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1、三维扫描技术在生产中的应用与发展1 1 随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，并在各类生产中得到了越来越广泛的应用，发展，并在各类生产中得到了越来越广泛的应用，先后出现了数控系统、柔性制造系统、计算机辅助先后出现了数控系统、柔性制造系统、计算机辅助设计设计 制造、计算机集成制造系统等先进制造技术，制造、计算机集成制造系统等先进制造技术，以及制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组以及制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组技术等先进制造模式，制造业正在经历一场新的技技术等先进制造模式，制造业正在经历一场新的技术革命。术革命。三维扫描技术作为生
2、产制造中的一项重要技术支三维扫描技术作为生产制造中的一项重要技术支撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科撑，起着不可或缺的作用，并逐渐形成一门新的科学。学。一、三维扫描仪的产生背景2 2 我们在日常生活中随时都会接触到各种实体，而我们在日常生活中随时都会接触到各种实体，而利用一般的技术手段如照相机、平面扫描仪等获得利用一般的技术手段如照相机、平面扫描仪等获得都是物体的二维信息。但在诸多领域如产品设计、都是物体的二维信息。但在诸多领域如产品设计、工业检测、实物仿形、生物医学等仅仅用物体的二工业检测、实物仿形、生物医学等仅仅用物体的二维信息是满足不了要求的，因此如何获得物体的三维信息是满足不
3、了要求的，因此如何获得物体的三维数据并将其转化为计算机可以直接处理的三维模维数据并将其转化为计算机可以直接处理的三维模型是关键，而三维扫描技术的出现使得这一问题迎型是关键，而三维扫描技术的出现使得这一问题迎刃而解。三维扫描仪就是针对三维信息领域的发展刃而解。三维扫描仪就是针对三维信息领域的发展而研制开发的计算机输入信息的前端设备。只需对而研制开发的计算机输入信息的前端设备。只需对任意实际物体进行扫描，就能在电脑上得到实物的任意实际物体进行扫描，就能在电脑上得到实物的三维图像和物体真实的色彩。三维图像和物体真实的色彩。3 3二、概 念三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描三维扫描技术是一种
4、先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为处理的三维模型，又称为“实景复制技术实景复制技术”。三维扫描技术是集光、机、电和计算机于一体的一三维扫描技术是集光、机、电和计算机于一体的一项高新技术。该技术作为获取空间数据的有效手段项高新技术。该技术作为获取空间数据的有效手段 ，能够快速的获取反映客观事物实时、动态变化、，能够快速的获取反映客观事物实时、动态变化、真实形态特性的信息。在国内外诸多领域得到广泛真实形态特性的
5、信息。在国内外诸多领域得到广泛的应用，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力。的应用，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力。4 4三、三维扫描仪的分类5 51、三坐标测量机 接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式测量仪中的典型代表，它以精密机械为基是接触式测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方和数控技术等先进技术。根据测量传
6、感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为量方法分为单点触发式单点触发式和和连续扫描式连续扫描式两种。两种。6 6 工作原理：工作原理：三坐标测量机的测量传感器的主要形式三坐标测量机的测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针为各种不同直径和形状的探针(或称为接触测头或称为接触测头)，当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将力使探针发生形变。这种形变触发测量传感器，将测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相测出的信号反馈给测量控
7、制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。关的处理得到所测量点的三维坐标。7 7 特点：特点：适用性强、精度高（可达微米级别）；不受适用性强、精度高（可达微米级别）；不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量；由于采用接触式测形尺寸较为简单的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到机械运动的限制，且测量影响；同时扫描速度受到
8、机械运动的限制，且测量前需要规划测量路径，测量速度慢、效率低；目前前需要规划测量路径，测量速度慢、效率低；目前还需要人工干预，不可能实现全自动测量；接触测还需要人工干预，不可能实现全自动测量；接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。能反映整个零件的形状。8 82、三维激光扫描仪 现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术
9、得算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据要途径及发展方向。而三维激光扫描仪在非接触式扫描中占据着非常重要的角色。着非常重要的角色。9 9 分类及原理：分类及原理：三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激三维
10、激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维光扫描仪可分为一维(单点单点)扫描仪、扫描仪、二维二维(线列线列)扫描仪和扫描仪和三三维维(面列面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。脉冲测距法：脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间激光扫描仪由激光发射体向物体在时间 t1t1发送发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间器会在时间 t2t2接收到反射激光。由光速接收到反射
11、激光。由光速 c c，时间，时间 t1t1，t2t2算出算出扫描仪与物体之间的距离扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2d=(t2-t1)c/2。1010 当用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大误差。所当用该方式测量近距离物体的时候，就会产生很大误差。所以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适以相位法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。合于近景扫描。三角测量法：三角测量法：三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度三角测量法的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面
12、上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用受散射或反射光线的角度也不同，用 CCDCCD（图像传感器）（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度 。然后结合己知激光光源与。然后结合己知激光光源与 CCD CCD 之间的基线长度之间的基线长度 d d，经，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距LdtanLdtan。1111 三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点
13、三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。特征等因素的影响。三维激光扫描仪的特点：三维激光扫描仪的特点：（1 1）非接触测量）非接触测量 即对扫描目标物体无需进行任何表面处理，直接采集物体表面即对扫描目标物体无需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及的三维数据。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及
14、人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。（2 2）数据采样率高）数据采样率高 目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数千点可以达到数千点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点描仪甚至可以达到数十万点/秒。秒。（3 3）主动发射扫描光源）主动发射扫描光源 即激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的即激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程
15、中，可以不受扫描环境的时空约束数据信息，因此在扫描过程中，可以不受扫描环境的时空约束进行测量。进行测量。1212 （4 4）高分辨率、高精度）高分辨率、高精度 三维激光扫描技术可以快速、高精度的获取海量点云数据，三维激光扫描技术可以快速、高精度的获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。辨率的目的。（5 5）数字化采集、兼容性好）数字化采集、兼容性好 三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。能够与其它常用软
16、件有全数字特征，易于后期处理及输出。能够与其它常用软件进行数据交换及共享，如进行数据交换及共享，如 geomagicgeomagic、imagewareimageware、UGUG、Catia Catia 等。等。（6 6）可与外置数码相机、）可与外置数码相机、GPS GPS 系统配合使用系统配合使用 这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，使对信息的获取更加全面、准确。外置数码相机，可增强彩色信息息的获取更加全面、准确。外置数码相机，可增强彩色信息的采集；结合的采集；结合GPS GPS 定位系统，可进一步提高测量数据的准定位系统，可进
17、一步提高测量数据的准确性。确性。13133、三维照相式扫描仪 在非接触式三维扫描仪中，还有一个很重要的就是三维白光在非接触式三维扫描仪中，还有一个很重要的就是三维白光扫描仪，其工作过程类似于照相过程，扫描物体的时候一次扫描仪，其工作过程类似于照相过程，扫描物体的时候一次性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维性扫描一个测量面，快速，简洁，因此而得名。照相式三维扫描采用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便扫描采用的是面光技术，扫描速度非常快，一般在几秒内便可以获取百万多个测量点，基于多视角的测量数据拼接，则可以获取百万多个测量点，基于多视角的测量数据拼接，则可以完成物体可以完
18、成物体360360度扫描，是三维扫描和工业设计、工业检度扫描，是三维扫描和工业设计、工业检测的好助手。测的好助手。扫描实例扫描实例1414 三维白光扫描仪工作原理：三维白光扫描仪工作原理：采用结构光技术、相位测量技术、采用结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅（光计算机视觉技术的三维非接触式测量方式，测量时光栅（光点）装置投射数幅特定编码的结构光线（点）到待测物体上，点）装置投射数幅特定编码的结构光线（点）到待测物体上，成一定夹角的两个成一定夹角的两个(或多个或多个)摄像头同步采得相应图象，然后摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行相位和解码计算，并利用匹配
19、技术、三角形测量对图象进行相位和解码计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个原理，解算出两个(或多个或多个)工业相机公共视场内物体表面像工业相机公共视场内物体表面像素点的三维坐标。素点的三维坐标。1515三维白光扫描仪的特点：三维白光扫描仪的特点：（1 1）非接触测量）非接触测量 采用非接触扫描方式，稳定性高，适用范围广，可以测量外采用非接触扫描方式，稳定性高，适用范围广，可以测量外观复杂、柔软或易磨损的物体；观复杂、柔软或易磨损的物体；（2 2）精度高）精度高 单面测量精度可达微米级别；单面测量精度可达微米级别；（3 3）对环境要求较低）对环境要求较低 无需在暗室操作，对人体无辐射危
20、害，工作环境范围广，在无需在暗室操作，对人体无辐射危害，工作环境范围广，在露天环境亦可操作；露天环境亦可操作；（4 4）对个别颜色（如黑色）及透明材料有限制，需要喷涂显）对个别颜色（如黑色）及透明材料有限制，需要喷涂显像剂方能较好的扫描出来。像剂方能较好的扫描出来。1616 三维扫描技术的国内外发展现状 国外在这方面起步比较早，技术已经比较成熟国外在这方面起步比较早，技术已经比较成熟l l19941994年，年，M.levoyM.levoy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的色彩图像获取并重建了的色彩图像获取并重建了Michelangelo
21、Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系的主要雕塑品，并提出了一系列的相关技术；列的相关技术；l l19971997年，加拿大年，加拿大NRCNRC（National Research CouncilNational Research Council）的）的El-HakimEl-Hakim构构建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCDCCD照相机固定在小车照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统上，得到了一个数据采集和配准系统DCRDCR，并与，并与19981998年在原有系统年在原有系统的基础上实现了一个室内场景的三维建模系统；的基础
22、上实现了一个室内场景的三维建模系统；l l20012001年，年，Y.YUY.YU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实物提取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能；取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能；l l20022002年，年，I.StamosI.Stamos和和P.K.AllenP.K.Allen实现了一个完整的系统，该系统能同实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型；具有照片真实感的三维模
23、型；除此之外，除此之外，FruhFruh等人使用等人使用2D2D激光扫描仪、数码照相机并同时借助航激光扫描仪、数码照相机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的集合模型，得到了更为完整的街区三维模型。得到了更为完整的街区三维模型。1717 国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也国内对于三维激光扫描重建技术的研究齐步比较晚，但是也在部分领域取得一定的成果。自在部分领域取得一定的成果。自20002000年起至今，北京大学的年起至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描三维视觉与
24、机器人实验室使用具有不同扫描特性的激光扫描仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何仪、全方位摄像系统与高分辨率照相机完成了建模对象几何与纹理的采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维与纹理的采集并通过这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体模型的建立；物体模型的建立；20052005年，首都师范大学三维空间信息获取年，首都师范大学三维空间信息获取与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据与地学应用教育部重点实验室给出了一种基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的室外场景表面重建方法，该方法可以完成建筑物单一表面的重建。的重建。目前国内外对于
25、三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。1818四、应用三维扫描仪的流程利用相关软件如利用相关软件如 Geomagic,Geomagic,Imageware,RapidformImageware,Rapidform等对等对点云数据进行点云数据进行
26、预处理预处理测量方案制定、获取点云数据测量方案制定、获取点云数据 产品产品/原型原型 测量规划测量规划 测量数据测量数据 模型分析模型分析 建模方案制定建模方案制定 数据预处理数据预处理1919 数据分块数据分块 特征约束重建特征约束重建 平面、二次曲面、平面、二次曲面、BeiserBeiser曲面、曲面、NURBSNURBS曲面曲面 数字化模型数字化模型 STLSTL模型模型 新产品数字化模型重构新产品数字化模型重构RPRP快速原型快速原型 CAE/CAM/CNCCAE/CAM/CNC 新产品新产品/新原型新原型利用软件进行曲面重构，利用软件进行曲面重构，得到更精确的实得到更精确的实模型体，
27、为产品的快模型体，为产品的快速原型制造或快速开速原型制造或快速开发做好准备。发做好准备。曲面重构曲面重构几何约束创新设计2020五、三维激光扫描仪的应用 三维激光扫描技术的应用面非常宽广。在诸多领域如：逆向三维激光扫描技术的应用面非常宽广。在诸多领域如：逆向工程、数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实环境、数字工程、数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实环境、数字文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场检测、文物、数字博物馆、数字考古、地形勘测、犯罪现场检测、数字城市、城市规划、数字娱乐数字城市、城市规划、数字娱乐(游戏、动画、电影游戏、动画、电影)等，均等，均有广泛的应用。有广泛的应用。2
28、121 （1 1）逆向工程（逆向工程（Reverse EngineeringReverse Engineering）逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。比如，现在需要快速而精确的复制一个机械零件。首先通型。比如，现在需要快速而精确的复制一个机械零件。首先通过三维激光扫描，获取其表面点云的三维数据信息，并由此信过三维激光扫描，获取其表面点云的三维数据信息，并由此信息在计算机中建立该物体的三维几何模型，并对该模型进行修息在计算机中建立该物体的三维几何模型，并对该模型进行修正改进，进而开发出同类产品。当需要对零件设计进行修改的正改进
29、，进而开发出同类产品。当需要对零件设计进行修改的时候，只需对计算机中已经建立的三维模型进行修改，就可以时候，只需对计算机中已经建立的三维模型进行修改，就可以获得同样的效果，大大提高了工作效率，缩短了工期。获得同样的效果，大大提高了工作效率，缩短了工期。应用范围：量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、应用范围：量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模、空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、逆向三维建模、空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用、正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、虚拟现实应用、正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原、结构特
30、性分析、试验工程仿真、后数据测量、逆向制图还原、结构特性分析、试验工程仿真、后数据测量、目标形变监测、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析、目标形变监测、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析、对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试、对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试、整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程、整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程、历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修等。等。2222 （2）测绘、检测技术 20 20 世纪世纪 90
31、90 年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘、检测领域成为研究的热点，应用格的逐步下降，它在测绘、检测领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。方式之一。外景测绘外景测绘23232424（3）VRML VRML VRML 是虚拟现实造型语言（是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Virtual Realit
32、y Modeling LanguageLanguage）的简称，本质上是一种面向）的简称，本质上是一种面向 webweb，面向对象的，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML VRML 的对象称的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的态的 VRVR（虚拟世界）。现在流行于（虚拟世界）。现在流行于 Internet Internet 的的 VRML VRML 技术技
33、术如果没有足够的三维彩色模型，也只能是无米之炊，而三维如果没有足够的三维彩色模型，也只能是无米之炊，而三维扫描技术可提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全扫描技术可提供这些系统所需要的大量的、与现实世界完全一致的三维模型数据。销售商可以利用三维扫描仪和一致的三维模型数据。销售商可以利用三维扫描仪和 VRML VRML 技术，将商品的三维彩色模型放在网页上，使顾客通过网络技术，将商品的三维彩色模型放在网页上，使顾客通过网络对商品进行直观的、交互式的浏览。想象一下，随着技术的对商品进行直观的、交互式的浏览。想象一下，随着技术的发展，未来的在网络上挑选衣服的时候，用户可以下载商品发展，未来的在网
34、络上挑选衣服的时候，用户可以下载商品的三维模型，并的三维模型，并“试穿试穿”到自己的三维模型上，这样就可以到自己的三维模型上，这样就可以足不出户的挑选最适合自己的衣服，商家也可以通过这种方足不出户的挑选最适合自己的衣服，商家也可以通过这种方式为客户提供个性化的服务。当然这一切的前提是，客户和式为客户提供个性化的服务。当然这一切的前提是，客户和商家都用三维激光扫描仪扫描了自身和货品，并通过商家都用三维激光扫描仪扫描了自身和货品，并通过 VRML VRML 建立了三维模型。建立了三维模型。2525 用用VRMLVRML制作的法国虚拟巴黎制作的法国虚拟巴黎3D3D场景场景(可用可用 鼠标实时鼠标实时
35、3D3D漫游漫游)三维建模贴纹理三维建模贴纹理2626商品可用鼠标作商品可用鼠标作3D3D旋转和细部观看旋转和细部观看 2727(4)文物保护 对于文物保护，三维扫描技术能以不损伤物体的对于文物保护，三维扫描技术能以不损伤物体的手段，获得文物的外形尺寸和表面色彩、纹理，得手段，获得文物的外形尺寸和表面色彩、纹理，得到三维彩色拷贝。所记录的信息完整全面，而不是到三维彩色拷贝。所记录的信息完整全面，而不是像照片那样仅仅是几个侧面的图像，且利用这些信像照片那样仅仅是几个侧面的图像，且利用这些信息构建的模型便于长期保存、复制、再现、传输、息构建的模型便于长期保存、复制、再现、传输、查阅和交流，使研究者
36、能够在不直接接触文物的情查阅和交流，使研究者能够在不直接接触文物的情况下，甚至在千里之外，对其进行直观的研究，这况下，甚至在千里之外，对其进行直观的研究，这些都是传统的照相等手段所无法比拟的。有了这些些都是传统的照相等手段所无法比拟的。有了这些三维模型，也给文物复制带来很大的便利。三维模型，也给文物复制带来很大的便利。目前，许多国家己将三维激光扫描技术用于文物目前，许多国家己将三维激光扫描技术用于文物保护工作。美国斯坦福大学利用三维扫描技术实施保护工作。美国斯坦福大学利用三维扫描技术实施“数字化米开朗基罗数字化米开朗基罗”项目，计划将文艺复兴时期项目，计划将文艺复兴时期的这位意大利著名雕塑家的
37、作品数字化。的这位意大利著名雕塑家的作品数字化。2828 欧洲的四家公司、三所大学、两座博物馆联合实欧洲的四家公司、三所大学、两座博物馆联合实施施 ArchatourArchatour项目，其主要目标是以三维数字技术项目，其主要目标是以三维数字技术改进考古、旅游领域中的多媒体系统，而三维扫描改进考古、旅游领域中的多媒体系统，而三维扫描重建是其中的关键一环。重建是其中的关键一环。英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行扫描，将其立体色彩数字模型送到虚拟现实系统中，扫描，将其立体色彩数字模型送到虚拟现实系统中，建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入了远古时代
38、。建立了虚拟博物馆，令参观者犹如进入了远古时代。2001 2001年年1010月，加拿大保护中国文物基金会也向月，加拿大保护中国文物基金会也向我国文物局捐赠了一套我国文物局捐赠了一套InnovisionInnovision公司生产的三维激公司生产的三维激光数字扫描仪，用于对正在建设的三峡水利工程的光数字扫描仪，用于对正在建设的三峡水利工程的三峡库区的古建筑、遗址和出土文物进行立体扫描三峡库区的古建筑、遗址和出土文物进行立体扫描重建，大量记录文物和考古现场。重建，大量记录文物和考古现场。2929六、应用案例展示汽车配件3030对车体各个部分扫描后，利用相关软件将扫描的点云对车体各个部分扫描后，利
39、用相关软件将扫描的点云后处理，进行实体建模，并装配组合成完整的汽车模后处理，进行实体建模，并装配组合成完整的汽车模型，极大的提高了测量车体各个部分数据的效率；在型，极大的提高了测量车体各个部分数据的效率；在此基础上对汽车的功能和外观功能进行改进创新，再此基础上对汽车的功能和外观功能进行改进创新，再投入生产，可以缩短整个设计制造的过程。投入生产，可以缩短整个设计制造的过程。3131工业检测 生产线有大量的工件要进行检测（或抽样检测），一生产线有大量的工件要进行检测（或抽样检测），一般可以先建立一个标准的三维模型图，然后用三维扫般可以先建立一个标准的三维模型图，然后用三维扫描仪得出待测工件的三维数
40、据，配合描仪得出待测工件的三维数据，配合QualifyQualify、SolidworksSolidworks等相关检测软件，对工件进行三维测量分等相关检测软件，对工件进行三维测量分析，并生成误差报表，很大程度上提高了工作效率，析，并生成误差报表，很大程度上提高了工作效率，提高产品的良品率。提高产品的良品率。鼠标三维模型鼠标三维模型对齐偏色差谱图对齐偏色差谱图3232 通过远距离扫描高通过远距离扫描高温物体表面进行检温物体表面进行检测，这是其它检测测，这是其它检测方法很难做到的。方法很难做到的。3333人体、服装 三维激光扫描仪在扫描人体、服装等柔性物体时优三维激光扫描仪在扫描人体、服装等柔性
41、物体时优越性就体现出来了。由于采用的是非接触式的测量，越性就体现出来了。由于采用的是非接触式的测量，保证了所测量的物体数据不失真。真正可以做到量保证了所测量的物体数据不失真。真正可以做到量体裁衣。体裁衣。人体扫描点云人体扫描点云人体三维数据人体三维数据34343535医学、整形 激光器按其输出大小以及对人体造成的危害程度可激光器按其输出大小以及对人体造成的危害程度可分为四个等级，其中第一、二级激光器发出的激光分为四个等级，其中第一、二级激光器发出的激光对人体基本没有伤害。据此，拥有此类激光器的三对人体基本没有伤害。据此，拥有此类激光器的三维扫描仪便可直接对人体进行扫描。维扫描仪便可直接对人体进
42、行扫描。例如可对有缺陷的肢体进行扫描，根据扫描的特征，例如可对有缺陷的肢体进行扫描，根据扫描的特征，利用计算机模拟合成合适的矫形器或假肢，再投入利用计算机模拟合成合适的矫形器或假肢，再投入生产，产品可以最大化的符合患者的要求。生产，产品可以最大化的符合患者的要求。3636三维激光扫描技术的发展趋势随着光、机、电及计算机等技术的进步，三维激光随着光、机、电及计算机等技术的进步，三维激光扫描仪必将向着扫描速度更快、精度更高、更轻便扫描仪必将向着扫描速度更快、精度更高、更轻便携带的方向发展。加之对所扫描对象没有限制的特携带的方向发展。加之对所扫描对象没有限制的特性，三维扫描仪必将被应用于更广泛的领域
43、。性，三维扫描仪必将被应用于更广泛的领域。3737点云的预处理阶段减少噪音统一采样数据封装合并点对象出去非连接项出去体外孤点3838曲面重构点处理阶段点处理阶段组合点云光滑数据组合点云光滑数据多边形阶段多边形阶段光滑和编辑多边形模型光滑和编辑多边形模型l l填补漏洞填补漏洞l l边界修复边界修复l l重叠三角形清理重叠三角形清理l l多边形编辑多边形编辑形状、制作阶段形状、制作阶段规则化形状调整规则化形状调整l l特征识别特征识别l l特征线提取特征线提取l l边界构建边界构建3939逆向工程(RE)一、产生的背景 逆向工程思想是二战之后提出来的，进入九十年代，逆向工程思想是二战之后提出来的，
44、进入九十年代，该技术引起了各国工业界的高度重视。作为一门比该技术引起了各国工业界的高度重视。作为一门比较新的技术，凭借其有效的缩短产品开发周期的特较新的技术，凭借其有效的缩短产品开发周期的特性和强大的成本优势，已逐渐被个领域所接受和推性和强大的成本优势，已逐渐被个领域所接受和推广。由于它和传统设计方式相比所具有的多方面优广。由于它和传统设计方式相比所具有的多方面优势，在汽车、冲压模具、注塑模具、航空等领域逐势，在汽车、冲压模具、注塑模具、航空等领域逐渐成为了产品开发的主流方法。渐成为了产品开发的主流方法。4040二、逆向工程定义逆向工程逆向工程(Reverse Engineering(Reve
45、rse Engineering，简称，简称RE),RE),也称反也称反求工程，反向工程。起源于精密测量和质量检验，求工程，反向工程。起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。在一般工程技术人员的概念中，产品设计过程是一在一般工程技术人员的概念中，产品设计过程是一个个“从无到有从无到有”的过程，即设计人员首先根据用户的过程，即设计人员首先根据用户给定的性能要求确定方案，构思产品的整体外形和给定的性能要求确定方案，构思产品的整体外形和结构，然后确定大致的技术参数，再通过各种软件结构，然后确定大致的技术参数，再通过各种软件绘制产品的二维或三
46、维绘制产品的二维或三维CADCAD模型，最终将这个模型模型，最终将这个模型转入到制造流程中，从而完成整个产品的设计制造转入到制造流程中，从而完成整个产品的设计制造周期。我们称这样的产品设计过程为周期。我们称这样的产品设计过程为“正向设计正向设计”过程，它是由未知到已知，由想象到现实的过程。过程，它是由未知到已知，由想象到现实的过程。4141逆向工程的产品设计过程刚好与此相反，是一个逆向工程的产品设计过程刚好与此相反，是一个“从有到无从有到无”的过程。首先从己有的实物或产品样件的过程。首先从己有的实物或产品样件出发，通过先进的数字测量手段反向获取产品的外出发，通过先进的数字测量手段反向获取产品的
47、外形数据，然后利用各种造型软件由点云数据重构出形数据，然后利用各种造型软件由点云数据重构出该产品的该产品的CADCAD模型，经过不断的修改后，形成图纸模型，经过不断的修改后，形成图纸或可快速成形制造的或可快速成形制造的CADCAD模型，最后转入加工制造模型，最后转入加工制造或快速成形过程。逆向工程是对己有产品进行分析、或快速成形过程。逆向工程是对己有产品进行分析、改进和再创造的过程，是对已有设计的再设计。改进和再创造的过程，是对已有设计的再设计。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程，逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程，是从数据采集、数据处理到常规是从数据采集、数据处理到常规C
48、AD/CAMCAD/CAM系统应系统应用的多系统的融合过程。用的多系统的融合过程。4242三、逆向工程的工作流程4343四、逆向工程的应用 飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发，在产品的空气飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发，在产品的空气动力学性能和美学设计显得特别重要的领域。动力学性能和美学设计显得特别重要的领域。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改的领域。构件做局部修改的领域。在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的产品
49、数字化模型，以便充分利用现有件转化为计算机表达的产品数字化模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析（的计算机辅助分析（CAECAE）、计算机辅助制造（）、计算机辅助制造（CAMCAM）等先）等先进技术，进行产品创新设计。进技术，进行产品创新设计。某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以零件的损坏而导致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长使用受命。延长使用受命。一些特殊领域，如
50、艺术品、考古文物的复制、医学领域中人一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制、医学领域中人体骨骼及关节等的复制、假肢制造等。体骨骼及关节等的复制、假肢制造等。4444五、国内外研究现状在国内的科研领域里，上海交通大学、西安交通大在国内的科研领域里，上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对逆向工程技术进行了深入地研究。等科研机构都对逆向工程技术进行了深入地研究。国内的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测国内的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测的理论与实际应用进行了深入细致地探讨，研究了的理论与实际应用进行了