三維激光掃描技術近年來在測繪領域掀起了新的技術變革。其通過快速的采集實體三維數(shù)據(jù)信息從而建立虛擬世界的三維數(shù)字模型，將傳統(tǒng)的實體測量轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)字模型上的測量，實現(xiàn)了對測繪思路的一種轉(zhuǎn)變。

01 三維掃描之蘋果LiDAR激光雷達：

激光雷達（Light Detection and Ranging,LiDAR）是一種主動式、通過捕獲目標的散射光來獲取相關目標信息的光學遙感技術。Radar（Radio Detection and Ranging，RaDAR）和Lidar的主要區(qū)別在于，前者以無線電為載體，后者以激光為載體，兩者本質(zhì)上還是依據(jù)雷達原理，由于激光的相干性好、方向性好、單色性好、亮度高的特點，探測精度要比普通雷達高很多。

主要用途

1.與相機結(jié)合，提高相機對焦精度和速度

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2.通過主動探測構(gòu)建深度信息，完成對周圍環(huán)境的AR建模計算

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作為消費級產(chǎn)品，最為被大眾熟知，觸手可及的三維掃描應用，但其缺點非常明顯：由于集成度較高，探測精度只有厘米量級，稍高的為毫米級。

02 手持式3D激光掃描儀

在工業(yè)生產(chǎn)中，對產(chǎn)品的精度有著更高的要求，傳統(tǒng)的精度檢測在檢測效率和精度上已經(jīng)逐漸達不到一些前沿行業(yè)的要求，因此手持式激光3D掃描技術應運而生。手持式激光掃描儀，以其機身小巧便捷，精度高（通常到20-50um量級），掃描速度快，具備自定位功能，可隨時調(diào)整掃描姿態(tài)來完成掃描。在工業(yè)設計、質(zhì)量檢測、文物保護、逆向工程等方面有著廣泛應用。

圖片來源于中觀

原理上，一個完整的手持激光掃描系統(tǒng)主要包括信息輸入、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理輸出設備三大部分。信息輸入部分包括CCD攝像機、激光掃描系統(tǒng)。

手持激光掃描儀在測距時采用的原理是激光三角測距法，根據(jù)后方交會、前方交會定點原理，被測目標結(jié)合由CCD攝像機所形成的圖像平面，利用這兩者構(gòu)成的三角形即可完成測量。

測距原理

三維激光掃描儀測距技術的原理主要有相位測距法、脈沖測距法、三角測距法、脈沖-相位式測距法四種。由于三角測距法精度較高，掃描速度快的特點，被應用于手持式激光掃描儀測距中。

斜射式激光三角法光路圖

上圖是斜射式激光三角法的光路圖。激光器軸線與被測表面的法線成一定角度，往被測物表面發(fā)射一束激光，激光照射點為P，經(jīng)過漫反射和透鏡Q的匯聚作用，激光在感光芯片上匯聚成一個光斑，光斑位置為D。被測物表面位移y后，激光入射角度保持一樣，激光照射物體表面的位置變?yōu)镻'，在感光芯片上匯聚光斑位置隨著物體表面位置改變而改變，此時的位置為D'。分別過P和D點作P’Q延長線上的垂線，交于P’Q于S1和S2點利用相似三角形的性質(zhì)，可以求得（1）：

由于（2）:

將（2）代入（1）得到：

該式表示為被測物體的表面遠離激光器時的高度信息，當被測物體靠近激光器時，表達式為：

自定位功能

手持激光掃描儀強大的自定位功能使得作業(yè)人員在使用其采集數(shù)據(jù)時可靈活地調(diào)整掃描儀姿態(tài)從而高效地完成掃描,尤其是掃描對象上一些不太容易掃描的區(qū)域,這獨特的優(yōu)勢使得手持激光掃描儀在工業(yè)測量以及質(zhì)量檢測中得到越來越廣泛的應用。利用手持激光掃描儀去掃描目標對象采集數(shù)據(jù)時，可以實時測量出貼在掃描對象上的標志點在掃描儀坐標系統(tǒng)中的坐標。手持激光掃描儀就是根據(jù)這些實時捕捉獲取的標志點來實現(xiàn)對掃描物體掃描表面所有點的定位,從而完成點云數(shù)據(jù)的掃描獲取。并且利用掃描點的坐標實時生成三角格網(wǎng)渲染成3D模型，靈活地根據(jù)測量過程中的需要去進行翻轉(zhuǎn)、移動等等操作。

要實現(xiàn)手持激光掃描儀的自定位功能，最重要的是匹配算法。自定位功能其實質(zhì)是把手持掃描儀掃描采集的數(shù)據(jù)點坐標跟在世界坐標系下的標志點坐標統(tǒng)一，實現(xiàn)多幅圖像上的標志點拼接。所以必須把一個圖像內(nèi)的參考點和傳感器中儲存的對應點配對來計算當前圖像和全局參考圖像的轉(zhuǎn)換矩陣。

03 手持式激光3D掃描儀行業(yè)概覽

工業(yè)領域三維掃描儀發(fā)展迅猛，其三維測量精度和速度，將極大的改變工業(yè)制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)方式并影響產(chǎn)品的質(zhì)量水平。這一點，在3C制造、汽車制造、高端精密設備、航天航空領域等尤為突出，三維測量和逆向工程設計需求旺盛對設備的技術迭代提出新挑戰(zhàn)。未來，手持式激光三維掃描儀重復精度邁向10um以下會是趨勢，同時，可靠性和易用性將會是廠商之間競爭的重點。這也對行業(yè)上下游器件如結(jié)構(gòu)光激光器、相機及鏡頭模組等提出更高要求。目前，相機模組普遍超過500萬像素，結(jié)構(gòu)光激光器采用多線、多波長和多景深模式，正是豐富的設計選擇，使得手持式三維掃描儀市場處于一個你追我趕的局面。

當前，這些領域技術迭代和市場推廣正如火如荼，國內(nèi)外廠商在算法、用戶體驗上不斷推陳出新。國內(nèi)廠商們在核心技術競爭力上日益提升，不容小覷，又將是中國工業(yè)細分領域參與全球競爭的一張群體名片！

文末是國內(nèi)外手持激光掃描儀知名廠商：

國內(nèi)：

中觀自動化：https://www.zg-3d.com/

華朗三維：http://www.3dscan.cn/

先臨三維：https://www.shining3d.cn/

思看科技：https://www.sikantech.com/

天遠三維：https://www.3dscan.com.cn/

惟景三維：http://www.vision3dtech.com/

航達青云：http://www.hardray.com/

迅恒三維：http://www.xhcv.com.cn/

國外：

Nikon：https://www.nikon-instruments.com.cn

FARO：https://www.faro.com/zh-CN

CREAFORM:https://www.creaform3d.com.cn/zh

GOM：https://www.gom.com/

參考文獻：

基于激光三角測距法的三維重建系統(tǒng)的設計與研究_高恩浩

激光三角法測距系統(tǒng)的設計與研究_余文杰

手持激光掃描儀測量精度評定方法研究_田柳 

知乎：如何評價蘋果新iPad Pro上的激光雷達掃描儀（LiDAR）？- 甜草莓的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/380712767/answer/1450577451