【技術專欄】3D 掃描技術如何運作？從基礎理論到工業應用

 

剛涉足 3D 掃描領域時，龐大的技術術語可能令人畏懼。但當我們拆解背後的原理，您會發現這是一場結合幾何學與光學的精密藝術。從人眼的雙眼視覺到市場上最頂尖的 SCANOLOGY 無線 3D 掃描儀，一切都遵循著基本的空間邏輯。

 

3D掃描技術如何運作？

 

1. 空間維度與座標系：3D 世界的定位規則

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在我們深入了解 3D 掃描的迷人世界（包括大量雷射掃描器、結構光掃描器、設計軟體、3D 模型等）之前，讓我們花一點時間更好地了解我們所談論的內容。無論我們走到哪裡，這三個維度都圍繞著我們並描述著我們。每個人都知道我們生活在一個 3D 世界，即使是那些不知道 3D 掃描器是什麼的人。但3D 世界到底意味著什麼呢？

 

這意味著我們周圍的空間具有三個維度，並且可以使用三個數字（也稱為參數或座標）來描述任何物體的位置。有多種方法可以指定這三個參數，這樣做的規則稱為座標系。

 

 

當我們談論周圍事物的寬度、高度和深度時，我們使用的是笛卡爾座標系的術語——它可以是右手座標系 (RHS) 或左手座標系 (LHS)。兩者之間的唯一差異是 z 軸的方向，即指某物的深度。

 

 

所有 3D 座標系的共同點是它們具有三個獨立的參數，可以清楚地描述空間中任何點（無論是表面還是其他）的位置。這似乎是一個很簡單的觀點，但當涉及 3D 掃描器和掃描時，正是諸如此類的基本原則才能真正幫助您更好地掌握並成功地使用這項改變世界的技術。

 

當我們考慮到當今專業 3D 掃描解決方案和軟體的準確性和解析度時，任何與 3D 掃描和掃描器領域相關的尺寸討論都變得更加重要。最新 3D 掃描器的效能遠遠超出人眼可見的水平，完全取決於可靠且可重複的基於硬體和軟體的座標系統。

 

小重點

 

在進入雷射掃描與結構光掃描的迷人世界前，我們必須先理解空間的本質。我們生活在一個三維（3D）世界，這意味著空間中的任何點都能透過三個數字——座標 (Coordinates) 來精確定義。

• 笛卡爾座標系 (Cartesian Coordinate System)： 這是最常用的規則，透過 X、Y、Z 三軸定義寬度、高度與深度。

• 座標系的重要性： 當今專業級掃描解決方案的解析度已遠超人眼極限，這完全仰賴於硬體與軟體間高度一致且可重複的座標系統，確保每一微米的偏差都能被精準捕捉。

 

 

2.從 0D 到 3D：物體維度與掃描範圍

 

除了它們在空間中的位置之外，所有物理物件都具有尺寸。物件可以是 0D、1D、2D 或 3D。

讓我們考慮一些非常小的東西，例如原子，我們可以說它幾乎不佔據任何空間，所以我們可以稱它為點。當點物件在空間中的位置可以透過其 x、y 和 z 座標來描述但沒有尺寸時，它被稱為 0D 物件。雖然您當然可以找到用於 1D、2D 和 3D 物體的掃描儀，但對於 0D 物體卻不能這樣說。

 

非常細的鏈就是一維物件的一個例子。除了第一個和最後一個連結之外，每個連結都只有兩個「鄰居」或相鄰連結。

一張薄紙 (c) 是一個 2D 對象，因為其第三維度（厚度）與其寬度和高度相比微不足道。

3D 物件的一個簡單範例是一個盒子，它具有寬度、高度和深度，並在所有 3 個維度上佔據一定程度的空間。

 

就當今市場上的專業 3D 掃描器而言，製造商在其產品頁面以及產品文件中明確指定了最佳物件尺寸（要進行 3D 掃描）。 3D 掃描儀的尺寸範圍廣泛，包括適用於微小和小型物體的自動桌上型掃描儀、適用於中小型物體的手持式結構光掃描儀以及適用於大型甚至大型物體的大型掃描儀，例如3D 雷射掃描儀。反過來，透過這些掃描器創建的 3D 模型可以根據需要調整大小，包括透過專業 CAD 設計軟體。

 

 

 

小重點

 

物理物件根據其維度特性，需要不同的掃描策略：

• 0D (點) 與 1D (線)： 如原子或極細的鏈條，通常不在常規 3D 掃描的範疇。

• 2D (面)： 如薄紙，其厚度相對於長寬可忽略不計。

• 3D (體)： 如機械零件或鑄件。

實威專業建議： 針對不同尺寸，製造商會指定最佳物件範圍。歡迎與我們預約討論最佳掃描解決方案 

 

 

3. 從點雲到 CAD：3D 模型的數位化流程

目前一代專業3D掃描解決方案，包括結構光掃描器、雷射掃描器和軟體，與電腦技術緊密相連。這使得開發新的電腦控制機械，又稱 CNC（電腦數控）成為可能。借助數控技術，我們在生產多種形狀的物體（有時稱為自由曲面）方面邁出了一大步。

 

CNC的主要思想是由電腦取代人來控制工具機。計算機可以以最高水準的準確性、非常精確且有效率的方式完成此操作。話雖如此，電腦需要特殊的命令來準確地告訴它們要執行什麼操作。這些命令由稱為電腦輔助製造 (CAM) 和電腦輔助設計 (CAD) 的軟體系統產生。讓我們簡單地看一下電腦如何處理 3D 物件。

 

 

小重點

現代 3D 掃描與電腦技術（CNC、CAD/CAM）緊密相連。

• 頂點 (Vertex)： 掃描數據的基本單位，包含座標、反射率、顏色等屬性。

• 點雲 (Point Cloud)： 由 3D 掃描儀產生的海量頂點陣列，它是數位孿生的第一步。

• 邊緣 (Edge) 與網格 (Mesh)： 邊緣連接頂點，多個三角形或多邊形面片組成「網格」，這是電腦渲染與 CAD 設計的核心。

 

 

4.什麼是頂點？它與 3D 掃描有何關係？

電腦圖形和 3D 掃描器領域中的頂點是指描述點的各種屬性的資料結構。任何點的主要屬性是它的位置，但其他屬性可以包括顏色、反射率、座標、法線和切向量等。

通常，頂點被假定為直線、曲線或邊相交的點，因此這種基本幾何特徵經常用於描述其他更複雜的幾何形狀，例如邊、面、網格或網格。表面。這就是為什麼某些頂點屬性不僅僅描述一個點，而是描述一個點周圍或附近的整個表面。

點雲是通常由 3D 掃描器（尤其是 3D 雷射掃描器）產生的頂點陣列。

 

5.什麼是邊緣？ 17 個字的描述。

邊是連接兩個點（頂點）的任何直線。可以是臉部的一部分

 

 

3D 掃描世界中的網格

3D 技術中的網格（包括透過 3D 掃描器建立的模型）是指透過電腦圖形在軟體中表示表面的方式。簡而言之，網格是頂點和麵的集合，以及有關頂點如何構成面以及它們如何相互連接的資訊。

通常，面可以由任何類型的多邊形組成，但在大多數情況下，使用三角形，因為它們更容易在圖形處理單元 (GPU) 中實現。不同類型的網格需要特定的多邊形類型，並且它們的規則是特定於應用程式的：

面頂點— 頂點和指向其使用的頂點的一組多邊形。

翼邊— 每條邊都有兩個頂點、兩個面和四個接觸它們的邊。

四邊形— 由邊、半邊和頂點組成，不涉及任何多邊形。

角表— 這些表將頂點儲存在預先定義的表中以定義多邊形。

這本質上是硬體圖形渲染中使用的三角扇。表示更緊湊，檢索多邊形更有效，但任何更改多邊形的操作都很慢。此外，角表不能完全代表網格。需要多個角桌（三角扇）來表示大多數網格。

頂點-頂點網格 - 這些網格僅使用指向其他頂點的頂點。儘管可以執行的網格高效操作的範圍有限，但這是一種非常節省尺寸的格式。

可以手動建立簡單的網格，而更複雜的網格可以透過數學方程式、演算法或使用 3D 掃描器以數位方式捕捉真實物體來建模。網格最重要的特徵之一是其簡單性。可以透過多種方式捕捉和數位化相同的表面。

 

結論：3D 數位化的當前應用與 2026 未來趨勢

 

深入理解 3D 技術的構成，不僅能幫助我們剖析物理世界的數位本質，更能讓我們掌握 3D 掃描解決方案 在工業 4.0 時代的核心運作邏輯。

 

從科學殿堂走向全產業應用

 

在過去的二十年中，3D 技術已從尖端實驗室擴散至各行各業。無論是利用 3D 雷射掃描器 搶救瀕臨破壞的文化遺產，或是對複雜幾何零件進行「逆向工程」，這項技術已成為銜接實體物件與 CAD 數位模型的關鍵橋樑。在醫療領域，精準的 3D 掃描數據更應用於假體訂製與皮膚病診斷，為精準醫療奠定了基礎。

 

2026 數位轉型：跨領域的專業需求

 

目前，3D 技術已全面滲透 航空航太、能源工程、數位製造與 CGI 影視 等領域。隨著 SCANOLOGY (原 SCANTECH)、Artec 等製造商在掃描精度與解析度上取得突破性進展，3D 掃描儀不再是科幻電影中的道具，而是智慧工廠與診所中的標準配置。在未來，掌握 3D 數據採集與處理能力的專業人才，將成為市場上炙手可熱的轉型專家。

 

未來展望：全維度 3D 數位生活的開啟

 

3D 技術的潛力才剛被挖掘。隨著 VR/AR 虛擬實境、AI 邊緣運算 與 3D 列印 的深度整合，未來的應用場景將超越想像：

• 數位設計革命： 工程師將在虛擬環境中與 3D 模型互動，並直接透過 3D 列印實現一體成型設計。

• 智慧醫療進階： 結合生物列印技術，3D 掃描將助力實現「自體細胞器官列印」，徹底解決移植排斥問題。

• 教育與探索： 學生將透過 3D 掃描生成的數位場景，足不出戶即可探索亞馬遜雨林或喜馬拉雅山峰。

 

與實威國際一同佈署 3D 未來

專業 3D 掃描器與設計軟體的進化，正大幅減輕技術人員的工作負擔。實威國際 持續引進最新的尖端設備，協助企業將曾經極其困難的檢測任務轉化為高效率的自動化流程。當談到挖掘 3D 數據的巨大潛力時，現在僅僅是個開始。

 

 

 

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