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結構光三維掃描儀常用光源模式怎么選?這些干貨,別錯過

應用案例

2024.06.05

引言

“三維掃(sao)描”作(zuo)為一(yi)種前沿的尺(chi)寸(cun)測量(liang)和數字(zi)建模技術,憑借其非接觸、高精度、高效(xiao)率、適用(yong)(yong)(yong)范(fan)圍(wei)廣(guang)等優點,逐步從(cong)專用(yong)(yong)(yong)走向通用(yong)(yong)(yong),應用(yong)(yong)(yong)范(fan)圍(wei)也從(cong)工(gong)業(ye)擴(kuo)展到(dao)了藝術文博、齒(chi)科(ke)醫療(liao)、虛擬展示、教育科(ke)研等多(duo)個領域(yu)。


當(dang)前,市面上三維(wei)掃描(miao)儀的(de)種(zhong)類、型號繁多(duo),很多(duo)新手用戶對其性能(neng)了(le)解尚不充分(fen),不知如何做(zuo)出“最適(shi)合”的(de)選擇。


為此,先臨三維特推出“小精鷹微課堂”技術科普專欄,內容覆蓋從工作原理講解、產品選型介紹行業應用分享,旨在(zai)幫助用(yong)戶(hu)找到最(zui)優的3D數字(zi)化及全尺(chi)寸3D數據測量解決(jue)方案。


01 三維測量技術
定義與分類

三(san)維掃(sao)描是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)集光(guang)、機、電(dian)和(he)算(suan)法(fa)技(ji)術(shu)于一(yi)(yi)體的(de)(de)三(san)維立體視覺(jue)光(guang)學測量技(ji)術(shu),主要(yao)用于對物(wu)(wu)體空間結構、外(wai)觀尺寸和(he)色彩紋(wen)理進行數據獲取,獲得物(wu)(wu)體表(biao)面(mian)的(de)(de)空間坐標(biao)集(點云信(xin)息)、色彩信(xin)息等。它能將現實(shi)環境(jing)里(li)的(de)(de)實(shi)物(wu)(wu)立體信(xin)息轉(zhuan)換為計算(suan)機能直(zhi)接(jie)處理的(de)(de)數字(zi)3D模型,為實(shi)物(wu)(wu)數字(zi)化提(ti)供了(le)一(yi)(yi)種(zhong)便捷高(gao)效的(de)(de)技(ji)術(shu)手段。

根據三(san)維(wei)數(shu)據測量采用的(de)原理或媒介的(de)不同(tong),三(san)維(wei)測量技(ji)術主要分為接觸式和(he)非(fei)接觸式兩大類(lei)。

接觸式三維測量產品在(zai)測(ce)(ce)量(liang)過程中需要物(wu)(wu)理接觸到被測(ce)(ce)物(wu)(wu)體。典型的設備是(shi)三坐標測(ce)(ce)量(liang)機(ji),通常用于尺(chi)寸(cun)檢測(ce)(ce)領域,特別(bie)是(shi)在(zai)需要極高精度的應(ying)用場景。但局(ju)限也(ye)比較明顯,如(ru)多(duo)位置尺(chi)寸(cun)測(ce)(ce)量(liang)時效(xiao)率低下、對容(rong)易產生形變的物(wu)(wu)體無法準(zhun)確測(ce)(ce)量(liang),大型零件移動不便導致測(ce)(ce)量(liang)困難(nan),耗時耗力。


非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)三(san)維掃描儀(yi)不需要直接接觸物體即可進行(xing)測(ce)量(liang)。結(jie)構(gou)光三(san)維(wei)測(ce)量(liang)技術是目前制造業中應用比(bi)較廣泛的一種非接觸式主動測(ce)量(liang)方法,其特點(dian)是能夠(gou)對各類大、中、小型復雜結(jie)構(gou)對象進行(xing)高(gao)質(zhi)量(liang)三(san)維(wei)模型快速獲取(qu),從而實現高(gao)精度、高(gao)效率的全(quan)尺寸(cun)三(san)維(wei)測(ce)量(liang)。


02 結構光三維掃描技術
工作原理及光源模式

結(jie)構(gou)光三維(wei)掃描技術是基于光學(xue)三角測量原(yuan)理,由光學(xue)投影(ying)器、相機、計算系統所組成,其工作原(yuan)理為通(tong)過特定(ding)光源將包含有一(yi)定(ding)結(jie)構(gou)化信息的光學(xue)圖案投射到(dao)被測物體表(biao)(biao)面(mian),再(zai)通(tong)過采集物體表(biao)(biao)面(mian)變形的光學(xue)圖案,采用三角測量法獲得物體表(biao)(biao)面(mian)的空(kong)間三維(wei)信息,最終獲得待測物體表(biao)(biao)面(mian)的點(dian)云數據(ju)。

工作原理(li)示意圖

根據(ju)光學投射器所投射的光源(yuan)圖案和(he)光源(yuan)類(lei)型的不(bu)同(tong),結構光三維測量的光源(yuan)模式又分為多線(xian)激光、LED結(jie)構光(光柵條紋/散斑)、紅外VCSEL等。


01
多線激光掃描


技術優勢:

-計量級精度,滿足制造業3D測(ce)量要求(qiu)。(例(li):FreeScan 手(shou)持(chi)激(ji)光系(xi)列精度(du)高(gao)達0.02mm,且重復(fu)精度(du)穩定。)

-掃描效率高,結合大幅面掃描與先進算法,掃描體驗更加流暢高效。(例:FreeScan UE Pro2掃描速度達576萬點/秒,配合600 mm × 550 mm的大幅面,打造快速流暢掃描體驗

-抗干擾能力強。材(cai)質適應(ying)性強,無懼黑色、高反光表(biao)面材(cai)質掃描。

-環境光適應能力強,可在戶外進行掃描。

-便攜輕巧。手持式激光設備“移動(dong)測量”無負(fu)擔。


技術劣勢:

-通常情況下,普通激光三維掃描儀需要在物體或輔具上粘貼標志點。結合光學跟蹤儀先臨原創智能自定位技術時(shi),可實現(xian)不貼點掃描。

例:

①先(xian)臨天(tian)遠FreeScan Trak Pro系列(lie)大范(fan)圍(wei)跟蹤式激光(guang)掃描系統,適用于(yu)更大視(shi)場(chang)范(fan)圍(wei)場(chang)景應用,支(zhi)持轉站/聯動方式拓展測量范(fan)圍(wei)。通過光(guang)學跟蹤儀(yi)實時跟蹤定位激光(guang)掃描頭的(de)空間位置,在無需貼點(dian)的(de)情況下(xia)即(ji)可獲取大中型樣件完整(zheng)準確(que)的(de)三維數據(ju),超大跟蹤視(shi)場(chang)范(fan)圍(wei),減少(shao)轉站次數。

②先臨(lin)天遠(yuan)FreeScan Trio三(san)目手持激(ji)光3D掃(sao)(sao)描儀,采(cai)用先臨(lin)原創(chuang)智(zhi)能自定位技術,無(wu)(wu)需借助(zhu)(zhu)外部定位裝置,實(shi)現不貼(tie)點的(de)激(ji)光手持三(san)維(wei)掃(sao)(sao)描。高效模式下,通(tong)過98線密集激(ji)光陣列配合三(san)目視角,省去(qu)粘(zhan)貼(tie)和去(qu)除標志(zhi)點的(de)冗長輔助(zhu)(zhu)工(gong)作(zuo),在室(shi)外等復雜工(gong)作(zuo)環境下,無(wu)(wu)需架設光學跟蹤儀即可實(shi)現不貼(tie)點掃(sao)(sao)描,大幅(fu)提升工(gong)作(zuo)效率。


適用場景:

-無(wu)法拆卸、移(yi)動的中、大型物體(例(li)如:大型鑄造件、油泥模型、車(che)外平面、汽(qi)車(che)彎管(guan)、飛機(ji)發動機(ji)管(guan)路、模具、傳(chuan)動軸、大型葉片(pian)、水泵(beng)導(dao)流體等(deng))。

-無(wu)法接觸、易(yi)損壞的(de)物體(例如:浮雕(diao)壁畫、館(guan)藏(zang)瓷(ci)器(qi)、雕(diao)塑(su)及古(gu)石碑、古(gu)生物化石、古(gu)跡建筑等(deng)歷史文物)

-結構復雜或多(duo)曲面物體。

-無需使用顯影劑(噴粉),輕松(song)掃描黑(hei)色(se)、高反光樣件。


代表設備:

先臨天遠(yuan)FreeScan系(xi)列(lie) 手(shou)持式激光掃(sao)描(miao)儀(yi)


02
LED結構光(光柵條紋/散斑)



① 光柵式三維掃描


技術優勢:

-計量級高精度,數據尺寸(cun)誤差低。(例:OptimScan 系列掃描(miao)精度高達5μm,實現(xian)計量級檢測需求)

-掃描效率高,搭配全自動掃描轉臺,無需手動干預(yu),單次(ci)采集即可(ke)獲得數(shu)(shu)百萬個(ge)點云(yun)數(shu)(shu)據,實現中小(xiao)尺寸物體高品質三維(wei)數(shu)(shu)據的(de)高效獲取(qu)。(例:使用OptimScan 系列高精度藍(lan)光三維(wei)檢(jian)測系統,1分鐘內即可(ke)獲取(qu)一個(ge)直徑8厘米(mi)左右的(de)管道泵鋁葉輪(lun)完整(zheng)三維(wei)數(shu)(shu)據)

-細膩豐富的數據細節,搭載高分辨率工業鏡頭(tou),可(ke)高度還原實物表面立體信(xin)息。

-出色的色彩還原能力。搭(da)載(zai)彩色(se)專業(ye)相(xiang)機(ji),掃描過程中,可同步獲取物(wu)體色(se)彩信息(xi),使數據更逼(bi)真。(例(li):Transcan C搭(da)載(zai)兩個彩色(se)專業(ye)相(xiang)機(ji),可以輸(shu)出高達1200萬像素的紋理(li)貼圖,高度還原物(wu)體色(se)彩信息(xi))

-藍光(guang)抗干擾性強,可有效(xiao)避免(mian)外部環境影響,保證數據質量和精度穩定性(xing)。

-兼容多種拼接模式,針(zhen)對(dui)特征豐(feng)富的物體,可使用特征拼接,無需粘貼標志(zhi)點,節(jie)省操作及后續(xu)數據處(chu)理時間。


技術劣勢:

通常情況下,大部(bu)分LED結(jie)構光三(san)維掃描儀在(zai)面(mian)對一(yi)些復(fu)雜材(cai)質,如機(ji)加工高反光表面(mian)、透明、黑(hei)深色物體時,需(xu)要顯影劑輔助(噴粉)。


適用場景:

-對于精(jing)度和細(xi)節要(yao)求高的(de)中、小型精(jing)密(mi)零部件全尺寸檢測(例如:精(jing)密(mi)壓鑄件、鍛造件、塑膠件、五金、精(jing)密(mi)模具、細(xi)小結構部件等)。

-高水平生(sheng)產線,精(jing)度要求在0.005-0.015mm 。

-產品(pin)設計、數據(ju)存檔、數字化展示等應用場景。


代表設備:

先臨天遠OptimScan系(xi)列 高精度藍光三維檢(jian)測系(xi)統

Transcan C 可變分辨(bian)率彩色3D掃描儀


② 散斑式手持三維掃描

技術優勢:

-流暢的數據掃描體驗,配合先進的算法及穩定的視覺采集器件,可(ke)(ke)實現手(shou)持式便攜高效的數據(ju)采集,數據(ju)傳輸不卡頓(dun)。(例:EinScan Pro 2X Plus V2手(shou)持快速模式下,數據(ju)采集幀率可(ke)(ke)達到30 fps;采用USB 3.0相機接(jie)口,實現更(geng)高速、穩定的數據(ju)采集和傳輸)

-出色的色彩還原能力。搭載彩色(se)專業相機,可直接獲取物體表面色(se)彩紋(wen)理信(xin)息,真(zhen)實還原(yuan)實物視覺外觀(guan)。

-兼容多種拼接模式,滿足(zu)不(bu)同(tong)尺寸實物(wu)的3D建(jian)模需求,特征或紋理豐富的物(wu)體,可不(bu)貼點采集物(wu)體數據。


技術劣勢:

-通常情況下(xia),大部(bu)分LED結構光三(san)維掃描(miao)儀在面對一些復雜(za)材質,如機(ji)加工高反光表面、透明、黑深色(se)物體時,需要(yao)顯影劑(ji)輔助(噴粉)。

-容(rong)易受環境光干擾,戶外(wai)掃描(miao)需遮陽(yang)。更適合在室(shi)內辦公(gong)環境,或室(shi)外(wai)無陽(yang)光直射環境下(xia)使用。


適用場景:

-藝術文博、精準醫療、教育(yu)科研、虛擬展示等3D設計(ji)領(ling)域。


代表設備:

EinScan Pro 2X V2系(xi)列 多(duo)功能手持(chi)3D掃描儀(yi)

EinScan H系列 雙光源彩色手持3D掃描儀(yi)

03
紅外光源手持三維掃描


紅(hong)外VCSEL激光是(shi)一(yi)種不可見光源。通過高品質(zhi)VCSEL紅(hong)外激光投射器向被掃描(miao)物體(ti)投射具(ju)有一(yi)定結構特征的光線(不會被肉眼所見),使用(yong)專門的紅(hong)外攝像頭進行采集獲取(qu)物體(ti)的三(san)維空(kong)間(jian)信息,最后通過軟(ruan)件對信息進行深(shen)入處理成像,重(zhong)建出三(san)維點云模(mo)型。

技術優勢(shi):

-”無光感“掃描。人眼刺激小,提升(sheng)人體(ti)掃描舒適感(gan)。

-解(jie)決頭發掃描難題。紅外光(guang)源(yuan)波長(chang)較長(chang),可高效(xiao)獲取頭發及(ji)絨毛狀(zhuang)物體(ti)的三維數據。

-場景和(he)材(cai)質兼容性強。搭配超大(da)掃描(miao)幅面,可滿足多(duo)尺寸、多(duo)材質、多(duo)場景(jing)的掃描(miao)需求;

-出(chu)色的(de)彩色獲(huo)取能力。搭配先進的紋理映射算法,物體(ti)全彩信息輕松重(zhong)現(xian)。

-環境光(guang)適應能(neng)力強。室(shi)內照(zhao)明、室(shi)外陽光直(zhi)射條件下,都可以進行直(zhi)接采集數據。


技術劣勢(shi):

- 紅外光源噪聲大,原(yuan)始數據(ju)質(zhi)量在細節和精(jing)度上(shang)較弱于(yu)激光和LED結構光,需要配合先進的掃描軟件算法才能實現較好的數據(ju)效果。


適用場景:

-適用于快速獲取人體、藝術品(pin)及家(jia)具等中大型物品(pin)的三維數據;


代表(biao)設(she)備:

EinScan H系列 雙(shuang)光源彩(cai)色手持3D掃描儀

Einstar手(shou)持3D掃描儀




03 技術創新應用
多光源多模式混合應用

先臨三維基(ji)于多年高(gao)精度三維視覺(jue)軟、硬(ying)件的(de)研發和應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)經驗,創(chuang)新(xin)性地(di)將多種光源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)集(ji)于一款設(she)備(bei),采用(yong)(yong)(yong)(yong)不同(tong)光源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)模式的(de)搭配,如激(ji)光+紅外VCSEL光源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan),LED+激(ji)光,LED+紅外VCSEL光源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan),實現一機多能。用(yong)(yong)(yong)(yong)戶可根據不同(tong)的(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)場景靈活選(xuan)用(yong)(yong)(yong)(yong)相應(ying)掃描光源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan),采用(yong)(yong)(yong)(yong)最符合應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)場景的(de)掃描方式獲取(qu)物體的(de)3D數據。

代表設備:

FreeScan Combo 計(ji)量級雙光(guang)源(yuan)手持(chi)三維(wei)掃描儀

EinScan HX 雙藍光手持3D掃描(miao)儀

EinScan H系列 雙光源彩(cai)色手持(chi)3D掃描儀


以上光源(yuan)模(mo)式涵蓋了目前市(shi)場上大部分的(de)(de)(de)三(san)維掃(sao)描儀類型,不(bu)同技術路線的(de)(de)(de)產品,有各自的(de)(de)(de)優(you)劣勢,用(yong)戶(hu)可根據不(bu)同的(de)(de)(de)應用(yong)場景(jing)需求進行選擇(ze)。


END

隨(sui)著(zhu)科(ke)技(ji)(ji)的持續創新、工業(ye)4.0的深入(ru)推進以(yi)及(ji)數字(zi)化轉(zhuan)型在各(ge)領域的普及(ji),3D掃描技(ji)(ji)術已成為(wei)提升生產效(xiao)率(lv)、實現(xian)精(jing)細化制(zhi)造、確(que)保產品質(zhi)量以(yi)及(ji)個性化定(ding)制(zhi)的重要工具。多(duo)年(nian)來,為(wei)滿足多(duo)行業(ye)用(yong)戶的需求(qiu),先(xian)臨(lin)三維持續深入(ru)挖掘高精(jing)度3D視(shi)覺測量技(ji)(ji)術的應用(yong)價值(zhi)。

公司(si)高精度3D掃描產(chan)品(pin)形態專(zhuan)業(ye)細(xi)分,擁有包(bao)括(kuo)手(shou)持(chi)式激光三維掃描儀(yi)、跟蹤式三維掃描儀(yi)、固定式藍光三維掃描儀(yi)、多功能手(shou)持(chi)3D掃描儀(yi)、雙光源手(shou)持(chi)3D掃描儀(yi)等(deng)多種高精度光學全(quan)尺寸(cun)三維測量(liang)(liang)設(she)備,為汽車工(gong)業(ye)、航空(kong)航天、能源重工(gong)、工(gong)程機(ji)械、電子電器、藝術文博、精準醫療、教育科研(yan)等(deng)行業(ye)用戶提(ti)供可(ke)適(shi)用不同尺寸(cun)、不同場景的技術方案,幫助企(qi)業(ye)在產(chan)品(pin)尺寸(cun)質量(liang)(liang)控制、工(gong)藝優化(hua)、新品(pin)研(yan)發等(deng)方面提(ti)質增(zeng)效。