三維掃描儀的技術(shù)

三維掃描儀分類(lèi)為接觸式（contact）與非接觸式（non-contact）兩種，后者又可分為主動(dòng)掃描（active）與被動(dòng)掃描（passive），這些分類(lèi)下又細分出眾多不同的技術(shù)方法。使用可見(jiàn)光視頻達成重建的方法，又稱(chēng)做基于機器視覺(jué)（vision-based）的方式，是今日機器視覺(jué)研究主流*。

接觸式掃描

接觸式三維掃描儀透過(guò)實(shí)際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機（CMM, Coordinate Measuring Machine）即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其在掃描過(guò)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*價(jià)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(cháng)的時(shí)間，現今快的座標測量機每秒能完成數百次測量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則*達每秒*萬(wàn)至五百萬(wàn)次。

非接觸主動(dòng)式掃描

主動(dòng)式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來(lái)計算三維空間信息。常見(jiàn)的投射能量有*般的可見(jiàn)光、*能光束、超音波與X射線(xiàn)。

時(shí)差測距（Time-of-Flight）

時(shí)差測距（time-of-flight，或稱(chēng)'飛時(shí)測距'）的3D激光掃描儀是*種主動(dòng)式（active）的掃描儀，其使用激光光探測目標物。圖中的光達即是*款以時(shí)差測距為主要技術(shù)的激光測距儀（laser rangefinder）。此激光測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返*趟的時(shí)間換算而得。即儀器發(fā)射*個(gè)激光光脈沖，激光光打到物體表面后反射，再由儀器內的探測器接收信號，并記錄時(shí)間。由于光速（speed of light){\displaystyle c}為*已知條件，光信號往返*趟的時(shí)間即可換算為信號所行走的距離，此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍，故若令{\displaystyle t}為光信號往返*趟的時(shí)間，則光信號行走的距離等于{\displaystyle (c\cdot t)/2}。顯而易見(jiàn)的，時(shí)差測距式的3D激光掃描儀，其量測精度受到我們能多準確地量測時(shí)間{\displaystyle t}，因為大約3.3皮秒（picosecond；微微秒）的時(shí)間，光信號就走了1毫米。

激光測距儀每發(fā)*個(gè)激光信號只能測量單*點(diǎn)到儀器的距離。因此，掃描儀若要掃描完整的視野（field of view），就必須使每個(gè)激光信號以不同的角度發(fā)射。而此款激光測距儀即可透過(guò)本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡（rotating mirrors）達成此目的。旋轉鏡由于較輕便、可快速環(huán)轉掃描、且精度較*，是較廣泛應用的方式。典型時(shí)差測距式的激光掃描儀，每秒約可量測10,000到100,000個(gè)目標點(diǎn)。

三角測距（Triangulation）

三角測距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測環(huán)境情的主動(dòng)式掃描儀。相對于飛時(shí)測距法，三角測距法3D激光掃描儀發(fā)射*道激光到待測物上，并利用攝影機查找待測物上的激光光點(diǎn)。隨著(zhù)待測物（距離三角測距3D激光掃描儀）距離的不同，激光光點(diǎn)在攝影機畫(huà)面中的位置亦有所不同。這項技術(shù)之所以被稱(chēng)為三角型測距法，是因為激光光點(diǎn)、攝影機，與激光本身構成*個(gè)三角形。在這個(gè)三角形中，激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度，是我們已知的條件。透過(guò)攝影機畫(huà)面中激光光點(diǎn)的位置，我們可以決定出攝影機位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出*個(gè)三角形，并可計算出待測物的距離。在很多案例中，以*線(xiàn)形激光條紋取代單*激光光點(diǎn)，將激光條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個(gè)測量的進(jìn)程。National Research Council of Canada是致力于研發(fā)三角測距激光掃描技術(shù)的協(xié)會(huì )*（1978）。

手持激光（Handhold Laser）

手持激光掃描儀透過(guò)上述的三角形測距法建構出3D圖形：透過(guò)手持式設備，對待測物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線(xiàn)性激光光。以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的偵測器（電耦組件或位置感測組件）測量待測物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離，通常還需要借助特定引用點(diǎn)－通常是具黏性、可反射的貼片－用來(lái)當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數據，會(huì )被導入電腦中，并由軟件轉換成3D模型。手持式激光掃描儀，通常還會(huì )綜合被動(dòng)式掃描（可見(jiàn)光）獲得的數據（如待測物的結構、色彩分布），建構出更完整的待測物3D模型。

結構光源（Structured Lighting）

將*維或二維的圖像投影至被測物上，根據圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非?？斓乃俣冗M(jìn)行掃描，相對于*次測量*點(diǎn)的探頭，此種方法可以*次測量多點(diǎn)或大片區域，故能用于動(dòng)態(tài)測量。

調變光（Modulated Lighting）

調變光三維掃描儀在時(shí)間上連續性的調整光線(xiàn)的強弱，常用的調變方式是周期性的正弦波。借由觀(guān)察視頻每個(gè)像素的亮度變化與光的相位差，即可推算距離深度。調變光源可采用激光或投影機，而激光光能達到**之度，然而這種方法對于噪聲相當敏感。

非接觸被動(dòng)式掃描

被動(dòng)式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線(xiàn)（如激光），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線(xiàn)的方法，達到預期的效果。由于環(huán)境中的可見(jiàn)光輻射，是相當容易獲取并利用的，大部分這類(lèi)型的掃描儀以偵測環(huán)境的可見(jiàn)光為主。但相對于可見(jiàn)光的其他輻射線(xiàn)，如紅外線(xiàn)，也是能被應用于這項用途的。因為大部分情況下，被動(dòng)式掃描法并不需要規格太特殊的硬件支持，這類(lèi)被動(dòng)式產(chǎn)品往往相當便宜。 [

立體視覺(jué)法（Stereoscopic）

傳統的立體成像系統使用兩個(gè)放在*起的攝影機，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類(lèi)似人類(lèi)借由雙眼感知的視頻相疊推算深度[1]（當然實(shí)際上人腦對深度信息的感知歷程復雜許多），若已知兩個(gè)攝影機的彼此間距與焦距長(cháng)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(lài)有效的圖片像素匹配分析（correspondence analysis），*般使用區塊比對（block matching）或對*幾何（epipolar geometry）算法達成。

使用兩個(gè)攝影機的立體視覺(jué)法又稱(chēng)做雙眼視覺(jué)法（binocular），另有三眼視覺(jué)（trinocular）與其他使用更多攝影機的延伸方法。

色度成形法（Shape from Shading）

早期由B.K.P. Horn等學(xué)者提出，使用視頻像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程組中的未知數多過(guò)限制條件，因此須借由更多假設條件縮小解集之范圍。例如加入表面可微分性質(zhì)（differentiability）、曲率限制（curvature constraint）、光滑程度（smoothness）以及更多限制來(lái)求得的解。此法之后由Woodham派生出立體光學(xué)法。

立體光學(xué)法（Photometric Stereo）

為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學(xué)法采用*個(gè)相機拍攝多張照片，這些照片的拍攝角度是相同的，其中的差別是光線(xiàn)的照明條件。簡(jiǎn)單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個(gè)不同的方向照射待測物，每次*打開(kāi)*盞光源。拍攝完成后再綜合三張照片并使用光學(xué)中的漫射（perfect diffusion）模型解出物體表面的梯度向量（gradients），經(jīng)過(guò)向量場(chǎng)的積分后即可得到三維模型。此法并不適用于光滑而不近似于朗伯表面（Lambertian surface）的物體。

輪廓法

此類(lèi)方法是使用*系列物體的輪廓線(xiàn)條構成三維形體。當物體的部分表面無(wú)法在輪廓線(xiàn)上展現時(shí)，重建后將丟失三維信息。常見(jiàn)的方式是將待測物放置于電動(dòng)轉盤(pán)上，每次旋轉*小角度后拍攝其視頻，再經(jīng)由視頻處理技巧去除背景并取出輪廓線(xiàn)條，搜集各角度之輪廓線(xiàn)后即可“刻劃”成三維模型。

用戶(hù)輔助

另外有些方法在重建過(guò)程中需要用戶(hù)提供信息，借助人類(lèi)視覺(jué)系統之*性能，輔助完成重建程序。

這些方式都是基于照片攝影原理，針對同個(gè)物體拍攝視頻以推算三維信息。另*種類(lèi)似的方式是全景重建（panoramic reconstruction），乃是在定點(diǎn)上拍攝四周視頻使之得以重建場(chǎng)景環(huán)境。