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小紅科普課堂:結(jié)構(gòu)光科普篇匯總,干貨知識一文看懂!
2025.09.01
三維掃描儀通常采用多種類型的光源,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,難以實現(xiàn)高精度的三維重建。為提高圖像匹配的精度與準確性,需對光源進行結(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。這類經(jīng)過編碼的光束被稱為“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: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。
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。因為激光的定向能力非常優(yōu)秀,可以顯著減少光線散射;而且它的亮度足夠強,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)勢作用于三維掃描儀,呈現(xiàn)出來的的第一大核心優(yōu)勢就是高精度。激光的高定向性使其在傳播過程中極少出現(xiàn)散射的情況,可以精準的投射到物體表面實現(xiàn)高精度測量。比如,先臨三維的FreeScan系列激光手持三維掃描儀精度可達0.02mm,可滿足工業(yè)高精度的測量需求。同時,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外環(huán)境下也可以正常作業(yè)。而且由于它的能量強且高度集中,對于黑色、反光等特殊材質(zhì)物體適應(yīng)性也比較強。多線激光三維掃描儀高精度,強通用性等優(yōu)勢,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)),是通過投射具有周期性條紋結(jié)構(gòu)的光柵圖案到物體表面上,然后利用相機或傳感器捕捉反射或變形后的圖案,實現(xiàn)對物體表面形狀和結(jié)構(gòu)的測量和重建。
目前市場上主流的高精度光柵結(jié)構(gòu)光三維掃描儀,往往采用的是藍光光源。比如先臨三維的OptimScan系列設(shè)備,采用的是窄帶藍光光源,其波長較短,一方面低刺激的波長對于人眼更加友好,長時間作業(yè)也不會增加眼部疲勞感,且可有效過濾周圍環(huán)境光干擾。另一方面通過光柵結(jié)構(gòu)光技術(shù)(條紋投影)將藍光投射成高密度編碼條紋,結(jié)合專用的信號處理算法,可將微小的條紋形變換算成微米級的高度變化,搭配高分辨率的工業(yè)相機,在數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)都能實現(xiàn)優(yōu)異的細節(jié)還原。除了細節(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4微米(OptimScan 13M),適用于對精度和細節(jié)要求極高的三維測量場景,如3C電子、汽車工業(yè)、民用航空、精密模具等精密制造領(lǐng)域。
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,然后通過雙目相機同步采集圖像,最后運用三角測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:第一是不需要貼點,散斑結(jié)構(gòu)光投射在特征豐富的掃描物體表面時,會形成無數(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比度,相當(dāng)于在物體表面自動生成數(shù)百萬個虛擬"特征點",因此不需要貼點就可以快速掃描,節(jié)省了貼點、撕點的時間。二是它可以一次性投影整個散斑圖案并進行捕捉,單次采集覆蓋范圍大,掃描速度比較快,但是細節(jié)捕捉能力沒有光柵結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光強。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)獲取等精細度要求不高的應(yīng)用場景。

不同的結(jié)構(gòu)光技術(shù)各具優(yōu)勢,可滿足多樣化的三維掃描需求:多線激光具備高亮度與強定向性的特點,在高精度工業(yè)檢測及復(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))在細節(jié)還原和微米級測量領(lǐng)域優(yōu)勢顯著,適用于對中小型物體精度和表面細節(jié)要求極高的應(yīng)用場景,如精密制造業(yè);散斑結(jié)構(gòu)光憑借高效且無需貼點的特性,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)光的分類與特點,是不是對三維掃描技術(shù)的理解更深入啦?在實際選擇設(shè)備時,大家可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景、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,歡迎在評論區(qū)留言,小紅老師會繼續(xù)為大家解答~