摘要：本文首先会介绍三维扫描的工作原理，并总结市面上主流三维扫描仪类型，之后再与摄影测量技术进行对比。最后，进一步探讨如何用摄影测量辅助三维扫描，获得兼具几何精度和纹理质感的完美三维模型。

三维扫描技术类别：结构光3D成像法、激光三角测量法、飞行时间法

三维扫描的优势：精度高、准确、简单易用、适用广泛、实时反馈、硬件统一

摄影测量的优势：色彩鲜艳、纹理逼真、性价比高

本文首先会介绍三维扫描的工作原理，并总结市面上主流三维扫描仪类型，之后再与摄影测量技术进行对比。最后，进一步探讨如何用摄影测量辅助三维扫描，获得兼具几何精度和纹理质感的完美三维模型。

三维扫描，就是把真实物体的形状和色彩信息变成数字模型。一旦有了这个数字副本，你就能随心所欲地进行检验、测量、修改，甚至用于模拟测试、分享协作，还能轻松导入AR/VR世界。在工业、医疗、汽车、CGI、航空航天领域，三维扫描技术被越来越多地应用于检验、测量和数字化。

1.1、三维扫描仪的分类

结构光和激光扫描仪是目前使用最广泛的三维扫描仪。

如何为物体制作精准数字副本？答案是三维扫描仪。在过去几十年间，传统三维扫描工具不断升级，全新技术不断出现，三维扫描工具快速迭代。目前，结构光和激光三角测量扫描仪是使用最广泛的三维扫描工具。

这两类扫描仪的工作原理十分相近：扫描仪将光束投射到物体表面，再通过摄像头捕捉反射光的扭曲情况。区别在于，结构光投射的是网格状白光或蓝光，而激光则是简单线条。扫描时，它们会收集物体表面海量点信息，软件分析光线的扭曲程度和所有点位之间的相互关系，并重建出物体的数字形态。

对于结构光和激光扫描仪而言，3D点数据集被称为点云，可以转换为三维网格模型。取决于网格制作程序，拓扑结构可以由三角形或四边形组成，但无论如何，这些模型是由数百万个这样的面相连而成的。转换后的模型可以方便对物体进行进一步加工，可用于逆向工程、CAD、AR/VR应用等，从而实现上文提及的目的。

1.2、不同场景的扫描仪选择

结构光和激光扫描仪适用于近距离，ToF扫描仪适用于远距离。

结构光和激光三维扫描技术在扫描几毫米到几米的小型物体时非常管用。扫描物体并处理收集数据的速度非常快，最终的3D模型也会十分精准，与原物极为相似。

如果物体的高度或长度超过了几十米，就需要选择一款采用飞行时间技术（ToF）的三维扫描仪，也叫脉冲式激光三维扫描技术。和上述两款扫描仪不同，这类扫描仪是远距设备，与物体的间距可达几米甚至几百上千米。

这项技术的原理是什么？扫描仪连续发射激光脉冲，当它们从物体表面反射回来时，会被接收器接收，扫描仪会计算每个脉冲返回所用的时间（皮秒级），收集并记录数百万反弹的脉冲信息，就能形成表面图片。准确度取决于你所使用的设备以及需要数字化的区域。如果你使用的是固定在三脚架上的三维扫描仪，那就有可能收到达到亚毫米级的精度；如果你需要绘制大面积地形图，且用了飞机或无人机，你的公差可能会达到几厘米。

1.3、三维扫描仪的优势

三维扫描仪适应用场景丰富，操作便捷。

如果你需要为尺寸较小或面积很大的区域创建精准数字副本，结构光、激光以及ToF三维扫描仪都可以成为你的得力工具。正是由于三维扫描仪能够提供精准的空间数据，才使其成为部分领域不可或缺的工具，毕竟，有些领域中，一个微小的精度误差，可能会导致不可逆转的后果，甚至是一场灾难。

三维扫描仪在工业设计和工程领域颇受青睐，行业专家将设备用于一系列场景中，例如开发电子器件，确保管道稳固，对大规模生产的机械部件进行质量控制等等。在医疗领域，三维扫描仪还被用于假肢和植入物的设计，在手术前后辅助评估整形手术效果，为患者制作完美贴合且持久耐用的产品。在艺术、娱乐、科研和博物馆，三维扫描仪可用于制作演员的数字替身，在考古现场和博物馆库房为几百万年前的化石制作数字模型，还能推动解剖学、古生物学甚至太空探索等领域的研究。最后，越来越多的法医人类学家开始借助三维扫描记录犯罪现场，这种方式又快又准确。

三维扫描仪不仅应用场景丰富，还因操作简便脱颖而出。例如，手持式扫描仪轻便易携，可绕物体全方位采集表面数据。其内置触摸屏可实时显示扫描进度，无需连接外部设备，摆脱电线束缚，这种实时反馈让用户对采集的数据和遗漏的数据了如指掌。此外，三维扫描仪不仅能采集物体形状，部分设备还能采集颜色（即“纹理”）。在摄影测量技术的辅助下，三维扫描数据的准确性和实用性还能进一步提升。

2、什么是摄影测量

摄影测量是通过将物体多张照片合并，以获得表面3D图像的一项技术。和上文介绍的专业三维扫描技术不同，摄影测量技术无需三维扫描仪，只需一台相机。而且，也不需要非常专业的相机，从智能手机到无人机，任何设备拍摄的相片都能完成。二维相机拍摄的相片由摄影测量软件处理，这其中要考虑不少因素，主要包括相机焦距、镜头失真和分辨率、拍摄物体时相机的位置和角度，以及相机视角是否够大、相邻相片之间是否有重叠。

2.1、主流摄影测量软件

Reality Capture速度快，Agisoft准确度高。

免费软件的最终效果没有保障，且基本没有技术支持，处理和编辑工具又十分有限，因此我们首先排除这些软件。那剩下的两大主流软件就是Reality Capture和Agisoft。Reality Capture工作流程更灵活、更直观，修改原始数据时，有不同路径供选择。你可以免费下载Reality Capture，让软件为你组装一个3D模型。

随后，你就能判断这款软件能否满足你的需求，如果可以，那下载3D模型需要付费。此外，Reality Capture的计算速度比其主要竞品快了十倍。而Agisoft的一大优势就是稳定可靠的技术支持和广泛的用户社群，便于寻求建议和帮助。你还能获得许多培训材料，访问精彩的3D模型库。许多用户都认为相较于Reality Capture，Agisoft的准确度更有保障。

2.2、摄影测量技术的利弊

对硬件设备要求低但对拍摄环境要求高，无法实时捕获三维数据。

摄影测量法的一大优势就是所使用的相机性价比极高。现在，1600万像素的智能手机就能拍摄出色彩分辨率满足摄影测量用途的相片。和三维扫描技术一样，摄影测量技术无需物理接触。无论是专业相机还是智能手机，摄影测量硬件设施都是又轻又便携，也无需任何前期培训。和三维扫描不同的是，我们无需根据扫描物体的尺寸来选择合适的工具（相机）。同一台相机既能拍摄小型物体，也能拍摄大型物体。

当然，拍摄的质量越高，基于相片制作的3D模型质量也会越高。创建无缝3D模型时，一个关键因素就是相片是否覆盖了物体的完整表面。如果想要更好的效果，手动拍摄几十、几百甚至几千张照片，那就要好好准备一番了。与之相比，三维扫描仪可以实时、自动完成三维数据的捕获。这里就不得不提到摄影测量的另一个弊端：在多数情况不适用于人体3D模型的制作，除非模特可以在几分钟或几小时内保持静止坐姿。

同样，摄影测量设备也很难在现场使用，特别是摄影棚的搭建。在野外和偏远地区扫描，就很难搭建一个宽敞的摄影棚。如果扫描的人体不在同一位置，三维扫描仪才是更好的选择。

拍摄相片时，我们还需要保证物体均匀受光。否则，你可能要在拍摄完后，花上几天的时间修复、调整相片的亮度。在晴天户外拍摄时，尤为如此，受光面会比阴影面明亮很多。所以，最理想的就是选择一个多云的日子来拍照。如果在处理阶段，有些表面效果不太好，你就必须返回拍摄现场，并复制首次拍摄的条件，包括灯光。如果可以直接把新照片添加到原始数据上，就会很轻松。但你有可能需要把整个物体或场景重新拍摄一遍。

你可以购买一个人工光源，安装偏振滤光片来避免摄影测量的一些局限。这种交叉偏振设置可以减少拍摄时被反光遮挡的部分，让整个模型细节更丰富。但这一过程的缺点是，必须购买偏振设备，那么整个拍摄成本就增加了。这种方法也不是万无一失，如果偏振镜不是同一种材料制成的，可能出现色彩偏移，导致模型外观失真。

三维扫描提供精准的线性测量，与之不同，摄影测量的比例可能会失真。这是因为摄影测量技术取决于输入图片的品质，而这一品质又受到光源、分辨率、动态模糊的影响。最终模型是以抽象单位组装的，也不能用于高精度的场景中，例如逆向工程或质量检验。

3、两者如何强强联手

很多时候，你可能需要一个色彩逼真又极为精准的3D模型。这时，不妨把三维扫描和相片结合起来。

一个经典案例就是为时任美国总统奥巴马制作3D雕像，这也是首座国家元首的3D肖像。当时，该项目同时使用了结构光扫描仪（Artec Eva）和摄影测量法。或许你已经发现，摄影测量法在制作人体3D模型时，很难使用，我们的模特还是美国总统，时间相当宝贵。当时，采用的解决方法就是在总统周围安装特别的架子，放上80台相机，同时拍摄。这样一来，所有色彩、阴影、色调都能在最短的时间内被捕获，Artec Eva也能确保精准捕获总统头部的形状。

另一个案例是整车数字化。在这个项目中，我们使用了无线Artec Leo扫描仪，用于捕获汽车几何（车身及内饰）。对于工业设计师和工程师而言，准确的几何信息已绰绰有余。但在电游开发中，鲜艳的色彩比汽车空气动力学的准确性更重要，因此，游戏开发者需要在3D网格模型上叠加彩色相片。如此集成至电游中，汽车就会非常逼真，用户体验显著提升。

在软件方面，值得注意的是，Artec Studio结合三维扫描和摄影测量数据的操作更为简单。除了扫描数据捕获和处理功能外，软件还包含相片配准算法，用户可以将高分辨率相片应用至模型上，在很多情况下，提升色彩清晰度，使扫描更为真实。

在某个相关案例中，Artec Studio使用了三维扫描和摄影测量的结合功能，为一张带有复杂丛林图案的椅子制作了数字模型。相片和Artec Leo的扫描数据结合，制作了纹理文件，随后使用软件的纹理算法贴至3D网格。

除了这张色彩清晰鲜艳的椅子，这项功能还将耐克运动鞋140张高分辨率相片包裹在Artec Space Spider捕获的三维扫描模型上。整个流程花了半个多小时，最后完成了十分逼真的耐克Kyrie 7篮球鞋。这双运动鞋的模型上能看到耐克360度抓地鞋底清晰可见的纹路。

另一个项目中，人们发现，即便是为一个微小的小虫模型添加精细纹理，算法也一样精准，小虫模型栩栩如生。这些案例都表明，Artec软硬件结合，细节水平更上一层楼。

4、结论

摄影测量技术因出色的视觉效果，一直是电游开发者的宠儿。但如今，三维扫描也凭借其快速、灵活地捕获真实物体和人体的优势，在该领域崭露头角。同时，手持式扫描仪能精准快速测量患者四肢，助力定制贴合的矫形装置，持续在医疗领域大显身手。

如果你追求高精度、高分辨率的模型，并希望将其用于CAD程序，专业三维扫描仪和软件无疑是理想选择。当然，若预算充足且不急于完工，将三维扫描与摄影测量结合，制作出既有精准几何结构又具鲜艳纹理细节的数字副本，堪称完美方案。

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