干货 3D打印的“眼睛”-三维扫描技术调查报告

本帖最后由 小软熊 于 2016-9-29 11:55 编辑

三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,通过测量空间物体表面点的三维坐标值,得到物体表面的点云信息,并转化为计算机可以直接处理的三维模型,又称为“实景复制技术”。

三维扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术,主要用于对物体空间外形和结构进行扫描,以获得物体表面的空间坐标,用软件来进行三维重建计算,在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。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、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用,示了巨大的技术先进性和强大的生命力。

一、三维扫描仪分类

三维扫描仪主要分为以下几类:

三维扫描仪分类

1.1 接触式测量仪

接触式测量又称为机械测量,这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式三维测量仪中的典型代表,它以精密机械为基础,综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。

根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同,一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。接触式三维扫描适用性强、精度高(可达微米级别);不受物体光照和颜色的限制;适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量;由于采用接触式测量,可能损伤探头和被测物表面,也不能对软质的物体进行测量,应用范围受到限制;受环境温湿度影响;同时扫描速度受到机械运动的限制,测量速度慢、效率低;无法实现全自动测量;接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点,它获取的只是关键特征点,因而,它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。在行业中的应用具有极大的限制。

三坐标测量机的工作原理为:使用各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头)作为测量传感器,当探针沿被测物体表面运动时,被测表面的反作用力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器,将测出的信号反馈给测量控制系统,经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。

现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展,各种各样的新型测量方法不断产生,它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点,已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。三维激光扫描仪和三维照相式扫描仪占据了及其重要的位置。

1.2 非接触式测量仪

1、三维激光扫描仪

三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同,激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类,可分为脉冲测距法(亦称时间差测量法)和三角测量法。

脉冲测距和三角测量扫描仪

脉冲测距法:激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光,由于物体表面可以反射激光,所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c,时间t1,t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。

脉冲测距法原理图

显而易见的,脉冲测距式3D激光扫描仪,其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候,由于时间太短,就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体,如地形扫描,但是不适合于近景扫描。

三角测距法:用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面,然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像,物体表面激光照射点的位置高度不同,所接受散射或反射光线的角度也不同,用CCD(图像传感器)光电探测器测出光斑像的位置,就可以计算出主光线的角度θ。然后结合己知激光光源与CCD之间的基线长度d,经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。

三角测距法原理图

手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形:通过手持式设备,对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的侦测器测量待测物的表面到手持激光产品的距离,通常还需要借助特定参考点-通常是具黏性、可反射的贴片-用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据,会被导入电脑中,并由软件转换成3D模型。

三角测量法的特点:结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小(几十微米)、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。

三维激光扫描仪的特点:①非接触测量,主动扫描光源;②数据采样率高;③主动发射扫描光源;④高分辨率、高精度;⑤数字化采集、兼容性好;⑥可与外置数码相机、GPS 系统配合使用。

2、 三维照相式扫描仪

在非接触式三维扫描仪中,还有一个很重要的就是三维白光扫描仪,其工作过程类似于照相过程,扫描物体的时候一次性扫描一个测量面,快速,简洁,因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术,扫描速度非常快,一般在几秒内便可以获取百万多个测量点,基于多视角的测量数据拼接,则可以完成物体360度扫描,是三维扫描和工业设计、工业检测的好助手。

照相式三维扫描仪

三维照相式扫描仪采用的结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的三维非接触式测量方式,测量时光栅(光点)装置投射数幅特定编码的结构光线(点)到待测物体上,成一定夹角的两个(或多个)摄像头同步采得相应图象,然后对图象进行相位和解码计算,并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个(或多个)工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标。

照相式三维扫描原理图

三维照相式扫描仪的特点:①非接触测量;②精度高,单面测量精度可达微米级别;③对环境要求较低;④对个别颜色(如黑色)及透明材料有限制,需要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。

二、企业和市场情况

三维激光式扫描仪拥有很广泛的市场应用,具有光明的市场前景,因此国际、国内也有很多厂家致力于开发相关设备,抢占市场先机。具调研,目前国内外中具有一定市场影响力的厂家有如下11家:

1、三维型创公司(Creaform)

三维型创(Creaform)公司成立于2002年,是一家从事便携式3D测量和分析技术设备的3D扫描成像的科技公司。该公司员工总计340人,其中CAD员工140人,计量学专家和3D扫描专家42人;目前在全世界有8个分公司,其中上海分公司员工达到30多人,在中国有35个经销商。2012年,三维型创公司实现销售收入4450加元,同比增长19%;2013年上半年销售额与2012年相比增长了41%,预计能超额完成5250万加元的年度目标。

三维型创公司的主要技术是利用可见光(如激光、白光),采用逆向工程,通过扫描,实现对物品的3D建模,其尺寸精度达到±0.045mm,具体的测量原理为三角测距法。其产品可用于产品的快速成型、逆向工程、快速雕塑成型,与3D打印机技术结合,可进行快速样品制造。

该公司主要产品有:1.手持式3D激光扫描仪;2.便携式激光光笔;3.光学坐标测量3D扫描仪;4.动态跟踪模块;5.用于输油管道完整性评估的3D扫描解决方案等。

2、德国GOM公司

GOM公司始建于1990年,是全球三维光学测量领域的领导者。GOM公司的主要业务是光学测量系统开发和销售,其主要侧重于应用,如三维数字化,三维坐标测量,变形测量和质量控制。GOM三维扫描系统可用于产品开发和质量保证,材料和部件测试。其产品广泛应用于汽车行业、航空航天行业和消费品行业,同时为世界各地的研究中心和学校提供教学实验设备。

GOM提供ATOS Triple Scan、ATOS Compact Scan、ATOS Core、ATOS Scan-Box等多个型号三维扫描系统,广泛适用于不同的应用场合和应用需求,如便携式三维扫描系统,机器人自动化扫描系统等。ATOS三维扫描系统的的核心为ATOS扫描头,其测量原理为结构光源原理。ATOS工业三维光学扫描技术系列能高速地提供精准及细腻的扫描数据。另外其提供的三维测量数据更可作全面分析,如钣金零件,工具和模具,涡轮叶片,原型,注塑件,铸件,等工业部件,有别於一般单点或激光测量,ATOS能撷取物件的完整表面几何形状和基元,通过密集的点云或多边形网格表现出来。

3、Z Corporation公司

Z Corporation是世界上速度最快三维成型机的开发商、制造商和营销商。Z Corporation致力于制造物美价廉的多功能产品,包括全球快速且高分辨率3d打印机(可通过数字数据制作彩色3D物理原型的设备)以及独特的便携式3D扫描仪(实时数字化3D表面的手持式设备)。Z Corporation的技术适用于制造业、建筑、土木工程、逆向工程、地理信息系统(GIS)、医疗及娱乐等行业的众多应用。

2012年,Z Corporation宣布推出便携式3D激光扫描仪ZScanner600,价格约为64万元。ZScanner600拥有众多优点,包括仅有0.1毫米的分辨率以及高达80微米的XY轴精度;由于ZScanner600在扫描时可自行定位并以部件为参考坐标,因此,用户可在扫描过程中可随意移动目标对象而不影响扫描。

4、Polhemus公司

Polhemus (波尔希默斯)是三维位置/定位跟踪系统全球的头号供应商。主要产品有PATRIOT运动跟踪系统,LIBERTY 电磁跟踪器、LIBERTY无线跟踪系统、FASTRAK运动跟踪系统、FastScan 三维立体扫描仪、SCOUT军用六自由度跟踪系统等等,这些产品广泛应用于医疗行业,大学研究,军事训练和模拟产业,计算机辅助设计产业。

COBRA售价约为27万,SCORPION售价约为33万,Scorpion机型配有两台摄像头,扫描时,双摄像头可以对激光束机型监控,记录下物体的表面轮廓,操作更简单。在距离被扫描物体20厘米范围内,可分辨到0.5mm;最佳可分辨0.1毫米。 扫描速度是每秒50线,线和线之间的间隔取决于激光头的移动速度,在每秒50毫米的移动速度下,分辨率是1毫米。

5、加拿大NDI公司

NDI公司是光学测量领域的领导者,总部位于加拿大技术三角区安大略省沃特卢,共有100多名员工,至今已有27年研发历史。NDI主要面向医疗、工业及科研领域提供最优质的三维测量技术和服务。其三维测量技术的精度和可信度深受全球用户信赖,在全球范围内安装了约14000余套先进三维测量系统,主要应用在电脑辅助治疗、临床步态分析、体育/生物力学研究、工业零件检测和人体工程学应用领域。其三维激光扫描系统主要包括两款产品:三维激光扫描器ScanTRAK和手持式三维激光扫描仪VicraScan。

三维激光扫描器ScanTRAK采用NDI光学跟踪器与ScanWorks V5激光扫描器相结合,能同时实现非接触式手持激光扫描和接触式坐标测量强大功能及方便操作的特性。其精度可高达 0.0240mm(符合NIST标准),分辨率0.0137mm;移动范围(1.5m-6m 可测量20立方米);使用无需标定。

手持式三维激光扫描仪VicraScan集三维模型的创建、比较和处理功能于一身,扫描精度达到0.04mm,具有自我定位技术,无需关节臂、三坐标测量机或其他任何跟踪定位装置,确保随时随地开始扫描测量,安装过程瞬间完成,被测工件表面安放目标靶后可迅速开始测量。

6、3D CaMega—北京博维恒信公司

3D CaMega光学三维扫描系统由北京博维恒信科技发展有限公司自主研发。目前,博维恒信研发的3D CaMega光学三维扫描系列产品,包括两大系列(工业三维扫描系列和人体三维扫描系列)几十种款型的三维扫描仪产品,其中非接触式人体三维扫描仪填补了国内空白,其对人体无害的白光扫描技术,打破了国外在三维扫描行业的高新技术垄断,给国内用户带来了极大的便利.

3D CaMega主要型号有便携式CPC双目系列、便携式CF单目系列、头部扫描系统、足部扫描系统等,扫描精度达到0.1mm,价格约在24万元。

7、深圳精易迅科技有限公司

深圳市精易迅科技有限公司是一家长期致力于非接触式三维扫描及检测系统研发、销售及服务一体化的专业三维数字化高科技公司,拥有点、线、面不同系列的激光和白光三维扫描系统,可提供从三维扫描、工业检测到工业设计、脚型鞋楦定制、逆向工程等一系列解决方案,并力争成为国内该行业最全面最完备的解决方案厂商。

精易迅公司的主要产品有PTS-H400M综合型三维扫描仪、PTS-J200精密型三维扫描仪、PTS-FM四目型三维扫描仪等,其主要特点在于:测量精度可达0.02mm~0.05mm; 测量景深范围为300~500mm;可以扫描小至几毫米大至几米的物体,适合不同大小产品。

8、德国博尔科曼公司

德国博尔科曼公司成立于1986年,是白光扫描测量行业的开拓者,也一直是行业的领航企业。他们的产品种类最多在汽车等工业,文物保护和动画行业,牙齿假肢等医疗行业和人体扫描都是应用最广泛,最成功的企业。其3D白光扫描系统采用了特有的专利技术“微结构光投影技术”和非对称结构,具有如下优点:

1)几乎能测任何物体表面,测量精度可达20um。

2)测量精度高,例如德国博尔科曼stereoSCAN-HE 三维扫描仪的测量精度可达4um,重服测量精度高,一致性好。

3)抗震动,便携性好很好。

4)对位拼接技术。

5)边缘检测技术。

博尔科曼的主要产品有stereoSCAN-HE 三维扫描仪和SmartSCAN 三维扫描仪。博尔克曼的d-StationSCAN测量系统与KaVo合作在牙齿测量和制作行业已销售1000多台套,是世界上在该行业用的最多最成功的测量系统。完全适合于义齿、骨骼、珠宝饰品等小物件的三维数据抄速扫描。

9、德国Steinbichler光电技术有限公司

德国Steinbichler 光电技术有限公司成立于1987年,是世界先进的光学测量和检测技术提供商。该公司的产品有:三维数字化扫描系统;表面检测系统;轮胎检测系统;相位剪切干涉-无损检测系统;振动与变形分析系统(电视相位剪切干涉系统,ESPI/PulsESPI系统),主要应用于汽车、航空航天及轮胎业领域。

三维数字化扫描系统包括基于白光光栅/条纹投影原理的Comet®系统,以及手持式激光扫描仪T-SCAN系统。

10、杭州先临三维科技股份有限公司

先临三维公司成立于2004年,先专注于三维数字化与3D打印技术,将两项技术进行融合创新,提供专业三维数字技术综合解决方案,应用于工业制造、生物医疗、文化创意三大领域, 帮助这些行业的客户降低产品开发制造成本,缩短产品交付周期,并有效提高产品和服务品质。公司是国内3D打印与三维数字化技术一体化应用的领军企业,中国3D打印技术产业联盟副理事长单位,浙江省3D打印产业联盟理事长秘书长单位,光学三维测量系统(三维扫描仪)的行业标准第一起草单位。

先临三维公司的主要产品有OpticScan通用系列三维扫描仪、 OpticScan-Q-Plus 升级版四目三维扫描仪、OpticScan-D-Plus 升级版双目三维扫描仪等。

11、北京天远三维科技公司

北京天远三维科技有限公司成立于2002年。天远三维扫描仪是北京天远三维科技有限公司与清华大学联合开发的具有自主知识产权的照相式三维扫描系统。该系统已达到国际先进水平,其扫描方式有别于传统的激光点扫描方式,通过在物体表面投射光栅,用两架摄像机拍摄发生畸变的光栅图像,以实现物体表面三维轮廓的测量。天远三维扫描仪主要型号有OKIO-H型、OKIO-B型、OKIO-F型、OKIO-S型。

三、科研院所

1、上海光机所

2011年,中科院上海光学精密机械研究所研制成功了地基全视景三维成像激光扫描仪。“地基全视景三维成像激光扫描仪”是一种非接触式主动测量系统,采用激光三维扫描技术(又称“实景复制技术”),是继GPS全球空间定位系统之后测绘技术领域的又一项新突破。该测量系统可进行大面积高密度空间三维数据的采集,完整获取各种大型、复杂及不规则实体或实景的三维数据,为获取物体空间位置信息提供全新技术手段。产品可广泛应用于城市三维模型重建、建筑工程、电网工程、公路隧道测量、文物保护等领域。

2、西安交通大学

西安交通大学模具与塑性加工研究所、西安交通大学信息机电研究所和上海数造机电科技有限公司共同研发3DSS系列三维扫描仪。该扫描仪为是光栅投影照相式三维测量仪,采用目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。该扫描仪目前已开发出两代产品,第二代的四个型号是:3DSS-STD-II(标准型)、3DSS-MINI-II(迷你型)、3DSS-HI-II(高端型)、3DSS-STDC-II(彩色标准型)。

四、总结

总的来讲,3D扫描技术广泛应用于军事、工业制造业、文化产业、生物医疗产业等领域,具有非常广阔的市场前景。目前国内国际都有大批公司进行着三维扫描仪的研发和销售工作,比较国内外各公司的产品及目前发展情况,我们发现,目前三维扫描技术以主动式扫描技术为主,其光源多采用激光或白光,产品中以三维照相式扫描仪居多。国外公司如三维型创公司、GTO公司引领着三维扫描技术的发展,虽然目前国内的三维扫描技术有了一定的发展,涌现出一批企业,但是,其产品和技术均以仿制国外为主,请关注南极熊3d打印网。

来源:航天先进结构资讯