本章對現有之三維重建技術進行介紹，包括本文所使用之雷射測距技術 三維重建(三維 shape recovery)是掃瞄擷取現實空間中物件的距離深度資料，
在虛擬空間中建立與實物相同的立體模型。目前重建技術種類繁多，依照掃瞄方 式可分為接觸與非接觸式兩種，而非接觸式又可分為為主動及被動兩類。以下將 對幾種主流三維重建技術進行介紹，並且指出使用雷射掃瞄儀進行三維重建的優 勢。
2.1 接觸式掃瞄
接 觸 式 三 維 重 建 通 常 透 過 探 針 實 際 碰 觸 物 件 表 面 來 取 得 深 度 資 料 ， 如 CMM(Coordinate Measuring Machine)機械式座標掃瞄儀(圖 2.1-1)。此方法精確度 極高，廣泛使用於製造業與工業逆向工程。不過其需要使用探針接觸物件的測量 方式，可能對掃瞄物建造成損壞，因而無法使用於脆弱物件如古物或遺跡上。另 外緩慢的掃瞄速度使其不適合應用在大型物件重建上。
圖 2.1-1 CMM 接觸式掃瞄儀
2.2 非接觸式被動掃瞄
非接觸式被動掃瞄不投射任何能量到物件上，而是以攝取物件周邊資訊進行 深度測量，其中多為使用可見光的機器視覺方法。此類方法較不需要昂貴的儀器，
不過其精確度通常較接觸式或主動式掃瞄為低。
2.2.1 立體光學法(Photometric stereo)
立體光學法在 80 年代由 R.J Woodham 提出[10]，簡單的立體光學法使用三個 不同角度的光源，以單一相機拍攝物件被三個光源分別照射下的情況，拍攝完成 後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射（perfect diffusion）模型解出物件表面 的梯度向量（gradients），經過向量場的積分後即可得到物件的深度資訊。
2.2.2 輪廓成型法(Shape from contours)
依據物件在二維影像中的輪廓進行三維重建[11]。需擷取大量不同角度下物件 的輪廓，通常做法是放在固定位置的轉盤上，每次旋轉一小角度後進行擷取，再 經由影像處理去除背景得到輪廓線。此方法簡單快速，缺點是若物件某些特性(如 凹洞等)無法在輪廓上顯現，就會在重建過程中遺失。
2.2.3 雙眼視覺法(Binocular stereo vision)
雙眼視覺法使用兩台平行放置的相機對物件進行拍攝，模仿人類視覺系統的 方法得到深度資訊[12]。藉由兩台相機的相對位置以及影像中重疊部分，計算出深 度資訊。此方法仰賴於好的演算法進行像素匹配分析(correspondence analysis)，其 目的在於找出兩張影像中像素的相對關係，也是此方法精確度的關鍵。
2.3 非接觸式主動掃瞄
相對於被動式掃瞄，主動式掃瞄對物件投射出能量，並藉由反射資訊來獲取 深度資料。常用的投射能量包括可見光、雷射、超音波與 X 射線等。
2.3.1 結構光法(Structured light)
將雙眼立體視覺法中的一台相機替換成投影機[8]或雷射二極體，改以主動掃 瞄的方式進行像素匹配分析。將固定模式的圖樣投射至物件上，根據圖樣的變形 情況以及相機與投影機的相對位置，計算出物件的深度資訊。
圖 2.3-1 Kinect 遊戲控制器使用結構光法
2.3.2 調變光法(Modulated light)
與結構光法相似，調變光法使用了高速攝影機來擷取短時間內光線的強弱 [6]。連續周期性的調整光線的強弱，藉由觀察影像每個像素的亮度變化與光的相 位差，即可推算深度資訊。
2.3.3 雷射測距法(Laser rangefinder)
雷射測距使用時差測距法(Time-of-Flight)獲得與物建的距離深度。將雷射投射 至物件上，再經由探測器接收反彈訊號並記錄時間，由於光速為已知條件，透過 測量此雷射脈衝往返一趟的時間即可得到距離資訊。雷射光的速度極快，因此雷 射 測 距 的 準 確 度 相 當 高 ， 例 如 本 文 所 使 用 的 HDL-64 Velodyne 雷 射 掃 瞄 儀
(LIDAR)，其有效掃瞄範圍高達半徑 100m 以上，而誤差僅小於 2cm。相對於機器 視覺方法，使用雷射時差測距較不易受物體表面材質影響，也不易受到外在環境 光線的影響。另外由大量雷射發射頭排成陣列可快速的掃瞄大範圍面積，快速、
準確以及高可靠度－使得雷射測距三維重建成為重建大型物件的首選方案。
圖 2.3-2 各種雷射測距掃瞄儀 上：空載地型掃瞄儀 右：固定式地型掃瞄儀 下：手持式雷射掃瞄槍