接觸式三維掃描儀透過實際觸碰物體表面的方式計算深度，如座標測量機（CMM, Coordinate Measuring Machine）即典型的接觸式三維掃描儀。此方法相當精確，常被用于工程制造產(chǎn)業(yè)，然而因其在掃描過程中必須接觸物體，待測物有遭到探針破壞損毀之可能，因此不適用于高價值對象如古文物、遺跡等的重建作業(yè)。此外，相較于其他方法，接觸式掃描需要較長的時間，現(xiàn)今最快的座標測量機每秒能完成數(shù)百次測量，而光學(xué)技術(shù)如激光掃描儀運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。

主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，借由能量的反射來計算三維空間信息。常見的投射能量有一般的可見光、高能光束、超音波與X射線。

時差測距（time-of-flight，或稱“飛時測距”）的3D激光掃描儀是一種主動式（active）的掃描儀，其使用激光光探測目標物。一些以時差測距為主要技術(shù)的激光測距儀（laser rangefinder）確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發(fā)出的激光脈沖往返一趟的時間換算而得。即儀器發(fā)射一個激光光脈沖，激光光打到物體表面后反射，再由儀器內(nèi)的探測器接收信號，并記錄時間。由于光速（speed of light){ c}為一已知條件，光信號往返一趟的時間即可換算為信號所行走的距離，此距離又為儀器到物體表面距離的兩倍，故若令{ t}為光信號往返一趟的時間，則光信號行走的距離等于{ (c t)/2}。顯而易見的，時差測距式的3D激光掃描儀，其量測精度受到我們能多準確地量測時間{ t}，因為大約3.3皮秒（picosecond；微微秒）的時間，光信號就走了1毫米。

激光測距儀每發(fā)一個激光信號只能測量單一點到儀器的距離。因此，掃描儀若要掃描完整的視野（field of view），就必須使每個激光信號以不同的角度發(fā)射。一些激光測距儀透過本身的水平旋轉(zhuǎn)或系統(tǒng)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)鏡（rotating mirrors）可達成此目的。旋轉(zhuǎn)鏡由于較輕便、可快速環(huán)轉(zhuǎn)掃描、且精度較高，是較廣泛應(yīng)用的方式。典型時差測距式的激光掃描儀，每秒約可量測10,000到100,000個目標點。

三角測距（Triangulation）

三角測距3D激光掃描儀，也是屬于以激光光去偵測環(huán)境的主動式掃描儀。相對于飛時測距法，三角測距法3D激光掃描儀發(fā)射一道激光到待測物上，并利用攝影機查找待測物上的激光光點。隨著待測物（距離三角測距3D激光掃描儀）距離的不同，激光光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術(shù)之所以被稱為三角形測距法，是因為激光光點、攝影機，與激光本身構(gòu)成一個三角形。在這個三角形中，激光與攝影機的距離、及激光在三角形中的角度，是我們已知的條件。透過攝影機畫面中激光光點的位置，我們可以決定出攝影機位于三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，并可計算出待測物的距離。在很多案例中，以一線形激光條紋取代單一激光光點，將激光條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的進程。

手持激光（Handhold Laser）

手持激光掃描儀透過上述的三角形測距法建構(gòu)出3D圖形：透過手持式設(shè)備，對待測物發(fā)射出激光光點或線性激光光。以兩個或兩個以上的偵測器（電耦組件或位置感測組件）測量待測物的表面到手持激光產(chǎn)品的距離，通常還需要借助特定引用點——通常是具黏性、可反射的貼片——用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，會被導(dǎo)入電腦中，并由軟件轉(zhuǎn)換成3D模型。手持式激光掃描儀，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數(shù)據(jù)（如待測物的結(jié)構(gòu)、色彩分布），建構(gòu)出更完整的待測物3D模型。

結(jié)構(gòu)光源（Structured Lighting）

將一維或二維的圖像投影至被測物上，根據(jù)圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非常快的速度進行掃描，相對于一次測量一點的探頭，此種方法可以一次測量多點或大片區(qū)域，故能用于動態(tài)測量。

調(diào)變光（Modulated Lighting）

調(diào)變光三維掃描儀在時間上連續(xù)性的調(diào)整光線的強弱，常用的調(diào)變方式是周期性的正弦波。借由觀察視頻每個像素的亮度變化與光的相位差，即可推算距離深度。調(diào)變光源可采用激光或投影機，而激光光能達到極高之精確度，然而這種方法對于噪聲相當敏感。

被動式掃描儀本身并不發(fā)射任何輻射線（如激光），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預(yù)期的效果。由于環(huán)境中的可見光輻射，是相當容易獲取并利用的，大部分這類型的掃描儀以偵測環(huán)境的可見光為主。但相對于可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被應(yīng)用于這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法并不需要規(guī)格太特殊的硬件支持，這類被動式產(chǎn)品往往相當便宜。

使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法（binocular），另有三眼視覺（trinocular）與其他使用更多攝影機的延伸方法。

色度成形法（Shape from Shading）

早期由B.K.P. Horn等學(xué)者提出，使用視頻像素的亮度值代入預(yù)先設(shè)計之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由于方程組中的未知數(shù)多過限制條件，因此須借由更多假設(shè)條件縮小解集之范圍。例如加入表面可微分性質(zhì)（differentiability）、曲率限制（curvature constraint）、光滑程度（smoothness）以及更多限制來求得精確的解。此法之后由Woodham派生出立體光學(xué)法。

立體光學(xué)法（Photometric Stereo）

為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學(xué)法采用一個相機拍攝多張照片，這些照片的拍攝角度是相同的，其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學(xué)法使用三盞光源，從三個不同的方向照射待測物，每次僅打開一盞光源。拍攝完成后再綜合三張照片并使用光學(xué)中的完美漫射（perfect diffusion）模型解出物體表面的梯度向量（gradients），經(jīng)過向量場的積分后即可得到三維模型。此法并不適用于光滑而不近似于朗伯表面（Lambertian surface）的物體。

輪廓法

此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構(gòu)成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓線上展現(xiàn)時，重建后將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置于電動轉(zhuǎn)盤上，每次旋轉(zhuǎn)一小角度后拍攝其視頻，再經(jīng)由視頻處理技巧去除背景并取出輪廓線條，搜集各角度之輪廓線后即可“刻劃”成三維模型。

用戶輔助

另外有些方法在重建過程中需要用戶提供信息，借助人類視覺系統(tǒng)之獨特性能，輔助完成重建程序。

這些方式都是基于照片攝影原理，針對同個物體拍攝視頻以推算三維信息。另一種類似的方式是全景重建（panoramic reconstruction），乃是在定點上拍攝四周視頻使之得以重建場景環(huán)境。



【來源：網(wǎng)絡(luò)】


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