三维激光扫描技术的多样应用与未来发展 - Formnext Asia Shenzhen

三维扫描仪：现实与虚拟的桥梁

三维扫描仪，或称3D scanner，作为一种科学仪器，专为侦测并深入分析现实世界中的物体与环境而设计。它能够捕捉并记录物体的几何构造以及诸如颜色、表面反照率等详细外观数据。这些搜集到的数据经过处理后，常被用于三维重建计算，进而在虚拟世界中精准地构建出实际物体的数字模型。

这些数字模型在多个领域中发挥着至关重要的作用。无论是工业设计中的产品创新，还是缺陷检测中的质量控制，亦或是逆向工程中的原型制作，都离不开三维扫描技术的支持。同时，在机器人导引、地貌测量、医学信息处理、生物信息分析、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片以及游戏创作素材等多个方面，三维扫描仪也展现出了其不可或缺的价值。

三维扫描仪的研发与应用涉及多种技术，每种技术都有其独特之处。在制作过程中，不同的重建技术会展现出各自的优劣势，同时，成本和售价也会有所不同。目前，尚未有一种通用的重建技术能够适用于所有情况，技术和方法的选择往往受到物体表面特性的限制。例如，光学技术对于处理闪亮（高反照率）、镜面或半透明的表面来说可能并不理想，而激光技术则不适用于脆弱或易变质的表面。

三维扫描仪的主要功能是生成物体几何表面的点云数据。这些点云数据经过处理，可以用于插补出物体的表面形状。点云的密度越高，所创建的模型也就越精确。这个过程通常被称为三维重建。如果扫描仪能够捕捉到物体表面的颜色信息，那么还可以进一步在重建的模型上应用材质贴图技术，也就是所谓的材质印射，以增强模型的真实感。

三维扫描仪的工作原理与照相机颇为相似，它们的视线范围都以圆锥状呈现，信息的收集都局限于特定的区域内。然而，两者在功能上有所差异：相机主要捕捉颜色信息，而三维扫描仪则专注于测量距离。由于扫描结果包含了深度信息，因此这类数据常被称作深度视频或距离视频。

鉴于三维扫描仪的扫描范围是有限的，为了构建物体的完整模型，通常需要调整扫描仪与物体的相对位置，或利用电动转盘等设备使物体自身旋转，并进行多次扫描。将多个片面模型整合在一起的技术被称为视频配准或对齐，其中涉及多种三维比对方法。

三维扫描仪的分类

三维扫描仪主要分为接触式与非接触式两大类。非接触式扫描仪又进一步细分为主动扫描和被动扫描，其中主动扫描通过向物体投射额外能量并测量其反射来获取三维信息，而被动扫描则依赖物体自身发出的能量进行测量。

在非接触式扫描中，激光扫描仪是一种常见的主动式扫描仪，其采用时差测距技术，即通过测量激光脉冲往返目标物的时间来计算距离。这种激光测距仪发射激光脉冲，当激光遇到物体表面并反射回来时，仪器内的探测器会接收并记录信号的时间。通过这种方式，仪器能够精确地确定自身与目标物之间的距离。

三角测距3D激光扫描仪，同样属于主动式扫描仪范畴，其工作原理是利用激光光束来侦测周围环境。与飞时测距法不同，三角测距法3D激光扫描仪通过发射一道激光至待测物体，并利用摄像机捕捉待测物体上的激光光点位置来实现测距。由于激光光点在摄像机画面中的位置会随着待测物体距离的变化而改变，因此可以通过这项技术来计算待测物体的距离。这种测距方法被称为三角型测距法，因为它涉及到激光光点、摄像机和激光源之间的三角形关系。

在实际应用中，手持激光扫描仪常采用三角测距法来构建3D图形。通过手持设备向待测物体发射激光光点或线性激光光束，扫描仪利用两个或两个以上的探测器（如电耦组件或位置感测组件）来测量待测物体表面到手持激光产品的距离。为了在空间中定位和校准扫描仪，通常会使用特定的引用点，如具有黏性和反射性的贴片。扫描仪获取的数据会被传输至电脑，并通过软件处理转换为3D模型。此外，手持式激光扫描仪还会结合被动式扫描（如可见光）的数据，如待测物体的结构和色彩分布，以构建更全面的3D模型。

三维扫描仪在航空航天领域的应用

三维激光扫描仪在航空航天领域发挥着至关重要的作用。它能够迅速且准确地完成飞机外形结构的扫描，获取详尽而精准的数据。经过专业处理，这些数据能够直接转化为三维模型，助力研究人员深入剖析飞机等复杂物体的形状和结构。此外，该技术还可应用于预装配部件的扫描，支持计算机虚拟装配功能的实现，从而进行尺寸的精细调整与验证。通过扫描装配前的基础设施，可以在真实的三维空间中进行虚拟搭接设计，确保设计的高质量，同时缩短工程周期，降低生产成本。

汽车制造

近年来，随着扫描技术的迅猛发展，汽车零部件领域的传统测量方法正逐渐被非接触式的光学扫描所替代。相较于传统的接触式测量，光学扫描在数据采集方面展现出显著优势，特别是对于冲压件及冲压模具的复杂外形测量。这一技术的运用，不仅显著提升了产品的质量，更大幅缩短了产品研发周期，推动了行业的质的飞跃。

无损检测

利用三维激光扫描技术，可以对输油管道外壁的腐蚀状况以及管道的整体完整性进行深入的分析。这一技术的应用，为管道的安全运行提供了有力的技术支持。

加工制造

在制造领域，三维激光扫描技术发挥着至关重要的作用。通过这一技术，可以精准获取工件的三维形状，为制造过程提供精细化的指导。其高精度的测量能力，确保了产品的质量与性能。

容积计量

在容积计量方面，三维激光扫描技术展现出了卓越的性能。以油罐的容积计算为例，无论是矩形还是球形油罐，其形状往往都是不规则的，且可能存在轻微的鼓胀和变形。此外，罐体内还可能布置有多种装置，这给传统的测量方法带来了不小的挑战。然而，3D激光扫描仪能够精确地对物体进行三维重建，即便是内置了各种装置的罐体也能轻松测量，从而得出准确的容积值。

医疗行业的应用

在医疗领域，三维激光扫描技术同样发挥着至关重要的作用。无论是人体结构的精细测量，还是医学影像的三维重建，亦或是手术导航和假肢定制，这一技术都展现出了其独特的优势。通过精确的三维扫描，医生能够更准确地了解患者的病情，制定出更为合理的治疗方案。同时，这一技术也为假肢和义肢的定制提供了前所未有的精度和便捷性。

3D扫描技术在齿科领域的应用已相当成熟。借助这一技术，加工齿模的时间得以显著缩短，同时，高精度的三维模型可以通过高精度扫描技术轻松获取，从而确保制作的义齿能够完美贴合患者牙床。此外，3D扫描技术还极大地提升了患者就诊的舒适度。

随着科技的不断进步与经济的持续发展，3D激光扫描技术已逐渐成为众多领域研究的焦点。其显著优势在于高自动化的扫描过程、大幅降低的劳动强度、显著的减少外业作业时间、精简的人员需求，以及迅速的数据获取速度。相较于传统测量技术，这些优势使得3D激光扫描技术在解决各类问题时更显高效与便捷。目前，国内领先的3D激光扫描仪设备，正助力众多客户攻克难题，推动三维激光扫描技术在各行业中的深入应用，以更优、更广、更便捷的方式满足不同领域的工作需求。