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。
文化資產
透過3D掃描可將各種對象進行記錄,小至各種文物、藝術品,大至歷史建築、街區建築甚至整體都市環境都可以透過掃描數位化,作為文化資產上之套用,可分為以下幾種用途:
參見