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精度超过原物倒模 3D扫描仪技术解析

2013-04-08 08:29:29

 

为什么3D打印那么火?因为3D技术早已有之,火是市场趋势,工业界寻找技术发力点,3D打印恰好符合条件,桌面式个人3D打印前景广阔,开源技术基础又让准入门槛大为降低。综合也都造成了目前火的景象。

可是相对3D扫描对大部分人来说是一个陌生的词语。最近Makerbot公司即将发布3D扫描产品。这款产品是3D打印技术的一个衍生设备。作为3D打印机的眼神,3D扫描有望获得人们的青睐。那么什么是3D扫描技术呢?3D扫描技术有哪些应用范围和优缺点呢?和3D打印能否有所结合呢?本文将全面系统的介绍,让您更加了解3D扫描技术。


“3D打印”风靡全球 “3D扫描”紧随其后
精度超过原物倒模 3D扫描仪技术解析

什么是3D扫描仪?

  三维扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器,用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观资料(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的资料常被用来进行三维重建计算,在虚拟世界中建立实际物体的数位模型。这些模型具有相当广泛的用途,举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学资讯、生物资讯、刑事鉴定、数位文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。

解析3D扫描技术
3D扫描仪

  三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术,各种不同的重建技术都有其优缺点,成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术,仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面,而雷射技术不适用于脆弱或易变质的表面。

解析3D扫描技术
3D扫描仪示意图

三维扫描仪可模拟为照相机,它们的视线范围都体现圆锥状,信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于相机所抓取的是颜色信息,而三维扫描仪测量的是距离。由于测得的结果含有深度信息,因此常称之。

 

(文章来源:中关村在线)

 

3D扫描仪分类

  三维扫描仪分类为接触式(contact)与非接触式(non-contact)两种,后者又可分为主动扫描(active)与被动扫描(passive),这些分类下又细分出众多不同的技术方法。使用可见光影像达成重建的方法,又称做基于机器视觉(vision-based)的方式,是今日机器视觉研究主流之一。


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柯尼卡美能达 RANGE7/RANGE5非接触式三维扫描仪

柯尼卡美能达非接触式三维扫描仪RANGE7/RANGE5对不同外形轮廓的工业部件,包括冲压件、加工件、模具、成型件、铸件以及注塑件,瞬间扫描并将其转换为三维数据。数据模型可以精确的在电脑屏幕上重现。使用选配应用软件,通过对比这个扫描数据和三维CAD设计数据,你就可以快速获得软件自动导出的检测报告,包括全局误差、界面误差、壁厚分配以及GD&T(几何尺寸及公差)。这使得制造工序中的工作速度以及产品质量大大提高。

解析3D扫描技术
3D雷射扫描仪 可用于扫描建筑物

  接触式扫描:接触式三维扫描仪透过实际触碰物体表面的方式计算深度,如座标测量机(CMM, Coordinate Measuring Machine)即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确,常被用于工程制造产业,然而因其在扫描过程中必须接触物体,待测物有遭到探针破坏损毁之可能,因此不适用于高价值物件如古文物、遗迹等的重建作业。此外,相较于其他方法接触式扫描需要较长的时间,现今最快的座标测量机每秒能完成数百次测量,而光学技术如雷射扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。

  非接触被动式扫描:被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线(如雷射),而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法,达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射,是相当容易取得并利用的,大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线,如红外线,也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下,被动式扫描法并不需要规格太特殊的硬件支援,这类被动式产品往往相当便宜。非接触被动式扫描包括:立体视觉法(SterEOScopic)、色度成形法(Shape from Shading)、立体光学法(Photometric Stereo)和轮廓法等。  

  非接触主动式扫描:主动式扫描是指将额外的能量投射至物体,借由能量的反射来计算三维空间资讯。就是像物体投射特定的光,其中代表技术激光线式的扫描,精度比较高,但是由于每次只能投射一条光线,所以扫描速度慢。另外,由于激光会对生物体以及比较珍贵的物体造成伤害,所以不能应用于某些特定领域。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与 X 射线。非接触主动式扫描包括:时差测距(Time-of-Flight)、三角测距(Triangulation)、手持雷射(Handhold Laser)、结构光源(Structured Lighting)和调变光(Modulated Lighting)等等。

(文章来源:中关村在线)

小型3D扫描仪即将上市

MakerBot似乎在推广3D打印事业上做出了不少贡献,近来一家名为Matterform的企业正准备生产一种简单、小型的3D扫描仪,作为3D打印机的互补出现在市场上,这家公司已经为此在Indiegogo上发布了筹款项目。


“3D打印”风靡全球  “3D扫描”紧随其后
Photon 3D扫描仪

这款名为Photon的3D扫描仪合起来的时候尺寸与普通打印机无异,打 开后就会见到承载扫描物体的平台。机器运作过程中,圆形托盘会转动,机身上装载的摄像头和激光会开始扫描收集该物体的外形数据,耗时约3分钟。

解析3D扫描技术
Photon 3D扫描仪

这款3D扫描仪最大能够扫描9.75英寸高、7.5英寸宽(约24.77×19.05cm)的物体,参与发起的筹款项目中,购买这款设备需要392美元(约合人民币2438元)。当然除了这台设备外,Matterform还为此推出了配套的扫描软件。Matterform的目标是造出更为易用的扫描仪产品,进一步促进3D打印的普及。

因为大部分用户无法自行构建物体模型,所以3D打印自然也会受阻。而如果能将3D打印机与扫描仪配合使用,就能完成许多小型简单物体的复制工作,也为家用或手工制品提供很好的助力。Matterform表示,最早一批的Photon将于7月份出货,前提是筹款至少要到80000美元的目标,离此筹款项目结束还有32天,目前还需要60000美元。

(文章来源:中关村在线)

手机变成3D扫描仪

据国外媒体报道,三维扫描仪价格不菲,通常用于工业设计模型的三维扫描仪售价在数千美元。目前,设计师最新开发一个手机应用软件,能够让手机成为3D扫描仪,该软件仅售价300美元。


解析3D扫描技术
最新手机软件可使智能手机成为价廉物美的3D扫描仪

这款手机应用软件叫做“Moedls”,基于iPhone手机或iPad电脑,以及一个商用激光器、转盘和简单的盒子,便能实现物体的3D扫描。发明者是约翰-费尔,他曾成功设计磁性弹弓和升空磁性雕像。

“3D打印”风靡全球 “3D扫描”紧随其后
最新手机软件可使智能手机成为价廉物美的3D扫描仪

将一部智能手机放置在三脚架上,把需要扫描的物体放在转盘上,一个小型激光器瞄准扫描物体,之后激光器照亮进行扫描。激光器的功能有点儿像照相机闪光灯,提供一个真实明亮的光源,使相机能够拍摄到扫描物体的细节部分。

“3D打印”风靡全球 “3D扫描”紧随其后
最新手机软件可使智能手机成为价廉物美的3D扫描仪

费尔说:“3D扫描难度较大的部分实际是转盘,很难发现一个平台旋转缓慢,并且足够稳定。在此之前我曾使用过一个老式留声机。”

当扫描物体在转盘上转动,智能手机相机能够拍摄更多照片,最终获得3D图像结构。目前,这款手机软件仍在等待苹果公司的审批,如果获批将出现在iPhone手机的应用商店中,同时,该软件的手机安卓版正在研发之中。

之前曾有一些手机应用软件基于智能手机相机功能实现3D图像呈现,但其中一些软件必须要求具备双相机系统进行深层扫描。

(文章来源:中关村在线)

3D扫描与3D打印结合

  三维立体打印属于一种快速成型(Rapid prototyping)技术,是一种由CAD数据(3D扫描数据)通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型,甚至直接制造零件或模具,从而有效的缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。


“无所不能” 观图畅想3D打印机发展趋势
3D打印机实现原理图

光是将3D打印机、3D扫瞄器与自动机器人技术分别应用,就已经可以创造非常多造福人类的用途。不过现在,一群来自 Drexel 大学的科学家正研究将以上三项技术予以融合的全新应用,希望能成功塑造出可供教育与实验用途的小型恐龙骨架模型。

解析3D扫描技术
3D扫描与3D打印结合

  首先,他们透过 3D 扫瞄器将恐龙骨骼标本先数字化之后,再经由 3D 打印机打造出体积缩小些的等比例模型,科学家们更期望能以此为基础制造出能正常运作的机器人模型,来帮助研究这些恐龙与其他生物在史前环境中的运动原理。此计划预计将于今年完成恐龙的肢体部份,之后一两年间则会将研究方向转为制造出完全复制恐龙运动状态的机器龙模型。不知道未来是否有机会能在科学博物馆里亲眼见到这些恐龙机器人的展出,想必应该会更有置身侏罗纪公园的感觉吧

(文章来源:中关村在线)

3D扫描仪可还原古生物化石

  据国外媒体报道,奥地利科学家成功复原了一块此前未知的动物化石的原貌。根据复原图,这只动物浑身长满钉状结构,据信是现代鱿鱼与章鱼的祖先。此项研究由奥地利国家历史博物馆进行,研究人员利用3D扫描技术逐层扫描化石,而后制作出一段视频,展示这种动物如何生活和移动身体。


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白垩纪时期的古生物

  这种动物被称之为“Dissimilites intermedius”,生活在距今1.28亿年前的白垩纪时期。它的化石在海底形成,最后在阿尔卑斯山白云石山山顶的沉积物中发现。科学家表示计算机X线断层摄影术允许他们看到肉眼无法看到的一些细节,帮助他们进一步了解这种古生物。根据他们的研究发现,这种动物的身体被钉状结构覆盖,每一个的长度在3到4毫米之间。

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科学家在挖掘原古生物化石

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3D扫描技术扫描化石

研究人员利用3D扫描技术逐层扫描化石,而后制作出一段视频,展示这种动物如何生活和移动身体

  博物馆发言人表示:“这块化石代表此前一个未知的物种。计算机X线断层摄影术和先进的3D复原程序不仅可以帮助复原一年前在白云石山发现的化石的原貌,同时也能根据这种动物的肢体留下的印记了解其如何移动身体。

小结:三维扫描系统是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术,是对物体空间外形和结构及色彩进行扫描,以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字。三维扫描系统可以用于建筑和土木工程、加工工业和数字工厂、检测和逆向工程、历史遗产恢复工程、取证和事故现场应用等场合。与三维打印机技术相结合,可以将数据真实化,为科学研究、数据分析,以及我们的生活带来便利。

(文章来源:中关村在线)

 

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