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小紅科普課堂:結(jié)構(gòu)光科普篇匯總,干貨知識(shí)一文看懂!

先臨課堂

2025.09.01

      在三維掃描儀的技術(shù)文檔與宣傳材料中,“結(jié)構(gòu)光”是一個(gè)常見(jiàn)的關(guān)鍵詞。那么,結(jié)構(gòu)光具體指什么?它有哪些主要類(lèi)型?接下來(lái)就由小紅老師為大家答疑解惑吧!


01
結(jié)構(gòu)光的基本概念


      三維掃描儀通常采用多種類(lèi)型的光源,包括激光、LED、紅外VCSEL光源等。然而,若直接將非編碼光源投射至物體表面,難以實(shí)現(xiàn)高精度的三維重建。為提高圖像匹配的精度與準(zhǔn)確性,需對(duì)光源進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編碼。

      所謂結(jié)構(gòu)化編碼,是指將光源調(diào)制為具有特定空間分布的圖案,如條紋、光柵或散斑等。這類(lèi)經(jīng)過(guò)編碼的光束被稱(chēng)為“結(jié)構(gòu)光”。根據(jù)圖案形態(tài)的不同,結(jié)構(gòu)光主要可分為三類(lèi):多線結(jié)構(gòu)光、光柵結(jié)構(gòu)光(條紋投影技術(shù))和散斑結(jié)構(gòu)光。


02
各類(lèi)結(jié)構(gòu)光技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)



多線結(jié)構(gòu)光

      多線結(jié)構(gòu)光,顧名思義即是將光源投射形成交叉或平行等多線狀光源。目前市面上大多數(shù)的多線結(jié)構(gòu)光掃描儀采用的光源是激光光源。因?yàn)榧す獾亩ㄏ蚰芰Ψ浅?yōu)秀,可以顯著減少光線散射;而且它的亮度足夠強(qiáng),可以在復(fù)雜環(huán)境下規(guī)避干擾。

      而激光高亮度、高定向性的優(yōu)勢(shì)作用于三維掃描儀,呈現(xiàn)出來(lái)的的第一大核心優(yōu)勢(shì)就是高精度。激光的高定向性使其在傳播過(guò)程中極少出現(xiàn)散射的情況,可以精準(zhǔn)的投射到物體表面實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。比如,先臨三維的FreeScan系列激光手持三維掃描儀精度可達(dá)0.02mm,可滿足工業(yè)高精度的測(cè)量需求。同時(shí),激光的高亮度可以規(guī)避環(huán)境光的干擾,使激光三維掃描儀在戶(hù)外環(huán)境下也可以正常作業(yè)。而且由于它的能量強(qiáng)且高度集中,對(duì)于黑色、反光等特殊材質(zhì)物體適應(yīng)性也比較強(qiáng)。多線激光三維掃描儀高精度,強(qiáng)通用性等優(yōu)勢(shì),使其可廣泛應(yīng)用于各制造業(yè)領(lǐng)域。



光柵結(jié)構(gòu)光(條紋投影技術(shù))

      光柵結(jié)構(gòu)光(條紋投影技術(shù)),是通過(guò)投射具有周期性條紋結(jié)構(gòu)的光柵圖案到物體表面上,然后利用相機(jī)或傳感器捕捉反射或變形后的圖案,實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面形狀和結(jié)構(gòu)的測(cè)量和重建。

      目前市場(chǎng)上主流的高精度光柵結(jié)構(gòu)光三維掃描儀,往往采用的是藍(lán)光光源。比如先臨三維的OptimScan系列設(shè)備,采用的是窄帶藍(lán)光光源,其波長(zhǎng)較短,一方面低刺激的波長(zhǎng)對(duì)于人眼更加友好,長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)也不會(huì)增加眼部疲勞感,且可有效過(guò)濾周?chē)h(huán)境光干擾。另一方面通過(guò)光柵結(jié)構(gòu)光技術(shù)(條紋投影)將藍(lán)光投射成高密度編碼條紋,結(jié)合專(zhuān)用的信號(hào)處理算法,可將微小的條紋形變換算成微米級(jí)的高度變化,搭配高分辨率的工業(yè)相機(jī),在數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的細(xì)節(jié)還原。除了細(xì)節(jié)還原表現(xiàn)優(yōu)異外,精度表現(xiàn)也非常穩(wěn)定,OptimScan系列設(shè)備精度最高可達(dá)4微米(OptimScan 13M),適用于對(duì)精度和細(xì)節(jié)要求極高的三維測(cè)量場(chǎng)景,如3C電子、汽車(chē)工業(yè)、民用航空、精密模具等精密制造領(lǐng)域。



散斑結(jié)構(gòu)光

      與光柵結(jié)構(gòu)光相似,散斑結(jié)構(gòu)光是向物體投射散斑圖案,然后通過(guò)雙目相機(jī)同步采集圖像,最后運(yùn)用三角測(cè)量原理重建物體的三維形貌。

      散斑結(jié)構(gòu)光技術(shù)具有兩大顯著優(yōu)勢(shì):第一是不需要貼點(diǎn),散斑結(jié)構(gòu)光投射在特征豐富的掃描物體表面時(shí),會(huì)形成無(wú)數(shù)不規(guī)則分布的干涉圖案(即散斑),而這些散斑圖案具有唯一性和高對(duì)比度,相當(dāng)于在物體表面自動(dòng)生成數(shù)百萬(wàn)個(gè)虛擬"特征點(diǎn)",因此不需要貼點(diǎn)就可以快速掃描,節(jié)省了貼點(diǎn)、撕點(diǎn)的時(shí)間。二是它可以一次性投影整個(gè)散斑圖案并進(jìn)行捕捉,單次采集覆蓋范圍大,掃描速度比較快,但是細(xì)節(jié)捕捉能力沒(méi)有光柵結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光強(qiáng)。非常適合中大型樣件的快速數(shù)據(jù)采集,比如像大型家具、藝術(shù)美陳、產(chǎn)品外觀數(shù)據(jù)獲取等精細(xì)度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景。


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      不同的結(jié)構(gòu)光技術(shù)各具優(yōu)勢(shì),可滿足多樣化的三維掃描需求:多線激光具備高亮度與強(qiáng)定向性的特點(diǎn),在高精度工業(yè)檢測(cè)及復(fù)雜工況作業(yè)方面表現(xiàn)卓越,廣泛適用于制造業(yè)領(lǐng)域;光柵結(jié)構(gòu)光(條紋投影技術(shù))在細(xì)節(jié)還原和微米級(jí)測(cè)量領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著,適用于對(duì)中小型物體精度和表面細(xì)節(jié)要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景,如精密制造業(yè);散斑結(jié)構(gòu)光憑借高效且無(wú)需貼點(diǎn)的特性,在大尺寸物體的快速建模中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

      了解了這些結(jié)構(gòu)光的分類(lèi)與特點(diǎn),是不是對(duì)三維掃描技術(shù)的理解更深入啦?在實(shí)際選擇設(shè)備時(shí),大家可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景、精度要求和效率需求,選擇最適合的結(jié)構(gòu)光技術(shù)哦!如有更多疑問(wèn),歡迎在評(píng)論區(qū)留言,小紅老師會(huì)繼續(xù)為大家解答~