射多达几十万个激光脉冲。脉冲一旦到达表面，即会反弹或反向散射，随后，信号被接收器接收。定时电子装置计算脉冲从传感器抵达目标表面并返回所用的时间，确切来说，即返回延迟的时间。
延迟越久，说明表面距离传感器的距离越远。这项技术被称为飞行时间激光扫描。请注意，移动或机载激光雷达系统还有惯性测量单元（IMU，由加速度计、陀螺仪和其他传感器组成）和GPS跟踪器，以获得激光脉冲每个发射时间点上收发器的XYZ坐标。所有这些数据都由计算机进行分析，输出的是点云数据格式的表面三维地图。
除了飞行时间外，还有相位转移技术。相位扫描技术利用一束从扫描仪发射出的恒定激光能量，测量返回激光能量的相移并据此计算距离。
重要术语
飞行时间：利用脉冲在两点之间移动的时间来计算两点间距。
相位转移：计算以相同频率或时间发射的两个波形间的延迟。
飞行时间扫描仪和相位扫描仪之间的主要区别体现在捕获速度和工作范围。飞行时间扫描仪的采集速度通常在每秒几百至几千点。而相位扫描仪的速度能达到每秒几十万点。相位扫描仪速度更快，使之成为诸多应用场景下的首选工具。
另一方面，飞行时间扫描仪的工作范围更广，从一米到一公里，都能采集有效数据。飞行时间扫描仪也因此更适合远距测量的应用场景。
激光雷达扫描仪精度
根据扫描仪类型和环境条件，激光雷达系统的精度范围可以从亚毫米级到几十、几百毫米不等。不少因素可以影响激光雷达扫描仪所收集的3D数据准确度。
和其他扫描仪一样，激光雷达是工厂标定设备。在交付给客户前，扫描仪将“接受训练”，在已知位置测量与几百个反射率已知的目标物距离。误差函数已创建并存储在扫描仪软件中。但是，工厂标定无法涵盖扫描仪在特定项目中可能扫描的全部表面类型，因此，间距有时是基于反射率已知的相近表面数值计算的。
另一个重要因素是区间噪点，即每次独立测量值和平均距离间的差异。区间噪点主要受扫描物体的距离以及表面反射率等特性影响。
激光雷达扫描仪的机械部件也可能有误差，特别是随着时间推移，更有可能发生，因此，制造商建议每隔几年就要重新标定扫描仪。
最后，风速、太阳辐射、空气温度和湿度等环境因素也会扭曲激光脉冲的反向散射，影响最终收集数据的质量。
显然，制造商十分了解可能影响激光雷达扫描仪精度的各类因素，从而确保扫描仪能产出无可比拟的优秀精度。我们将在下文介绍Artec Ray，这是一款角精度出色的激光雷达扫描仪。
激光雷达类型
我们已经提到了两类激光雷达：移动式和机载式。再加上固定式，就是目前主流的三大类型。
固定式激光雷达扫描仪
我们先来介绍固定式激光雷达扫描仪，这是技术核心。所有其他类型都来源于此。和移动式、机载式系统相比，固定式激光雷达扫描仪通常适合处理较小面积。但是，固定式设备精度最高。
固定式激光雷达扫描仪被广泛应用于逆向工程、质量检验。借助激光雷达，您可以扫描房间、建筑和任何类型的车辆，无论是穿越陆地、空气、水域还是外太空。
假设您需要改造一个面积达几十平米的管道系统，或正计划维修一栋建筑，又或者正在考虑逆向制造飞机机身。在这些场景下，您需要相关表面的精确尺寸。这时，固定式激光雷达扫描仪就能大显身手。特别是遇到有些表面离地太高，想用手持扫描仪就必须先搭建一些脚手架，这时，固定式扫描仪就更方便了。
固定式激光雷达三维扫描仪Artec Ray制作的管道系统三维扫描。
现在，我们回过头来，看看如何才能获得截图中的效果。换言之，如何使用激光雷达扫描仪？事实上，您要做的工作并不多。扫描仪被放在三脚架上，置于扫描物体或场景前。轻点一下，Artec Ray就会开始创建扫描区域的预览图像。如果预览图像就是您打算扫描的区域，那扫描仪位置无需再调整，那么Ray就会继续进行完整捕获，采集物体或场景的全部数据。
如果您希望在扫描处理阶段时能更快完成对准，或提高三维扫描数据的准确度，您可以考虑在扫描区域内摆放标记点。扫描仪能在几乎任何环境下轻松探测这些标记，并在扫描结束、数据收完后，依靠标记点，通过软件快速高效地对齐所有扫描。
物体周围摆放的标记点示例
一些激光雷达型的扫描仪，如Artec Ray，无需依赖标记点，就能完成配准和对齐，同时还能保持极高的精度水平。Ray是目前市面上领先的计量级设备。Ray可与目标物相距110米，小到车身，大到大型飞机或建筑物，都能扫描。遇到规模如此庞大的项目，您一定不希望最后见到很多噪点和对齐不准的情况，也一定不愿意拿着设备再次返工，重新采集第一次失误的地方。
但有了Artec Ray，就没有后顾之忧：这款扫描仪在相距10-15米远时，距离精度可达亚毫米级，角精度也毫不逊色，确保您在处理大面积表面时得到最精准的效果。借助扫描预览，您还可以检查扫描仪的当前位置是否适合本次采集，如有必要，调整设备位置。
Artec Ray常规工作流程“维修室三维数据采集”。数据不仅可以传输至扫描仪连接的笔记本电脑，还可以无线传输至iPad甚至iPhone上。
达到Ray的扫描精度，就能基于3D模型逆向制造工业物品，对比大型机械部件的3D模型和CAD图纸完成质量检验，还能制作3D雕像用于遗迹保护，为全球博物馆制作在线展览。应用场景数不胜数。
机载激光雷达扫描测绘
如果使用激光雷达传感器在空中飞行，那应用范围就更广了。这正是在修建新路、铺设山脊管道、设计全新高尔夫球场前，工程师们要做的工作。激光雷达扫描仪装在飞机或直升机上，就能采集几百平方公里的三维数据，不过，采集大型地面信息时，机载激光雷达就无法达到亚毫米级精度。这种情况下，公差范围可达几厘米，但这也足以满足大部分大型项目的需要。
移动式激光雷达应用场景
移动式激光雷达传感器则把精度和扫描物体大小之间的关系拿捏得恰到好处，这也解锁了更激动人心的应用场景，服务对象远不止工程师。激光雷达系统可以安装在自动驾驶汽车上，持续扫描周围环境，实时计算与最近车辆、行人等任何障碍物之间的距离，以避免碰撞。
利用遥感技术保驾护航
激光雷达扫描仪与iPad Pro、iPhone Pro
激光雷达传感器的消费级应用远不止自动驾驶汽车而已。Apple的iPad Pro和iPhone Pro（12起），都能享受到激光雷达技术。这些设备可以扫描5米内的物体，随后与IKEA Place应用程序整合，用AR技术为用户布置房间，也能与“炽热熔岩”整合，将玩家周围环境变成游戏场景。
虽然Apple的激光雷达技术没有达到制造业的精度和分辨率标准，但AR购物和游戏目前来看，是这项技术最被看好的应用场景。iPad和iPhone引入激光雷达技术后，刺激了这些应用场景的发展，三维扫描技术用户数量大幅上涨。Apple的小工具让过去计量工程师、测绘师的专属技术走到了普通用户的眼前。
结论
谜题解开。激光雷达能实现诸多可能，无数应用场景值得我们探索。这项技术能帮助我们建造城市，制作细节图片，修建道路。下次在城市中散步时，您或许要想想，您究竟置身数字世界还是现实世界？
让Artec Ray带您了解激光雷达技术，拥抱技术优势。
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如今随着种类繁多的3D打印机广泛应用，您可以尽情选择适合制造的机器：从最特殊和非常规形状的塑料玩具、巧克力到牙科陶瓷材料、身体模型或假肢，再到所有尺寸的金属工业部件，等等。需要咖啡杯吗？您可以打印出来。想要房子？也没问题。虽然您采用的3D打印技术类型完全取决于项目需求和应用材料的特性，但任何3D打印机工作的背后原理基本上可以归结为：使用3D模型，通过将塑料、复合材料或生物材料的微小部分组合在一起，自下而上（或反向），构建起一个坚实的物理实体。
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本文将深入探讨一项热门的三维扫描技术——激光三维扫描。通过阅读本文，您将了解激光扫描仪的类型、工作原理、合适的应用场景以及扫描仪的具体用途。
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