激光三维扫描

如今，我们有多种方式、不同科技，可以为虚拟三维空间复制真实世界的物体。多种三维扫描仪都能实现：桌面式、手持式、三脚架式扫描仪；工业级或消费级扫描仪；照片扫描仪、摄影测量扫描仪；接触式测量系统；内置激光雷达传感器的智能手机或平板电脑；移动式、地面式、机载系统等等。

本文将聚焦最常用的激光三维扫描扫描技术，它被广泛应用于建筑、土地测绘、法医鉴定、遗迹保护等领域。通过本文，您将了解激光扫描仪的类型、工作原理、适用场景与具体用途。

三维激光扫描仪

人们听到“激光三维扫描仪”时，脑海里可能会浮现出适用于不同场景和领域的不同扫描设备。例如，一位工业设计师，可能会联想到一台便携式手持设备，能近距离捕获中小型物体。一位建筑工人，可能会想到一台三脚架式的地面型扫描仪，用于大型物体的测绘与测量，例如楼房或整个户外空间。而一位测绘技术员，可能会想到一辆带有机载扫描系统的汽车或无人机，可以在运行或飞行过程中绘制地形图。这些都是正确答案，以上设备都可称之为三维激光扫描仪。

那么，到底何为激光扫描？哪些设备能称之为激光扫描仪呢？

简而言之，激光扫描就是将激光作为光源，从真实世界为一件或多件物体、环境捕获精准三维信息的过程。扫描仪将激光投射至物体，形成点云，即数百万精准测量的点，以XYZ轴形式记录，以体现物体空间位置。部分激光扫描仪支持以点云形式下载模型，而有些扫描仪会自动将点云转换成三角网格，可继续转换成CAD模型，如果支持记录纹理，也可转换成全彩3D模型。

和之前我们介绍过的接触式测量系统不同，激光三维扫描仪100%无接触，不会造成物体任何损伤，牢固物体或易碎物体，均能捕获。激光扫描仪可用于室内作业，部分支持室外，白天黑夜均可使用，既有固定式，也有便携款，可扫描小微型到超大型的各类物体和场景。

非接触式和非破坏性激光扫描仪捕获物体表面上的大量点，形成XYZ坐标轴，以计算物体尺寸，完成3D重建，确定物体空间位置，十分精准。

根据不同应用场景，既有可手持的便携独立型三维激光扫描仪，也有三脚架固定型设备，同时，也可作为复杂解决方案的一道工序，例如机械臂、移动式或机载式激光扫描系统等。从技术分类来看，还可分为飞行时间、相位、三角测量技术扫描仪。

下面，我们具体介绍各类常见的激光扫描仪及其工作原理。

激光扫描仪类型

#1. 飞行时间技术

这类激光扫描仪通常用于长距数据捕获，采用飞行时间技术（TOF）。这类三维扫描仪的工作原理和激光测距仪的工作原理相同：发射激光脉冲至物体，部分脉冲从物体表面返回至扫描仪。与物体的距离即可通过脉冲的飞行时间计算出来，采用以下公式：距离 =（光速x 飞行时间） / 2。这个数据用于计算激光束触及点的坐标值。

飞行时间三维扫描仪的捕获距离可高达1000米。不过，常见工作距离为5-300米。虽然TOF系统捕获距离较远，但捕获数据的速度最慢，约为每秒几百至几千点。

设备测量返回信号时间的能力决定了TOF技术的精度。尽管不同系统的精度规格各有不同，但TOF扫描仪的精度一般为4-10毫米。新款TOF设备还可能配备RGB功能，通过内置或外接摄像头采集色彩。

#2. 相位技术

相位三维扫描仪发射交替频率的激光束，通过测量发射与返回信号的相位差来测定物体距离。与飞行时间扫描仪不同，相位扫描仪的工作距离最多为80-120米，常见工作距离为1-50米。

相位式三维扫描仪通常被认为是速度最快的激光扫描仪，部分设备的捕获速度高达一百万点/秒。此外，这类设备的准确度和分辨率高于TOF扫描仪。和TOF扫描仪一样，它们也包括内置或外置色彩捕获功能。

所有激光扫描仪都会发射激光，但采用不同技术来解读返回信号。飞行时间扫描仪记录光束从物体表面返回的时间，相位扫描仪记录发射与返回信号的相位差，三角测量扫描仪计算发射光束返回传感器的角度。

相位扫描仪由于精度高，最适合捕获中型物体，例如大型泵、汽车和工业设备。相位和飞行时间设备都能用于地面扫描项目，可为几米到几千米的超大型物体、结构完成测绘。

地面TOF和相位扫描系统都有固定式、三脚架式设备，可以单独使用，也可以安装在地面或飞行器上，用于采集广阔地貌或无法抵达区域的信息。

#3. 三角测量技术

第三类激光扫描仪采用三角测量技术，激光发射后返回至机载相机图像传感器阵列上的某个特定位置。为计算物体与三维扫描仪之间的距离，设备采用三角测量法，因为激光源、传感器、物体上的标记构成一个三角形。激光源与传感器之间的距离、激光与传感器的角度都是非常精确的。激光反射回传感器后，系统可以测量其与传感器之间的角度，从而计算激光源到物体表面的距离。

三角测量激光扫描仪的工作距离（小于5米）比飞行时间、相位扫描仪短，这是因为图像传感器的动态范围比较小，且距离越远，精度越低。多数三角测量设备也配备内置RGB采集功能。

通常来说，三角测量扫描仪最适合扫描小型物体，根据设备性能，扫描距离为1厘米到2、3米。从外观来看，有固定式和三脚架式三角测量扫描仪。但是，该技术配合便携手持式三维扫描仪效果最佳。

激光扫描仪应用场景

激光扫描仪可用于诸多领域、诸多场景：从建筑、土木工程到法医、考古。随着技术成本越来越低、设备越来越小巧轻便，越来越多的行业开始采用激光扫描。下面，我们介绍一些常见的应用场景。

逆向工程

从小型机械部件到大型工业品，激光扫描仪已成为产品设计和开发人员工具箱的必备工具。过去，一项复杂工艺需要耗时多天才能完成组装，还要手工测量，部件检测的过程十分痛苦，但有了激光扫描仪，通过逆向工程制作CAD表面模型只要几分钟，制作参数化CAD模型只要几个小时。如果部件受损或变形，需要重新设计却有没有CAD数据，那么就可以用扫描仪来制作精准的数字蓝图。带有嵌入式处理器的便携式激光扫描仪非常适合检测中小型物体，而中距和长距扫描仪非常适合大型物体的检测。快速完成CAD模型，能节省数小时甚至数天的时间，让研发团队专注于产品改进。

质量检测

质量检测是制造过程中的另一个重要环节，也是激光扫描仪大显身手的领域。过去，质检常常采用手动接触式测量法，而现在，得益于激光扫描品质，工作流程速度更快，精度更高，测量数据也更多。反过来，迭代循环就更少，产品交付时间也会更短。CMM通常一次只能采集几十个点，需接触物体表面，还要为每个检测部件编程，而激光扫描仪不同，它可以在很短的时间内，为几何复杂的各类物体捕获数百万个测量值，且无需接触物体表面。

短距激光三角测量扫描仪有便携手持型设备，无论何种设备，位于何处，都能享受极致的灵活。这类设备非常适合捕获高度复杂、无法手动或借助探头测量的部件。由于质量轻便，质检人员现在更加灵活机动，不用被束缚在特定的操作地点。

长距激光扫描仪适合为大型物体进行检测，完成精准测量，还能配合使用手持式扫描解决方案，为小型元素完成高清捕获。激光扫描仪捕获的3D模型，可在扫描处理软件中处理，随后转换成CAD文件。这时，还能与原始CAD模型对比，识别出超出公差范围的部位。

法医鉴定

由于激光扫描仪能捕获房间内部、楼房、完整场地等大型空间，因此它也成为精细记载、犯罪现场调查、事故再现等场景中的得力助手。和相片、视频、卷尺等传统证据搜集方式不同，激光扫描仪让调查人员得以捕获犯罪现场的原貌，每件证据都能精准测量，无论是尸体、脚印还是弹孔，都能在几分钟内完成。

带有嵌入式处理器的便携式手持激光扫描仪，适合一天需在多个地点捕获物体的项目。如需更精准的数据，也可使用手持式扫描仪，例如近距离扫描尸体、破损的家具，或者扫描罪犯留下的脚印。而长距扫描仪适合捕获整个现场。将其放在房间中央自动扫描，调查人员就可以和证人、受害人谈话，或进行其他调查工作，无需再控制扫描仪。三维数据让法医对犯罪现场有了更为全面详细的认识，也能让庭审案件更具说服力。

建筑（BIM）

对于中距和长距地面型激光扫描仪而言，另一种常见应用场景，就是三维捕获楼房或整个建筑工地，对建筑师和建筑人员而言更是司空见惯。通过这类设备，设备所有人或建筑项目管理员就能快速完成精准记录，为楼房制作3D模型，记录详细情况。此外，这些设备也可用于施工进度跟踪或新建项目的质检，对比成品建筑与设计模型。激光扫描仪不仅节省了手动测量的时间和成本，也大大提升了施工安全，对于一些风险较大的项目而言，非常重要。建筑项目的整个周期都可以使用激光三维扫描仪，保存好大量三维数据，还可用于今后项目的翻新或全新项目，也能随时查看。

考古

另一个激光扫描仪不可或缺的领域就是考古，在考古挖掘现场，无论是灭绝物种的一根骨头，还是整座古城，都能进行3D记录。带嵌入式处理器的便携式手持激光扫描仪还能在野外工作，方便灵活，考古学家记录任何想记录的考古发现。得益于设备上自带的屏幕，他们还能实时看到模型的构建过程，无需另外携带电脑或平板。长距地面型和机载激光扫描设备也能成功应用于地形测绘、挖掘规划，发现研究人员无法用肉眼看的考古遗址，让历史不被埋没。

过去，考古学家只能使用全站仪、GPS设备、摄影测量法等方式搜集数据，而有了激光扫描仪，考古学家搜集高清可靠数据的速度就比原来快了许多，在考古挖掘过程中，为他们节省了数百小时的时间。由于扫描仪无需接触物体表面，不具破坏性，还能用来捕获易碎文物，保留它们的原貌。捕获数据可用于考古记录，也能制作虚拟模型，用于文物修复保护和文物展览。

移动测绘

移动测绘是长距激光扫描仪的另一种应用。移动测绘是指通过陆上移动车辆（汽车、火车、船只）或空中飞行器（无人机、直升机、飞机）收集三维地理空间数据的过程，也就是收集物体在地球上的具体位置。移动测绘系统通常装有各种导航和遥感技术，例如GNSS、摄像头、激光雷达。结合所有技术，专业人士即可记录、测量、认识某个环境，完成可视化，适合管理公路铁路网络、城市规划，分析水下或地下结构，提升发电厂基础设施安全性，设计数字地图等大量场景。