各種3D掃描技術的比較

以3D掃描現實中的物件將其數碼化變得越來越普遍。這些數碼化的物件(3D模型)可以用於多種目的,例如加入到視頻遊戲或虛擬現實體驗中,增加玩家的遊戲體驗,又或使用3D打印機以及許多其他工業技術應用來複製它們,增加工作效率。

但掃描不同的物品,需要用到不同的掃描技術,每種技術都有其優缺點。在今天的文章中,我們將介紹一下它們的相異之處,協助你尋找合適的掃描工具。

結構光 (Structured Light)

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Image source: bitfab.io

如果想 3D 掃描到一 件細緻的物件,那就要使用結構光(Structured Light,也有人叫白光)的 3D 掃描技術。利用結構光技術的 3D 掃描器有手提式(handheld)的,也有坐檯式(desktop)的。這種結構光技術的 3D 掃描質素比紅外線的要高很多。結構光 3D 掃描器會把有條紋的光線圖像投射到被掃描的物件上,根據圖像的變化情形,分析出物件的表面形狀,從而獲得那個物件的立體數據。由於有條紋的光線圖像會在物件表面上持續投射好幾次,結構光 3D 掃描技術能夠獲得更準確及精緻的3D模型,所以會比以下介紹的激光3D掃描技術得出更佳的掃描質素效果。但要注意的是,利用結構光 3D 掃描器時,環境的光線需要調得比較暗,這樣 3D 掃描器才能有效地探測到投射出去的結構光。 

攝影測量法(Photogrammetry)

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Image source: cinecommunities

攝影測量法是一種嶄新的技術。通過攝影測量,我們以簡化的方式從不同方位拍攝物體許多不同角度下的照片。拍攝之後,就用專用軟件分析所有這些照片:軟件會尋找物件的特徵點並確認這些點在每個圖像中相對的位置。通過這種分析,生成了點雲,之後就能將其轉換為與我們掃描的對象形成的網格

這種3D掃描方法的革新在於,你只需要將對象的照片轉換為3D模型即可。與其他需要3D掃描器本身的系統相比,這技術為許多人打開了掃描的大門。另外,我們也可以使用攝像頭無人機來掃描非常大的物體,例如雕像,建築物甚至是地理特徵(例如山脈或河流)。這被稱為航空攝影測量法,並且在工業中越來越多地被使用。

3D激光掃描 (Laser)

使用激光進行3D掃描的主要技術有兩種:測量飛行時間(time of flight)的技術和基於三角測量的技術。

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Image source: bitfab.io

許多3D掃描器都是基於飛行時間技術(time-of-flight)的而做到掃描的,通過這種技術,激光束會照射到物體上,而掃描器本身的接收器會測量光反射和返回所需的時間。知道了激光的速度後,電腦只需要通過一些簡單的計算,就可以知道物體某個點所處的距離。重複幾次後,即可獲得一個距離的三維圖,從而對物體本身進行3D掃描。

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Image source: bitfab.io

使用激光掃描3D物件的另一種相似方式稱為三角測量。在這種情況下,我們使用激光和接收器使用三角函數來測量距離。在這兩種情況下,操作都是相似的,因為它們都依靠激光並通過特殊傳感器拾取的激光的反彈來測量距離。但三角測量中,電腦則是以計算角度為重點,推算出物件的形狀大小。

紅外線掃描

首先紅外線投影器會投射出獨特的點狀紅外線圖案在物件上,然後透過紅外線相機接收該點狀圖案,計算出物件的形狀和距離,而產生出物件的3D數據。 投射出紅外線點數(resolution/pixel)會影響到獲取3D掃描數據的質素。但現時市面上只能提供有限的紅外線點數,因此一般的3D掃描質素不高。

從以下的圖可以看得出利用紅外線掃描出來的物品不細緻。

本來的物件:

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Image source: 3dscanexpert

紅外線掃描的的結果

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Image source: 3dscanexpert

紅外線掃描的的結果

各技術的優點及缺點

攝影測量法:

  • 優點
  • -能掃描透明,黑色和反光的東西
  • -能夠獲取物件的顏色數據
  • -讓你掃描非常大的物體,例如建築物
  • 缺點
  • -物件沒有陰暗的表面,就不能有效測量模型
  • -獲取足夠及合適的照片來製作3D模型相對困難(例如哪個角度拍攝物件等),工作量大。
  • -精準度取決獲取的照片質量的數量

結構光:

  • 優點
  • -能獲取高精度模型
  • -能夠獲取物件的顏色數據
  • -掃描黑色,反光的東西有困難
  • 缺點
  • -不適合在明亮的環境(戶外)中使用
  • -無法掃描非常大的物體例如整架客機
  • -掃描黑色,反光的東西有困難
各種3D掃描技術的比較7

Image source: Shining3D

3D激光掃描:

  • 優點
  • -不僅可以掃描物體,而且可以測量距離
  • -能在戶外明亮的環境中正常工作
  • -能掃描非常龐大的物件
  • -能獲取精準的物件
  • -能掃描黑色和反光的東西
  • 缺點
  • -一般不能獲取物件的顏色數據
  • -能在戶外明亮的環境中正常工作
  • -能掃描非常龐大的物件
  • -能獲取精準的物件
  • -能掃描黑色和反光的東西
各種3D掃描技術的比較6

Image source: Shining3D

紅外線掃描:

  • 優點
  • -能夠獲取物件的顏色數據
  • -讓你掃描大的物體
  • -能掃描黑的東西
  • -能掃描頭髮
  • 缺點
  • -不能在太亮的地方下進行掃描
  • -掃描的精度一般較低
  • -透明,反光的東西不能夠掃描
  • -能掃描頭髮

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