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干货!三维扫描技术原理大揭秘!
来源: | 作者:小埃 埃太科三维 | 发布时间: 194天前 | 629 次浏览 | 分享到:

Ⅰ.世界的维度丨浅谈坐标系

我们都知道,自己身处三维世界。但三维世界到底意味着什么?

所谓“三维”,是指我们所在的空间有三个维度。空间内任何物体的位置都可以用三个数字来描述。人类历史上采用了不同逻辑来设定这三个参数,而不同逻辑即衍生出了不同坐标系。

在这里,我们展示三种常见的坐标系:

最常见的笛卡尔坐标系



球坐标系                                                                             圆柱坐标系

当今市场上,高端三维扫描仪的性能已远远超过人类肉眼可识别水平。而一套可靠的,具备高度复现性的软硬件坐标系,是扫描仪实现其精度的基石。


Ⅱ.物体的维度丨从零维到三维

设想一个点,体积小到可以忽略不计,那么其本身只具备三坐标的空间位置信息。从某种意义上来说,这就是零维物体。

线由多个点首尾相连构成,即为一维物体。

零维与一维物体


薄纸是二维物体。与长宽相比,其第三个维度(厚度)可以忽略不计。

二维物体


箱子是最直观的三维物体,在三个维度上都占据一定空间。

三维物体


三维扫描仪,顾名思义,是用来扫描三维物体的。通常来说,桌面型扫描仪用于扫描小微型物体,手持式结构光扫描仪用于扫描中型物体,激光扫描仪用于扫描大型超大型物体。

Ⅲ.人眼三维感知原理vs扫描仪三维感知原理

物体与人眼之间的距离,在某种意义上可以描述为“深度”。人类双眼无法同时聚焦深度不同的多个物体。当我们看向近处,远处物体就会变得模糊;当我们看向远处,近处物体就会变得模糊。这种特殊的聚焦机制,叫做“调节反射”。



                         看向远处                                                                                           看向近处


调节反射能够协助双眼聚焦,还能帮助我们感知“深度”。但单独一只眼睛无法很好地感知深度。我们需要双眼协同配合。

当双眼观察物体时,每只眼睛距离物体的“深度”不尽相同,因而投射到视网膜上的映像也会出现一定差异。这一现象被称为“网膜像差”,又称作“双眼视差”。基于双眼视差,我们形成了对深度的感知。基于物体上各点的深度信息,我们可以进一步认知物体的几何形态,运动轨迹。同时借助视网膜上的感光细胞,我们获取了物体的颜色信息。

埃太科三维扫描仪,工作原理与人眼十分相似。扫描仪“感知”物体的几何形态、深度和颜色。与人眼相比,其深度感知能力大大提升。

无论是人眼,还是三维扫描仪,都需要一定的环境反差才能进行认知。举个例子,想象您在泊车,整个停车场地面都是相同的颜色,没有任何可识别的特征与停车位形成反差,那么您的大脑就无法识别空间深度,无法正常泊车。相应的,色彩单一、几何形态单一、表面平顺的物体,一直以来都是三维扫描的难点。许多三维扫描仪难以捕获黑色或深色表面。埃太科扫描仪配备业内前沿科技,在处理上述扫描难点时有着不俗表现。

计算机如何认知三维物体

人眼接收光信号后,在大脑中完成三维世界的重建。扫描仪采集数据后,在计算机上完成三维物体的重建。那么,计算机如何认知三维物体?基于哪些元素重构三维物体呢?

Ⅳ.什么是顶点?

顶点是指描述某个点所具备不同属性的数据集。点的主要属性是位置,其它属性包括色彩、反射比、法向量和切向量等。

点云就是三维扫描仪在采集数据后生成的一组顶点。


Ⅴ.什么是边?

边是连接两个顶点的直线。


Ⅵ.什么是面片?

             
三角形面片                四边形面片                 五边形面片              六边形面片                  七边形面片                     八边形面片

面片是由若干条边组成的闭合表面。面片的每个顶点都有两条相邻的边。四边形及以上的多边形都可以由一定数量的三角形替换。通常,三角形面片是计算机环境下三维模型网格的基本单位。

Ⅶ.什么是网格?

简而言之,网格是顶点和面片的集合体

网格是计算机环境下呈现曲面的主要方式。简单网格可以手动搭建,复杂网格则需要三维扫描仪捕获实物,并搭配算法进行建模。由于捕获工具不同,算法逻辑不同,同一曲面有多种网格呈现形式。


无数面片组成了网格,网格在计算机环境下呈现了三维物体。


Ⅷ.纹理在三维扫描中的应用


纹理映射示意图

纹理指的是模型表面的图案,也可通俗地理解为颜色信息。纹理通常为2D图像文件,每个像素具备U和V坐标值,携带对应的颜色信息。为网格添加纹理的过程被称为纹理映射或UV映射。

部分扫描仪配备纹理摄像头,即可采集物体的纹理信息。埃太科全系产品均具备出色的纹理采集能力,搭配闪光灯,在较差的光照环境下仍可采集高质量纹理。




总结


过去二十年间,三维扫描技术不断蓬勃发展,应用领域不断拓宽。博物馆运用三维扫描技术保护濒临损坏的历史文物,工程师运用三维扫描技术逆向制作复杂工件,医护人员运用三维扫描技术为残障人士定制假体。


三维扫描的应用场景不胜枚举,今天的一切仅仅是一个开始。