3D扫描是分析真实世界物体或环境以收集其形状及可能的外观（如颜色）的三维数据的过程。收集到的数据随后可用于构建数字3D模型。3D扫描仪可基于多种不同技术，每种技术都有其自身的局限性、优势和成本。在可数字化的物体类型方面，仍存在许多限制。例如，光学技术可能难以处理暗色、有光泽、反光或透明的物体，而工业计算机断层扫描、结构光3D扫描仪、LiDAR和飞行时间3D扫描仪则可用于构建数字3D模型，而无需进行破坏性测试。
收集到的3D数据适用于多种应用。这些设备被娱乐行业广泛用于电影和视频游戏制作，包括虚拟现实。该技术的其他常见应用包括增强现实、动作捕捉、手势识别、机器人地图构建、工业设计、矫形器和假肢、逆向工程和原型制作、质量控制与检测，以及文化文物的数字化。
功能
3D扫描仪的目的通常是创建3D模型。该3D模型由多边形网格或点云组成，这些点云是物体表面上的几何采样点。这些点随后可用于推断物体的形状，这一过程称为重建。如果在每个点处收集颜色信息，则还可以确定物体表面的颜色或纹理。
3D扫描仪与相机具有若干共同特征。与大多数相机一样，它们具有锥形视野，并且像相机一样，它们只能收集未被遮挡的表面信息。相机收集其视野内表面的颜色信息，而3D扫描仪则收集其视野内表面的距离信息。3D扫描仪生成的“图像”描述了图像中每个点处到表面的距离，从而可以确定每个点的三维位置。
在某些情况下，单次扫描无法生成物体的完整模型。通常，从不同方向进行多次扫描有助于获取物体所有侧面的信息。这些扫描需要转换到公共参考系中，这一过程通常称为对齐或配准，然后合并以创建完整的3D模型。从单个距离图到完整模型的整个过程通常称为3D扫描流水线。
接触式技术
接触式3D扫描仪通过物理探测部件并记录传感器在探头围绕部件移动时的位置来工作。接触式3D扫描仪主要有两种类型：坐标测量机（CMM）和关节臂。
坐标测量机传统上具有三个相互垂直的运动轴，并在Z轴上安装有接触式探头。当接触式探头围绕部件移动时，每个轴上的传感器记录位置以生成XYZ坐标。现代CMM是五轴系统，两个额外轴由可旋转的传感器头提供。CMM是最精确的3D测量形式，可实现微米级精度。CMM在精度之外的最大优势是它可以以自主（CNC）模式或手动探测系统运行。CMM的缺点是前期成本高以及操作所需的技术知识。
关节臂通常具有多个段，每个关节上装有极坐标传感器。当关节臂围绕部件移动时，传感器记录其位置，并通过复杂数学计算以及每个关节的腕部旋转角和铰链角来计算臂末端的位置。虽然通常不如CMM精确，但关节臂仍能达到高精度，且更便宜且稍易于使用。它们通常不具备CNC选项。现代CMM和关节臂也可以配备非接触式激光扫描仪，而不是接触式探头。
非接触式主动技术
主动扫描仪发射某种辐射或光，并检测其反射或穿过物体的辐射，以探测物体或环境。可能使用的发射类型包括光、超声波或X射线。
飞行时间
飞行时间3D激光扫描仪是一种主动扫描仪，使用激光来探测物体。这种扫描仪的核心是飞行时间激光测距仪，它通过计时光脉冲的往返时间来确定表面的距离。激光发射一个光脉冲，并测量检测器看到反射光之前的时间。由于光速c是已知的，往返时间决定了光的传播距离，该距离是扫描仪与表面之间距离的两倍。如果t是往返时间，则距离等于c⋅t/2。飞行时间3D激光扫描仪的精度取决于时间t的测量精度：约3.3皮秒是光传播1毫米所需的时间。
激光测距仪仅检测其视线方向上一个点的距离。因此，扫描仪通过改变测距仪的视线方向来逐点扫描其整个视野，以扫描不同的点。视线方向可以通过旋转测距仪本身或使用旋转镜系统来改变。后一种方法通常使用，因为镜子更轻，因此可以更快、更精确地旋转。典型的飞行时间3D激光扫描仪每秒可测量10,000至100,000个点的距离。飞行时间设备也有2D配置，称为飞行时间相机。
三角测量
基于三角测量的3D激光扫描仪也是主动扫描仪，使用激光来探测环境。与飞行时间扫描仪不同，三角测量激光将激光照射到物体上，并利用相机寻找激光点的位置。根据激光击中表面的距离，激光点在相机视野中出现在不同位置。这种技术称为三角测量，因为激光点、相机和激光发射器形成一个三角形。三角形一条边的长度（相机与激光发射器之间的距离）已知，激光发射器的角度和相机的角度已知，因此可以计算到物体的距离。三角测量扫描仪通常比飞行时间扫描仪更精确，但测量范围较短。
结构光
结构光3D扫描仪将光图案（如网格或条纹）投射到物体上，并使用相机测量图案的变形。分析图案畸变以计算表面形状。这种方法可以在单次拍摄中捕获大面积区域，通常用于近距离扫描物体，例如工业设计和文化文物数字化。结构光扫描仪在处理某些具有挑战性的表面方面比简单激光三角测量更好，但仍可能难以处理高反射或透明材料。
LiDAR和飞行时间相机
LiDAR（光检测和测距）是一种遥感方法，使用激光脉冲测量到地球表面或其他物体的距离。它广泛应用于自动驾驶车辆、机器人地图构建和地形测量等领域。飞行时间相机是飞行时间扫描仪的2D阵列版本，可同时捕获场景中每个像素的深度信息，这对于手势识别和增强现实等实时应用非常有用。
非接触式被动技术
被动扫描仪不发射任何辐射，而是依赖于检测反射的环境辐射。大多数被动扫描仪检测可见光，因为可见光易于获得。被动技术包括摄影测量，它使用从不同角度拍摄的多张照片，通过计算机视觉算法重建3D模型。这种方法常用于文化遗产保护和基于Machine learning的重建。其他被动方法包括基于轮廓的技术和明暗恢复形状，但这些在工业应用中较少见。
应用
扫描收集到的3D数据适用于多种应用。娱乐行业在电影和视频游戏制作中广泛使用3D扫描，包括虚拟现实环境。在Artificial intelligence和机器人技术中，3D扫描支持机器人地图构建和导航，使自主系统能够理解其周围环境。工业设计依赖扫描进行逆向工程和原型制作，使工程师能够创建现有部件的数字模型。在医疗保健中，扫描用于矫形器和假肢，提供定制设备。质量控制与检测使用扫描来验证制造部件是否符合规格。此外，文化文物的数字化使博物馆和研究人员能够以数字形式保存和共享历史物体。
挑战与局限性
尽管取得了进展，3D扫描仍面临挑战。光学技术可能难以处理暗色、有光泽、反光或透明的物体，因为这些表面可能不可预测地散射或吸收光。扫描大型环境可能耗时且需要大量数据处理。多次扫描的配准如果执行不准确，可能会引入误差。高精度扫描仪（如CMM）的成本对某些用户来说仍是障碍。然而，在Deep learning和Neural network方法方面的持续研究正在提高重建精度并自动化扫描流水线的部分环节。
参见
- 记录
- 维基百科
- 生成式人工智能
- 谷歌深度思维
- 英特尔
- 高通
- 亚马逊网络服务
- 微软Azure
- 谷歌云
- 甲骨文云
- 施乐帕洛阿尔托研究中心
- 麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室
- 斯坦福人工智能实验室
- 卡内基梅隆大学
- 伯克利人工智能研究
- 牛津大学
- Waymo
- 特斯拉自动驾驶
- 直觉外科
- TomTom