非接触式三维扫描：揭秘拍照式3D扫描仪的工作原理

一、什么是非接触式三维扫描仪

非接触式三维扫描是指仪器不与被测物进行直接的接触而是利用对于物体表面发生相互作用的物理场，如可见光、声场和电磁场等的分析，来获取物体表现的三维信息。

非接触式扫描仪原理基于深度影像技术，在硬件实现上通常运用多传感器技术，在软件处理上往往需要综合非线性求解和其他规正化方法。非接触式三维扫描技术基于计算机视觉原理，结合摄像机拍摄的图像和被测目标与摄像机的位置关系。

根据是否向目标投射光进行直接的主动成像，这类方法又可以进一步划分为主动式和被动式两类。主动扫描的原理主要是通过从不同位置的拍摄从而得到目标物的图像，然后通过分析不同位置相继图像中的对应点视差关系来求得目标深度。

积木易搭非接触式/拍照式扫描仪主要是通过光栅相位调制获得深度信息的Moire技术。非接触式扫描方法的主要优点在于扫描速度快，适用于不便于接触表面形态的研究与应用。

二、结构光法非接触式三维物体扫描

非接触式三维物体扫描方法有脉冲测距法、干涉测量法、等，下面我们着重聊下结构光法。

结构光法的基本思想是利用结构光投影在被测物表面后反映的集合信息求得物体的深度信息。它是一种综合利用图像与可控光源的测距技术。将有特殊结构的光投射到待测物体上，再由相机拍摄被测物体，根据光源与相机的相对位置，由光条纹的形变可以反映出被照射物表面的三维形态。结构光图像中的光条越密集，图像的分辨力就越高。

结构光法是七十年代初由Will和Pennington首先提出的。随后，Popplestone、Agin和Binford等人采用光条法扫描物体表面三维信息。为了提高扫描效率光条法自然地被推广为多线条法，其测量原理与传统的单光条法类似，而增加的光条大大提高了测量效率。

前国内外的学术界、产业界一致认为智能制造技术将对制造业的生产方法产生革命性变革。而在制造业向智能化转型的今天，3D打印与三维扫描技术无疑将成为最强的动力。

三维扫描仪系统功能结构图

三、三维扫描相机介绍

相机是扫描仪得以获取的传感器，其性能将直接而且决定性的影响扫描仪的性能。为满足扫描仪便携化的需求同时考虑到采用通用接口带来的方便开发使用的优势，相机大都选择USB接口。

由于扫描仪在实际使用中会遇到不同的光照条件以及不同反射性质的表面。仅通过调节投影灯亮度给予补偿是不够的，因而需要通过设置相机曝光时间，白平衡等参数优化图像采集效果。因此我们选择使用专业的单反相机，相机结构紧凑，可靠性好。而且曝光时间，增益与白平衡可通过编程调节。

在扫描仪的实际运用中必然会遇到不同强度的光照环境，一般的解决方法是扫描自带或者单独布景（可固定搭配）补光光源，并且光源能随着需求的改变调节光照强度；也可以将相机采集到的被测物表面的光强直接传输数据转换模块，然后数模转换模块输出的电压直接加到恒流远芯片的控制端上

（35000流明灯光系统）

扫描系统包括了通信与主控模块、图像采集模块和电源模块三大块；具体的组成部分包括USB接口，主控单元，补光灯强度调节，电源等单元的设计。这为扫描仪的各种功能实现奠定了硬件基础。

基于LED光的三维扫描仪控制系统，设计LED的目的是为了补光，即结构光投影到目标，通过双目视觉采集图像，由于环境和对象的不同，用于立体重建的双目视觉图像的照明强度可能会不理想，需要通过控制系统，调节LED的亮度，实现补光。

基于结构光的三维扫描仪的嵌入式系统程序设计，用以实现相机触发、LED光强度调节、通信以及图像处理和人际交互界面等功能。为扫描系统的总体控制功能的实现创造了软件基础。

相机采集好图像后，上传至计算机处理（分割）。图像分割，主要实现目标区分割和结构区分割。在扫描仪的实际使用中，被测目标只是整个图像中的一部分，控制系统为例实现优化测试结果的目标，需要关心的只有被测目标的距离以及光照情况。这样就需要有一种方法将被测目标在图像中对应的区域从图像中提取出来。