什么是3D立體掃描技術(shù)

在日常生活中，我們經(jīng)常能見(jiàn)到“3D”這個(gè)符號(hào)，如：3D顯示、3D電影、3D打印、3D掃描等等。前兩種相信大家已經(jīng)耳熟能詳， 但3D成為作品呈現(xiàn)時(shí)需要建立數(shù)字模型，而原始素材的采集需要應(yīng)用3D掃描技術(shù)，3D掃描對(duì)大部分人來(lái)說(shuō)是一個(gè)陌生的詞語(yǔ)。那么什么是3D掃描技術(shù)呢？3D掃描技術(shù)有哪些應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)呢？和3D打印能否有所結(jié)合呢？本文將全面系統(tǒng)的介紹3D掃描技術(shù)，以饗讀者。
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，奧地利科學(xué)家成功復(fù)原了一塊此前未知的動(dòng)物化石的原貌。根據(jù)復(fù)原圖，這只動(dòng)物渾身長(zhǎng)滿(mǎn)釘狀結(jié)構(gòu)，據(jù)信是現(xiàn)代魷魚(yú)與章魚(yú)的祖先。此項(xiàng)研究由奧地利國(guó)家歷史博物館進(jìn)行，研究人員利用3D掃描技術(shù)逐層掃描化石，而后制作出一段視頻，展示這種動(dòng)物如何生活和移動(dòng)身體。（文中用圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
　　這種動(dòng)物被稱(chēng)之為“Dissimilites intermedius”，生活在距今1.28億年前的白堊紀(jì)時(shí)期。它的化石在海底形成，最后在阿爾卑斯山白云石山山頂?shù)某练e物中發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家表示計(jì)算機(jī)X線(xiàn)斷層攝影術(shù)允許他們看到肉眼無(wú)法看到的一些細(xì)節(jié)，幫助他們進(jìn)一步了解這種古生物。根據(jù)他們的研究發(fā)現(xiàn)，這種動(dòng)物的身體被釘狀結(jié)構(gòu)覆蓋，每一個(gè)的長(zhǎng)度在3到4毫米之間。

可還原1.28億年魷魚(yú)祖先

可還原1.28億年魷魚(yú)祖先
　　博物館發(fā)言人表示：“這塊化石代表此前一個(gè)未知的物種。計(jì)算機(jī)X線(xiàn)斷層攝影術(shù)和先進(jìn)的3D復(fù)原程序不僅可以幫助復(fù)原一年前在白云石山發(fā)現(xiàn)的化石的原貌，同時(shí)也能根據(jù)這種動(dòng)物的肢體留下的印記了解其如何移動(dòng)身體。”

可還原1.28億年魷魚(yú)祖先
什么是3D掃描儀？
　　三維掃描儀(3D scanner) 是一種科學(xué)儀器，用來(lái)偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀(幾何構(gòu)造)與外觀(guān)資料(如顏色、表面反照率等性質(zhì))。搜集到的資料常被用來(lái)進(jìn)行三維重建計(jì)算，在虛擬世界中建立實(shí)際物體的數(shù)位模型。這些模型具有相當(dāng)廣泛的用途，舉凡工業(yè)設(shè)計(jì)、瑕疵檢測(cè)、逆向工程、機(jī)器人導(dǎo)引、地貌測(cè)量、醫(yī)學(xué)資訊、生物資訊、刑事鑒定、數(shù)位文物典藏、電影制片、游戲創(chuàng)作素材等等都可見(jiàn)其應(yīng)用。
　　三維掃描儀的制作并非仰賴(lài)單一技術(shù)，各種不同的重建技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，成本與售價(jià)也有高低之分。目前并無(wú)一體通用之重建技術(shù)，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。例如光學(xué)技術(shù)不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而雷射技術(shù)不適用于脆弱或易變質(zhì)的表面。

  三維掃描儀的功能
　　三維掃描儀的用途是建立物體幾何表面的點(diǎn)云(point cloud)，這些點(diǎn)可用來(lái)插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以建立更精確的模型(這個(gè)過(guò)程稱(chēng)做三維重建)。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)一步在重建的表面上貼上材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)印射(texture mapping)。

3D掃描示意圖
　　三維掃描儀可類(lèi)比為照相機(jī)，它們的視線(xiàn)范圍都呈現(xiàn)圓錐狀，資訊的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機(jī)所抓取的是顏色資訊，而三維掃描儀測(cè)量的是距離。由于測(cè)得的結(jié)果含有深度資訊，因此常以深度影像(depth image)或距離影像(ranged image)稱(chēng)之。
　　由于三維掃描儀的掃描范圍有限，因此常需要變換掃描器與物體的相對(duì)位置或?qū)⑽矬w放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)(turnable table)上，經(jīng)過(guò)多次的掃描以拼湊物體的完整模型。將多個(gè)片面模型整合的技術(shù)稱(chēng)做影像注冊(cè)(image registration)或?qū)�齊(alignment)，其中涉及多種三維比對(duì)(3D-matching)方法。

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