為什麼在 3D 掃描中需要使用標記點？

 

操作手持式 3D 掃描器時，通常會注意到被掃描物件上貼上圓形黑白斑塊。這些標記是什麼？它們的用途是什麼？

 

 

 

使用手持式掃描器需要在每次掃描期間處理有限的測量區域。因此，對齊多次掃描的資料變得至關重要。

雖然存在多種方法，包括基於特徵，基於紋理和混合技術，但基於標記的對齊通常是中小型掃描器的首選。前面提到的圓形補丁在這種情況下充當標記。

那麼，什麼是標記呢？

在 3D 掃描中，標記通常被稱為「參考點」、「目標點」或「追蹤點」。這些術語更準確地描述了它們在掃描過程中的作用。其中，「掃描標記點」代表特定類別，通常稱為非編碼標記點。相反，還有編碼標記點，每個標記包含不同的代碼，以提高精度和追蹤效率。本次討論將從探索編碼標記開始，深入探討不同類型的標記。

01

編碼標記

 

編碼標記廣泛應用於攝影測量系統，其基於捕捉影像的原理來重建空間中的三維物體。

圖2說明了相機成像和三角測量的基本原理，為理解攝影測量中的三維重建過程提供了參考。

 

基於攝影測量的航空三角測量是三維重建的常用方法。編碼標記可以作為校準相機內部參數的一種手段。在航空三角測量的相機校準過程中，從不同角度拍攝多張照片，並專注於幾個編碼標記。

每個編碼標記點對應一個唯一的代碼值，為影像辨識提供必要的資訊。內部相機參數，例如焦距，畸變和偏移，可以使用三角測量演算法來確定。

在實際應用中，一旦相機的內部參數確定，就可以辨識被掃描物體之間的相對位置關係。

 

圖 3 顯示了一些常見的編碼標記。中心圓圈或十字提供精確的定位座標，而周圍的圓形帶提供可根據特定規則解碼的編碼資訊。

這些標記點的功能與熟悉的 QR 碼類似，其中每個標記點的預先計算的代碼由相機捕獲，然後進行解碼以確定其唯一的代碼值。

編碼標記的優點包括：

唯一標識：每個編碼標記都有一個獨特的代碼，確保其唯一性並避免與其他標記混淆。

高精度：編碼資訊提供更準確的定位和位置訊息，特別適用於需要高精度的應用，例如工業測量和醫學成像。

自動辨識：掃描器或對應軟體可自動辨識編碼標記，無需人工幹預，提高效率，同時降低操作錯誤的風險。

與非編碼標記相比，使用編碼標記的攝影測量技術在大空間的精確控制方面具有更明顯的優勢。上面提供了一些關於編碼標記的額外知識。

02

非編碼標記

 

非編碼標記通常是指 3D 掃描器領域廣泛使用的標記類型，無論是 Scantech 3D 的手持式雷射掃描器或固定式掃描器。標記點對齊目前被認為是最可行的解決方案，這些標記通常採用圓形設計。

 

 

為什麼選擇圓形？在機器視覺中，無論拍攝角度為何，圓形標記貼紙在影像中都顯示為橢圓形。更重要的是，這個橢圓的中心在空間中保持不變，為確定中心提供了一個穩定的位置。

早期的記號筆雖然形狀為圓形，但所用材料相對簡單。在一些簡陋的固定掃描器中，甚至可以使用家用噴墨印表機在A4紙上列印類似的圓形點，然後將其剪下來，或用黑筆畫出圓圈，掃描器就可以識別它們。然而，這種基本標記點在縫合中的使用相當不穩定。

當時的記號筆與其他材料沒有太大差別。相機在捕捉標記的同時，也很容易捕捉其他碎片，增加了誤識別的風險並影響最終點雲重建的品質。

如今，與早期相比，印刷技術已經進步。標記物黑白交接處邊緣清晰，圓度偏差極小，且白色內圈常採用反光材料，從而形成了現在的反光標記物。

儘管反光標記的成本可能稍高，但它們具有獨特的優勢。當相機曝光不足時，它可以捕捉標記並將周圍環境過濾成黑色，避免捕捉到雜亂的場景。這降低了錯誤識別的可能性，節省了計算能力，並提高了掃描速度和準確性——這是一個雙贏的局面。

對於非編碼標記，市場上有許多變體，例如不同直徑的標記點——3mm、6mm、12mm。不同的直徑用於解決不同的情況。例如，太小的標記在掃描距離變化時在相機中可能會不清楚，因此採用不同的直徑來應對不同的場景。

還有可自由旋轉的圓形標記，保持其方向不變，允許標記隨時面向任何方向。此外，底部還有具有磁性的標記，使它們能夠輕鬆附著在鐵表面上。這裡不討論更多細節。

無編碼標示拼接原理：

1. 標記點組：每三個標記（1、2、3）組成一個標記點組。
2. 對準過程：當掃描器偵測到新的標記組（a、b、c）時，它將這三個點形成的三角形的長度和角度與先前已知的標記組（1、2、3 ）的長度和角度進行比較。如果它們的長度和角度相等，則可以推斷新發現的三個點實際上是先前已知的（1,2,3）點。
3. 建立對應關係：將新發現的標記組與已知標記組建立一一對應關係，確保它們處於同一座標系中。
4.資料對齊：利用建立的對應關係，將新的點雲資料與先前的資料集拼接起來，形成更大的三維模型。

此方法的優點是不需要為標記添加唯一的編碼資訊。相反，它依靠幾何形狀相似性來確定標記之間的對應關係。

在某些情況下，這種方法可能更靈活，特別是當需要頻繁添加或移動標記時。

03

結論

 

編碼標記和非編碼標記不僅限於攝影測量和結構光 3D 掃描器領域。

Scantech KSCAN-Magic系列 3D 便攜式掃描器是其廣泛應用的一個顯著例子，該掃描器具有內建的大面積攝影測量系統。

當使用 KSCAN-Magic 掃描器掃描大型物體時，會同時使用編碼和非編碼標記來提高準確性。

KSCAN-Magic 系列中的編碼標記設計特別獨特。與圖 3 所示的傳統標記不同，Magic 掃描器採用由多個非編碼標記組成的編碼標記。

這種組合為每個編碼點形成了不同的代碼值。這些點保持中心位置以進行精確定位，如圖 5 和 6 所示。

此外，標記由磁性橡膠製成，便於輕鬆附著在金屬表面上。

 

 

 

在非編碼標記的設計中，由於其可靠性，通常會採用反射標記。

但為什麼要結合使用非編碼標記和編碼標記呢？編碼標記通常用於攝影測量，以其高整體精度而聞名。另一方面，手持式掃描器由於覆蓋範圍有限，通常使用非編碼標記點。這種限制意味著它們只能識別一定範圍內的標記，這可能會導致隨著掃描區域的擴大，拼接精度下降。

這就引出了一個問題：如攝影測量中所見，對整體精度的精確控制能否解決手持式掃描器在較大掃描空間上精度下降的問題？我們使用掃描器的方法提出了一個解決方案。我們專注於透過預掃描標記點然後進行全域調整來控制精度。此方法可確保整個掃描範圍內準確度的均勻分佈，而不會影響局部區域的細節。在後續掃描中，首要任務是準確地重建三維資料。

例如，在使用我們的 Magic 掃描器時，會採用內部攝影測量來預先掃描標記。在這裡，編碼標記與非編碼標記一起策略性地放置在物件周圍。此策略利用了攝影測量在控制精度方面的固有優勢，使得非編碼點的座標能夠在攝影測量精度範圍內精確重建。

當涉及雷射掃描時，即使其覆蓋範圍較小，以這種方式使用非編碼標記也可以實現更高的精度。

 

 

 

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