三维数字化行业技术分析报告
思瀚产业研究院 思看科技    2023-06-18

根据测量扫描过程中是否与被测量目标接触，现有的三维数字化产品主要包括传统接触式三维测量产品和非接触光学式三维视觉数字化产品，通过利用传统接触式传感技术或现代光学技术，对现实中实物三维数据和信息进行收集，并可转化为三维数字化模型。除基于光学原理的三维数字化技术外，目前其他三维测量手段还包括声学式测量和电磁式测量等技术。

图：三维数字化行业及三维测量其他领域主要技术

（1）接触式三维测量

接触式三维测量仪通过使用感测探针接触物体表面进而获得触碰到的该点位置坐标，典型的设备包括三坐标测量机、关节臂三维测量设备，常见于工业制造产业。以三坐标测量机为例，此类接触式三维测量方法的优点在于：测量精度极高，可达到微米级；不受物体光照和颜色的限制。因此更为适用于非复杂型腔、外形尺寸较小且被测物体表面适宜接触的实体测量。

其基本原理是将被测零件放入测量空间范围中，当探针接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前三轴坐标相对于基座原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理，经运算得到被测物体的几何尺寸、形状和位置。然而因其在测量过程中必须接触物体，因此不适用于文物艺术品等表面不宜造成划痕的物体、柔软物件或探针无法触及的沟槽等部位，应用范围受限。此外，相较于其他方法，接触式测量设备必须按顺序逐点接触物件表面，完成测量所花费的时间较长。

图：接触式三维测量（左：三坐标测量机，右：关节臂三维测量）

传统三维测量产品的历史可以追溯到 19 世纪 60 年代，产品历史时间长，测量技术、产品标准和生产流程相对比较成熟，测量产品已经成为计量领域广泛接受的测量设备。传统测量机需放置于恒温、恒湿且无振动的实验室内工作。

随着现代激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，光学非接触式三维扫描测量产品可在各应用领域现场工作，实现三维扫描从“实验室测量”到“现场测量”的改变，使得基于光学原理的非接触三维测量产品得到广泛的应用，并有替代传统三维测量产品的趋势。基于光学原理的非接触三维测量产品具有便携、快速、灵活、价格相对具有较强竞争力等方面优势，广泛应用于工业领域和非工业领域。

（2）基于光学原理的非接触三维扫描测量

常用的光学扫描测量方法有飞行时间法（Time of Flight，ToF）、光栅投影法（Fringe Projection 3D Measurement ）、散斑三维扫描（3D Speckle Scanning）、激光三维扫描（3D Laser Scanning），同时，随着三维视觉数字化行业不断迭代发展，双目视觉空间姿态立体定位、动态跟踪识别和图像前置数据计算处理等相关技术领域不断融合发展，产生了包括跟踪式三维激光扫描技术（3D LaserScanning Based on Optical Tracking）等在内的新一代创新型三维扫描检测技术路线。

1）飞行时间法

飞行时间法的基本原理为：采用飞行时间法测量时，由发射模块向被测量目标发射调制脉冲，脉冲被物体反射后，再由接收器接收物体反射的回光。已知脉冲在空间中的传播速率，则通过发射脉冲和接收脉冲的间隔时间，可计算出物体与测量装置的间距，从而获取被测物体的深度信息。

ToF 技术的优点在于其不易受到外界光的干扰，可以适用于多种环境下工作，同时具有测量距离远的优点，适合大规模测量项目。相比其他三维扫描技术，ToF技术模组结构简单，算法复杂度和运算量较小。但该技术的缺点在于精度和分辨率较低，精度一般为厘米量级，因此 ToF 技术更多应用于非工业场景，如驾驶辅助、AR 测量、体感游戏、背景虚化等。

随着体感交互、3D 识别与感知、环境感知以及 AR 地图构建等技术与应用的发展，ToF 技术的使用进一步丰富了 3D建模技术的非工业应用场景。以体感游戏为例，通过 ToF 技术能够采集到被拍摄人的身体深度信息，捕捉和采集身体的动作，进行手势判定，控制预制 3D 建模人偶的形象和动作，实现真人和 3D 虚拟形象跟随。

2）散斑三维扫描法

散斑指被投射光源照明物体表面呈颗粒状结构的一种随机分布的点状图案。散斑三维扫描技术是基于双目立体视觉原理，利用散斑特征区块作为匹配基元进行三维重建的技术。其主要由双相机，散斑发射器组成，其中散斑发射器可以是包含散斑图片的 DLP 投影机，LED 投影灯或特制的 VCSEL 散斑发射器。散斑发射器投射散斑图案到物体表面，左右相机在各自对极线中利用区块图案的相似性，通过相关性计算，寻找到匹配度最高的区块，进行三维重建。

该技术可以一次性重建视野空间内物体表面的三维数据，并利用相邻三维点信息，计算出视野内物体表面的法向、曲率等三维特征数据。前后两帧三维数据可以利用特征数据进行拼接、定位、累积，以实现连续的三维扫描。

散斑三维扫描技术可实现不利用辅助定位点即可对物件进行三维扫描，有极佳的便携性。该技术常用于物件三维特征较丰富但精度要求相对不高的场合。公司的 iReal 系列产品主要采用该技术路线。

3）光栅投影法

光栅投影法一般利用机械光栅或者 DLP 投影机投射多张周期相移条纹和多张格雷码条纹，投射相位条纹用于精确解算相位信息，投射编码条纹用于对周期相位条纹进行编码，辅助相位条纹定位和匹配。

相机同时采集物体表面经格雷码编码的周期相移条纹结构光图像，利用周期相移图像解算包裹相位，再利用编码条纹进一步解算绝对相位，双目匹配相同相位的数据获取图像像差进行三维重建。在典型的工作场景中，DLP 投影机通常投射八张格雷码条纹图和四张相移条纹图，在工作过程中需保证设备和被测物体稳定，以防止多张编码图和相位图错位而导致重建错误。

应用光栅投影技术的典型三维扫描设备为拍照式三维扫描仪（又称照相式三维扫描仪）。由于其主要光学器件 DLP 投影机质量大、体积大、发热高、光效低、景深小，主要适用于中小型物体，特别是扫描细节特征复杂（例如多孔、卡扣、卡槽）、厚度薄、不需要多角度拍摄的被测物时更具优势。但此类设备对自然环境光源和被测物体表面颜色材质有较高要求，由于 DLP 投影机为面光源，照射到被测物体表面的光线相对较弱，因此扫描效果受环境光影响较大，对被测物体表面颜色性质有较高要求，在扫描深色或反光物体时，需要在被测物体表面做喷粉处理。

由于在一次重建过程中需要投射多幅编码图和相移图，设备不能移动，因此需保证拍摄环境相对稳定，抗震能力较弱，灵活性较差。对需要多角度拍摄的物体、现场环境有振动、大型扫描件的扫描效率较低。行业内蔡司高慕的产品主要采用该技术路线。

4）激光三维扫描法

激光三维扫描技术是基于双目立体视觉原理，利用激光线的中心作为匹配基元进行三维重建的技术。主要由双相机或多相机，多条平行线激光发射器组成。激光线条照射到物体表面，左右相机获取到多条线状激光图像，计算高精度的激光线图像亚像素中心，利用事先标定的激光平面参数进行激光线三维重建数据的校验，将左右两个相机二维图像中提取的相互匹配的激光线进行三维重建，从而获取物体表面的三维空间数据。

由于该技术原理在每一扫描位置获得的激光三维点云数据有限，无法通过这些点云数据中的三维特征对连续位置的数据进行匹配，需要配合物体表面贴附的定位点，实现高精度的便携扫描。

由于激光线具有单色性好，线束均匀，亮度高、宽度小、能量集中，光利用率高、发热低、体积重量小，触发响应速度快，可获取高精度的激光线中心等优点。对物体边缘和细节重建精度高，可轻松扫描黑色及反光材料等物体，对室外自然光环境适应性好，可实现高速的数据采集。激光三维扫描技术的不足主要在于需借助额外粘贴在物体表面的标记点，以实现数据的连续拼接。公司的便携式3D 扫描仪及形创公司的产品主要采用该技术路线。

5）跟踪式激光三维扫描法

随着三维视觉数字化行业不断迭代发展，双目视觉空间姿态立体定位、动态跟踪识别和图像前置数据计算处理等相关技术领域不断融合发展，产生了包括跟踪式三维激光扫描技术等在内的新一代创新型三维扫描检测技术路线。

双目视觉空间姿态立体定位技术是基于双目立体视觉原理，观察并重建特制的定位点集合的三维坐标，与定位点集合的已知坐标进行匹配从而解算定位点集合位姿的一种技术。跟踪式激光三维扫描技术则是三维视觉数字化行业内，由双目视觉定位技术与激光三维扫描技术融合产生的一种创新技术。其代表性产品跟踪式激光三维扫描仪，由跟踪系统和扫描模块两部分组成。

跟踪系统包含跟踪双目相机和定位模块，其中定位模块为设置有多个空间分布的标记点集合的框架，标记点集合的坐标数据事先标定已知。跟踪双目相机通过实时观察定位模块上的标记点，重建当前视野中的标记点三维坐标，并与标记点集合进行匹配，以解算定位模块的位姿，从而实现对定位模块的实时跟踪。

跟踪式三维激光扫描仪的扫描模块由扫描双目相机和线状激光模块组成，并与定位模块紧固结合，通过标定获取两个模块间的位姿关系。激光模块照射到物体表面形成纹理特征，通过扫描双目相机观察到的激光线特征并进行三维重建，从而获取扫描模块坐标系下的激光三维空间点云数据。跟踪系统通过实时观察定位模块，获取定位模块在跟踪系统坐标系下的位姿，并利用扫描模块和定位模块的位姿关系，将激光三维数据统一转换到跟踪系统坐标系。

跟踪激光三维扫描仪组成较为复杂，技术难度高。可实现无需在物体表面贴定位标记点，便可完成高精度便携扫描的功能；同时，又保留了激光扫描细节好、对环境光以及黑色和反光等材质的扫描适应性强，可实现高速、大范围、高精度扫描等优点。公司及形创公司的跟踪式 3D 视觉数字化产品主要采用该技术路线。

三维视觉数字化产品行业的上游主要包括原材料及生产设备供应商，包括零部件提供商、软件服务提供商和生产设备提供商等。其中，零部件提供商为中游提供光学镜头、工业相机、激光发射器、电源供应系统、通信接口等零部件用来生产和组装产品；软件服务提供商为中游提供三维视觉数字化数据采集软件、三维数据处理及分析软件、三维展示和处理的库文件及算法支持等服务；生产设备提供商为中游三维扫描产品提供商提供生产、组装、测试所需要的生产设备，包括激光打码设备、自动印刷设备、贴片设备、光学检查设备、电子元器件焊接设备等。

三维视觉数字化产品行业的中游为三维视觉数字化产品提供商，是产业链当中重要环节。根据产品不同的应用场景和下游终端客户的不同需求，三维视觉数字化产品提供商可以为下游客户提供主要用于工业领域的三维视觉测量产品以及主要用于专业级和商业级领域的万物数字化产品。

三维视觉数字化产品行业的下游为终端用户。下游终端用户通常为企业型用户，根据扫描场景精度及应用类别的不同，下游应用领域又可进一步分为工业级、专业级和商业级等细分领域，其中，工业级领域用户主要来自汽车制造、工程机械、航空航天、交通运输等行业，专业级领域用户主要来自医疗健康、教学科研、文物雕塑、3D 打印等不同行业，商业级领域用户主要来自虚拟世界、游戏娱乐、3D 感知等众多细分行业。

三维视觉数字化产品为终端用户实现物体三维信息的收集、分析、比对、可视化以及模型重建等功能，可广泛应用于产品开发设计、质量检测、零部件测量、数字化展示、科研支持等众多场景。

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