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三維掃描

首先,三維掃描雖然不是什麼稀奇的新事物,但背後的技術卻是非常先進的。在第三章節 – 基本原則,我們提及過三維掃描是其中一種能夠獲得三維圖像的方式。掃描的過程簡單快捷,能夠頓時創建出三維模型,並且可以直接將其進行修改並且打印。掃描器把現實中的物件呈現在虛擬世界中,而打印機則是負責將虛擬世界演變在眼前成為真實的景象。

掃瞄器的種類

在二維空間中只能單單憑藉色彩和形狀來抒發我們的意念與想法,然而,我們卻是生存在名副其實的三維立體世界裡,而三維掃瞄器則可以使得這個三維立體世界以數位化的手段,令普羅大眾對其施行任意的修改和創作。

鑑於光學與電腦技術的日新月異,在近年來三維掃瞄技術之崛起特飛猛進,市面上亦有不計其數的三維掃瞄器,品牌眾多而且有著截然不同的用處及效果。一般用家該如何選擇適合自己的掃瞄器確是有一定的學問。在現今的掃瞄科技上,我們大概可以分其為三大類別,因應不同用家的專業知識,需求,精度,攜帶性和價錢而有著不同的選擇。

三維掃描器抽象圖

三維掃瞄器抽象圖
(Royalty Free Image Lic. owned by 三維時代)

接觸式三維掃瞄

接觸式掃描器是按照觸碰物件表面的方式來進行掃瞄的,它運用探針直截了當地觸碰物件表面來計算深度,憑藉探針轉播折返的光輪換成數位信息(digital information),以致成就對物件的掃描程序。接觸式三維掃瞄的精準性及穩定性極高,其可靠性可見一斑。但它並非毫無缺點,基於有先天的限制,此掃瞄技術價格昂貴,體型較大,並且需要較高的操控技術,同時維修保養相較嚴刻,相比於其他掃瞄技術,它的運作速度慢,需要頗長的時間完成掃瞄。基於以上缺點,接觸式三維掃瞄技術只適用於工程製造產業,一般家庭用家則傾向以下兩種掃瞄技術。

非接觸「主」動式三維掃瞄

非接觸主動式三維掃瞄的原理是將能量直達發射至被掃瞄的目標上,隨著反射回來的能量來計算目標的外型。能量投射包括最為人熟悉的X光,紅外線、高能光束與超音波 。因為不同能量的應用,非接觸主動式掃描器亦有不同的外型,包括結構光源(Structured Lighting)、手持激光(Handhold Laser)、和調變光(Modulated Lighting)、時差測距(Time-of-Flight)、三角測距(Triangulation)。

Photo credit: Creative Tools via Visual Hunt / CC BY

手持激光(Handhold Laser)
Photo credit: Creative Tools via Visualhunt.com CC BY

結構光源(Structured Lighting)

XBOX360 — KINECT
Photo credit adafruit via Visualhunt.com CC BY-NC-SA

其中一款結構光源(Structured Lighting)的三維掃瞄器就是XBOX360的KINECT。對於想要入門的朋友來說,KINECT是最好的選擇。其CP值極高,多套市面上的軟體可以配合,只要一千元港幣有找就可以唾手可得。KINECT總共有三個不同功能的鏡頭,中間的鏡頭是RGB彩色攝影機,左右兩邊鏡頭則劃分為紅外線發射器以及紅外線CMOS攝影機所結合而成的三維結構光深度感應器。Structured Lighting一般被慣用於動態掃瞄,能快速地進行三維測量的程序。

手持激光(Handhold Laser)

手持激光(Handhold Laser)
Photo credit Creative Tools via Visualhunt.com CC BY

三維掃描器所取得的數據將會被導入電腦中,並運用不同支援軟件將其轉化成可被三維打印的三維模型。對比於接觸式掃描技術,非接觸式掃描雖然能迅速重建和掃瞄,但此技術亦有它欠缺的一面,譬喻對被掃瞄的物件的顏色與反光程度都有著較嚴格的要求,精細度一般等等。盡管如此,隨著三維掃瞄器的逐漸時興和普及化,用非接觸主動式三維掃瞄器對模型和日常用品等等進行快速掃瞄已成為一種潮流與大勢。一般家庭用家可以考慮考慮。

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非接觸「被」動式三維掃瞄

與主動式掃瞄技術不同,非接觸被動式掃描器不需投射任何能量至物件上,而是直截了當地從相機拍攝多張二維圖像而找出對應點來重建三維結構圖象,相對的掃瞄成本亦大幅降低。以非接觸被動式三維掃瞄的方法包括立體視覺法(Stereoscopic),色度成形法(Shape from Shading),立體光學法(Photometric Stereo),輪廓法(Silhouette techniques),用戶輔助(用戶輔助)等。

比較常見的有輪廓法(Silhouette techniques),它的原理是綜合利用被掃瞄物體不同角度的輪廓線條重建該物件的三維圖像。輪廓法通常是把掃瞄物件安置於電動轉盤上,從而拍攝不同角度的輪廓,再去除背景後就可以順利獲得物件的輪廓線條,從而將其變成三維數位模型再進行修改。

另外一種普及化的非接觸被動式三維掃瞄技術就是立體光學法(Photometric Stereo),它的原理是運用一個相機從相同的角度,在光線環境不同的情況底下,拍攝多張照片,然後再利用色差陰影等資訊去重建三維數位模型。這種方法可以說是最方便和簡單,因為只要用一般智能手提電話就能做到。只要把拍攝得來的相片導入電腦軟件進行三維化程序即可,這些軟件亦可到不同網站免費下戴使用。

三維掃瞄器的品牌

作為一項火速崛起並日益完善的技術,三維掃描不僅在工業製造得意廣泛應用,現在就連一般家庭用戶亦能將其操作自如。以下是一些三維掃瞄器的型號,大家可以作為參考用途:

1.) Cubify Sense – 手持三維掃瞄器,價格大約650美元。

2.) Da Vinci 1.0 AiO – 二合一三維打印機加掃瞄器,價格大約550美元。

3.) DAVID Laserscanner SLS2– 結合光與照相系統於一身的掃瞄器,價格大約3,300美元。

4.) Fuel3D – 手持三維掃瞄器,價格大約1,500美元。

5.) IIIDScan PrimeSense – 手持坐台式兩用的三維掃瞄器,價格大約1,440美元。

6.) iSense – 可安裝於iPad的三維掃瞄器,價格大約499美元。

7.) MakerBot Digitizer– 桌面三維激光掃描器,價格大約500美元。

8.) Matter and Form – 桌面三維激光掃描器,價格大約499美元。

9.) NextEngine – 桌面三維激光掃描器,價格大約2,995美元。

10.) Structure Sensor– 可安裝於iPad的三維掃瞄器,價格大約379美元。

MakerBot Digitizer

MakerBot Digitizer
Photo credit Creative Tools via Visualhunt.com CC BY

NextEngine

NextEngine
Photo credit: epredator via Visualhunt.com /  CC BY

Cubify Sense

Cubify Sense
Photo credit: John Biehler via Visualhunt.com /  CC BY-NC-SA

三維掃描技術足以在電光火石之間內獲到高密度的三維數據模型,利用三維掃描器直接複製零件的三維電腦數據;可以運用於形狀大小上的控制;可以在短時間內檢測出物件的紋理色彩和幾何結構;能夠對各種物品進行記錄,例如歷史文物、街區建築物甚至於全副都市環境,以便紀錄樣貌,不失為一個為未來修復建設的好門路。迄今為止,三維掃瞄技術日益普及和成熟,相信在未來定必與三維打印機的魅力旗鼓相當,大家拭目以待。

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來源:三維時代

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