从平面到立体——三维扫描技术

从平面到立体——三维扫描技术

经过近两年的努力，华中理工大学图象识别与人工智能研究所与邦文文化发展公司合作，研制成功了我国第一台三维激光彩色扫描系统，并于1996、1998年获得两项国家专利。李岚清副总理、科技部和一些省市领导和影视界人士参观了该系统，中央电视台等多家新闻媒体报道了这一重要成果，引起了广泛关注，国家自然科学基金和863计划对技术的进一步研究给予资助。目前，华中理工大学图象所正准备与明辰集团合作，进一步完成三维扫描技术的产业化开发。那么什么是三维扫描？它有什么用途呢？

强烈的需求 平面扫描仪和摄像机、图象采集卡已经成为现代计算机系统的常见设备。平面扫描仪能将二维平面的信息，如图纸、照片上的信息，输入计算机，摄象机和图象采集卡能将拍摄物体一个侧面的图象，存为二维数字化图片。这些设备是二维图形图像处理不可缺少的工具，发挥着重要的作用。但是，随着现代计算机技术的飞速发展和应用领域的扩展，仅有二维的平面信息已经远远不够了。工业、国防、医学、影视、广告等各个行业越来越多地提出这样的需求：迅速地获得物体表面的立体信息和色彩信息，将其转变成计算机能直接处理的数据。

工业界要求能快速、精确地测量零件、产品、样品的立体坐标，以进行质量检测、仿制、快速成型、仿真设计；影视特技制作者需要将演员、道具等的立体色彩模型输入计算机，才能用动画软件对其进行三维动画特技处理；游戏娱乐业需要在虚拟场景中放置逼真的三维彩色模型；整形外科专家需要知道人体骨骼、肢体的尺寸，以便于手术；科研工作者需要快速获得大量的三维数据，用于三维彩色图象信息处理、三维物体识别的研究；InterNet

的

VRML 技术需要三维彩色数字模型……。从图1可以看出，这些需求都可以归结到一个关键：三维彩色信息数字化，即如何迅速获取物体的立体彩色信息，并将其转化为计算机能直接处理的三维（彩色）数字模型的问题。

工业：

动画特技:

InterNet:

科研:

……

图1 各行业对三维信息的需求 三维扫描

三维扫描技术就是针对各行业对于三维彩色信息数字化的需求而产生的。三维扫描仪（

3 Dimensional Scanner ），又称为三维数字化仪（

3 Dimensional Digitizer ），它与传统的平面扫描仪和摄象机、图象采集卡相

比，有很大的不同。

首先，其扫描对象，不再是图纸、照片等平面图案，而是立体的实物。

其次，通过扫描，可以迅速获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，对于彩色扫描还可以获得物体表面的色彩，某些三维扫描装置甚至可以获得物体的内部结构数据。三维扫描仪记录的是被扫描对象全方位的三维空间和色彩信息，得到的是物体的三维彩色数字模型，而摄象机只能拍摄物体某一侧面，而且在将物体拍摄成平面图片的过程中会丢失大量深度信息。

其三，三维扫描仪的输出也不是普通的二维图象，而是包含了物体表面每个采样点空间三维坐标和色彩的三维彩色数字模型文件，可以直接为CAD/CAM、三维动画等软件使用，对于彩色扫描仪，通常还可以输出物体表面色彩纹理贴图（又称为展开图或蒙皮）。

三维扫描技术的出现是计算机输入技术和立体测量技术的一次革命。由于三维扫描仪可以迅速、精确地测得物体的立体尺寸，结果直接与计算机接口，非接触式的三维扫描仪还能对柔软物体测量，自动断层扫描仪甚至能获得物体的内部结构，这些特性为立体测量技术带来了革命性的变化。借助三维扫描技术，可以进行在线检测、实物到CAD模型的转换、复杂面形的快速测量等，在工业制造业有非常广泛的应用。

三维扫描技术更重要的意义，在于它能快速方便地将真实世界的立体彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，提供了一种将实物数字化的手段。作为一种三维彩色信息数字化装置，它在影视特技制作、虚拟现实、高级游戏、文物保护等方面得到了广泛应用。如果说我们这个时代的特征是数字化生存，那么信息数字化技术无疑是这种“生存”的基本前提条件之一。三维扫描能将真实世界的三维彩色信息数字化，其对于数字化时代的重要性是不言而喻的。无怪乎比尔·盖茨会欣然让斯坦福大学用三维扫描仪把他那颗值钱的脑袋扫描下来，并在一个名为“The Future of Computer Science Technology (计算机技术的未来) ”的会议上展出。

国内外发展概况

鉴于三维扫描技术的重要性，长期以来，人们进行了大量的研究。在五十年代末，生产了三坐标测量机，但是这种设备有很多缺点，实际上只是一种纯粹的测量技术。在很长一段时间内，对复杂物体的三维测量、数字化建模是一件费时费力，非常困难，甚至有时是不可能的事。

1965年，L.Robert的论文“三维物体的机器感知”指出了利用计算机视觉技术获取物体三维信息的可能性，标志着三维扫描技术新纪元的到来。之后，科研人员相继提出了立体视觉、结构光等方法。但一开始这些技术并没有能够产品化，因为计算机视觉技术对图象采集装置、计算机的性能、电子器件都提出了很高的要求。随着这些相关技术的飞速发展，基于计算机视觉理论的三维扫描技术取得了长足的进步。八十年代，Cyberware公司研制了可用于人头部扫描的三维扫描仪，成功地用于计算机影视特技制作。之后，许多公司、研究所争先恐后地在这个领域投入巨大的资金、人力，开发出一批三维扫描装置。此外还发展了图象雷达、聚焦测距、莫尔条纹、机械测量臂等技术，到目前已有近百种型号面世。

三维扫描是所有以扫描方式获得物体全方位三维信息的技术的总称，实际上不同的三维扫描装置所采用的原理、结构、工作方式都可能完全不同。目前的三维扫描装置可以分成两大类：接触式和非接触式。前者采用硬质探针或其它探头在物体表面接触扫描；非接触式则以光、超声波、红外线等媒介代替探针，甚至直接根据物体的图象来恢复三维信息。此外，按是否获得彩色信息，可以分为三维彩色扫描仪和三维扫描仪。根据是否能获得内部结构分，有外表面扫描和内部扫描两种。从扫描方式上讲，可分为点扫描、线扫描和面扫描。

各类三维扫描装置虽然有种种不同，但基本上都包括三个模块：传感器、扫描装置、软件。通过传感器获得包含物体表面信息的原始数据，软件按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间坐标，得到其对应的色彩，通过扫描装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描，然后进行数据整理、三维构形、格式转换，最后按要求的格式输出结果。

目前，欧、美、加、日有几十家高技术公司投入三维扫描技术的研究开发，已形成了一定规模的新兴产业，其产品在精度、速度、易操作性等方面达到了很高的水平，可扫描的对象不断扩大，而价格则逐步下降。在发达国家，三维扫描技术的应用领域非常广泛，从头部扫描到全身扫描，从航天飞机的制造到保时捷轿车