《電子技術(shù)應(yīng)用》
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3D掃描講解:開發(fā)人員可采用的五個基本步驟

2016-05-10

  當(dāng)今世界,為物體和數(shù)據(jù)建立3D模型的表現(xiàn)方式是大受追捧的手段,并被廣泛應(yīng)用在制造業(yè)、數(shù)據(jù)可視化、醫(yī)學(xué)和娛樂等方面。但這些模型從何而來?一種常見的來源是高級計算機(jī)輔助設(shè)計(ACAD)軟件,該軟件可通過切割和連接材料的虛擬塊來創(chuàng)建3D物體。另一種常見的來源,同樣也是DLP技術(shù)可以輕松方便實現(xiàn)的,是通過3D掃描儀。3D掃描儀能使用一個或多個傳感器以及附加的組件來記錄和存儲有關(guān)物體表面的信息。這些信息可包括物體表面的空間位置、質(zhì)地、反射率、透射率,還可能包括顏色。高品質(zhì)的掃描儀能快速提供多種物體的精確測量值,并且有著高分辨率及低創(chuàng)性;此類掃描儀易于使用,同時極具成本效益。DLP技術(shù)可用于實現(xiàn)高品質(zhì)掃描儀。

  那么,3D掃描到底是如何進(jìn)行的?以下有供參考的五個基本步驟:

  1.采集(Acquisition):物體的屬性是通過傳感器及其它元件測定的,測量值被存儲起來供之后的處理。采集過程通常從各種角度、分多個階段實施,以確保所有相關(guān)細(xì)節(jié)信息都能被捕獲。

  2.記錄(Registration):從各個采集階段獲取的數(shù)據(jù)集會在一致的參考幀內(nèi)被參考和校準(zhǔn),在測量值集之間建立聯(lián)系,這有助于將測量值融入緊密結(jié)合的模型中。

  3.泛化(Generalization):在采集階段,測量連續(xù)表面上的每個點是不太實際的,所以,測量數(shù)據(jù)是離散或非連續(xù)的。為建立連續(xù)表面的模型,若干算法已經(jīng)被開發(fā)出來,旨在正確地詮釋測量值,并在數(shù)據(jù)點之間實現(xiàn)表面外插或填充。

  4.融合(Fusion):來自多個階段的測量值被組合成單個物體。該步驟可在泛化處理之前或之后實施。對步驟3、步驟4和步驟5進(jìn)行若干次迭代是必需的,以便產(chǎn)生一個精確的模型。

  5.優(yōu)化(Optimization):要在目標(biāo)應(yīng)用中實現(xiàn)最佳使用效果,可重新格式化該模型。

  如果每單位面積的測量值(即采樣密度)很多并可迅速獲得,那么3D掃描過程就能十分高效地運行。為實現(xiàn)這個目標(biāo),我們常采用主動三角測量法,例如使用Kinect。已知方向和位置的光源投射出帶有圖形的光,以展示所需的物體細(xì)節(jié)。已知位置和方向的攝像頭則可拍攝該圖形的影像。然后用三角測量法來定位空間中圖案的每個點,從而產(chǎn)生物體表面的一系列網(wǎng)格點。如果可在非常短的時間內(nèi)顯示許多不同的高分辨率圖案,那么一個高度精確的3D模型將會被生成。

  這一點上,DLP技術(shù)可提供差異化的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括:

  1.小型數(shù)字微鏡器件(DMD)像素大小能產(chǎn)生對高光強(qiáng)度的分辨率,可實現(xiàn)卓越性能。

  2.當(dāng)與不同顏色的光源耦合使用時,物體顏色對采集過程的影響會被最大限度地減小,并可迅速獲得色彩編碼的數(shù)據(jù)。

  3.DLP系統(tǒng)的幀速率很高,每秒可產(chǎn)生多達(dá)32,500個圖形,從而能實現(xiàn)高采集速度并允許快速和精確的系統(tǒng)校準(zhǔn)。

  4. 可在一個或僅僅幾幀內(nèi)改變圖形類型、顏色和分辨率,以便快速提供許多不同的測量值——這些測量值能帶來高精確度和細(xì)節(jié)信息。


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