三维扫描技术：光栅、激光与散斑的比较分析

随着科技的飞速发展，三维扫描技术在医疗、工业、艺术设计等众多领域扮演着越来越重要的角色。本文将对光栅、激光和散斑这三种主流三维扫描技术进行深入比较分析，探讨它们的原理、优缺点及应用场景，以助您在众多扫描设备中做出明智的选择。

一、光栅扫描：细节呈现的佼佼者

1. 原理

光栅扫描技术通过投射光栅条纹到物体表面，利用相机捕捉并分析这些条纹因物体表面形状变化而产生的变形，从而精确计算出物体表面的三维信息。这些条纹通常由白光LED或蓝光LED投射，确保了扫描的准确性和丰富性。光栅扫描的工作原理类似于电视扫描，即通过电子束在显示屏上按特定顺序逐行逐点扫描形成图像。

应用光栅投影技术的典型三维扫描设备为拍照式三维扫描仪（又称照相式三维扫描仪）。由于其主要光学器件 DLP 投影机质量大、体积大、发热高、光效低、景深小，主要适用于中小型物体，特别是扫描细节特征复杂（例如多孔、卡扣、卡槽）、厚度薄、不需要多角度拍摄的被测物时更具优势。但此类设备对自然环境光源和被测物体表面颜色材质有较高要求，由于 DLP 投影机为面光源，照射到被测物体表面的光线相对较弱，因此扫描效果受环境光影响较大，对被测物体表面颜色性质有较高要求，在扫描深色或反光物体时，需要在被测物体表面做喷粉处理。由于在一次重建过程中需要投射多幅编码图和相移图，设备不能移动，因此需保证拍摄环境相对稳定，抗震能力较弱，灵活性较差。对需要多角度拍摄的物体、现场环境有振动、大型扫描件的扫描效率较低。行业内蔡司高慕的产品主要采用该技术路线。

2. 优缺点

（1）优点：

– 细节还原度高：光栅条纹提供丰富的纹理信息，实现高精度的三维数据获取。

– 光源类型多样：可根据需求选择白光LED或蓝光LED作为光源，适应不同场景。

– 无需贴点拼接：部分光栅扫描设备已实现无需贴点拼接，通过优化光学系统和算法，进行大范围、高精度扫描，并通过自动拼接技术获得完整物体模型。

（2）缺点：

– 数据量较大：光栅条纹需采集大量数据点，对电脑硬件要求较高。

– 扫描幅面和景深可能有限：某些设备可能存在幅面和景深的限制，但高级设备可通过调整光学系统来增加扫描范围。

– 材质适应性较差：对反光、黑色物体扫描效果不佳，可能需要喷粉处理。

– 受环境光线影响较大：在户外或强光环境下扫描效果可能不佳。

3. 应用场景

适用于精细度要求高的领域，如艺术品复制、模具制造等，无需贴点拼接的优势尤其适用于人体扫描、艺术品雕刻等场景。

二、激光扫描：高精度与广泛应用的完美结合

1. 原理

激光扫描技术基于激光测距原理，将激光投射到被测物体表面，并接收反射回来的激光，扫描仪据此计算与物体的距离，确定物体在空间中的位置，得到三维点云数据。这项技术融合了高精度与高精细度，例如，思看科技提供的工业级激光三维扫描仪：KSCAN-Magic复合式三维扫描仪、SIMSCAN-E智能无线掌上型三维扫描仪，它们为各行业提供了高效的数据采集方案。而iReal M3三维扫描仪则采用基于红外平行激光的技术。

2. 优缺点

（1）优点：

– 精度高：iReal M3三维扫描仪的基础精度最高可达0.1mm，体积精度最高可达0.25mm/m，可满足准工业场景的3D数据获取需求。思看科技的KSCAN-Magic复合式三维扫描仪、SIMSCAN-E智能无线掌上型三维扫描仪精度可达0.02mm/m，可以广泛应用于各个领域，提供高精度无损检测方案。

– 精细度高：能够捕捉细微表面特征，呈现复杂的设计细节和细腻的纹理。我们的iReal M3三维扫描仪最高分辨率可达0.1mm，高清还原物品的几何结构和棱角细节，可满足客户大多数5cm以上物品的扫描要求。

– 材质适应性好：对于反光、黑色物体，iReal M3展现出良好的扫描效果，大多数情况下无需喷粉即可完成扫描。

– 数据完整性高：能较好地扫描死角和深孔，保证三维数据的完整性。

– 环境光适应能力强：支持户外扫描，iReal M3的双激光技术使其在多种光照条件下都能保持稳定的扫描性能。

– 支持彩色三维数据：部分激光扫描仪支持彩色扫描，如iReal M3三维扫描仪。

（2）缺点：

– 大部分设备需贴点拼接：在扫描大型物体或进行复杂扫描时，某些激光扫描仪可能需要在物品或辅具上贴点以实现拼接。

3. 应用场景

适用于医疗康复、艺术设计、考古研究、逆向工程、3D打印、科学研究和教育等多个领域。

三、散斑扫描：快速与大幅面的完美结合

1. 原理

散斑指被投射光源照明物体表面呈颗粒状结构的一种随机分布的点状图案。散斑三维扫描技术是基于双目立体视觉原理，利用散斑特征区块作为匹配基元进行三维重建的技术。其主要由双相机，散斑发射器组成，其中散斑发射器可以是包含散斑图片的 DLP 投影机，LED 投影灯或特制的 VCSEL 散斑发射器。散斑发射器投射散斑图案到物体表面，左右相机在各自对极线中利用区块图案的相似性，通过相关性计算，寻找到匹配度最高的区块，进行三维重建。

该技术可以一次性重建视野空间内物体表面的三维数据，并利用相邻三维点信息，计算出视野内物体表面的法向、曲率等三维特征数据。前后两帧三维数据可以利用特征数据进行拼接、定位、累积，以实现连续的三维扫描。

2. 优缺点

（1）优点：

– 扫描速度快：适用于快速获取数据的场景，如人体扫描。

– 大幅面与景深：如iReal 2E拥有580mm*550mm的大扫描面幅，扫描距离范围280-1000mm，720mm超大扫描景深，便于扫描中大型物品。

– 黑色及头发扫描能力：红外散斑在扫描哑黑物品（包括头发）方面表现卓越。

– 浅颜色识别能力：扫描过程中无需手动调节曝光，使得扫描更流畅，更易上手使用。

– 支持无光扫描：在扫描过程中不晃眼，更舒适安全，减少被扫人的抗拒心，使人体扫描工作更容易开展。

– 支持暗黑环境下扫描：iReal 2E产品在暗黑环境下进行净体扫描（如乳腺癌/脊柱矫形数据获取时），患者体验更佳。

– 支持户外扫描：光环境适应能力强，如iReal 2E和iReal M3产品支持在阳光下直接扫描，满足多场景扫描需求，如户外考古、植物树干扫描生长形态分析等。

– 通常不需要贴点扫描：散斑扫描技术的原理决定了无需逐点扫描或贴点拼接，天生具备无需贴点拼接的优势，特别适合人体扫描、艺术品雕刻等场景。

（2）缺点：

– 细节还原度相对较低：扫描结果中的纹理信息不够丰富，这是散斑扫描技术普遍存在的问题。

– 对反光、黑色物体扫描有一定限制：在某些特殊情况下，可能仍需要喷粉处理。

3. 应用场景

散斑扫描技术广泛应用于大型雕塑扫描、全身扫描等领域。

四、光栅、激光与散斑的对比

综上所述，光栅、激光与散斑三种三维扫描技术各有千秋，选择适合的技术需要根据具体的应用场景和需求来定。了解这些技术的特点和局限性，有助于我们更好地利用它们为不同领域的发展助力。