3D掃描技術概述

3D掃描技術-概述及原理簡介

3D掃描其主要使用目的在於能夠將實際物體的立體資訊數位化轉換為電腦能直接處理的檔案,可以將現實世界存在的物體數位化,不僅在工業製圖需求、科學研究、醫療訂製、文物數位典藏、運動科學、數據分析等領域都能帶來許多的便利性。傳統的3D量測在取得物件尺寸的手段上只有透過游標卡尺測量,受到了不少技術限制。由於3D掃描技術的發展,目前科技已經可透過探針或光學掃描來取得物件表面3D資訊,達到量測目的。以下為您介紹  3D掃描技術 概述 :

 

3D掃描技術

 

3D掃描可以比擬為2D平面的照相機,都是有範圍性的,不同之處在一個是收集色彩,一個是相對距離。目前市場上比較常見的3D掃描技術多達數十種,結構光法技術因精度高、量測速度快等優勢,在製造業已廣泛採用。結構光3D掃描是由光學模組投影特定形式圖案至待測物體上後,由於圖案會因物體的立體形狀而改變形狀,藉由感光元件判讀圖案變化程度進行三角量測後得到物體表面各個點與掃描器的空間位置。

3D掃描流程及後處理

 

  • 前置作業

由於投影機會按照順序投射結構光,首先掃描物件需放置在平整且穩定的桌面上。掃描過程中盡量避免改變到周圍光源,同時注意是否有其他光源影響到掃描器。環境光的品質會直接影響到掃描的效果。另外,由於光學掃描的物理限制,透明、黑色、金屬反光等材質的物體不容易處理。若遇到需要掃描這類型材質的物件時一般會建議先將物件進行噴粉處理。特徵不多或對稱造型的掃描物件,例如瓶罐、板子等,會需要黏貼標示點來輔助掃描。

 

  • 掃描

首先將掃描物件放置在桌面上,掃描器與物件保持在適當的距離,同時確認物件在感光元件的範圍,接著根據周圍的明暗程度調整曝光值,距離及曝光值都調整好後即可開始掃描。每次掃描後會得到一幅立體的點資料,一般稱為「點雲(Point Cloud)」。每掃完一幅後調整掃描器或是物件的角度及高度,盡量讓物件的立體資訊可以掃描完整。掃描過程中注意物件不能晃動,可以使用黏土等將其固定,確保列印品質。

3D掃描技術

 

  • 拼接及合成

掃描得到的多幅點資料需要經過拼接整理,一般拼接方式分為“特徵拼接”及“標示點拼接”兩種。特徵拼接是按照點雲資料的起伏變化進行拼接,若重疊的部分太少或是特徵不夠明顯用來判斷的資訊不夠多特徵拼接有可能失敗。標示點拼接則是藉著標示點的空間位置進行拼接。掃描過程中若是掃描物件上黏貼標示點,除了點資料以外掃描器也會同時記錄標示點,透過標示點的空間位置將多個點群拼接起來。拼接完成後需要將點資料進行合成,移除重疊或多餘的點資料、清除雜訊及將點資料縫合成一筆完整的立體點群資料。

 

  • 網格化及補洞

由於除了專業的逆向工程軟體以外一般的3D軟體無法處理點群檔案,因此我們在得到完整的點資料之後需要進行“網格化”,也就是將所有的點資料連結成三角網格來模擬物體的立體形狀。另外,光學掃描若光打不到的地方(例如溝槽、倒鉤處等)會得不到點資訊,這些部分在網格化後會形成破洞。這時需要依照後續的檔案用途,選擇該不該補洞或如何補洞。專業的逆向工程軟體的補洞功能有多種方式可以挑選,EinScan軟體的補洞方式是將破洞周圍的曲率平均後修補,大部分的情況會將破洞修補的與周圍差異不大,但若破洞太大,或是周圍的點資訊太少,修補的效果會比較不理想。

3D掃描技術-網格化與補洞
3D掃描技術-網格化與補洞

 

此外,一般逆向工程在乎尺寸精度,修補後的部分可能會跟原始物件產生差異。因此若掃描的後期應用是逆向工程則在補洞的步驟需謹慎使用。另一方面,數位典藏、藝術設計、醫療訂製等對尺寸精度較寬鬆的應用則可以選擇補洞方便後續的處理。

 

  • 網格化及補洞

3D掃描得到的儲存格式一般為.stl(三角網格資料)、.obj(網格模型)檔兩種,stl檔與3D列印是相同的格式,掃描完補洞後可以直接導入到3D列印機列印。.obj檔則是含貼圖材質資訊的檔案,一般較常在電腦動畫、遊戲產業使用。掃描同步得到彩色資訊可以進一步在立體的表現上依據3D的資料黏貼顏色,即Texture Mapping。

3D掃描技術-玩具公仔
3D掃描技術-玩具公仔

 

3D掃描主要應用

有別於手工量測繁複耗時,3D掃描的便利性逐漸受到產品開發人員的重視。將3D掃描獲取的3D資料與原始圖檔進行比對,可以高效率驗證產品良率。沒有3D圖檔的老舊產品或不公開的商品實體數據,可透過逆向工程將其精準轉換成CAD軟體可編修檔案格式,接著進行二次設計後導入CAM製作路徑開模,加速開發流程提升生產效率。

3D掃描技術-汽車行業
3D掃描技術-汽車行業

 

由於3D掃描的檔案格式與3D列印、3D遊戲動畫等一樣是使用網格模型(.stl),可以共通直接使用,因此包括藝術雕塑、公仔設計、文物修復、創新設計、文物數位典藏甚至遊戲動畫、AR、VR也都能看到掃描技術的身影。將實際的物件3D掃描後使用數位雕刻軟體修整後數位典藏,保存在數位的圖書館永久保存,可以使用3D列印小量複刻,也可以放到網路上線上展示,更可以使用頭戴式顯示器或其他方式呈現數位內容,挑戰許多不同以往的嘗試

3D掃描技術-藝術應用
3D掃描技術-藝術應用

 

3D掃描技術由於科技進步總算得以普及於消費大眾面前,今後隨著3D掃描器本身的掃描速度、精度的提升,新技術的開發,搭配逆向工程傳統製程以及各種軟體、3D列印機等,3D掃描的應用將是推動下一波3D數位工藝成長的關鍵力量。

 

3D掃描優點

  1. 快速驗證產品
  2. 縮短產品開發週期
  3. 各式訂製化開發設計
  4. 高仿真3D圖檔
  5. 數位文物保存

3D掃描應用行業

  • 航空航太
  • 汽車行業
  • 消費品
  • 模具製造
  • 牙科
  • 醫療
  • 教育
  • 珠寶
  • 藝術文創

 

您可能想了解更多: