3D打印技術(shù) 3D打印技術(shù) 3、3D打印數(shù)據(jù)獲取

3D打印技術(shù)劉雅綺隨著工業(yè)技術(shù)的進步以及經(jīng)濟的發(fā)展，在消費者對產(chǎn)品高質(zhì)量的要求下，產(chǎn)品不僅要具有先進的功能，還要有流暢、造型富有個性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費者的注意。流暢、美觀、造型富有個性的產(chǎn)品外觀必然會使得產(chǎn)品外觀由復(fù)雜的自由曲面組成。但是，在設(shè)計和制造過程中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式（基于產(chǎn)品或構(gòu)件的功能和外形，由設(shè)計師在計算機輔助設(shè)計軟件中構(gòu)造，即正向工程）很難用嚴密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)言語來描述這些自由曲面。為適應(yīng)現(xiàn)代先進制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)、計算機輔助制造（CAM）系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等先進技術(shù)對其進行處理和管理，并進行進一步修改和再設(shè)計優(yōu)化。3D數(shù)據(jù)獲取獲取真實物體的三維模型是計算機視覺、機器人學(xué)、計算機圖形學(xué)等領(lǐng)域的一個重要研究課題，在計算機圖形應(yīng)用、計算機輔助設(shè)計和數(shù)字化模擬等方面有廣泛的應(yīng)用。對于客

觀真實世界在計算機中的再現(xiàn)，也稱為三維重建，一直是諸

多領(lǐng)域的熱門研究之一。長久以來，由于受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展

水平的限制，我們所能夠得到并能對之進行有效處理及分析

的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)是二維數(shù)據(jù)，如目前應(yīng)用最廣的照相機、錄

像機、CDC及圖像采集卡、平面掃描儀等。然而隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及圖形圖像應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，如何能將現(xiàn)實世界的立體信息快速地轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)據(jù)成了人類的夢想。夢想總有成真的一天。。。三維掃描是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)能實現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點。而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。在發(fā)達國家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設(shè)備，因其測量速度快、精度高，非接觸，使用方便等優(yōu)點而得到越來越多的應(yīng)用。用三維掃描儀對手板，樣品、模型進行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與CAD/CAM軟件接口，在CAD系統(tǒng)中可以對數(shù)據(jù)進行調(diào)整、修補、再送到加工中心或快速成型設(shè)備上制造，可以極大的縮短產(chǎn)品制造周期。三維掃描非接觸式測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。非接觸式三維信息獲取多采用深度映像技術(shù)和多傳感器技術(shù)，并結(jié)合非線性求解及其他規(guī)正化方法。非接觸式三維信息獲取技術(shù)大多基于計算機視覺原理，需要結(jié)合攝像機拍攝的圖像和目標與攝像頭的位置關(guān)系。根據(jù)是向目標投射光以主動成像，還是不使用附加光源直接拍攝目標圖像，這類方法以分為主動式和被動式兩類。非接觸式三維信息獲取主動視覺的典型方法包括結(jié)構(gòu)光法和編碼光法；被動視覺則使用單目、雙目和多目視覺方法，根據(jù)在不同的位置架

設(shè)的單個、兩個或多個相機拍攝目標物體，然后使用Shape

from

X方法或者多相機圖像中的對應(yīng)點視差來獲得目標深度。非接觸式三維信息獲取的其他方法還有從光柵相位調(diào)制獲得

深度的Moire技術(shù)；從時間、相位或波束頻率獲得距離信息的雷達聲納測距法；從光相位調(diào)制獲得深度的全息干涉技術(shù)。

從清晰/模糊獲得深度的透鏡聚焦方法；獲取結(jié)構(gòu)信息的自動斷層掃描技術(shù)等。非接觸式獲取方法的優(yōu)點在于掃描速度快，適于軟組織物體表面形態(tài)的研究，主要缺點在于受物體表面

反射特性的影響，存在遮擋現(xiàn)象。1）結(jié)構(gòu)光法

結(jié)構(gòu)光方法的基本思想是使用結(jié)構(gòu)光投影的幾何信息求得景物的深度信息。它是一種既利用圖像以利用可控光源的測距技術(shù)。用具有特殊結(jié)構(gòu)形狀的光源投射到待測物體上，形成光條紋，再由相機拍攝被測物體，根據(jù)光源與相機的相對位置，按照計算機視覺的理論，由光條紋的形狀可以計算出被照射點的三維坐標，這種方法又稱為光條法。

結(jié)構(gòu)光圖像中物體表面的光亮條越密，所得數(shù)據(jù)的分辨率越高。因此目前的結(jié)構(gòu)光光源多采用激光，由于激光器可以生成較薄的光平面，因而具有較高的分辨率。該方法是20世紀70年代初由Will和Pennington首先提出的。隨后，Poppleston,Agin和Binford等人采用光條提取物體表面三維信息。80年代初，

Potmesil,Tio和McPherson等人分別采用激光或白光作為投影光源形成點、線或光柵的投影，通過三角法得到物體的三維形體。80年代中后期，該方法在物與像的標定上有了

較大的進步。最近幾十年，由于新型半導(dǎo)體激光器和新型當(dāng)電檢測元件的不斷發(fā)展和完善，使得結(jié)構(gòu)光三維信息獲取系統(tǒng)在小型化和高精度及高速度化等諸方面均有了長足的進展。目前，對該方法的研究主要集中在精度提高上。已經(jīng)有相當(dāng)多的三維掃描儀產(chǎn)品是基于此原理開發(fā)的。如3D

Digital公司的Optix系列產(chǎn)品。2）編碼光法和莫爾干涉條紋法

1987年，Boyer和Kak提出了編碼光方法，其原

理是通過時間、空間、彩色編碼的光源幫助來確定物體表面的空間位置。光線通過一光柵投射到景物表面，其反射光回到光柵處與新的發(fā)射光產(chǎn)生干涉，在接上器上出現(xiàn)莫爾條紋，即莫爾條紋是兩束當(dāng)在傳播路徑中發(fā)生干涉在物體表面的黑白相間等距線，對等距線圖像進行梯度運算，由此柯以計算出距離。如GOM公司的ATOS系列產(chǎn)品，將一系列的多個不同空間密度的光柵投影到物體表面，形成一塊待測區(qū)域，用數(shù)碼攝像機獲取物體形狀的信息。3）立體視差法傳統(tǒng)的立體成像系統(tǒng)使用兩個放在一起的攝影機，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類借由雙眼感知的圖像相疊推算深度（當(dāng)然實際上人腦對深度信息的感知歷程復(fù)雜許多），若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度，而截取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析，一般使用區(qū)塊比對或?qū)O幾何算法達成。使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法，另有三眼視覺與其他使用更多攝影機的延伸方法。4）脈沖測距法

這一類方法由測距器主動向被測物體表面發(fā)射探測信號，信號遇到物體表面反射回來，依據(jù)信號的飛行時間或相位變化，可以推算出信號飛行距離，從而得到物體表面的空間位置信息。

通常用激光或超聲波作為探測脈沖?；谶@一原理的激光干涉儀，精度可達光波長量級。但它需要在物體上放置專門的反射體，即屬于有導(dǎo)軌測量，其應(yīng)用范圍受到很大限制，不能用于三維掃描。5）運動序列圖像法

其基本思想是依靠物體攝像機運動，得到多幀序列圖像，通過對此圖像序列中特定目標的數(shù)學(xué)分析和三維運動參數(shù)的計算，可從中獲得物體的三維信息。一般選為圖像序列分析的目標有點、線、實體輪廓和光流。早期基本上以單視點影像作為研究對象，對運動的分析存在非線性、相對性和解的不穩(wěn)定性問題。為了解決這一問題出現(xiàn)了雙視點和多視點的運動恢復(fù)方法，但這又引入了立體像對中兩幅圖像之間立體匹配的問題。從圖像中物體的輪廓能估計輪廓所圍表面的方向。能在圖像中產(chǎn)生輪廓線的基本方式有四種。A、物體離觀察者距離的不連續(xù)性；

B、表面朝向的不連續(xù)性；C、表面反射率的變化；D、陰影、光源強光部一類照明效應(yīng)。利用輪廓信息，可以在一定程度上恢復(fù)物體表面的三維信息。6）逐層切片恢復(fù)形體方法

這種方法將所測物體逐層切片（一層一層地磨掉或切削掉），獲得每一層的二維圖像，然后利用所有的圖像層信息恢復(fù)所測三維形體。該方法可同時獲得物體表面和內(nèi)立體信息，特別適合于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件的三維測量。但是，它是一種破壞性的處理過程，測量結(jié)束后工件原型被完全破壞，很多情形不宜采用。7）三維重建的CT方法

利用X射線、r射線、超聲波等獲得的多個投影，根據(jù)投影與Fourier變換之間的關(guān)系，可以重建人體內(nèi)部器官的三維結(jié)構(gòu)。CT的成像過程，是

以高能量、高穿透力的X射線入射并“穿透”人體受檢部位的組織器官后，借不同組織器官的電子密度的差異，使入射X射線的能量強度由于被吸收而發(fā)生的相應(yīng)的衰減所產(chǎn)生的線性變化規(guī)律——X射線線性衰減系統(tǒng)，作為成像參數(shù)。該方法是診斷輻射學(xué)的一次革命。它在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，包括射電天方學(xué)、電子顯微鏡圖形學(xué)等。8）核磁共振方法

核磁共振儀是利用核磁共振原理制成的醫(yī)療現(xiàn)代化圖像儀器。其基本原理是將受檢物體置于強磁場中，某些質(zhì)子磁矩沿磁場方向排列，并以一定的頻率圍繞磁磚方向運動；在此基礎(chǔ)上使用與質(zhì)子進動頻率相同的射頻脈沖激發(fā)質(zhì)子磁矩，使其發(fā)生能級轉(zhuǎn)換；在質(zhì)子弛豫的過程中，釋放能量并產(chǎn)生信號。核磁共振成像是利用接收線圈獲取上述信號后經(jīng)放大器方大，并輸入計算機進行圖像重建，從而獲得我們所需要的核磁共振圖像。核磁共振成像是20世紀80年代以來廣泛應(yīng)用于臨床的圖像診斷新技術(shù)，其優(yōu)點是可以在人體內(nèi)部的縱剖面內(nèi)成像，而CT機只能在橫剖面內(nèi)成像，從而彌補了CT機的不足。接觸式三維掃描儀通過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當(dāng)精確，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其

在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞

損毀之可能，因此不適用于高價值對象如古文物、遺

跡等的重建作業(yè)。此外，相較于其他方法接觸式掃描

需要較長的時間，現(xiàn)今最快的座標測量機每秒能完成

數(shù)百次測量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則高

達每秒一萬至五百萬次。接觸式三維信息獲取的基本原理是使用連接在測量裝置上的測頭直接接觸被測點，根據(jù)測量裝置的空間幾何結(jié)構(gòu)得到測頭的坐標。典型的接觸式三維掃描設(shè)備包括三坐標測量機和隨動式三維掃描儀。接觸式三維信息獲取1）三坐標測量機

三坐標測量機是將一個探針裝在三自由度的伺服裝置上，驅(qū)動探針沿上下、左右、前后三個方法移動，當(dāng)探針碰到物體表面時，分別測量其在三個方向的位移，就可以知道這一點的三維坐標。

控制探針在物體表面移動、、觸碰，可以完成整個表面的三維測量。其優(yōu)點是測量精度高，目前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域仍然被廣泛使用。其缺點也是很明顯的：價格昂貴，速度較慢，無法得到色彩信息。這種裝置雖然也是通過探針在物體表面掃描來工作，但更適合作純粹的測量儀器。2）隨動式三維掃描儀

隨動式三維掃描儀是近年來出現(xiàn)的應(yīng)用傳感器技術(shù)的新型接觸式測量工具，由人牽引著裝有探針的機械臂在物體表面滑動掃描。機械臂的關(guān)節(jié)上裝有角度傳感器，可以實時測量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)臂長和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度計算出探針的三維坐標。其特點在于操作方便、精度高、成本低廉且不受物體表面反射情況的影響。三維掃描原理三維掃描儀(3D

scanner)是一種科學(xué)儀器，用來偵測并分析現(xiàn)實世界中物體或環(huán)境的形狀（幾何構(gòu)造）與外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）。搜集到的數(shù)據(jù)常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創(chuàng)建實際物體的數(shù)字模型。這些模型具有相當(dāng)廣泛的用途，舉凡工業(yè)設(shè)計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導(dǎo)引、地貌測量、醫(yī)學(xué)信息、生物信息、刑事鑒定、數(shù)字文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見其應(yīng)用。三維掃描儀的制作并非仰賴單一技術(shù)，各種不同的重建技術(shù)都有其優(yōu)缺點，成本與售價也有高低之分。目前并無一體通用之重建技術(shù)，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。例如光學(xué)技術(shù)不易處理閃亮（高反照率）、鏡面或半透明的表面，而激光技術(shù)不適用于脆弱或易變質(zhì)的表面。三維掃描儀Thank

You

!手持式三維掃描儀手持式三維掃描儀原理：線激光手持三維掃描儀，自帶校準功能，采用635nm的紅色線激光閃光燈，配有一部閃光燈和兩個工業(yè)相機，工作時將激光線照射到物體上，兩個相機來捕捉這一瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)，由于物體表面的曲率不同，光線照射在物體上會發(fā)生反射和折射，然后這些信息會通過第三方軟件轉(zhuǎn)換為3D圖像。在掃描儀移動的過程中，光線會不斷變化，而軟件會及時識別這些變化并加以處理。光線投射到掃描對象上的頻率高達28,000points/s，所以在掃描過程中移動掃描儀，哪怕掃描時動作很快，也同樣可以獲得很好的掃描效果，手持式三維掃描儀工作時使用反光型角點標志貼，與掃描軟件配合使用，支持攝影測量和自校準技術(shù)。定位目標可以使操作員根據(jù)其需要的任何方式

360°移動物體。真正便攜手持三維掃描儀，可裝入手提箱，攜帶到作業(yè)現(xiàn)場或者工廠間轉(zhuǎn)移十分方便。實現(xiàn)激光掃描技術(shù)的一些最高數(shù)據(jù)質(zhì)量，保持較高解析度，同時在平面上保持較大三角形，從而生成較小的STL文件。設(shè)備的形狀和重量分布有利于長時間使用，避免發(fā)生肌肉骨骼問題。功能多樣并方便用戶使用，允許在狹小空間內(nèi)掃描幾乎任何尺寸、形狀或顏色的物體。手持式三維掃描儀原理是基于拍照式三維掃描儀原有基礎(chǔ)上設(shè)計的產(chǎn)品，掃描創(chuàng)建物體表面的點云圖，這些點可用來插補成物體的表面形狀，點云越密集創(chuàng)建的模型更精準，可進行三維重建。拍照式三維掃描儀拍照式三維掃描儀掃描原理類似于照相機拍攝照片而得名,是為滿足工業(yè)設(shè)計行業(yè)應(yīng)用需求而研發(fā)的產(chǎn)品,，它集高速掃描與高精度優(yōu)勢，可按需求自由調(diào)整測量范圍，從小型零件掃描到車身整體測量均能完美勝任，具備極高的性能價格比。目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計行業(yè)中，真正為客戶實現(xiàn)"一機在手，設(shè)計無憂"！拍照式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀是一種高速高精度的三維掃描測量設(shè)備，采用的是目前國際上最先進的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。結(jié)構(gòu)光三維掃描儀的基本原理是：采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。采用這種測量原理，使得對物體進行照相測量成為可能，所謂照相測量，就是類似于照相機對視野內(nèi)的物體進行照相，不同的是照相機攝取的是物體的二維圖象，而研制的測量儀獲得的是物體的三維信息。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時測量一個面。測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖象，然后對圖象進行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理,解算出兩個攝像機公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標。拍照式三維掃描儀可隨意搬至工件位置做現(xiàn)場測量，并可調(diào)節(jié)成任意角度作全方位測量，對大型工件可分塊測量，測量數(shù)據(jù)可實時自動拼合，非常適合各種大小和形狀物體(如汽車、摩托車外殼及內(nèi)飾、家電、雕塑等)的測量。拍照式三維掃描儀采用的是白光光柵掃描，以非接觸三維掃描方式工作，全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優(yōu)點，特別適用于復(fù)雜自由曲面逆向建模，主要應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計（RD，比如快速成型、三維數(shù)字化、三維設(shè)計、三維立體掃描等）、逆向工程（RE，如逆向掃描、逆向設(shè)計）及三維檢測CAV），是產(chǎn)品開發(fā)、品質(zhì)檢測的必備工具。三維掃描儀在部分地區(qū)又稱為激光抄數(shù)機或者3D抄數(shù)機。拍照式光學(xué)三維掃描儀，其結(jié)構(gòu)原理主要由光柵投影設(shè)備及兩個工業(yè)級的CCD

Camera所構(gòu)成，由

光柵投影在待測物上，并加以粗細變化及位移，配合CCD

Camera將所擷取的數(shù)字影像透過計算機運算處

理，即可得知待測物的實際3D外型。拍照式三維掃描儀采用非接觸白光技術(shù)，避免對物體表面的接觸，可以測量各種材料的模型，測量過程中被測物體可以任意翻轉(zhuǎn)和移動，對物件進行多個視角的測量，系統(tǒng)進行全自動拼接，輕松實現(xiàn)物體

360高精度測量。并且能夠在獲取表面三維數(shù)據(jù)的同時，迅速的獲取紋理信息，得到逼真的物體外形,能快速的應(yīng)用于制造行業(yè)的掃描。三維掃描儀認識誤區(qū)分代誤區(qū)：個別廠商為了不當(dāng)競爭目的，有時把結(jié)構(gòu)光的三種具體形式（激光點，激光線，結(jié)構(gòu)光柵）的掃描儀區(qū)分為一、二、三代。造成許多用戶認識和選型上的誤導(dǎo)和歧義。這是故意而為的錯誤，是嚴重的不當(dāng)競爭和非法行為。結(jié)構(gòu)光的三種具體形式（激光點，激光線，結(jié)構(gòu)光柵），其發(fā)展的主要目的，是針對不同的用途和不同的精度等級及工作效率的需求，而開發(fā)的產(chǎn)品。其使用和目的均有各自得市場，但隨科技的發(fā)展，這幾種產(chǎn)品，在用途上均會有部分交集的地方。比如，目前，國外百萬左右的照相式掃描儀，也可以提供橄欖核級的細節(jié)精密測量。這就覆蓋激光點線掃描儀的一些市場。再如，國外高精密的激光線掃描儀，目前測量精度可到0.01微米。國內(nèi)現(xiàn)在激光線掃描儀，其精度也可以做到0.05微米。那么，激光點掃描儀和激光線掃描儀相比，在精度上也沒有了明顯優(yōu)勢。但，顯然，激光點，線掃描儀的市場與結(jié)構(gòu)光柵掃描儀的市場，還是