430074 湖北武汉华中理工大学图象识别与人工智能研究所
图象信息处理与智能控制国家教委开放实验室
金刚 (Email: GatsbyKing@163) 周学泳熊联欢李德华
三维扫描（三维数字化）技术，能得到物体表面每个点的空间三维坐标，甚至内部结构数据，在彩扫描中，还能获得彩信息，可以得到真实物体的三维彩数字化模型，在许多的领域都有重要的应用。随着计算机应用在各个行业的扩展，以及三维扫描技术本身的日益成熟，它作为先进的数字化输入技术和立体测量手段，在这个数字化的时代，将越来越显示其重要的作用。
三维彩信息数字化设备——数字化时代的骄子
输入设备是计算机应用系统的重要组成部分，将对象的信息数字化，变为计算机能直接处理的信号并输入计算机，是计算机应用系统的基础。平面扫描仪只能将平面图片信息数字化，摄象机只能拍摄物体某一侧面的信息。三维扫描仪克服了这些传统技术的局限性，能够对立体实物进行扫描，解决了将立体彩世界的信息数字化并输入计算机这一瓶颈问题，实现“真实物体捕捉”（ Reality Capture），作为一种全新的数字化输入设备，对许多计算机应用系统有重要的意义。 三维扫描技术最能发挥作用的地方是影视特技制作。随着计算机图形图像技术的飞速发展，计算机影视特技技术越来越广泛地应用于影视、广告业，给人们带来了全新的视觉感受，实现了过去无法想象的特技效果，已经成为高质量影视、广告制作不可缺少的手段。
要在计算机上对一个对象进行三维动画特技处理，首先必须获得其三维彩数字化模型。这只有两个渠道，一是在计算机中构造，二是设法获得实物的立体彩模型。对于一些简单规则的，或者是完全想象虚构的物体，可以由电脑特技师利用三维构型软件构造，大量软件如3DMax, CAD, SoftImage, Maya等，都可以实现。另一方面，在许多情况下，需要对特定的真实演员形象进行三维特技处理，需要制作一个真实、复杂物体的三维特技效果，对于这类真实的、复杂的物体，例如人的头部，艺术品，是很难用构型软件制作出其三维模型的。虽然现在的高级三维构型软件提供了自由曲线造型功能，但如果要完全利用构型软件制作出一个汤姆·汉克斯的三维彩模型，恐怕再熟练的电脑特技师都会感到头痛，正所谓画鬼容易，画人难。如果客户要求在动画中加入一个真实的、精美绝伦的工艺品或文物的三维特技效果，即使特技师有耐心试图一点点地在构型软件中把它“做”出来，最后多半也是吃力不讨好。
有了三维彩扫描仪，这些难题就可以迎刃而解。它能迅速方便地将演员、道具、模型等的表面空间和颜数据扫描入计算机中，构成与真实物体完全一致的三维彩模型，其数据格式能与通用的三维动画软件接口。有了这些数字化模型，就可以用计算机三维动画软件对它们作进一步的特技处理，进
行旋转、压缩、拉伸、扭曲等各种变化，完成切割、剪裁、拼接、运动等等各种特技处理，或融入特定的场景中，实现种种高难度的特技效果。而且三维彩扫描还可以得到物体的表面彩纹理贴图，这不仅有利于特技处理，还可以将一个物体的彩纹理图贴在另一个物体上，比如将罗纳尔多的脸部纹理贴在一个足球上，达至一些特殊效果。我们近年看到的一些影片如「侏罗纪公园」「终结者Ⅱ」「玩具总动员」「泰坦尼克号」「蝙蝠侠Ⅱ」等，其中那些令人震撼、叹为观止的三维特技效果，在制作中都借助了三维彩扫描技术。在「侏罗纪公园」中，特技人员先雕刻好一个恐龙的模型，然后用三维扫描仪对其扫描，得到恐龙的三维彩数字模型，再用三维动画软件使其做出各种动作，并完成与背景、人物的合成，最后才形成我们看到的几可乱真的画面。其它如「玩具总动员」中的玩偶形象、JUNGLE BOOK中蛇的模型、DRAGON HEART中飞龙的模型、THE DOORS 中的Val Kilmer 、「终结者Ⅱ」中的Linda Hamilton和Robert Patrick等等，都使用了三维彩扫描仪进行扫描。
美国正在研究用三维彩扫描仪将演员、动物的立体彩模型输入三维动画软件，形成数字化的“虚拟演员”，结合高级的三维动画技术和近年兴起的表演动画技术，赋予“它”不同的表情和动作，这将给影视特技制作带来革命性的变化。
在仿真训练系统、灵境（虚拟现实，Virtual Reality）、虚拟演播室系统中，也需要大量的三维彩模型，靠人工构造这些模型，费时费力，真实感差。同样，InterNet上炒得正热的VRML技术如果没有足够的三维彩模型，也只能是无米之炊，而三维彩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彩模型数据。销售商可以利用三维彩扫描仪和VRML技术，将商品的三维彩模型放在网页上，使顾客通过网络对商品进行直观的、交互式的浏览，实现“Home Shopping”。
游戏娱乐业总为一些自视甚高的技术人员所不屑，但它始终是计算机产业的金矿。现代计算机游戏已经进入了三维、互动、虚拟现实阶段，三维扫描仪正可以大显身手。它不仅可以为游戏、娱乐系统提供大量具有极强真实感的三维彩模型，还可以将游戏者的形象扫描输入到系统中，达到极佳的“参与感”、“沉浸感”，让你感受到梦幻般的效果。
三维彩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彩、纹理，得到是一份三维彩拷贝，记录的信息完整全面，而不是象照片那样仅仅是几个侧面的图象。而且这些信息便于长期保存，便于复制、再现、传输、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。有了这些信息，也给文物复制带来很大的便利。法国已经将这一技术用于文物工作，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”项目，计划将文艺复兴时期的这位意大利著名雕塑家的作品数字化。欧洲四家公司、三所大学、两座博物馆联合实施ARCHATOUR项目，其主要目标是以三维数字技术改进考古、旅游领域中多媒体系统，三维扫描是其中关键一环。英国自然历史博物馆利用三维扫描仪对文物进行扫描，将其立体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。
雕塑长久以来都是天才艺术家们的专利，而三维扫描仪和数控雕刻机、快速成型设备结合，则可能给这些骄傲的天才以沉重的一击。可以想象，一个人摆好姿势，做出很酷的表情，一台三维扫描仪进行几分钟的扫描，就能把他的身体表面每个点，包括脸部的每一条皱纹的坐标数据测量出来，将数据传送给数控雕刻机或快速成型机，很快就能制作出逼真的雕像。这样，在三维扫描仪和数控雕刻机、快速成型机的帮助下，一个不懂艺术的粗人只需敲几下键盘就可以抢走天才艺术家的饭碗。当然，正如同照相机没有让所有画家都饿死一样，雕刻家仍然有用武之地。如果他们善于利用新技术，甚至可以比以前做得更好。雕刻家可以利用三维扫描仪获取对象的彩立体模型，然后在计算机内，利用CAD、三维构形软件，充分发挥他们的艺术想象力和创造力，对原始模型进行随心所欲的加工，变形，并直接观看其效果，满意后再送给数控雕刻机，这样就能给艺术家的工作提供很大的方便。这一技术还可用于其它工艺品的设计、制作
我们通常见到的传真机都是二维的，在发送端用平面扫描设备对平面图片扫描，通过通讯设备将信息发至接收端，再通过打印设备将图象打印出来。可以设想，将发送端的设备换成三维扫描仪，对立体实物扫描，就可以实现三维传真，如果接收端配备快速成型机，还可以直接得到实物模型。斯坦福大学等已对此进行了研究，这类系统可用于分布式制造系统，产品销售等方面。
随着技术的发展，图形图象科技工作者的研究领域已经从平面图象处理发展到三维图形图象处理。如何获得三维图象数据是他们首先要解决的问题。三维扫描仪可以为他们提供迅速获取三维彩图象数
据的手段，为三维彩图象图形处理、三维物体识别、深度图象理解的研究提供方便。正如同现在几乎每个搞图象处理的研究室都配备有平面扫描仪一样，不久的将来，三维扫描仪也将成为图象处理研究机构的常见设备。
国外还出现了如Monolith Studios、ViewPoint、Nvision3D这样的公司，他们用三维扫描仪为客户提供扫描服务，以“卖模型”为业。
立体测量装置——革命性的进步
三维扫描技术能够测得物体表面点的三维空间坐标，从这个意义上说，它实质上属于一种立体测量技术。与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、面形的三维测量，能实现无接触测量，且具有速度快，精度高的优点，是立体测量技术的一次飞跃，这些特性决定了它作为一种测量仪器在许多领域可以发挥重要作用。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使得它在CAD、CAM、CIMS技术应用日益普及的今天很受欢迎。
测量零件、产品的尺寸是工业生产中必不可少的工作。除了常见的长度、直径等测量外，在很多场合，需要对于不规则物体的外形或若干点进行高精度三维测量，这一工作过去主要依靠三坐标测量机（CMM），
精度虽高，但价格昂贵，操作复杂，特别当物体形状复杂时，量测速度很慢，更不用说实现在线检测了。现代三维扫描技术提供了一种快速的三维测量手段，能迅速测量物体表面每个点的三维坐标，获得物体的立体尺寸。特别是它能实现快速的三维在线测量，这是过去的手工测量和三坐标测量机所无法做到的。
立体剪裁
美国八十年代就将基于结构光技术的三维扫描设备用于流水线上的零件检测，零件在流水线上移动，三维扫描仪实时地测得零件的三维尺寸，输入计算机与标准数据对比，精度可以达到0.02毫米。进入九十年代，欧美的许多大汽车公司、机械加工生产和装配厂都装备了三维扫描仪用于产品外形和零件的测量。例如宝马、戴姆勒-奔驰宇航公司、福特、雷诺、日本宇航研究所、三菱汽车、大众等就使用了Steinbichler公司的三维扫描仪，日本的电子公司则将小型的三维扫描仪用于集成电路板的测量，IBM、美国国家航空和宇宙航行局将三维扫描技术用于仿真实验等研究。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其量测速度快、精度高、无接触、使用方便等优点而得到越来越多的应用，大有取代三坐标测量机之势。甚至象制鞋业这种“老”行业中，美国人也引入了三维扫描仪用于鞋楦的三维测量。
仿制是工业加工中的一项重要任务。测量其尺寸是仿制的第一步，三维扫描仪能快速测得零件表面每个点的坐标，将数据送入CAD系统和数控加工设备，很快就能得到一模一样的产品。
快速制造系统是目前国际上机械行业研究热点之一，其中一个重要环节就是所谓的反求工程（Reverse Engineering），即从实物到数字模型，而这正是三维扫描技术研究的内容，CGI公司的三维扫描设备甚至能获得物体内腔的结构。将三维扫描设备与快速成型机结合，可以构成快速制造系统。
在机械、玩具设计中，并不是所有的产品都能由CAD设计出来，尤其是带非标准曲面的产品。在某些情况下常采用“直觉设计”，设计师直接用胶泥、石膏等做出手工模型，或者需要按工艺品的样品加工。用三维扫描仪对这些样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与各种CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据调整、修补，再送至数控加工或快速成型设备制造。
对某些特殊场合，三维扫描仪还具有独特的、不可替代的优点。比如测量特别柔软的物体，用传统的接触测量方法，很可能在接触时使物体变形，而许多类型的非接触式三维扫描仪是以激光作为测量媒介，不会引起物体表面的变形和损伤。
传统的服装制造，都是按照标准人形尺寸批量生产。随着生活水平的提高，人们开始越来越多地追求个性化服装设计，专门为特定的客户量体裁衣。三维扫描仪可以快速地测得人身体的所有尺寸，获得其立体彩模型，把这些数据与服装CAD技术结合，可以在计算机内的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计，设计出最贴身、舒适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。
整个过程速度快，效果好。这方面最早的运用是在军用服装上，美国ARMSTRONG实验室将Cyberware的三维扫描仪用于为高级战斗机飞行员制造抗荷服。
三维扫描技术能快速测量人体各个部分，包括牙齿、面颌部、肢体等的尺寸，对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作都非常有用，发达国家中，美容、整形外科、假肢制造、人类学、人体工程学研究等工作都开始应用三维扫描仪。在考古、刑侦等工作中，有时需要根据人或动物的骨骼来恢复其生前的形象，这一工作已经大量引入计算机辅助完成，这时首先需要三维扫描仪将骨骼的坐标数据输入计算机，作为恢复工作的基础数据。对于足印等痕迹、特征的快速测量和鉴别，三维扫描仪也是有力的辅助工具。
性能卓越前景广阔
目前，在欧美日等发达国家，三维扫描技术已在制造、动画特技制作、游戏娱乐、医学等行业崭露头角，显示了巨大的技术先进性和强大的生命力，其应用可称方兴未艾，而制造商也不断开发出性能更好的产品，至九十年代中期已形成了颇具规模的产业。
使用者和制造者都对这一技术表现出巨大的热情，究其原因，首先是因为它能实现传统技术所难以实现的某些功能，在某些技术领域具有不可替代性，如复杂面形的快速三维彩数字化，柔软物体的测量等等。绝技在身，能人所不能，自然具有“皇帝女儿”的身份。其次，在一些传统技术能完成的工作上，
它体现了“奥林匹克精神”——更高、更快、更强。精度更高，速度更快，性能更强，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用非常方便。例如英国的Reversa扫描头测量精度可达10微米，在高精度扫描时测量速度可达每秒15000点，使用方便，扫描系统的数据输出格式直接可以与各种CAD、三维动画软件接口，这些优点使其受到广泛的欢迎。其三，则是由于“生逢其时”。在这个数字化浪潮逼人而来的时代，从古老的机械行业
到新兴的计算机三维动画制作业，许多领域都出现了对“实物数字化”技术的强烈需求，而与之相配套的应用技术也发展到相当的水平，为其应用创造了较好的条件。三维扫描技术在这样的环境下应运而生，必然具有广阔的前景。
在中国，由于总体技术水平落后，以及大多数企业对于新技术缺乏敏感，对于三维扫描技术，目前知者不多，需求不旺，应用就更少了。但这决不意味着它在中国永远属于“屠龙之术”。金子毕竟是要发光的，将现代电信、计算机、互联网等高技术在中国的发展历程与欧美的情况相对比，可以预计，在中国，对三维扫描技术的需求高潮将在两三年内到来。
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