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三维激光扫描仪
三维激光扫描仪
详细说明:
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三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据,因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

产生背景

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性,不接触性,穿透性,实时、动态、主动性,高密度、高精度,数字化、自动化等特性,其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

技术原理

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术,在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点,因此相对于传统的单点测量,三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同,三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。[1] 

应用扫描技术来测量工件的尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程,负责曲面抄数,工件三维测量,针对现有三维实物(样品或模型)在没有技术文档的情况下,可快速测得物体的轮廓集合数据,并加以建构,编辑,修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。

主要分类

按测量方式

可分为基 于脉冲式;基于相位差;基于三角测距原理。

按用途可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。一般基于相位差原理的三维激光扫描仪测程较短,只有百米左右。而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长,测程最远的可达6公里。

按生产厂家不同:Riegl(奥地利),Faro(美国),Z+F(德国),Surphaser(美国),I-site (澳大利亚maptek),徕卡(瑞士),天宝(美国),Optech(加拿大),拓普康(日本)等产家。

基本功能

三维测量

真彩色点云

传统测量概念里,所测的的数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图),在测量仪器里全站仪,GPS比重居多,但测量的数据都是二维形式的, 在逐步数字化的今天,三维已经逐渐的代替二维,因为其直观是二维无法表示的,三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息,还包括R,G,B颜色信息,同时还有物体反色率的信息,这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉,是一般测量手段无法做到的。

快速扫描

快速扫描是扫描仪诞生产生的概念,在常规测量手段里,每一点的测量费时都在2-5秒不等,更甚者,要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量,在数字化的今天,这样的测量速度已经不能满足测量的需求,三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状,最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹,而现在脉冲扫描仪(scanstation2)最大速度已经达到50000点每秒,相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒,这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证,古文体,工厂管道,隧道,地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。

无臂式手持 3D 扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合,确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。 这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。 在铰接臂方面与其他 3D 扫描仪相比较,光学 3D 扫描系统可以完全自由移动,显著提高了工作效率和质量!

应用领域

作为新的高科技产品,三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三维激光扫描仪,其扫描结果直接显示为点云(pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果),利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的 。

三维扫描仪应用范围

三维激光扫描技术应用领域:

最近几年,三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟,三维扫描设备也逐渐商业化,三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体,不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此,其已经成为当前研究的热点之一,并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

大地三维扫描示意图

(1)测绘工程领域:大坝和电站基础地形测量、公路测绘,铁路测绘,河道测绘,桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。

(2)结构测量方面:桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装。

(3)建筑、古迹测量方面:建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复,古建筑测量、资料保存等古迹保护,遗址测绘,赝品成像,现场虚拟模型,现场保护性影像记录。

 

三维扫描效果图 

 

(4)紧急服务业:反恐怖主义,陆地侦察和攻击测绘,监视,移动侦察,灾害估计,交通事故正射图,犯罪现场正射图,森林火灾监控,滑坡泥石流预警,灾害预警和现场监测,核泄露监测。

(5)娱乐业:用于电影产品的设计,为电影演员和场景进行的设计,3D游戏的开发,虚拟博物馆,虚拟旅游指导,人工成像,场景虚拟,现场虚拟。

(6)采矿业:在露天矿及金属矿井下作业,以及一些危险区域人员不方便到达的区域。例如:塌陷区域、溶洞、悬崖边等进行三维扫描。

发展方向


车载三维激光扫描仪的系统组成

近些年来,三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展,最具代表性的就是车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达。

车载三维激光扫描仪

车载三维激光扫描仪的系统传感器部分集成在一个可稳固连接在普通车顶行李架或定制部件的过渡板上。支架可以分别调整激光传感器头、数码相机、IMU与 GPS天线的姿态或位置。高强度的结构足以保证传感器头与导航设备间的相对姿态和位置关系稳定不变。

道路和高速公路方面的应用 :

车载三维扫描工作示意图

1.公路测量,维护和勘察

2.公路资产清查(交通标志,隔音障,护栏,下水道口,排水沟等)

3.公路检测(车辙,道路表面,道路变形)

4.公路几何模型(横向和纵向的剖面分析)

5.结构分析(立交桥)

6.淹水评估分析

7.在 GIS系统中的叠加分析

8.滑坡分析,危害评估(滑坡变形测量与危害分析,滑石和流水分析)

9.交通流量分析,安全评估和环境污染评估

10.土石方量分析

11.驾驶视野和安全分析

机载激光三维雷达系统

机载激光三维雷达系统(Light Detection And Ranging,简称LiDAR)是一种集激光扫描仪(Scanner)、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)以及高分辨率数码相机等技术于一身的光机电一体化集成系统,用于获得激光点云数据并生成精确的数字高程模型(DEM)、DSM(数字表面模型),同时获取物体DOM(数字正射影像)信息,通过对激光点云数据的处理,可得到真实的三维场景图。

2、3代三维扫描仪各有什么特征? 

第1代的特点是逐点扫描,速度慢。如三坐标测量机CMM. 该类扫描仪发展最早,精度微米级。
  第2代的特点是逐线扫描,速度仍然较慢,如激光线扫描仪 该类扫描仪发展于上世纪90年代,精度丝级。
  第3代的特点是面扫描,速度非常快, 该类扫描仪发展于20年代.精度0.1mm

第3代三维扫描仪,3DSS的主要特点是什么?

· 一次测量一个面,扫描速度极快,数秒内可得到100多万点
  · 便携,可搬到现场进行测量
  · 工件或测量头可随意调节成便于测量的姿势
  · 大景深(可达300~500mm)
  · 测量范围大
  · 精度低: 0.1mm
  · 测量点分布非常规则 
  · 大型物体分块测量、自动拼合

 

 

三维打印机

三维立体打印机,也称三维打印机(3D Printer,简称3DP)是快速成型(Rapid Prototyping,RP)的一种工艺,采用层层堆积的方式分层制作出三维模型,其运行过程类似于传统打印机,只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸,而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。

快速成形技术

快速成形技术(r简称RP)又称快速原型制造技术,是近年来发展起来的一种先进制造技术。快速成形技术20世纪80年代起源于美国,很快发展到日本和欧洲,是近年来制造技术领域的一次重大突破。快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术;是CAD、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件,从而可对产品设计进行快速评价、修改,以响应市场需求,提高企业的竞争能力。

RP将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体,依据由CAD构造的产品三维模型,对其进行分层切片,得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓,激光束选择性地喷射,固化一层层液态树脂(或切割一层层的纸,或烧结一层层的粉末材料),或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等,形成各截面,逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合.

快速成形工艺流程

 (1)三维模型构造 由于RP系统只接受计算机构造的产品三维模型(立体图),然后才能进行切片处理,因而首先应在PC机或工作站上用CAD软件(如UG、Pro/E、I-DEAS等),根据产品要求设计三维模型;或将已有产品的二维三视图转换成三维模型;或在逆向工程中,用测量仪对已有的产品实体进行扫描,得到数据点云,进行三维重构。

(2)三维模型的近似处理 由于产品上往往有一些不规则的自由曲面,加工前必须对其进行近似处理。经过近似处理获得的三维模型文件称为STL格式文件,它由一系列相连空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口,但有时输出的三角形会有少量错误,需要进行局部修改。

(3)三维模型的分层(Slicing)处理 由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工的,因此加工前须将三维模型上沿成形高度方向离散成一系列有序的二维层片,即每隔一定的间距分一层片,以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小,精度越高,但成形时间越长。间隔范围为0.05~0.5 mm,常用0.1 mm,能得到相当光滑的成形曲面。层片间隔选定后,成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有Slicing处理软件,能自动提取模型的截面轮廓。

(4)截面加工 根据分层处理的截面轮廓,在计算机控制下,RP系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)由数控系统控制,在x-y平面内按截面轮廓进行扫描,固化液态树脂(或切割纸,烧结粉末材料,喷射粘结剂、热熔剂和热熔材料),得到一层层截面。

(5)截面叠加 每层截面形成之后,下一层材料被送至已成形的层面上,然后进行后一层的成形,并与前一层面相粘结,从而将一层层的截面逐步叠合在一起,最终形成三维产品。

(6) 后处理 成形机成形完毕后,取出工件,进行打磨、涂挂,或者放进高温炉中烧结,进一步提高其强度(如3D-P工艺)。对于SLS工艺,将工件放入高温炉中烧结,使粘结剂挥发掉,以便进行渗金属(如渗铜)处理。

3D打印,又称三维打印,在维基百科上面是这么解释的:快速成形技术的一种,它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印方式,构造零对象。模具制造、工业设计用 于建造模型,现正发展成产品制造,形成“直接数字化制造”。一些高价值应用(如髋关节或牙齿,或飞机零部件)已经有打印而成的零部件出现。“3D打印”意 味着这项技术的普及。

在20世纪80年代中期,SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利,项目由DARPA赞助的。1979年,类似过程由RF Housholder得到专利,但没有被商业化。

1995年,麻省理工创造了“三维打印”一词,当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案,变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案,而不是把墨水挤压在纸张上的方案。

说到3D打印,就不得不提3D打印机:

3D打印机又称三维打印机,是一种累积制造技术,通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造样品。 2003年以来三维打印机的销售逐渐扩大,价格也开始下降。

该技术可用于珠宝,鞋类,工业设计,建筑,工程和施工(AEC),汽车,航空航天,牙科和医疗产业,教育,地理信息系统,土木工程,和许多其他领域的。

最早的3D打印出现在上个世纪的80年代,价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。

过程原理: 3D打印技术每一层的打印过程分为两步,首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水,胶水液滴本身很小,且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末,粉末遇到胶水 会迅速固化黏结,而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下,实体模型将会被“打印”成型,打印完毕后只要扫除松散的粉末即可 “刨”出模型,而剩余粉末还可循环利用。

3D打印技术使用胶水和粉末都是经过处理的特殊材料,不仅对固化反应速度有要求,对于模型强度以及“打印”分辨率都有直接影响。

技术优势: 3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比,三维打印技术还拥有如下优势:

通过摒弃生产线而降低了成本,大幅减少了材料浪费。而且,它还可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器。另外,在具有良好设计概念和设计过程的情况下,三维打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。

另外,与机器制造出的零件相比,打印出来的产品的重量要轻60%,并且同样坚固。

 

美国FARO Focus 3D三维激光扫描仪

 
Focus3D 是一款革命性的高性能三维激光扫描仪,可进行复杂测量和建档,配有直观的触控屏,操作非常简便,如同一台即拍即得的数码相机。每秒可获取976000个点,最长扫描距离可达150余米,用户可以通过彩色触摸屏简单直观的进行操作,该仪器还内置了同轴高分辨率相机,使彩色影像与点云的匹配无偏差。与同类产品相比,重量轻四倍,体积小五倍,可谓是业界最小、最轻的激光扫描仪。

内置7千万像素高精度数码相机
扫描速度高达976000点/秒
测量精度高,25米的距离可以达到±2mm
扫描距离最远可达到153.49m
触摸屏,方便易用
独立性,无需外界设备即可操作
结构小巧:尺寸只有24*20*10cm3,重量只有5kg
高性能电池,集成锂电池可以持续使用5小时
视野宽广,垂直*水平:305°*360°
飞跃性的创新,有效降低作业时间
数据存储:SD卡,32G(可扩展)
利用SCENE WebShare,图像可以传到网上共享

三维激光扫描的革命性的创新,精确地三维测量,指尖操控,简单明了。与传统的二维平面图相比,任何人都会逐渐发现三维图像的优点。

 不管在建筑测量,施工建设,逆向工程,质量控制领域,还是在文物保护,法医方面,相对于传统的测量方法来讲,通过激光扫描仪得到三维坐标这样的方式有着明显的优势。这是因为激光扫描仪可以每秒得到约百万测量点,并产生其周围环境的精确三维图像。

利用插件程序,这些图像可以直接导入很多应用软件中。

FARO Focus 3D革命性地利用触摸屏操作仪器, 是现今最方便最经济的一款激光扫描仪,令人瞩目。它可以做任何你能想象的事, 而且从未如此简单。
 


应用范围:
建筑测绘、创建3D建筑模型、文物保护、古建保护、考古遗址数字化记录、零部件检测、逆向工程、加工工业、工厂管道数字化、隧道、矿业、事故现场、犯罪现场记录

支持的数据格式:
CAD领域:AutoCAD, Microstation, Rhino 
施工建造类:AVEVA PDMS,  
建筑类:AutoCAD Architecture, REVIT 
土木工程/测量:AutoCAD Civil 3D,PolyWorks Surveyor, Carlson, Microsurveys 
文物类:3D Reconstructor 
质量控制:Geomagic Qualify, PolyWorks、Rapidform XOV 
法医学:AutoCAD, SCENE Forensics 
向工程:Geomagic Studio, PolyWorks Modeler, Rapidform XOR 

 

Objet1000三维打印机

构建精准无比的全比例原型

Objet1000 是一款多种材料宽幅 3D 打印机,可快速构建大型的工业级尺寸模型和 1:1 比例原型。它拥有极为宽敞的构建托盘,尺寸达 1000 x 800 x 500 mm(39.3 x 31.4 x 19.6 英寸),让设计师、工程师和制造人员能够快速准确地将任何 3D CAD 设计制作为原型,轻松克服复杂性与细节上的难关。
Objet1000 方便易用,能够实现长时间无人值守工作,是汽车、国防、航天、消费品、生活器具、工业机械、制造和其他行业的理想选择。和所有 Objet Connex 3D 打印机一样,它能够实现准确精细的打印,并支持繁多的材料特性。
不像同等尺寸的其他 3D 打印机,Objet1000 无论模型大小,精度上都不会妥协。可打印能够钻孔、组合并用螺钉固定在一起的硬质 1:1 比例铸件,也可以打印与最终产品相差无几的小比例多种材料原型。
规格


支撑材料:
FullCure 705 无毒凝胶类光敏聚合物支撑

材料盒:

· 6 个密封的 18 kg(39.6 磅)材料盒

· 可装入两种不同的模型材料

· 可在打印过程中即时交换

托盘尺寸:
× 800 × 500(39.3 × 31.4 × 19.6 英寸)

实际构建尺寸:
与托盘大小等同;托盘上的最大模型重量:200kg

层厚度:
低至 16 微米(0.0006 英寸)厚的水平构建层

构建分辨率:
X 轴方向:600 dpi;Y 轴方向:600 dpi;Z 轴方向:1600 dpi

打印模式:

· 数字材料 (DM):30 微米(0.001 英寸)

· 高质量 (HQ):16 微米(0.0006 英寸)

· 高速 (HS):30 微米(0.001 英寸)

精度:
对于小于 50mm 的模型为 20-85 um;对于全尺寸模型不超过 600 um(仅适用于刚性材料,视几何形状、建模参数和模型方向而定)

输入格式:
STL、OBJDF 和 SLC 文件

工作站兼容性:
Windows 7 64 位

网络连通性:
LAN – TCP/IP

尺寸和重量:
× 1800 × 1800 mm(110.3 × 70.9 × 70.9 英寸);1950kg(4300 磅)

打印头:
8 头

电源要求:
240 VAC 50/60 Hz;32 A 单相

操作环境:
温度 18 C-22 C (64.5 F-71.5 F);相对湿度 30-70%

特别设施要求:
能够承受 750 Kg/m2 的地板,通风系统

 




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