激光3D扫描技术

华中科技大学，徐长发，2019.12.30

对于复杂的实体，如何获得它的外形数据，并把实体的图形显示出来?

最先是在大地测量方面研究这个问题的。使用光学扫描仪从高空对大地扫描，把扫描所得数据整合为地形地貌图像。这项工作要利用很多高新技术;其一是利用了激光测距的准确性，在上万米远处的测距精度能够达到厘米级别，在较近距离处的测距精度能够达到微米级别;其二是用到很多光学测量方法和数学计算方法，保证计算出来的数据精度与测量精度保持在同样的级别上;其三是计算机3D图像技术能够把测量数据整合并显示为3D图像。

现在，3D扫描技术越来越完善了，不少厂家制造出“激光3D扫描仪”，用户又把激光3D扫描结果用于各行各业，激光3D扫描技术得到了广泛的应用，而且有爆发性增长的趋势。

一.激光3D扫描仪的工作原理

激光扫描仪有多种;有手提式的，也有固定工作台式的;有双目的也有单目的;有测量较远距离的，也有测量较短距离的，有车载的也有机载的。

例如下面的仪器图形。

三维激光扫描仪的工作原理。简单来说，就是通过距离与角度来计算出实体上各点在空间的三维坐标。具体一点，通过激光在空气中传播的速度与时间来计算设备到目标物的距离，这是激光雷达的原理;同时，扫描仪还记录了发射光与返回光的干涉条纹，以此确定数据点与数据点之间的角度，有了距离与角度就自然能计算出一个空间点的三维坐标了。三维激光扫描仪就是通过这种连续、快速的对水平方向与竖直方向的点测量来实现面的测量。

扫描仪可以变动位置扫描实体，一次扫描角度可以达到100°*300°，

更换位置扫描的数据会自动整合，所获得的数据精度是微米级别的。

扫描仪可以固定，实体转动，以便扫描到实体的全部外表面。

实体外表面的密集数据，经过计算机软件处理，可以显示实体的外表面图像，

扫描仪既可以扫描实体的外表面，也可以扫描实体的内表面。计算机软件安需求处理，可以显示实体的某个截面图，可以显示实体任何部位的空间信息数据。

三维激光扫描技术是测绘界的一项技术革新，它是把光、机、电和计算机技术于一体的高新测量技术，可快速地、无接触地、高精度地，获得实体的三维数据、三维模型及线、面、体等各种图件数据。而且其测量结果能直接与多种软件接口，它的应用日益普及，且正在爆发式增长。

二.激光3D扫描在建筑工程中的应用

以前，建筑工程的测量落后，工作量太大，现在，应用三维激光扫描仪可获得现场的大数据，这些数据不仅能解决点测量和其它实测实量的问题，而且还能在施工节点对比、模型校正、竣工交付、数据留存、质量检查等方面发挥重要作用。

在建筑工程的规划设计阶段，三维激光扫描技术可以完美的提供工程建设现场图像，包括地形地貌，交通线路，周边建筑及其细节的信息，比无人机航拍更具细节信息，用于检查设计与现场周边环境是否冲突。

在建筑工程施工前期、中期、后期的各个阶段，可随时对工程扫描，得到实测实量的图像和高精度数据，可以帮助管理人员检查工程质量和状态;可以辅助对原来设计的调整与变更;可以保存完整的3D 记录，为后期的工程维护提供真实的数据依据。

在建筑工程旧项改造中，利用存档的3D 记录和对现场的扫描记录，可为改造设计提供方便。

在以下工程方面，三维激光扫描技术发挥着巨大的作用，省时、省力。

(1)数字城市领域：城市扩建、重建和改造，城市道路测量，管线规划，数字城管，*监控，市政管理等。

(2)测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘、铁路测绘、河道测绘、桥梁、建筑物地基等测绘工作，还有隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、地下工程结构的监测等。

(3)结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装等。

(4)建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量，遗址测绘，文物修复，资料保存等。

三.激光3D扫描复杂工件在测量和仿制方面的应用

扫描复杂工件

机械零部件的细微偏差会直接影响后续工件的装配，而各个组成部件的特殊性与复杂程度又各不相同，以前一直没有快捷有效的检测手段来检测不同加工环节中产生的偏差，严重地影响了生产工作的效率。

三维扫描仪获取的三维结构数据可保证与真实数据尺寸精度误差在μm级别，完全可以胜任任何工业级别的测量使用。为零部件的测量、检测提供精准的数据。

仿制和放缩工件

使用激光3D扫描，再复杂的工件也能方便快捷地测量和绘制出来。把这些扫描数据与3D打印结合，就很容易仿制、放缩制作工件。

四.激光3D扫描在其它方面的应用

激光3D扫描的应用实在是多方面的，下面汇总几个方面的应用。

1.医疗方面。用激光3D扫描，可以让假牙和种植牙与真牙良好配合;让整形、矫形等如愿;让假肢符合要求;等等。

2.三维测量服务方面。可以广泛应用在铁路、铁轨、汽车制造、航空航天元件的制造、精密机械零件、电子元件的检测方面;可用于服装、玩具、制鞋等民用工业方面。

3.紧急服务业方面。可用于反恐、陆地侦察、移动侦察、攻击测绘、监视、灾害的监测方面;可用于交通事故、犯罪现场的监测方面;可用于森林火灾、滑坡泥石流、核泄露的监测和预警方面。

4. 博物馆方面。

文物保护是博物馆的基本职能之一，要对文物保护保养，要对文物适当修复，三维激光扫描技术可以发挥巨大的作用。

文物数字化也是博物馆的重要工作之一，可以将馆藏分类、归档、保存。

虚拟博物馆是发展方向之一，把要展出的内容数字化、图像化、虚拟化，引导参观者了解、学习，并产生亲临其境的体会和感觉。

5.教育方面。可以制作一个3D创新实验室，通过三维扫描、3D设计软件和3D打印机的操作，让学生们的创意快速从概念变成真实，锻炼空间思维和创造力思维;可以直接编辑修改三维扫描模型，让教学更具创意;可以让美术、设计、工程、建模等内容一体化。

6.娱乐业方面。可为电影演员和场景进行必要的设计;可用于3D游戏的开发;可用于场景虚拟，现场虚拟、虚拟旅游指导、虚拟博物馆等方面。

只要你拥有一台足够强大的3D扫描仪，再配上自己天马行空的想象力，世界上没有什么是不能“模拟”的。

五.总结

激光三维扫描技术，是集光、机、电和计算机技术于一体的合成技术，其中有光学测量技术、激光测距技术、计算机智能化和可视化技术、计算机图像技术、计算机存储技术、计算机的机械制图和制造(CAD/CAM)技术，等。

激光三维扫描技术的直接结果是把实体模型的外貌数字化、图形化，但是它有一个最显著的特点，它可快速地、无接触地、高精度地，获得实体的三维点、线、面、体等各种图形数据，其测量结果能直接与多种软件接口，其测量结果是可视化的。这些特点让测绘工作灵活高效、降低成本，让设计改变了语言和工作模式，让这项技术带来了极其广泛的应用。

激光3D扫描技术是某种软实力，激光3D打印技术是某种硬实力，毫不夸张地说，这两种技术的结合将会出现一幅技术新时代的画面。

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