各種不同的3D掃描技術原理知多點

Source：Shining 3D

3D掃描技術雖已存在多年，但在近年3D掃描技術普及的速度快速增長。如今，我們可以看到3D掃描技術用於工業原型製作，歷史文物保存，電影製作和電視遊戲開發等等。 3D掃描技術其實分了很多種，而每一種都有它的獨特之處，今天就為大家介紹一下各種3D Scan技術原理。

本文章內容目錄：

表面輪廓測量3D掃描技術原理
結構光3D掃描技術原理
紅外線 3D 掃描技術原理
攝影測量(Photogrammetry)
激光3D掃描技術原理

表面輪廓測量3D掃描技術

CMM，Source：columbiamanufacturing

表面輪廓測量3D掃描技術在現代製造業和品質控制領域中扮演著至關重要的角色，其中坐標測量機（Coordinate Measuring Machine，簡稱CMM）是一種高度精密的測量設備，主要用於測量零件的幾何尺寸、形狀和位置精度。它與一般的3D掃描技術有著明顯的區別：一般的3D掃描技術通常採用非接觸式光學方法，快速捕捉物件表面的點雲數據，形成3D模型，而CMM則更注重於高精度的點對點測量，特別適合於需要微米級精確度的工業應用。CMM不僅能夠驗證零件的製造是否符合設計規格，還能用於逆向工程、品質檢驗和產品開發等多個階段。

傳統的CMM 3D掃描機採用接觸式測量原理，它配備有一條類似探針的部件，用來精確測量物件的表面輪廓，從而得出準確的3D物件數據。這個探針通常由一根細長的臂組成，末端安裝有一個小球狀觸頭（觸針）。透過CMM的先進編程軟體，操作員可以設定測量路徑，當探針末端的小球輕柔接觸到物件表面時，系統會即時記錄該點的X、Y、Z軸坐標值。這種接觸式方法依賴於機械臂的精確移動，通常由伺服馬達驅動，並結合線性導軌和編碼器來確保運動的準確性。透過多次接觸不同點位，CMM能夠構建出物件的完整3D模型，包括複雜的曲面、孔洞和邊緣特徵。然而，儘管接觸式CMM在精度上表現出色（可達1-2微米級別），但它也存在一些顯著的不便之處。

CMM，Source：Wikipedia

首先，物理接觸可能對敏感或脆弱的物件表面造成損傷，例如在測量柔軟材料、薄壁零件或高光澤表面時，探針可能導致刮痕或變形，這對於航空航天或醫療器械等精密產業來說是不可接受的風險。其次，測量過程相對緩慢，因為它是逐點接觸式操作，對於複雜形狀的物件需要大量時間來編程和執行路徑，尤其在處理大型零件時，效率低下。此外，接觸式CMM設備通常體積龐大、價格高昂，且不易移動，需要專門的檢查室和固定安裝，這增加了空間佔用和維護成本。探針本身也會隨著使用而磨損，需要定期校準和更換，進一步提高了操作的複雜性和成本。最後，在某些應用中，如測量柔軟或彈性材料時，接觸力可能導致測量誤差，因為物件會在壓力下變形。為了達到極高的測量精度——通常在幾微米甚至亞微米級別——CMM 3D掃描機必須部署在嚴格受控的檢查室中。這些檢查室不僅維持恆溫恆濕環境（例如溫度控制在20°C ±1°C），還設有加固地板和防震基礎，以防止外部振動（如工廠機器運轉或地震）影響測量結果。此外，空氣過濾系統也被廣泛應用，以避免灰塵或顆粒物污染探針或物件表面，從而確保測量的可靠性。

正是由於這些不便之處，人們越來越傾向於選擇非接觸式掃描技術，以克服接觸式CMM的局限性。非接觸式掃描不僅避免了物理損傷的風險，還能大幅提升測量效率和靈活性，這使得它在多個行業中成為首選。

結構光3D掃描技術

結構光（structured light）3D掃描技術是一種先進的非接觸式測量方法，能夠讓使用者獲取到一個非常細緻且高解析度的物件3D模型。它在現代製造業、醫療、文化遺產保護和娛樂產業中廣泛應用，透過精確的光學投影和影像分析，捕捉物件的表面細節、形狀和深度資訊，從而生成準確的數碼化複製品。與傳統的接觸式測量技術不同，結構光3D 掃描器避免了物理接觸可能造成的損傷，特別適合於易碎或精密物件的掃描，能夠在短時間內處理複雜的曲面和紋理，讓使用者能夠輕鬆進行逆向工程、品質控制或虛擬實境建模。

因為結構光 3D 掃描器會把有條紋的光線圖像重複投射到物件上，透過那些條紋的光線圖像結構光3D 掃描器便能分辨出物件的表面形狀及深度等，從而計算出被3D掃描物件的3D立體數據。由於有條紋的光線圖像是持續投射，所以獲取到的3D立體掃描圖像十分準確及細緻。要有效地利用結構光3D掃描器，環境的光線需要比較暗，以減少外來光線的影響，讓 3D 掃描器更準確地偵測到投射出來的條紋光線。

Source：Shining 3D

利用結構光3D掃描技術原理的3D掃描器有多種形式，包括手提式和桌面式（或稱固定式）。手提式掃描器設計輕巧便攜，通常配備內建電池和無線連接功能，讓使用者可以在現場自由移動掃描大型物件，如汽車部件或建築結構，而無需固定位置。

相對而言，桌面式掃描器則更注重穩定性和高精度，通常固定在工作台上，適用於小型到中型物件的精細掃描，如珠寶、電子元件或藝術品。它們往往配備更高的解析度相機，能夠在控制環境中產生更細膩的3D數據。無論是哪種形式，這些掃描器都整合了先進的軟軟件，能夠自動對齊多個掃描視角，並生成完整的3D網格模型，方便後續編輯或3D打印。

要有效地利用結構光3D掃描器，環境的光線需要比較暗。暗的環境可以減少外來光線的影響，讓3D掃描器更準確地偵測到投射出來的條紋光線。環境光過強可能導致圖案變形不易辨識，增加噪訊或測量誤差。因此，理想的掃描環境應控制在低照度下，可能使用遮光罩或在室內關燈操作。有些先進掃描器會採用藍光來進一步減低環境干擾，因為這些波長不易受日光影響。此外，物件表面也需考慮：光滑或反射性強的材質可能需要噴粉末讓物件變成白色啞面，因為白色啞面更易掃描。

紅外線 3D 掃描技術

紅外線3D 掃描技術原理，就是透過投射紅外線到被掃描的物件上從而偵測出物件的立體表面，然後得出3D掃描數據。它利用紅外光，人眼不可見的特性，避免可見光干擾，提供一種隱形且高效的掃描方式。紅外線 3D 掃描技術原理的測量技術的工作方式與人類視覺類似。像我們使用兩隻眼睛一樣，利用紅外線 3D 掃描技術原理的3D掃描器是使用了兩個紅外攝像機。為了連續記錄兩台攝像機盡可能多的測量點，將快速連續投影一系列不同的圖案。在幾毫秒內，便能根據圖像計算出3D數據。

這種技術的優勢顯著，首先是安全性與舒適性。紅外線掃描無需閃光燈或強光，避免了傳統結構光掃描可能造成的眼睛不適，這對於掃描人體頭部特別重要，尤其在醫療或兒童應用中。其次，紅外線技術也能掃描頭髮，因為頭髮作為一種細薄、半透明且易受環境影響的材質，長期以來一直是掃描的難題。傳統的可見光掃描往往難以捕捉頭髮的精細結構，如發絲的彎曲、密度和層次感，容易導致模型出現噪訊、缺失或失真。然而，紅外線技術它利用人眼不可見的紅外光波（波長約700nm至1mm）來投射圖案並捕捉反射，從而實現非接觸式、安全且高效的頭髮3D掃描。

由於紅外線對環境光線較不敏感，能在室內外多種條件下工作，而無需像結構光那樣要求暗室環境。市面有些入門級手提式 3D 掃描器多使用紅外線 3D 掃描技術，一般比較便宜，但它們 3D 掃描出來的精度和質素相對不高，物件上很多細節都不能夠被3D掃描到。

攝影測量(Photogrammetry)

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攝影測量（Photogrammetry），有別於一般的3D掃描技術原理，它是利用一部或多相機，透過從不同的角度拍攝物件並利用3D軟件的輔助來獲取整個物件的3D掃描模型。攝影測量能獲取到非常高質量的3D掃描技術模型數據，但一般起碼要拍攝50張照片才能獲取較好的品質效果，而且拍攝也需要特定技巧。

與傳統的3D掃描技術相比，攝影測量更注重於圖像處理和數學演算法，而非專用硬件設備，這使得它在成本和靈活性上具有獨特優勢。透過捕捉多角度照片並利用軟件重建3D模型，它不僅能保留物件的顏色、紋理和細節，還能處理大規模場景，讓使用者輕鬆實現逆向工程、虛擬實境建模或文化遺產保護等多項任務。

攝影測量取決於三角測量（triangulates）。通過拍攝多張照片，用家可以製作出不同的視線，並以三角剖分以創建精確的距離模型一樣，照片在數學上相交以創建精確的三維坐標。具體來說，這種技術模擬人類的立體視覺：每張照片代表一個視角，軟件會識別照片中的共同特徵點（如邊緣或紋理），然後透過已知相機位置和焦距計算這些點的3D位置，形成點雲數據。例如，如果兩張照片捕捉到同一點，軟件會使用三角法計算其深度，類似於測量員使用經緯儀測量地形。使用攝影測量法，拍攝精美的照片對於製作好的3D模型至關重要。這意味著要注意曝光、視野（FoV）和聚焦。曝光過度或不足會導致紋理丟失，視野太窄可能無法覆蓋物件邊緣，而聚焦模糊則會影響特徵點匹配的準確性。簡單來說，攝影測量法使用照片對距離和深度進行三角測量，並使用該數據進行3D掃描。質量取決於所使用的照片和相機。高解析度相機（如DSLR或智慧手機的高端鏡頭）能提供更細膩的紋理。

相較於專業3D掃描器，攝影測量可只需一台相機和電腦軟件，初始投資低，適合個人或小型團隊使用。它能夠產生帶有真實顏色和紋理的模型，這在遊戲開發或產品展示中特別有用，例如電子遊戲公司用它來掃描真實物件，快速創建虛擬資產。此外，攝影測量適用於大規模掃描，如無人機搭載相機拍攝城市景觀，生成3D地圖，用於城市規劃或災害評估。然而，它也有明顯缺點：處理時間長，因為軟件重建模型可能需數小時；對光線條件敏感，陰影或反射可能導致誤差；此外，對於光滑或無紋理的物件（如金屬表面），需要添加標記點來輔助匹配。精度雖然高，但不如激光掃描穩定，尤其在低光環境中。

激光3D掃描技術原理

Source：Shining 3D

激光3D掃描技術原理在現代製造業、醫療、文化遺產保護和娛樂產業中扮演著關鍵角色，它是一種高度精密的非接觸式測量方法，能夠快速捕捉物件的表面形狀、尺寸和細節，生成3D模型。這種技術的出現大大提升了傳統測量方式的效率和準確性，特別是與紅外線3D掃描技術相比，激光掃描在品質和精度上表現更為出色，通常達到微米級別，能夠處理複雜的曲面和細微紋理，。這使得激光3D掃描成為工業級應用的首選，例如在汽車和航空航天領域用於品質檢測和逆向工程。激光3D掃描技術不僅提高了生產效率，還降低了錯誤率。

激光3D掃描技術在質素和精度上比紅外線的3D掃描技術高很多。紅外線掃描雖然成本低且適合動態應用，但其解析度較低，容易受材質顏色影響，尤其在捕捉細節時表現不足；相對而言，激光掃描利用可見或不可見激光（如藍光激光），能夠提供更高的數據密度和準確性，通常精度在0.01-0.1mm範圍內，這使得它適合於需要高精度的場景，如精密機械零件檢驗。激光3D掃描技術的原理是透過三角測距（Triangulation）的方式來3D掃描物件，激光3D掃描器會投射一條或多條激光線到物件的表面上，從而獲取到物件的立體數據。具體來說，掃描器內建激光發射器和相機，激光發射器投射出一條細線或點陣到物件表面，這些激光線會因物件的曲率而變形，相機會捕捉反射光，並透過已知激光源與相機之間的距離和角度，計算每個點的3D坐標。這種三角測量原理類似於測量員使用三角形計算距離：激光源、反射點和相機形成三角形，透過三角函數推導深度資訊。當物件或掃描器移動時，系統會連續投射和捕捉，形成完整的點雲數據雲。

環境方面，即使光線比較猛烈的情況下，仍可使用激光3D掃描技術原理來進行3D 掃描工作。這是因為激光掃描技術使用特定波長的激光，能夠抵抗環境光干擾，尤其在戶外或工廠強光環境中也有穩定表現。

以下是利用激光 3D 掃描技術的示範：

激光3D掃描技術非常適合輪廓表面和複雜幾何形狀的測量，因為它們需要大量數據才能進行準確描述。例如，在處理渦輪葉片或汽車引擎部件時，激光掃描能夠捕捉微小的公差變化和表面缺陷，提供比傳統方法更全面的數據。在優勢方面，激光3D掃描不僅精度高，還具有廣泛的適應性。它能夠掃描閃亮、反射性表面，而無需噴粉末輔助，彌補了結構光掃描的弱點。此外，從小型零件到大型建築，十分靈活。然而，也存在一些缺點，如設備成本較高，以及在極端反射表面時可能需要調整參數減少雜訊。在應用上，激光3D掃描廣泛用於製造業的原型製作和品質控制及逆向工程等。

總括來講，3D掃描技術從傳統的接觸式CMM演進到先進的非接觸式方法如結構光、紅外線、攝影測量和激光掃描，不僅大幅提升了測量的精度、效率和靈活性，還廣泛應用於製造業、醫療、娛樂和文化遺產保護等多個領域。

3D掃描技術原理

Q1：3D掃描技術原理有哪些？

常見的3D掃描技術原理有：表面輪廓測定機3D掃描技術原理、結構光3D掃描技術原理、紅外線 3D 掃描技術原理、攝影測量(Photogrammetry)、激光3D掃描技術原理等。

Q2：怎麼選擇合適的3D掃描技術？

用戶在獲取不同模型的數據時，可以針對性的選擇3D掃描技術，目前市面上使用頻率較多的是結構光、紅外線、激光掃描這三種，主要是因為這三種掃描技術的兼容性廣，掃描速率快，性價比高。簡單來說，結構光能夠普遍應用在大部分場景，能夠快速精確地獲取大部分模型的數據，除了一些深色，透明，反光等模型需要噴粉。紅外線掃描常見用於人體，面部，頭髮等地方。激光掃描掃描常見用於金屬件、工程件等方面，在速度和精度方面會更有優勢。

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