激光雷达技术（LiDAR）在3D打印中的应用前景与挑战

zhiyongz 2分钟前阅读数 #技术

文章标签激光雷达技术

导读：LiDAR，全称是“光探测与测距”（Light Detection and Ranging）或“激光成像探测与测距”（LaserImaging Detection and Ranging），是一种尖端的遥感技术，能够生成环境或物体的精确3D模型。它能够高精度地收集三维数据，精准地绘制我们周围的世界。

LiDAR广泛应用于考古、建筑和工程等各个领域，与3D打印解决方案相结合时也具有巨大的价值。LiDAR展现出的速度和可靠性也使其成为自动驾驶汽车开发的关键工具。这项技术于20世纪60年代发展起来，用于绘制大面积土地地图，如今已经历了重大发展，尤其得益于GPS和INS（惯性导航系统）系统的集成。如今，它可以嵌入3D扫描仪和3D打印机中，以提升性能。

△利用 LiDAR 数据生成的 3D 模型（图片来源：ResearchGate – Kenji Omasa）

什么是 LiDAR？它如何工作？

LiDAR 是一种遥感技术，利用激光脉冲测量不同物体和表面之间的距离，从而重建 3D 模型。整体系统主要由激光扫描仪、LiDAR 传感器和负责解读数据的处理器组成。LiDAR 使用特定波长的激光束，每秒向待分析的表面发送数百万个光脉冲。这些脉冲反射后，会被传感器捕获并转换为点。所有这些点构成所谓的点云，代表扫描过程中收集的所有信息。然后，处理器通过测量飞行时间 (ToF)（即每个脉冲到达物体并返回传感器所需的时间）来处理这些数据。利用这些时间数据以及激光的水平和垂直发射角，系统计算出每个点的三维坐标 (XYZ)。由于这些点的密度和精度，可以获得被扫描环境或物体的高精度 3D 图像。

LiDAR 与摄影测量之间的差异

LiDAR 和摄影测量法具有相同的目标，即对物体或位置进行检测和三维测绘，但它们的工作原理不同。摄影测量法是一种利用从不同角度拍摄的二维照片创建 3D 模型的技术。它从图像中提取二维数据，并转换为 3D 数字模型。而 LiDAR 则使用激光束对环境或物体进行测绘，生成点云，然后用于构建 3D 模型。从这个意义上讲，LiDAR 更类似于结构光 3D 扫描仪，而不是摄影测量法。

摄影测量法利用相机和自然光进行测量。虽然它可以提供非常详细的结果，但所获数据的准确性在很大程度上取决于拍摄时的光照条件。例如，反射或透明的表面可能会带来问题。此外，摄影测量法创建的 3D 模型的质量会因图像分辨率和拍摄时使用的视点数量而异。

△图片展示了摄影测量的工作原理。（图片来源：Microgeo）

LiDAR技术具有高测试精度，尤其是在测量复杂表面时，即使在低光照和能见度条件下也能实现。相反，摄影测量法更适合检测光线充足的物体或环境，而 LiDAR 则擅长创建详细的区域地图。

就成本而言，摄影测量法比 LiDAR 更便宜，因为它使用的是标准相机。然而，这种成本效益也伴随着 3D 模型的额外后处理，因为它们的精度并不总是很高。而 LiDAR 生成的更精确的 3D 模型几乎不需要或根本不需要后处理调整。

总而言之，摄影测量法是一种更简单、更经济的方法，但精度较低；而激光雷达虽然精度较高，但成本较高，且无需视觉输入。传统的3D扫描可以替代激光雷达，它价格更实惠，能够捕捉到精细的细节，但与激光雷达技术相比，这类系统通常速度较慢，不太适合覆盖大面积区域。

LiDAR扫描仪的类型及潜在应用

LiDAR 扫描仪主要分为两类：地面使用的地面激光扫描仪 (TLS)和安装在飞机上的机载激光扫描仪 (ALS)。TLS 可以是静态的，也可以是移动的。静态扫描仪安装在不可移动的支架上，例如三脚架或固定结构，可用于对建筑物、纪念碑或场地进行高精度测量。移动扫描仪（称为 MLS）安装在车辆（例如机器）上，特别适合大规模动态扫描，例如城市街道扫描。在一些自主设备（例如机器人吸尘器）中，LiDAR 系统安装在旋转盘上，使激光可以 360° 扫描。机载 LiDAR 扫描仪 (ALS) 安装在飞机等飞行器上，测量从飞机发出的激光脉冲的飞行时间，从而计算出地面和传感器之间的距离。这些扫描仪也可以安装在配备测绘和导航系统的无人机上。

LiDAR 可用于各种类型的扫描仪，并广泛应用于众多领域。它常用于机器人吸尘器，用于绘制家中房间地图，检测哪些房间已经清洁过，哪些房间仍需清洁。在自动驾驶汽车中，它可确保驾驶的精准性和安全性。在 iPhone 上，LiDAR 可以改善摄像头对焦，使增强现实应用更加逼真。Google 车辆也使用它来绘制大面积地形图，为 Google Earth 提供数据。得益于 iPhone 和 iPad 中集成的LiDAR 传感器，Polycam 等软件允许用户快速准确地捕捉环境、房间和地板的精细细节。

△ALS、TLS 和 MLS 之间的检测差异。（图片来源：MDPI）

配备 LiDAR 系统的3D 打印机和扫描仪

目前，大多数 3D 打印机并未标配内置激光雷达传感器，但一些解决方案和实验项目正在寻求将其集成到打印过程中。例如，中国制造商创想三维（Creality）最近推出了 K1 MAX，这是一款配备激光雷达扫描仪的 3D 打印机，可检测印版上的异常情况。该系统不仅可以监控打印的第一层，还可以监控后续层，确保模型创建的最佳质量。Bambu Lab在 Bambu Lab X1 系列中使用激光雷达系统来调节打印机的压力和流量。但是，如果现有解决方案无法满足特定需求，则可以将激光雷达传感器集成到定制项目或混合解决方案中，尤其是在工业领域。在价格方面，这些解决方案的起价与 Creality 打印机一样为 700 欧元，最高可达 1,000 欧元以上，例如 Bambu Lab X1。

说到扫描仪，市面上有多种采用 LiDAR 技术的设备。例如，LiDAR 3D FJD Trion P1，可用于室内外测绘；Artec Ray II，能够扫描大面积区域和最远 130 米外的物体。这些扫描仪可以在亚马逊等零售平台上购买，也可以直接从制造商的网站上购买。价格因应用而异：基础传感器售价约为 45 美元，而像 Artec Ray II 这样的专业解决方案则售价超过 10 万美元。