四 手持式三维扫描仪

1．发展历史

手持式三维扫描仪是拍照式三维扫描仪之后出现的一款线三维激光扫描仪，顾名思义，其光源为线激光。随着行业的发展，现在手持式三维扫描仪技术已经成熟，已经不再是单线激光扫描了，可包含7条、14条或更多激光线。其精度也几乎能与拍照式三维扫描仪媲美，并且其扫描速度成倍增长，不但节约时间和成本，给用户的体验也大大优化。近几年，手持式三维扫描仪飞速崛起，已经开始逐步替代拍照式三维扫描仪，其方便快捷、操作简单给了用户较佳的体验。

国际上较为知名的三维扫描仪制造商有：美国的Artec，主要生产手持式扫描仪，精度达0.1毫米；美国的Cyberware，主要技术为线扫描；美国的FARO，设备便携，简单易用，是应用范围最广的扫描仪品牌之一。

国内比较有代表性的生产企业有北京天远三维科技有限公司，它是国内第一家获得国家发明专利的拍照式扫描仪厂家，其生产的设备FreeScan UE（见图1.58），作为FreeScan系列的蓝色激光手持式三维扫描仪，继承高精度、稳定的重复精度的标志性特点，同时着力于人体工学与轻量化的设备设计，握持设备操作更轻松，为汽车工业、交通运输、航空航天、模具检测、能源制造及机械制造等行业提供计量级的高精度检测方案。

2．技术简介

手持式三维扫描仪系统主要包括信息输入、数据采集和数据处理输出设备。信息输入部分主要由激光扫描系统、两个CCD摄像机及照明设备组成。两台摄像机的图像平面和被测物体之间构成三角形，根据前方交会定点原理进行测量，已知两台摄像机之间的位置关系，即可获得两台摄像机公共视场内物体空间特征点的三维坐标。

设：摄像机a、b的坐标系分别为OaXaYaZa和ObXbYbZb；像面坐标系为XaO1aYa和XbO1bYb；两摄像机的焦距为fa和fb。空间被测量点ρ在摄像机a 、b测量坐标系中的坐标分别为(xb , yb , zb )和(xa , ya , za )，两者之间的关系可表示为：

式中：R为旋转矩阵，表达两摄像机坐标系的旋转关系；T为平移变换矢量，表达两摄像机坐标系的平移关系。

空间被测量点与其在摄像机像面坐标系中对应像点坐标(Xa , Ya )、(Xb , Yb )之间的关系用齐次坐标可表达为：

由上面两式可解出曲面目标点的空间三维坐标：

式中， H=fb (R1 Xa+R2 Ya+R3 fa )-Xb (R7 Xa+R8 Ya+R9 fa )。

随着三维激光扫描技术的发展，三维激光扫描仪的扫描精度、扫描速度和扫描设备的便携程度不断提高，手持式三维激光扫描仪的出现，给文物保护领域提供了一种新的解决方法。手持式三维激光扫描仪也叫第三代扫描仪，它具有以下优点：第一，扫描分辨率高，可达0.50~0.10毫米，即使是复杂的物体，它也能获得详细的纹理细节信息；第二，扫描精度高，可达0.10~0.05毫米，能有效地保证生成的模型质量；第三，目标点自动定位，无须臂或其他跟踪设备，STL格式可快速处理数据，自动生成STL三角网格面；第四，尺寸小，重量轻，便于操作者长时间工作；第五，灵活方便，手持任意扫描，扫描速度快，可内、外扫描，无局限，能对不同尺寸的物体进行扫描。

3．典型案例

“多宝塔碑”全称为“大唐西京千福寺多宝佛塔感应碑”，是唐天宝十一年（752年）由当时的文人岑勋撰文，书法家徐浩题额，书法家颜真卿书丹，碑刻家史华刻石而成，是楷书书法作品。碑高285厘米，宽102厘米，现今保存于西安碑林博物馆第二室。浙江大学于2018年使用MetraScan三维激光扫描仪对其进行了高保真数字化采集（见图1.59），完整获取了“多宝塔碑”高精度三维激光模型，并使用高分辨率自动纹理映射技术完成模型的纹理映射工作（见图1.60）。