结构光3D扫描介绍和基本原理

结构光 3D 扫描：它是什么以及它是如何工作的？ 

 3D扫描已经存在了很长一段时间，但近年来，这项技术突然流行起来。如今，我们可以看到 3D 扫描用于工业原型制作、历史文物保护、电影制作和视频游戏开发。 3D 扫描技术的进步甚至使仅使用智能手机即可扫描对象。 在本文中，我们将重点介绍最成熟的 3D 扫描技术之一：结构光扫描。这个过程是如何工作的，它与其他 3D 扫描方法相比有什么优势？

什么是结构光3D扫描？

结构光扫描是一种 3D 扫描技术，它使用单个光源在物体上投射多条线，所有这些线都由一个或多个摄像头同时跟踪。这与激光扫描仪形成对比，后者在物体上一个接一个地发射多个激光点。 结构光 3D 扫描的基础已经存在了几十年，尽管早期的模型通常很粗糙、太大、太贵并且难以使用。到 90 年代末，计算机和相机技术的进步使结构光 3D 扫描变得更加实用，更适合小型研究、商业公司和临时用户。

三角测量的概念

3D扫描 与其他 3D 扫描技术一样，结构光 3D 扫描基于三角测量的概念。通过在物体的任何一个点上发射光束并对该点进行三个测量（包括距离和角度），可以确定点空间的确切位置。这种基本的三角原理是所有依赖固定光源的 3D 扫描技术的基础。 三角测量最简单的应用是使用单个激光指示器进行 3D 扫描。激光束被发射到物体中的一个点，该点的位置由两个或多个摄像头扫描。通过结合来自两个相机的扫描位置和相机彼此之间的距离，可以确定空间中点的绝对位置。 使用激光笔进行 3D 扫描的缺点是每个点都需要单独测量。这可能是一个不必要的耗时过程。相机可以同时捕获多个数据点的事实是结构光 3D 扫描的突破——而不是使用多个激光点，而是可以使用单个光束来一次创建整个物体的模型。

结构光 3D 扫描是如何工作的？

投射具有均匀强度的单一光束不足以对物体进行 3D 扫描 - 否则，我们家中都会有 3D 扫描仪。这是因为单束光——甚至是均匀的黑到白渐变——将无法捕捉单个特征的深度，因为它不会反映由于距离而导致的光强度下降。 为了解决这个问题，结构光扫描会在物体上投射由交替光梯度条纹组成的精细校准图案。从一个条纹到下一个条纹的逐渐下降允许相机区分对象中特征的不同深度值，从而创建更准确的 3D 模型。 可以通过两种方式生成条纹图案：允许两个激光束前沿相交，或者简单地使用穿过数字空间光调制器的单个光源。无论哪种方式，结果都是具有规则和等距光条纹的图案。 结构光扫描的大多数随意使用都使用白光，因为它更容易获得。然而，蓝光已成为新的标准，因为它具有更高的准确性以及将反射和透明度的影响降至最低的能力。 根据结构光扫描创建的图案创建 3D 模型并不是一件简单的事情，需要使用复杂的相位展开算法。这应该是大多数 3D 扫描平台的内置功能，其结果的质量对生成的模型的质量起着巨大的作用。

结构光与其他 3D 扫描方法相比如何？

结构光扫描已成为休闲和商业用户最流行的 3D 扫描方法之一，因为相对于其提供的结果质量而言，它可以轻松完成。它的其他优点包括： 1. 比飞行时间法更准确 另一种称为飞行时间的 3D 扫描方法依赖于发射一束光、从被扫描物体反射并由传感器记录所需的时间。激光脉冲技术有其用途（我们将在后面看到），但它们通常不得不在精度上妥协。 2. 比激光扫描更快 在固定式或手持式 3D 扫描仪领域，它只是激光扫描或结构光扫描方法之间的选择。虽然这两种方法在用真实物体创建 3D 模型时都非常准确，但它们完成扫描同一物体所需的时间可能大不相同。 在激光扫描中，单个激光束会在不同的点撞击物体，其位置将被摄像机记录下来。这意味着该过程必须重复多次才能创建整个模型。与此形成鲜明对比的是，结构光扫描中使用的相机会一次性获取所有需要的信息，因此您可以在几秒钟内继续进行处理。 3.可缩减为手持设备 这是激光扫描和结构光扫描的共同点：现在有使用这些技术进行 3D 扫描的设备，这些设备小到可以随身携带。这些手持式 3D 扫描仪是一种相对较新的东西，极大地使 3D 扫描对每个人来说都变得更加容易。诚然，这些扫描仪并不便宜——台式机版本的价格可能会超过 1000 美元，但更专业的型号的价格可能高达 30,00 美元。

结构光 3D 扫描的挑战

1. 对环境因素敏感 就像其他依赖光学传感器的 3D 扫描技术一样，结构光扫描在不太理想的环境条件下是出了名的困难。扫描有阴影的物体或仅在周围环境中有另一个光源就足以摆脱结构光扫描仪的算法，从而导致不令人满意的结果。

2. 对透明或反光材料敏感 入射光如何在被扫描的物体上反射是结构光扫描仪处理和用于生成模型的主要信息来源。因此，光与物体之间的任何意外相互作用几乎肯定会导致问题。 透明或半透明表面会导致模型中的细节丢失，反射表面会导致光线从相机反射出去。这些问题有一些快速的补救措施，例如在光源和物体之间使用单向维度漫射器来消除反射的影响。在半透明表面的情况下，在对象上涂上薄薄的不透明漆是保持模型精度的常用方法。

3.不能用于大型物体 手持式和桌面级扫描仪非常适合您实际上可以放在桌面上的物体，但您根本无法在建筑物、房屋和纪念碑上使用它们。对于大规模 3D 扫描需求，您将不得不依赖其他方法，例如 LiDAR 或摄影测量。

结构光3D扫描的应用

结构光扫描的易用性及其结果的准确性使其成为多个行业中非常流行的 3D 扫描方法。它的一些更显着的用途包括： 对象的逆向工程以生成 CAD 数据 复杂工程零件的体积测量 文化和历史文物的记录 增强现实游戏的运动和环境捕捉 时装零售的身体测量 高速生产线中的自动光学检测 用于化妆品研发的皮肤表面测量 各种织物的皱纹测量 无人机上的障碍物检测系统，即Yuneec使用的Intel RealSense系统 人脸识别系统 事实上，结构光技术可以被小型化到手持设备中，这意味着这种方法可能还有更多的可能性尚待发现。随着所有业余爱好者和普通用户的参与，我们可以期待未来几年该技术的更多有趣应用。

最后的想法

结构光扫描只是我们可以将现实生活中的物体转化为可以使用计算机软件进行操作和再现的 3D 数据的几种方法之一。它也是最简单的方法之一，这可能是它存在这么久并不断被开发的主要原因之一。