3D打印技术 3D打印技术 3、3D打印数据获取

3D打印技术刘雅绮随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者对产品高质量的要求下，产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。流畅、美观、造型富有个性的产品外观必然会使得产品外观由复杂的自由曲面组成。但是，在设计和制造过程中，传统的产品开发模式（基于产品或构件的功能和外形，由设计师在计算机辅助设计软件中构造，即正向工程）很难用严密、统一的数学言语来描述这些自由曲面。为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统、计算机辅助制造（CAM）系统、产品数据管理（PDM）等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步修改和再设计优化。3D数据获取获取真实物体的三维模型是计算机视觉、机器人学、计算机图形学等领域的一个重要研究课题，在计算机图形应用、计算机辅助设计和数字化模拟等方面有广泛的应用。对于客

观真实世界在计算机中的再现，也称为三维重建，一直是诸

多领域的热门研究之一。长久以来，由于受到科学技术发展

水平的限制，我们所能够得到并能对之进行有效处理及分析

的绝大多数数据是二维数据，如目前应用最广的照相机、录

像机、CDC及图像采集卡、平面扫描仪等。然而随着现代信息技术的飞速发展以及图形图像应用领域的扩大，如何能将现实世界的立体信息快速地转换为计算机可以处理的数据成了人类的梦想。梦想总有成真的一天。。。三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。三维扫描非接触式测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。非接触式三维信息获取多采用深度映像技术和多传感器技术，并结合非线性求解及其他规正化方法。非接触式三维信息获取技术大多基于计算机视觉原理，需要结合摄像机拍摄的图像和目标与摄像头的位置关系。根据是向目标投射光以主动成像，还是不使用附加光源直接拍摄目标图像，这类方法以分为主动式和被动式两类。非接触式三维信息获取主动视觉的典型方法包括结构光法和编码光法；被动视觉则使用单目、双目和多目视觉方法，根据在不同的位置架

设的单个、两个或多个相机拍摄目标物体，然后使用Shape

from

X方法或者多相机图像中的对应点视差来获得目标深度。非接触式三维信息获取的其他方法还有从光栅相位调制获得

深度的Moire技术；从时间、相位或波束频率获得距离信息的雷达声纳测距法；从光相位调制获得深度的全息干涉技术。

从清晰/模糊获得深度的透镜聚焦方法；获取结构信息的自动断层扫描技术等。非接触式获取方法的优点在于扫描速度快，适于软组织物体表面形态的研究，主要缺点在于受物体表面

反射特性的影响，存在遮挡现象。1）结构光法

结构光方法的基本思想是使用结构光投影的几何信息求得景物的深度信息。它是一种既利用图像以利用可控光源的测距技术。用具有特殊结构形状的光源投射到待测物体上，形成光条纹，再由相机拍摄被测物体，根据光源与相机的相对位置，按照计算机视觉的理论，由光条纹的形状可以计算出被照射点的三维坐标，这种方法又称为光条法。

结构光图像中物体表面的光亮条越密，所得数据的分辨率越高。因此目前的结构光光源多采用激光，由于激光器可以生成较薄的光平面，因而具有较高的分辨率。该方法是20世纪70年代初由Will和Pennington首先提出的。随后，Poppleston,Agin和Binford等人采用光条提取物体表面三维信息。80年代初，

Potmesil,Tio和McPherson等人分别采用激光或白光作为投影光源形成点、线或光栅的投影，通过三角法得到物体的三维形体。80年代中后期，该方法在物与像的标定上有了

较大的进步。最近几十年，由于新型半导体激光器和新型当电检测元件的不断发展和完善，使得结构光三维信息获取系统在小型化和高精度及高速度化等诸方面均有了长足的进展。目前，对该方法的研究主要集中在精度提高上。已经有相当多的三维扫描仪产品是基于此原理开发的。如3D

Digital公司的Optix系列产品。2）编码光法和莫尔干涉条纹法

1987年，Boyer和Kak提出了编码光方法，其原

理是通过时间、空间、彩色编码的光源帮助来确定物体表面的空间位置。光线通过一光栅投射到景物表面，其反射光回到光栅处与新的发射光产生干涉，在接上器上出现莫尔条纹，即莫尔条纹是两束当在传播路径中发生干涉在物体表面的黑白相间等距线，对等距线图像进行梯度运算，由此柯以计算出距离。如GOM公司的ATOS系列产品，将一系列的多个不同空间密度的光栅投影到物体表面，形成一块待测区域，用数码摄像机获取物体形状的信息。3）立体视差法传统的立体成像系统使用两个放在一起的摄影机，平行注视待重建之物体。此方法在概念上，类似人类借由双眼感知的图像相叠推算深度（当然实际上人脑对深度信息的感知历程复杂许多），若已知两个摄影机的彼此间距与焦距长度，而截取的左右两张图片又能成功叠合，则深度信息可迅速推得。此法须仰赖有效的图片像素匹配分析，一般使用区块比对或对极几何算法达成。使用两个摄影机的立体视觉法又称做双眼视觉法，另有三眼视觉与其他使用更多摄影机的延伸方法。4）脉冲测距法

这一类方法由测距器主动向被测物体表面发射探测信号，信号遇到物体表面反射回来，依据信号的飞行时间或相位变化，可以推算出信号飞行距离，从而得到物体表面的空间位置信息。

通常用激光或超声波作为探测脉冲。基于这一原理的激光干涉仪，精度可达光波长量级。但它需要在物体上放置专门的反射体，即属于有导轨测量，其应用范围受到很大限制，不能用于三维扫描。5）运动序列图像法

其基本思想是依靠物体摄像机运动，得到多帧序列图像，通过对此图像序列中特定目标的数学分析和三维运动参数的计算，可从中获得物体的三维信息。一般选为图像序列分析的目标有点、线、实体轮廓和光流。早期基本上以单视点影像作为研究对象，对运动的分析存在非线性、相对性和解的不稳定性问题。为了解决这一问题出现了双视点和多视点的运动恢复方法，但这又引入了立体像对中两幅图像之间立体匹配的问题。从图像中物体的轮廓能估计轮廓所围表面的方向。能在图像中产生轮廓线的基本方式有四种。A、物体离观察者距离的不连续性；

B、表面朝向的不连续性；C、表面反射率的变化；D、阴影、光源强光部一类照明效应。利用轮廓信息，可以在一定程度上恢复物体表面的三维信息。6）逐层切片恢复形体方法

这种方法将所测物体逐层切片（一层一层地磨掉或切削掉），获得每一层的二维图像，然后利用所有的图像层信息恢复所测三维形体。该方法可同时获得物体表面和内立体信息，特别适合于具有复杂内部结构零件的三维测量。但是，它是一种破坏性的处理过程，测量结束后工件原型被完全破坏，很多情形不宜采用。7）三维重建的CT方法

利用X射线、r射线、超声波等获得的多个投影，根据投影与Fourier变换之间的关系，可以重建人体内部器官的三维结构。CT的成像过程，是

以高能量、高穿透力的X射线入射并“穿透”人体受检部位的组织器官后，借不同组织器官的电子密度的差异，使入射X射线的能量强度由于被吸收而发生的相应的衰减所产生的线性变化规律——X射线线性衰减系统，作为成像参数。该方法是诊断辐射学的一次革命。它在非医学领域也得到了应用，包括射电天方学、电子显微镜图形学等。8）核磁共振方法

核磁共振仪是利用核磁共振原理制成的医疗现代化图像仪器。其基本原理是将受检物体置于强磁场中，某些质子磁矩沿磁场方向排列，并以一定的频率围绕磁砖方向运动；在此基础上使用与质子进动频率相同的射频脉冲激发质子磁矩，使其发生能级转换；在质子弛豫的过程中，释放能量并产生信号。核磁共振成像是利用接收线圈获取上述信号后经放大器方大，并输入计算机进行图像重建，从而获得我们所需要的核磁共振图像。核磁共振成像是20世纪80年代以来广泛应用于临床的图像诊断新技术，其优点是可以在人体内部的纵剖面内成像，而CT机只能在横剖面内成像，从而弥补了CT机的不足。接触式三维扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度，如座标测量机即典型的接触式三维扫描仪。此方法相当精确，常被用于工程制造产业，然而因其

在扫描过程中必须接触物体，待测物有遭到探针破坏

损毁之可能，因此不适用于高价值对象如古文物、遗

迹等的重建作业。此外，相较于其他方法接触式扫描

需要较长的时间，现今最快的座标测量机每秒能完成

数百次测量，而光学技术如激光扫描仪运作频率则高

达每秒一万至五百万次。接触式三维信息获取的基本原理是使用连接在测量装置上的测头直接接触被测点，根据测量装置的空间几何结构得到测头的坐标。典型的接触式三维扫描设备包括三坐标测量机和随动式三维扫描仪。接触式三维信息获取1）三坐标测量机

三坐标测量机是将一个探针装在三自由度的伺服装置上，驱动探针沿上下、左右、前后三个方法移动，当探针碰到物体表面时，分别测量其在三个方向的位移，就可以知道这一点的三维坐标。

控制探针在物体表面移动、、触碰，可以完成整个表面的三维测量。其优点是测量精度高，目前在工业生产领域仍然被广泛使用。其缺点也是很明显的：价格昂贵，速度较慢，无法得到色彩信息。这种装置虽然也是通过探针在物体表面扫描来工作，但更适合作纯粹的测量仪器。2）随动式三维扫描仪

随动式三维扫描仪是近年来出现的应用传感器技术的新型接触式测量工具，由人牵引着装有探针的机械臂在物体表面滑动扫描。机械臂的关节上装有角度传感器，可以实时测量关节的转动角度，根据臂长和各关节的转动角度计算出探针的三维坐标。其特点在于操作方便、精度高、成本低廉且不受物体表面反射情况的影响。三维扫描原理三维扫描仪(3D

scanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。三维扫描仪的制作并非仰赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，成本与售价也有高低之分。目前并无一体通用之重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮（高反照率）、镜面或半透明的表面，而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。三维扫描仪Thank

You

!手持式三维扫描仪手持式三维扫描仪原理：线激光手持三维扫描仪，自带校准功能，采用635nm的红色线激光闪光灯，配有一部闪光灯和两个工业相机，工作时将激光线照射到物体上，两个相机来捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在物体上会发生反射和折射，然后这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。在扫描仪移动的过程中，光线会不断变化，而软件会及时识别这些变化并加以处理。光线投射到扫描对象上的频率高达28,000points/s，所以在扫描过程中移动扫描仪，哪怕扫描时动作很快，也同样可以获得很好的扫描效果，手持式三维扫描仪工作时使用反光型角点标志贴，与扫描软件配合使用，支持摄影测量和自校准技术。定位目标可以使操作员根据其需要的任何方式

360°移动物体。真正便携手持三维扫描仪，可装入手提箱，携带到作业现场或者工厂间转移十分方便。实现激光扫描技术的一些最高数据质量，保持较高解析度，同时在平面上保持较大三角形，从而生成较小的STL文件。设备的形状和重量分布有利于长时间使用，避免发生肌肉骨骼问题。功能多样并方便用户使用，允许在狭小空间内扫描几乎任何尺寸、形状或颜色的物体。手持式三维扫描仪原理是基于拍照式三维扫描仪原有基础上设计的产品，扫描创建物体表面的点云图，这些点可用来插补成物体的表面形状，点云越密集创建的模型更精准，可进行三维重建。拍照式三维扫描仪拍照式三维扫描仪扫描原理类似于照相机拍摄照片而得名,是为满足工业设计行业应用需求而研发的产品,，它集高速扫描与高精度优势，可按需求自由调整测量范围，从小型零件扫描到车身整体测量均能完美胜任，具备极高的性能价格比。目前已广泛应用于工业设计行业中，真正为客户实现"一机在手，设计无忧"！拍照式结构光三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上最先进的结构光非接触照相测量原理。结构光三维扫描仪的基本原理是：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。拍照式三维扫描仪可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常适合各种大小和形状物体(如汽车、摩托车外壳及内饰、家电、雕塑等)的测量。拍照式三维扫描仪采用的是白光光栅扫描，以非接触三维扫描方式工作，全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，特别适用于复杂自由曲面逆向建模，主要应用于产品研发设计（RD，比如快速成型、三维数字化、三维设计、三维立体扫描等）、逆向工程（RE，如逆向扫描、逆向设计）及三维检测CAV），是产品开发、品质检测的必备工具。三维扫描仪在部分地区又称为激光抄数机或者3D抄数机。拍照式光学三维扫描仪，其结构原理主要由光栅投影设备及两个工业级的CCD

Camera所构成，由

光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCD

Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处

理，即可得知待测物的实际3D外型。拍照式三维扫描仪采用非接触白光技术，避免对物体表面的接触，可以测量各种材料的模型，测量过程中被测物体可以任意翻转和移动，对物件进行多个视角的测量，系统进行全自动拼接，轻松实现物体

360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时，迅速的获取纹理信息，得到逼真的物体外形,能快速的应用于制造行业的扫描。三维扫描仪认识误区分代误区：个别厂商为了不当竞争目的，有时把结构光的三种具体形式（激光点，激光线，结构光栅）的扫描仪区分为一、二、三代。造成许多用户认识和选型上的误导和歧义。这是故意而为的错误，是严重的不当竞争和非法行为。结构光的三种具体形式（激光点，激光线，结构光栅），其发展的主要目的，是针对不同的用途和不同的精度等级及工作效率的需求，而开发的产品。其使用和目的均有各自得市场，但随科技的发展，这几种产品，在用途上均会有部分交集的地方。比如，目前，国外百万左右的照相式扫描仪，也可以提供橄榄核级的细节精密测量。这就覆盖激光点线扫描仪的一些市场。再如，国外高精密的激光线扫描仪，目前测量精度可到0.01微米。国内现在激光线扫描仪，其精度也可以做到0.05微米。那么，激光点扫描仪和激光线扫描仪相比，在精度上也没有了明显优势。但，显然，激光点，线扫描仪的市场与结构光栅扫描仪的市场，还是