三維掃瞄器（3D scanner）是一種科學儀器，用來偵測並分析現實世界中物體或環境的形狀（幾何構造）與外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）。蒐集到的數據常被用來進行三維重建計算，在虛擬世界中創建實際物體的數字模型。這些模型具有相當廣泛的用途，舉凡工業設計、瑕疵檢測、逆向工程、機器人導引、地貌測量、醫學信息、生物信息、刑事鑑定、數字文物典藏、電影製片、遊戲創作素材等等都可見其套用。三維掃瞄器的製作並非仰賴單一技術，各種不同的重建技術都有其優缺點，成本與售價也有高低之分。目前並無一體通用之重建技術，儀器與方法往往受限於物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮（高反照率）、鏡面或半透明的表面，而雷射技術不適用於脆弱或易變質的表面。
基本介紹
- 中文名：三維掃瞄器
- 外文名：3D Scanner
- 範圍：工業產品測試領域內的技術開發
- 軟體名稱：三維光學掃描系統
功能,技術,接觸式掃描,非接觸主動式掃描,非接觸被動式掃描,套用,逆向工程,文化資產,參見,
功能
三維掃瞄器的用途是創建物體幾何表面的點雲（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點雲可以創建更精確的模型（這個過程稱做三維重建）。若掃瞄器能夠獲取表面顏色，則可進一步在重建的表面上貼上材質貼圖，亦即所謂的材質印射（texture mapping）。
三維掃瞄器可類比為照相機，它們的視線範圍都呈現圓錐狀，信息的蒐集皆限定在一定的範圍內。兩者不同之處在於相機所抓取的是顏色信息，而三維掃瞄器測量的是距離。由於測得的結果含有深度信息，因此常以深度視頻（depth image）或距離視頻（ranged image）稱之。
由於三維掃瞄器的掃描範圍有限，因此常需要變換掃瞄器與物體的相對位置或將物體放置於電動轉盤（turnable table）上，經過多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個片面模型集成的技術稱做視頻配準（image registration）或對齊（alignment），其中涉及多種三維比對（3D-matching）方法。
技術
三維掃瞄器分類為接觸式（contact）與非接觸式（non-contact）兩種，後者又可分為主動掃描（active）與被動掃描（passive），這些分類下又細分出眾多不同的技術方法。使用可見光視頻達成重建的方法，又稱做基於機器視覺（vision-based）的方式，是今日機器視覺研究主流之一。
接觸式掃描
接觸式三維掃瞄器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瞄器。此方法相當精確，常被用於工程製造產業，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，因此不適用於高價值對象如古文物、遺蹟等的重建作業。此外，相較於其他方法接觸式掃描需要較長的時間，現今最快的座標測量機每秒能完成數百次測量，而光學技術如雷射掃瞄器運作頻率則高達每秒一萬至五百萬次。
非接觸主動式掃描
主動式掃描是指將額外的能量投射至物體，藉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）
時差測距（time-of-flight，或稱'飛時測距'）的3D雷射掃瞄器是一種主動式（active）的掃瞄器，其使用雷射光探測目標物。圖中的光達即是一款以時差測距為主要技術的雷射測距儀（laser rangefinder）。此雷射測距儀確定儀器到目標物表面距離的方式，是測定儀器所發出的雷射脈衝往返一趟的時間換算而得。即儀器發射一個雷射光脈衝，雷射光打到物體表面後反射，再由儀器內的探測器接收信號，並記錄時間。由於光速（speed of light){\displaystyle 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{\displaystyle t}為光信號往返一趟的時間，則光信號行走的距離等於{\displaystyle (c\cdot t)/2}。顯而易見的，時差測距式的3D雷射掃瞄器，其量測精度受到我們能多準確地量測時間{\displaystyle 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。
雷射測距儀每發一個雷射信號只能測量單一點到儀器的距離。因此，掃瞄器若要掃描完整的視野（field of view），就必須使每個雷射信號以不同的角度發射。而此款雷射測距儀即可透過本身的水平旋轉或系統內部的旋轉鏡（rotating mirrors）達成此目的。旋轉鏡由於較輕便、可快速環轉掃描、且精度較高，是較廣泛套用的方式。典型時差測距式的雷射掃瞄器，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雷射掃瞄器，也是屬於以雷射光去偵測環境情的主動式掃瞄器。相對於飛時測距法，三角測距法3D雷射掃瞄器發射一道雷射到待測物上，並利用攝影機查找待測物上的雷射光點。隨著待測物（距離三角測距3D雷射掃瞄器）距離的不同，雷射光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。這項技術之所以被稱為三角型測距法，是因為雷射光點、攝影機，與雷射本身構成一個三角形。在這個三角形中，雷射與攝影機的距離、及雷射在三角形中的角度，是我們已知的條件。透過攝影機畫面中雷射光點的位置，我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，並可計算出待測物的距離。在很多案例中，以一線形雷射條紋取代單一雷射光點，將雷射條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的進程。National Research Council of Canada是致力於研發三角測距雷射掃描技術的協會之一（1978）。
手持雷射（Handhold Laser）
手持雷射掃瞄器透過上述的三角形測距法建構出3D圖形：透過手持式設備，對待測物發射出雷射光點或線性雷射光。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雷射產品的距離，通常還需要藉助特定引用點－通常是具黏性、可反射的貼片－用來當作掃瞄器在空間中定位及校準使用。這些掃瞄器獲得的數據，會被導入電腦中，並由軟體轉換成3D模型。手持式雷射掃瞄器，通常還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數據（如待測物的結構、色彩分布），建構出更完整的待測物3D模型。
結構光源（Structured Lighting）
將一維或二維的圖像投影至被測物上，根據圖像的形變情形，判斷被測物的表面形狀，可以非常快的速度進行掃描，相對於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域，故能用於動態測量。
調變光（Modulated Lighting）
調變光三維掃瞄器在時間上連續性的調整光線的強弱，常用的調變方式是周期性的正弦波。藉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。調變光源可採用雷射或投影機，而雷射光能達到極高之精確度，然而這種方法對於噪聲相當敏感。
非接觸被動式掃描
被動式掃瞄器本身並不發射任何輻射線（如雷射），而是以測量由待測物表面反射周遭輻射線的方法，達到預期的效果。由於環境中的可見光輻射，是相當容易獲取並利用的，大部分這類型的掃瞄器以偵測環境的可見光為主。但相對於可見光的其他輻射線，如紅外線，也是能被套用於這項用途的。因為大部分情況下，被動式掃描法並不需要規格太特殊的硬體支持，這類被動式產品往往相當便宜。
立體視覺法（Stereoscopic）
傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類藉由雙眼感知的視頻相疊推算深度[1]（當然實際上人腦對深度信息的感知歷程複雜許多），若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度，而截取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析（correspondence analysis），一般使用區塊比對（block matching）或對極幾何（epipolar geometry）算法達成。
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等學者提出，使用視頻像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由於方程組中的未知數多過限制條件，因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質（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。此法之後由Woodham派生出立體光學法。
立體光學法（Photometric Stereo）
為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學法採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。拍攝完成後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射（perfect diffusion）模型解出物體表面的梯度向量（gradients），經過向量場的積分後即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面（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成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓線上展現時，重建後將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上，每次旋轉一小角度後拍攝其視頻，再經由視頻處理技巧去除背景並取出輪廓線條，蒐集各角度之輪廓線後即可“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，藉助人類視覺系統之獨特性能，輔助完成重建程式。
這些方式都是基於照片攝影原理，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境。
套用
逆向工程
逆向工程，是一種技術過程，即對一項目標產品進行逆向分析及研究，從而演繹並得出該產品的處理流程、組織結構、功能性能規格等設計要素，以製作出功能相近，但又不完全一樣的產品。逆向工程源於商業及軍事領域中的硬體分析。其主要目的是，在不能輕易獲得必要的生產信息下，直接從成品的分析，推導出產品的設計原理。 逆向工程可能會被誤認為是對智慧財產權的嚴重侵害，但是在實際套用上，反而可能會保護智慧財產權所有者。例如在積體電路領域，如果懷疑某公司侵犯智慧財產權，可以用逆向工程技術來查找證據。
