Les données ainsi collectées peuvent être utilisées pour construire des images de synthèse en trois dimensions (objets numériques) à des fins diverses.

Ces appareils sont beaucoup utilisés par les industries du divertissement pour des films ou des jeux vidéo. Des images numériques en 3D scannées servent également à la conception industrielle, à la conception de prothèses, pour le contrôle qualité (référentiel numérique) ou pour la documentation d'objets culturels.

Les scanners sans contact peuvent être subdivisées en deux principales catégories, les scanners actifs et passifs.

Ils se déclinent eux-mêmes en de nombreuses sous-catégories en fonction de leur principe technologique.

Le scanner Lidar peut être utilisé pour scanner des bâtiments, des formations géologiques, etc. afin de produire une modélisation en trois dimensions.
Son rayon est orientable sur un très large horizon : grâce à la rotation horizontale de sa tête, un miroir dirige le laser verticalement. Le rayon sert à mesurer la distance avec le premier objet coupant le faisceau.

Le scanner 3D Lidar est un appareil actif qui utilise un faisceau laser pour sonder le sujet.
Au cœur de ce type de scanner se trouve un télémètre laser permettant de calculer la distance avec la surface de l'objet en comptant le temps nécessaire au trajet aller-retour du faisceau réfléchi.

Puisque la vitesse de la lumière - C - est connue, le temps de retour permet de déterminer la distance parcourue par la lumière, qui est deux fois la distance entre le scanner et la surface.
Évidemment, l'exactitude du scanner par temps de vol dépend de la précision de la mesure du temps de retour - T - , sachant que 3,3 picosecondes est approximativement le temps pris par la lumière pour parcourir un millimètre.

Le télémètre laser détecte seulement un point à la fois dans la direction dans laquelle il est pointé. L'appareil doit donc scanner la totalité de son champ de vision point par point et doit changer sa direction de vue à chaque mesure.
Elle peut être changée par la rotation de l'appareil lui-même ou par l'utilisation d'un système de miroirs rotatifs. Cette dernière méthode est la plus couramment utilisée parce que les miroirs sont plus légers et peuvent changer de direction plus rapidement avec une plus grande précision.

Les scanners 3D par temps de vol peuvent mesurer la distance de 10 000 à 100 000 points par seconde.

Une autre technologie utilisée par les scanners laser est la mesure de décalage de phase . Le scanner émet un rayon laser qui, au contact de l'objet, est réfléchi vers le scanner. La longueur d’onde d'émission du laser varie.
Le miroir du scanner renvoie le rayon laser à la verticale vers le même objet. L’angle vertical est codé en même temps que la mesure de distance.

Le scanner laser pivote à 360° sur lui-même à l’horizontale. L'angle horizontal est calculé simultanément avec la mesure de la distance. Distance , angle vertical et angle horizontal donnent une coordonnée polaire (δ, α, β) qui est convertie en coordonnée cartésienne (x, y, z).

Certains scanners laser utilisent la technologie de mesure du décalage de phase pour mesurer la distance par rapport à une surface. L’appareil projette un rayon laser infrarouge qui revient au scanner par réflexion. Celui-ci calcule la distance au millimètre près en analysant le décalage de phase entre le rayon émis et le rayon reçu.

Le rayon laser d’une onde sinusoïdale connue est diffusé par une source laser : il s’agit de la « lumière émise ».
Une partie du rayon laser est réfléchie depuis la cible vers la source. On parle alors de « lumière retour ». La phase de cette « lumière retour » est comparée à celle de la lumière émise connue pour déterminer l’« historique de la lumière émise ».
La différence entre les deux pics est appelée « décalage de phase ». Le décalage de phase obtenu correspond à 2π x le temps de vol x la fréquence de modulation.
Les scanners à décalage de phase sont généralement plus rapides et plus précis que les scanners laser 3D à temps de vol, mais ils ont une portée plus réduite.

Le scanner laser par triangulation est un scanner actif qui utilise également la lumière laser pour sonder son environnement. Il pointe sur le sujet un faisceau comme pour celui par temps de vol et utilise un appareil photo pour situer le point.

En fonction de la distance jusqu'à une surface, le point apparaît à un endroit différent dans le champ de vision de l'appareil.
Cette technique est appelée triangulation parce que le point laser, l'appareil photo et l'émetteur laser forment un triangle.
La longueur d'un côté du triangle, la distance entre l'appareil photo et l'émetteur laser est connue. L'angle du côté de l'émetteur laser est également connu.

L'angle du côté de l'appareil photo peut-être déterminé en regardant l'emplacement du point laser dans le champ de vision de l'appareil photo.

Ces trois données déterminent la forme et les dimensions du triangle et donnent la position du point laser.
Dans la plupart des cas, une bande laser est utilisée plutôt qu'un point, pour balayer l'objet, cela accélère le processus d'acquisition.

Dans un système conoscopique un rayon laser est projeté sur une surface, puis la réflexion au travers du même faisceau passe à travers un cristal biréfringent et est envoyé sur un capteur CDD.

La fréquence des motifs de diffraction peut être analysée et permet de déterminer la distance par rapport à cette surface. L'atout principal de l'holographie conoscopique est la colinéarité, c'est-à-dire qu'un unique faisceau (aller-retour) est nécessaire pour effectuer la mesure, permettant de mesurer par exemple la profondeur d'un trou finement percé ce qui est impossible par triangulation.

Les scanners laser manuels créent des images 3D à partir du principe de triangulation : un point ou une ligne laser est projeté sur un objet à l'aide d'un appareil manuel et un capteur ( typiquement un capteur CDD ou position sensitive device) mesure la distance par rapport à la surface.


Les positions sont enregistrées par rapport à un système de coordonnées interne et le scanner étant lui-même en mouvement sa position doit alors être mesurée.
La position peut être déterminée par le scanner en utilisant des points de repères caractéristiques sur la surface en cours de numérisation (typiquement des bandes réfléchissantes adhésives) ou en utilisant une méthode de repérage externe.
L'appareil chargé de ce repérage se présente sous la forme d'une Machine à mesurer tridimensionnelle équipée d'une caméra incorporée (pour définir l'orientation du scanner) ou sous celle d'un appareil de photogrammétrie utilisant trois ou plus caméras permettant les six degrés de liberté du scanner.


Les deux techniques tendent à utiliser des leds infrarouges incorporées au scanner qui sont perçues par le(s) caméra(s) au travers des filtres permettant de les voir malgré l'éclairage ambiant.
L'information est recueillie par un ordinateur et enregistrée comme les coordonnées de points situés dans un espace tridimensionnel, à l'aide d'un traitement informatique ceux-ci peuvent être convertis par triangulation en un canevas puis en un modèle informatique, le plus souvent sous forme de surfaces NURBS.
Les scanners à main laser peuvent associer ces données avec des récepteurs passifs de lumière visible - qui enregistrent les textures et les couleurs - pour reconstituer (voir Rétro-ingénierie) une modélisation complète en 3D du modèle.

Les scanners 3D à lumière structurée projettent un motif lumineux sur le sujet et en observent la déformation. Le motif peut être à une ou deux dimensions.

Prenons l'exemple d'une ligne comme motif unidimensionnel. Elle est projetée sur le sujet à l'aide d'un vidéoprojecteur LCD ou laser. Une caméra légèrement décalée du projecteur, enregistre son éventuelle déformation. Une technique similaire à la triangulation est utilisée pour calculer la distance, et donc la position des points la représentant. Le motif balaie le champ de vision afin d'enregistrer, une bande à la fois, les informations relatives aux distances.

Prenons maintenant l'exemple d'un motif en forme de grille ou de bande. Une caméra est utilisée pour enregistrer les déformations et un programme informatique complexe sert à calculer les distances des points composant ce motif.
La complexité est due à l’ambiguïté. Prenons un groupe de bandes verticales balayant horizontalement un sujet. Dans le cas le plus simple, l'analyse repose sur la présomption que la séquence des bandes visibles de gauche à droite corresponde à celle de l'image laser projetée, de tel sorte que l'image de la bande la plus à gauche est bien la première de la projection du laser, la suivante est le seconde et ainsi de suite.

Dans le cas de cibles non-triviales comportant des trous, des occlusions, des changements de profondeur rapide, cependant, l'ordre n'est plus forcément vérifié du fait que des bandes sont souvent masquées et peuvent même apparaitre dans un ordre différent, donnant lieu à une ambigüité des bandes lasers.

Ce problème spécifique a récemment été résolu par une avancée technologique appelée Multistripe laser Triangulation (MLT). Le scannage 3D à lumière structurée est encore un domaine de recherche actif donnant lieu à de nombreuses publications chaque année.

Le point fort des scanners 3D à lumière structurée est sa rapidité. Au lieu de scanner un point à la fois, ils scannent tout le champ de vision à la fois. Ceci limite ou élimine les problèmes de distorsion liés au mouvement. Des systèmes existant sont capables de scanner des objets en mouvement en temps réel. Récemment, Song Zhang et Peisen Huang de l'Université de Stony Brook ont mis au point un scanner à la volée utilisant une projection d'une frange numérique et une technique à phase modulée (une autre méthode à lumière structurée).
Ce système est capable de saisir, de reconstruire et de restituer les détails d'objets se déformant dans le temps (comme une expression faciale) à une fréquence de 40 images par seconde.

Les scanners 3D à lumière modulée éclairent le sujet à l'aide d'une lumière changeante. Habituellement, la source de lumière a un cycle dont l'amplitude décrit un motif sinusoïdal. Une caméra détecte la lumière réfléchie, mesure l'importance de sa variation et détermine la distance que la lumière a parcourue.
La lumière modulée permet également au scanner d'ignorer la source de lumière autre que celle d'un laser, de telle sorte qu'il n'y a pas d'interférence.

Les scanners sans contact - passifs, n'étant émetteur d'aucun type de rayonnement, se basent sur la détection de rayonnement ambiant réfléchi.

La plupart des scanners de ce type détectent la lumière visible car elle est immédiatement disponible. D'autres types de rayonnement, comme les infrarouges peuvent également être utilisés. Les méthodes passives peuvent être bon marché, du fait que dans la majorité des cas elles ne nécessitent pas d'appareil d'émission spécifique.

Les systèmes stéréoscopiques utilisent généralement deux caméras vidéos, légèrement espacées, pointant vers la même scène. En analysant les légères différences entre les images des deux appareils, il est possible de déterminer la distance de chaque point de l'image. Cette méthode est basée sur la vision stéréoscopique humaine5.

Ces types de scanners 3D utilisent les contours créés à partir d'une séquence de photos prises autour d'un objet en trois dimensions devant un arrière-plan contrasté. Ces silhouettes sont détachées de leur fond et assemblées les unes aux autres à l'endroit de l'axe de rotation de la caméra pour former une "coque visuelle" une approximation de l'objet. Avec ce type de techniques toutes sortes de concavité de l'objet - comme l'intérieur d'un bol - ne sont pas détectées.


Scanners demandant l'assistance de l'utilisateur
Il y a d'autres méthodes, basées sur une détection et une identification assistées par l'utilisateur de caractéristiques et de formes d'une série de différentes images d'un objet, qui permettent de construire une approximation de celui-ci. Ce type de techniques est utile pour réaliser rapidement une approximation d'un objet composé de formes simples comme des bâtiments. Différents logiciels commerciaux en sont capables comme iModeller, D-Sculptor ou RealViz-ImageModeler.

Ces types de scanners 3D reposent sur les principes de la photogrammétrie. D'une certaine façon ils utilisent une méthodologie similaire à la photographie panoramique, à ceci près qu'au lieu de prendre des images à partir d'un point fixe pour prendre un panorama, une série d'images à partir de points différents est prise d'un objet fixe afin de le répliquer.

La modélisation des données collectées par le scanner
Les nuages de points produits par des scanners 3D ne sont bien souvent pas utilisables tels quels. La plupart des applications ne les utilisent pas directement, mais se servent à la place d'une modélisation 3D. Cela implique par exemple dans le cadre d'une modélisation polygonale 3D de déterminer et de relier des points adjacents afin de créer une surface continue. Un grand nombre d'algorithmes sont disponibles pour ce travail (par exemple, photomodeler, imagemodel).