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干貨!三維掃描技術原理大揭秘!
來源: | 作者:小埃 埃太科三維 | 發布時間: 240天前 | 748 次瀏覽 | 分享到:

Ⅰ.世界的維度丨淺談坐標系

我們都知道,自己身處三維世界。但三維世界到底意味著什么?

所謂“三維”,是指我們所在的空間有三個維度??臻g內任何物體的位置都可以用三個數字來描述。人類歷史上采用了不同邏輯來設定這三個參數,而不同邏輯即衍生出了不同坐標系。

在這里,我們展示三種常見的坐標系:

*常見的笛卡爾坐標系



球坐標系                                                                             圓柱坐標系

當今市場上,高端三維掃描儀的性能已遠遠超過人類肉眼可識別水平。而一套可靠的,具備高度復現性的軟硬件坐標系,是掃描儀實現其精度的基石。


Ⅱ.物體的維度丨從零維到三維

設想一個點,體積小到可以忽略不計,那么其本身只具備三坐標的空間位置信息。從某種意義上來說,這就是零維物體。

線由多個點首尾相連構成,即為一維物體。

零維與一維物體


薄紙是二維物體。與長寬相比,其第三個維度(厚度)可以忽略不計。

二維物體


箱子是*直觀的三維物體,在三個維度上都占據一定空間。

三維物體


三維掃描儀,顧名思義,是用來掃描三維物體的。通常來說,桌面型掃描儀用于掃描小微型物體,手持式結構光掃描儀用于掃描中型物體,激光掃描儀用于掃描大型超大型物體。

Ⅲ.人眼三維感知原理vs掃描儀三維感知原理

物體與人眼之間的距離,在某種意義上可以描述為“深度”。人類雙眼無法同時聚焦深度不同的多個物體。當我們看向近處,遠處物體就會變得模糊;當我們看向遠處,近處物體就會變得模糊。這種特殊的聚焦機制,叫做“調節反射”。



                         看向遠處                                                                                           看向近處


調節反射能夠協助雙眼聚焦,還能幫助我們感知“深度”。但單獨一只眼睛無法很好地感知深度。我們需要雙眼協同配合。

當雙眼觀察物體時,每只眼睛距離物體的“深度”不盡相同,因而投射到視網膜上的映像也會出現一定差異。這一現象被稱為“網膜像差”,又稱作“雙眼視差”?;陔p眼視差,我們形成了對深度的感知?;谖矬w上各點的深度信息,我們可以進一步認知物體的幾何形態,運動軌跡。同時借助視網膜上的感光細胞,我們獲取了物體的顏色信息。

埃太科三維掃描儀,工作原理與人眼十分相似。掃描儀“感知”物體的幾何形態、深度和顏色。與人眼相比,其深度感知能力大大提升。

無論是人眼,還是三維掃描儀,都需要一定的環境反差才能進行認知。舉個例子,想象您在泊車,整個停車場地面都是相同的顏色,沒有任何可識別的特征與停車位形成反差,那么您的大腦就無法識別空間深度,無法正常泊車。相應的,色彩單一、幾何形態單一、表面平順的物體,一直以來都是三維掃描的難點。許多三維掃描儀難以捕獲黑色或深色表面。埃太科掃描儀配備業內前沿科技,在處理上述掃描難點時有著不俗表現。

計算機如何認知三維物體

人眼接收光信號后,在大腦中完成三維世界的重建。掃描儀采集數據后,在計算機上完成三維物體的重建。那么,計算機如何認知三維物體?基于哪些元素重構三維物體呢?

Ⅳ.什么是頂點?

頂點是指描述某個點所具備不同屬性的數據集。點的主要屬性是位置,其它屬性包括色彩、反射比、法向量和切向量等。

點云就是三維掃描儀在采集數據后生成的一組頂點。


Ⅴ.什么是邊?

邊是連接兩個頂點的直線。


Ⅵ.什么是面片?

             
三角形面片                四邊形面片                 五邊形面片              六邊形面片                  七邊形面片                     八邊形面片

面片是由若干條邊組成的閉合表面。面片的每個頂點都有兩條相鄰的邊。四邊形及以上的多邊形都可以由一定數量的三角形替換。通常,三角形面片是計算機環境下三維模型網格的基本單位。

Ⅶ.什么是網格?

簡而言之,網格是頂點和面片的集合體。

網格是計算機環境下呈現曲面的主要方式。簡單網格可以手動搭建,復雜網格則需要三維掃描儀捕獲實物,并搭配算法進行建模。由于捕獲工具不同,算法邏輯不同,同一曲面有多種網格呈現形式。


無數面片組成了網格,網格在計算機環境下呈現了三維物體。


Ⅷ.紋理在三維掃描中的應用


紋理映射示意圖

紋理指的是模型表面的圖案,也可通俗地理解為顏色信息。紋理通常為2D圖像文件,每個像素具備U和V坐標值,攜帶對應的顏色信息。為網格添加紋理的過程被稱為紋理映射或UV映射。

部分掃描儀配備紋理攝像頭,即可采集物體的紋理信息。埃太科全系產品均具備出色的紋理采集能力,搭配閃光燈,在較差的光照環境下仍可采集高質量紋理。




總結


過去二十年間,三維掃描技術不斷蓬勃發展,應用領域不斷拓寬。博物館運用三維掃描技術保護瀕臨損壞的歷史文物,工程師運用三維掃描技術逆向制作復雜工件,醫護人員運用三維掃描技術為殘障人士定制假體。


三維掃描的應用場景不勝枚舉,今天的一切僅僅是一個開始。


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