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3D扫描讲义

3D掃描講義

一、數位模型製作與3D掃描

『數位模型製作』係指透過電腦或數位裝置,建立模型的數位資料檔案，並透過電腦輔助工程（CAE）、電腦輔助製造（CAM）、快速原型（RP）的技術輔助模型的生產與製造分析。

數位模型製作大致分成兩個系統,如圖一:

1.順向工程

傳統的數位設計產品或模型製造方式,從電腦輔助設計CAD到電腦輔助分析CAE再利用電腦輔助製造CAM配合電腦數值控制CNC生產模具,製造產品或模型的方式。

2.逆向工程

針對一現有工件（樣品或模型，尤其適合複雜不規則的自由曲面）透過

（1）量測:

利用3D數位化量測儀器,以接觸或非接觸方式準確、快速量測物體輪廓座標

（2）建構曲面:

建構、編輯、計算、修改3D量測點資料

（3）檔轉:

將量測的點資料轉至CAD/CAM系統,修改成實體或封閉曲面

（4）加工:

（A）由電腦輔助製造CAM軟體,傳送至CNC加工製作模具。

（B）快速成型機（RapidPrototyping）將樣品模型製作出來，再加以翻製。

（a）逆向工程技術

（a）順向工程技術

圖一數位模型製作系統（智泰集團

1.逆向工程使用配備：

（智泰集團

∙量測探頭：

有接觸式（觸發探頭、掃瞄探頭）。

非接觸式（雷射位移探頭、雷射干涉儀探頭、線結構光及CCD掃瞄探頭、面結構光及CCD掃瞄探頭）。

∙量測機台：

有三次元量測儀、多軸專用機台、多軸關節式機械臂、及雷射追蹤站等。

∙點群資料處理軟體：

雜訊濾除、細線化、曲線建構、曲面建構、曲面修改、內插補點等。

∙CAD/CAM軟體：

一般PC級或工作站級CAD/CAM系統。

∙CAE軟體：

執行各種分析，增加設計成功率。

∙CAM與CNC工具機：

執行原型製作或模具製作。

∙快速成型機：

模型產生（有光化學法、粉末成型法、繞線成型法、切紙成型法等等）。

從上述逆向工程所需的設備來看,3D掃描與曲面建構在數位模型製作的逆向工程中,屬於前段的階段,是近年來所發展的技術,主要用於快速模型的製作。

二、3D掃描種類與設備

1.3D掃描技術種類

3D數位掃瞄系統在工業方面的應用，主要可分為

（1）接觸式:

利用機械或電子式探頭接觸模型工件表面,而獲得工件的空間資料的方式。

量測範較大，精度較高，但速度緩慢,且接觸式掃描需考慮探頭幾何偏差補正,量測資料需作後段資料修正。

一般高精度之掃瞄（0.03mm）以下,以接觸式較為實用，尤其在品質管制上，以接觸式為佳。

（2）非接觸式:

利用光學的雷射或照相方式,不接觸工件而能量測工件空間資料的方式。

量測時間短，精度較差，一般小型工件，表面深度變化不大，精度要求不高，探頭很難進入之極小圓角之凹槽、凹線，或表面柔軟工件都適合採用非接觸式。

非接觸式掃描可以快速量測物體表面大量點資料，對於曲面重建迅速,且無探頭幾何偏差的問題。

常見的工業3D掃描方式如表一。

（智泰科技

表一常見的工業3D掃描方式

非接觸式

1、3D雷射數位掃瞄系統:

專業掃瞄系統機型適用於模具設計、產品外型驗證、產品設計等

2、3D光學照相系統:

藉由光柵投影在待測物面上，並加以粗細變化及位移，配合CCDCamera將所擷取的數位影像透過電腦運算處理，即可得知待測物的3D外型。

接觸式

3、掃描循跡專用機型；掃描循跡專用機掃描適用於工件外型特徵曲率變化小、不適用曲率大的工件表面等。

4、三次元座標量床:

三次元座標量床過去一般以接觸式探針為主用於模具檢測、產品外型驗證、工件外型特徵變化大、幾何形狀等。

近年也有非接觸式三次元座標量床。

2.3D掃描技術比較

常用的工業3D掃描技術比較如表二。

表二常用的工業3D掃描技術比較（崑山科大網頁http:

//pmc.ksu.edu.tw/多媒體/逆向工程課程/1-5.shtml）

掃描循跡專用機

3次元量床

雷射掃描儀

量測方式

接觸式

接觸式（非接觸式）

非接觸式

感測器

類比壓電元件

開關元件

光電元件

接觸壓力

20~30g

150g以上

無

量測精度

小於50μm

1μm

10μm～100μm

電子尺解析度

5μm

100～150μm

量測速度

140點∕ses

人力控制

1000～12500點∕sec

工件材質

接觸壓力

容許的材質

硬質材質

不限

前置作業

校正基準面

設定座標系統

同左

需噴白漆

無基準點

量測死角

球頭半徑限制

（面交接處之尖角）

同左

光學陰影處

光學焦距變化區

誤差

均勻

隨曲面變化大

部分失真

三、3D掃描技術與應用

1.3D掃描技術應用（智泰科技

3D行業是一個新興且高產值的行業,3D應用包含領域很廣,從藝術、科學、虛擬實境、動畫、工業設計…等行業都有快速發展。

圖二是2D與3D產業的應用與產值預估。

在3D產業中,3D掃描是其中重要的一環。

圖二2D與3D產業的應用與產值預估

表三3D掃描應用（智泰科技與通業科技）

工業及設計領域

3D數位掃瞄系統與CAD、CAM、RP（快速原型）及CNC模具加工的整合應用方面，涵蓋的產業有：

汽機車業、通訊業、家電業、玩具業、模具業、航太業、五金業、眼鏡業、運動器材業等

娛樂工業、虛擬教育訓練領域

多媒體、互動式電玩、電子出版、DVD-ROM、高階處理器、寬頻等

醫學工程領域

3D影像掃瞄可輔助的範圍有遙控醫學、外科手術模擬訓練、整形外科模擬、義肢設計、筋骨關節矯正和牙齒矯正、假牙設計等（右圖為通業科技資料）

人體攝影棚領域

包括遊戲、娛樂和線上聊天、3D人體體型銀行、3D人臉照相機、應用於整型外科與動畫、遊戲設計

文物保存工程領域

傳統雕刻、古人類的骨頭、器皿、建築物（右圖為德霖技術學院光電空間資訊中心資料）

2.3D掃描技術

（1）三次元測量機（智泰科技

三次元測量機是一種設計開發、檢測、統計分析的現代化的智慧工具，現今主要使用的三次元測量機有橋式測量機、龍門式測量機、水準臂式測量機和可擕式測量機。

目前測量方式大致可分為接觸式與非接觸式兩種。

以下是三次元測定的一些應用,如表四

表四三次元測量機應用

檢測比對

三次元測量機可以應用輸入3D數位模型的方式，將成品與數位模型上的定位、尺寸、相關的形位元公差、曲線、曲面進行測量比較，輸出圖形化報告，檢驗成品品質，從而形成完整的成品檢測報告。

掃描修復

在某些模型成品使用了一段時間出現磨損要進行修正，但又無原始設計資料（即數位模型）的情況下，可以用截面法採集點雲，用規定格式輸出，探針半徑補償後造型，從而達到完好如初的修復效果。

逆向掃描

當一些曲面輪廓既非圓弧，又非抛物線，而是一些不規則的曲面時，可用油泥或石膏手工做出曲面作為底胚。

然後用三次元測量機測出各個截面上的截線、特徵線和分型線，用規定格式輸出，探針半徑補償後造型，在造型過程中圓滑曲線，從而設計製造出全新的模具。

（2）雷射掃瞄

非接觸式量測距離的方法分聚焦法、反射光量法、光干涉法、三角測量法，傳播時間法等。

三角測量測法的解析度，測量範大，最為常用。

三角測量測法的投射光源包括點光源、光帶式光源、多縫光源、及空間符碼化光源。

雷射探頭的量測原理目前均以三角法為主。

其原理如圖四。

當工件深度變化時,雷射投射到偵測器的位置也相對改變,利用這種三角關係便可對工件深度做定位掃瞄。

圖四雷射掃瞄三角法

（3）光學照相（馬路科技.tw/products.htm）

系統主要是由光柵投影設備及兩個工業級的CCDCamera所構成，其原理就如同人類的兩雙眼睛，藉由光柵投影在待測物面上，並加以粗細變化及位移，配合CCDCamera將所擷取的數位影像透過電腦運算處理，即可得知待測物的3D外型。

單一筆的量測資料計算出來之後，藉由標籤點來定位，經電腦運算後會自動定位回去，簡單說就像3D的拼圖一般，把一個物件完整的拼湊出來，當整個物件量測完成之後，所有的點群加總後便是真實物體的外形，再藉由運算產生出STL格式的資料。

3.3D掃描技術實例

測頭架設:

測頭可架設於大型腳架或攜帶式腳架，量測過程中無床台的限制。

量測:

單筆量測由數張光柵投影至物體表面，以2個CCD同時擷取影像，經過數秒計算，軟體運算出單一次的量測資料。

單筆資料呈現:

每筆量測完成的資料，顯示在螢幕上，同時軟體也會監控量測環境所造成的影響。

完整資料組合:

每筆量測後的資料定位，最後量測完成的資料會輸出STL的標準格式。

圖五照相掃描實例（馬路科技.tw/products.htm）

夾治具量測

內裝量測

逆向工程

檢具量測

車身量測

模具量測

零件量測

重測量測

逆向工程運用

逆向工程運用

逆向工程運用

夾治具量測

逆向工程-數位典藏

產品檢測-報告分析

與CAD資料誤差比對分析

圖六雷射掃瞄實例（通業技研.tw/3dscan03.htm）

四、掃描點資料處理與轉換

1.掃描資料處理的原因

（1）消除掃瞄偏差:

由於探針幾何補正、工件粗糙度、物體造型複雜、特殊的角度量測不到、掃描環境影響….因素,掃描的點資料（又稱點雲資料,點群資料）常會有誤差或畸異點（突出或凹陷）產生,因此需藉由軟體自動計算或手動編輯修正。

（2）分段掃描:

由於量測設備限制、工件尺寸過大…因素，無法一次完整的量測資料，而需將物件區分為數個區域，分別量測後再經過點資料複合程序，將多組量測資料合而為一。

（3）座標點重整:

在不同次量測時，兩組量測資料的系統往往無法設為一致，導致於資料無法整合。

因此,量測時，必須提供座標轉換的基準，之後再進行座標轉換，將一組資料之座標系統轉換成另一組資料之座標系統，使各次量測的資料可結合於一起，此項技術稱座標重整。

2.掃描技術資料的前處理

量測資料的前置處理。

其又可分為兩個部分：

（1）點資料前置處理:

點資料前置處理主要有點資料亂點排序、點重組、重新取點、點資料的分隔、方向重組、亂點濾除、平滑化等，可將掃描過程中所產生的亂點或雜訊予以抑除，得到一較正確且易處理的資料點，以利於曲面系統的重建工作。

（2）特徵曲線的萃取:

雷射掃瞄系統是採平行掃描的方式，因此點資料並不能依照工件的幾何形狀分布，必須經由特徵曲線的萃取以輔助掃瞄點資料的重新分布。

圖七為掃描資料前處理的一些應用。

（a）幾何公差分析（b）組裝件之間的面差與間隙分析

（c）點資料編輯修補,平滑化（d）修補點資料、特徵線擷取

圖七掃描資料前處理的一些應用（馬路科技）

3.掃描技術料的後處理

掃描技術的後處理住要工作再於曲面重建、誤差比對、產生特徵、曲面修整…等工作。

利用CMM或掃瞄點資料為輸入資料來重新建構曲面模型。

得到產品的數據資料後，以逆向工程軟體進行點資料的處理，經過分門別類、群組區隔、點線面與實體誤差的比對後，重新建構曲面模型，產生CAD資料、製造或NC加工或RP製作，這部分即為後處理。

匯入點群資料

分割點群資料

建立曲面

誤差比對

動態品質控制

逐一建構曲面

產生特徵

修整曲面

逆向建構完成

圖八掃描資料後處理的一些應用（馬路科技）

四、專題製作的規劃與製作

經過以上的基礎專業知識的學習後，在綜合「專題製作」的題目規劃與製作有新方針。

本高瞻計畫的「專題製作」的設計為「精密鑄造融入專題製作」，同時將本課程的「3D掃描」如何融入此課程題目，請你想一想後再深入設計與規劃，有任何問題均可提出與本科教師討論。

例如：

如何利用本科點陣式3D掃瞄機器，將此模型的數位檔案後，轉化成CAM檔案並融入「精密鑄造融入專題製作」。

本課程相關「實習與製作」課程，將於鑄造科兩年級之「電腦輔助模型製作」專業實習課程中教授相關3D掃瞄技術等相關操作與實做。

另外，可以將此技術與另一課程「數位模型製作」課程相互配合，來完成此同學自己所規劃與設計的「3D數位造型融入精密鑄造融入專題製作」。