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三维扫描仪的分类及优缺点

分萨尔为人父
2020-10-12 15:47:47

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目前市场上三维扫描仪主要分为以下几类:

三维扫描

在工业检测领域目前最主流的是三坐标测量仪、拍照式三维扫描仪和手持式三维扫描仪;其中各自的优劣程度见下图。

三维扫描
三维扫描

另外,我们从专业全面的角度来看,三维扫描仪的分类如下:

 

一、接触式测量

 

    这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一,典型代表就是三坐标测量机。接触式三维扫描适用性强、精度高(可达微米级别);不受物体光照和颜色的限制;适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量;由于采用接触式测量,可能损伤探头和被测物表面,也不能对软质的物体进行测量,应用范围受到限制;受环境温湿度影响;同时扫描速度受到机械运动的限制,测量速度慢、效率低;无法实现全自动测量;接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点,它获取的只是关键特征点,因而,它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。在行业中的应用具有极大的限制。

 

    当下由于现代计算机技术和光电技术的发展,基于光学原理、以计算机图像处理的三维自由曲面非接触式测量设备逐渐成为主流,非接触测量方式具有无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点,已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向,其中三维激光扫描仪和三维照相式扫描仪占据了及其重要的位置。

 

二、三维激光扫描仪

 

    三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同,激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类,可分为脉冲测距法(亦称时间差测量法)和三角测量法。

 

    脉冲测距法:激光扫描仪由激光发射体向物体在时间 t1发送一束激光,由于物体表面可以反射激光,所以扫描仪的接收器会在时间 t2接收到反射激光。由光速 c,时间 t1,t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。

 

脉冲测距法原理图:

三维扫描

 

    显而易见的,脉冲测距式3D激光扫描仪,其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候,由于时间太短,就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体,如地形扫描,但是不适合于近景扫描。

 

    三角测距法:用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面,然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像,物体表面激光照射点的位置高度不同,所接受散射或反射光线的角度也不同,用 CCD(图像传感器)光电探测器测出光斑像的位置,就可以计算出主光线的角度θ 。然后结合己知激光光源与 CCD 之间的基线长度 d,经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。

 

三角测距法原理图:

三维扫描

    手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形:通过手持式设备,对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的侦测器测量待测物的表面到手持激光产品的距离,通常还需要借助特定参考点-通常是具黏性、可反射的贴片-用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据,会被导入电脑中,并由软件转换成3D模型。

 

    三角测量法的特点:结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小(几十微米)、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。

 

三维激光扫描仪的特点:

 

(1)非接触测量,主动扫描光源;

(2)数据采样率高;

(3)高分辨率、高精度;

(4)数字化采集、兼容性好;

(5)可与外置数码相机、GPS 系统配合使用,极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。

 

三、三维照相式扫描仪

 

    三维照相式扫描仪,光源主要是白光,其工作过程类似于照相过程,扫描物体的时候一次性扫描一个测量面,快速,简洁,因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术,扫描速度非常快,一般在几秒内便可以获取百万多个测量点,基于多视角的测量数据拼接,则可以完成物体360度扫描。

 

    三维照相式扫描仪采用的是结构光技术,同样依据三角函数原理,但是并非使用激光,而是依靠向物体投射一系列光线组合,然后通过检测光线的边缘来测量物体与扫描仪之间的距离。结构光技术一般采用两个高分辨率的CCD相机和光栅投影单元组成,利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面,两个CCD相机进行同步测量,利用立体相机测量原理,可以在极短的时间内获得物体表面高密度的三维数据。利用参考点拼接技术,可将不同位置和角度的测量数据自动对齐,从而获得完成的扫描结果,实现建模。

三维扫描

    三维照相式扫描仪的特点:①非接触测量;②精度高,单面测量精度可达微米级别;③对环境要求较低(室内);④对个别颜色(如黑色)及透明材料有限制,需要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。

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