二 三维扫描设备

（一）结构光扫描仪

1．发展历史

结构光扫描仪（见图1.42）是一种三维扫描仪，主要利用投影光源和相机捕获物体信息，再用三维扫描软件在仪器上生成三维模型。该模型包含物体表面特征、几何信息等。

20世纪中叶，科学家们希望有一种仪器能够精确地重构物体的三维模型，于是， 60年代，三维结构光扫描仪被发明了出来。最早的三维结构光扫描仪由于设备的限制，需要很长的时间才能将物体扫描出来，同时效果欠佳。而随着计算机的发展，在计算机上手工创建一个三维模型，已经不是难事了。但当时的人们因为没有合适的扫描工具，只能用卷尺测量物体的外观，再利用电脑进行手动建模。这种情况加速了三维结构光扫描仪的发展。

1994年，一款新的扫描仪REPLICA问世，其利用激光条纹扫描技术，解决了扫描速度和精度的问题。同时，Cyberware公司开发了一款高精确度并且能够识别物体颜色的扫描仪。随后的几年，不同的公司和个人又对原有的扫描仪进行了改进。至今，科学家们已经对三维扫描仪设立了标准，分别从精确度、速度、三维的真实度、颜色的真实度和价格几个方面给出了标准。

2．技术简介

三维结构光扫描仪的基本原理很简单，就是将窄带的光投影到三维形状的表面上会产生一条照明线，该照明线从投影器的其他角度看来存在一定的变形，这种变形可用于表面形状（光覆盖的部分）的几何重建。

关键问题是如何确定在投影器上看到的图像上的点，是从哪个物体上反射过来的，即如何对应像素点的问题。最开始，人们联想到可以模拟人的双目，利用两个相机，放置在不同的位置，通过两个相机的成像，对比成像的不同，判断物体的空间信息。但是这种方法局限性很大，如果成像中没有参照点，则没有办法得到空间信息。例如，如果两个图像都拍的是白墙，由于像素点类似，不能分辨其中一个相机中的某个像素点对应到另一个相机中成像的位置。

特征点的缺失是双目测距的一大痛点，有学者提出，既然缺少特征点不如就造一些特征点出来，这就是结构光。主要是利用两个传感器，一个是相机，一个是点阵投影仪。主要方法是对图像进行编码（见图1.43），从而确定每个像素点对应的位置，提取空间信息，编码的长度越长，分辨率越高。

3．典型案例

北京房山云居寺藏铜鎏金度母坐像，通高110厘米。扫描针对不同部位，分别采用OKIO-5M-400和OKIO-5M-100两个型号的结构光扫描仪。其中，OKIO-5M-400用于获取整体三维数据，OKIO-5M-100用于获取精细特征。通过扫描仪对文物各个不同角度的扫描，实现对各个部位的三维数据采集（见图1.44、图1.45、图1.46、图1.47）。

（二）三维脉冲激光扫描仪

1．发展历史

三维脉冲激光扫描仪（见图1.48）主要由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成。三维脉冲激光扫描仪能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度、高分辨率的数字地形模型。三维脉冲激光扫描仪是20世纪90年代中期开始出现的一种设备，是继全球定位系统(GPS)之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光脉冲扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广已经像GPS一样引起了测量技术的又一次革命。

2．技术简介

三维激光扫描仪探测过程主要是通过扫描仪发出某种辐射或光，并检测其反射或穿过物体的辐射，以探测物体或环境。可能使用的激光类型包括光、超声波或 X 射线。三维激光扫描仪可依据不同的原理测量出物体的空间结构信息。

三维脉冲激光扫描仪是一种主动式扫描仪，它使用激光来探测对象。这种扫描仪的核心是飞行时间激光测距仪，激光测距仪通过对光脉冲的往返时间进行计时来确定表面的距离。激光用于发射光脉冲，并测量检测器看到反射光之前的时间量。由于光速是众所周知的，往返时间决定了光的传播距离，是扫描仪与表面距离的两倍。飞行时间激光测距仪由于原理限制，仅检测其视线方向上一点的距离。因此，扫描仪通过改变测距仪的视野方向来扫描不同的点，一次一个点地扫描其整个视野。激光测距仪的视角可以通过旋转测距仪本身或使用旋转镜系统来改变。后一种方法是常用的，因为镜子要轻得多，因此可以旋转得更快，精度更高。典型的三维脉冲激光扫描仪每秒可测量1万~10万个点的距离。

另一类基于三角测量的三维激光扫描仪也是使用激光探测环境的有源扫描仪。三角测量激光将激光照射在对象上，并利用相机寻找激光点的位置。根据激光与表面的距离，激光点出现在相机视野中的不同位置。这种技术被称为三角测量，是因为激光点、相机和激光发射器形成一个三角形。三角形一侧的长度、相机和激光发射器之间的距离是已知的，激光发射器角的角度也是已知的，可以通过查看激光点在相机视野中的位置来确定相机角的角度。

3．经典案例

泉州湾宋代海船现藏于福建泉州海外交通史博物馆（泉州开元寺古船陈列馆）, 1974年8月至9月出土于福建省泉州市东郊的后渚港区，为宋代泉州造的中型远洋贸易木帆船，该船属方艄、高尾、尖底的福船类型，残长24.2米，宽9.2米，复原后长34.0米，宽11.0米，排水量近400吨，载重200吨，是我国考古发现的体量较大、年代较早且保存相对完整的古代沉船。

为了加强古船四有档案建设，促进科学深入开展保护、研究和管理等诸项事业，使文物的珍贵价值得到更加充分的发掘和展示，馆方决定对古船进行全面翔实的数字化保护。图1.49为浙江大学团队使用FARO X330的工作现场。

工作主要包括以下几方面的内容：第一，使用浙江大学自主研发的基于多图像的三维重构技术进行三维数字化；第二，使用浙江大学自主研发的高精度纹理自动映射软件结合彩色点云数据、激光扫描数据（见图1.50）、纹理映射图像数据对古船三维模型进行高精度的纹理自动映射；第三，进行全站仪、GPS测绘作业，测量点不少于100个，布点均匀，充分保障数据平差的需要；第四，形成泉州湾宋代海船的高清精准三维模型，并据之制作出正射影像图（见图1.51）、剖面投影图（见图1.52）等图件。