本实用新型涉及三维扫描仪技术领域，具体而言，涉及一种三维扫描仪的标定装置和口内三维扫描仪。
背景技术：
三维扫描仪是一种用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(颜色、表面反照率等)，搜集到的数据常常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数据模型。但是，三维扫描仪在扫描之前需要对相机进行内外参标定，并且还需要多次变换标定板的位置姿态，才能获取到所需图像，进而计算出所需结果，针对上述过于复杂的操作过程，极易发生操作者操作失误的情况，导致获取的图像精准度低，计算的结果有误差的情况发生。
针对上述现有技术中三维扫描仪标定过程复杂，易出现操作失误的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本实用新型提供一种三维扫描仪的标定装置和口内三维扫描仪，以解决现有技术中三维扫描仪标定过程复杂，易出现操作失误的问题。
为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种三维扫描仪的标定装置，包括：标定单元，用于进行相机标定；驱动机构，所述驱动机构的转轴与所述标定单元连接，用于对所述标定单元进行驱动以使所述标定单元运动；控制单元，与所述驱动机构连接，用于生成控制指令，其中，所述控制指令用于控制所述驱动机构的开启和关闭。
进一步地，所述标定单元包括：标定座，所述标定座为前端面具有倾斜角度的圆台，所述标定座与所述驱动机构连接；标定板，所述标定板设置于所述标定座的前端面，所述标定板用于进行相机标定。
进一步地，所述三维扫描仪的标定装置还包括：连接单元，所述连接单元的第一端与所述驱动机构的所述转轴连接，以及所述连接单元的第二端与所述标定单元连接，用于令所述驱动机构通过所述连接单元控制所述标定单元进行运动。
进一步地，所述连接单元包括：联轴器；转动螺杆，所述转动螺杆与所述驱动机构的所述转轴通过所述联轴器相连接；转动螺母，所述转动螺母相配合地套置于所述转动螺杆的外围，且所述转动螺母与所述标定单元相连接。
进一步地，所述三维扫描仪的标定装置还包括：行程开关，所述行程开关与所述驱动机构相连接，用于基于所述标定单元的移动位置，控制驱动机构。
进一步地，所述三维扫描仪的标定装置还包括：滑环单元，所述滑环单元与所述驱动机构相连接，用于为所述驱动机构输送能源、以及连通信号。
进一步地，所述三维扫描仪的标定装置还包括：外壳，所述外壳内设置所述标定单元、所述驱动机构和所述控制单元，其中，所述外壳靠近所述标定单元的第一端具有敞口，所述敞口用于安装所述三维扫描仪的主体。
进一步地，所述外壳为可沿纵向拆分的柱状外壳，所述敞口与所述标定单元相对应地设置，所述三维扫描仪的标定装置还包括：装置圈，所述装置圈套置于所述外壳的所述第一端的外围，用于紧固所述可沿纵向拆分的柱状外壳。
进一步地，所述三维扫描仪的标定装置还包括：转接头，所述转接头填塞至所述外壳的敞口，用于转接所述标定单元的光学显示，且所述转接头与三维扫描仪相连接。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种口内三维扫描仪，包括标定装置，所述标定装置为上述任意一种三维扫描仪的标定装置。
应用本实用新型的技术方案，令标定单元与驱动机构相连接，通过驱动机构对标定单元进行驱动，使标定单元运动，以改变标定单元的位置姿态，进而达到三维扫描仪通过对标定单元的各种位置姿态进行采集、标定的技术目的。此外，令控制单元与驱动机构相连接，并基于生成的控制指令以控制驱动机构的开启和关闭，进而控制标定单元运动，即控制标定单元变换位置姿态，达到了通过控制单元直接简易地控制标定单元位置姿态，以简化三维扫描仪标定过程，同时避免标定操作失误的现象发生。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了本实用新型提供的三维扫描仪的标定装置的爆炸图；
图2示出了本实用新型提供的三维扫描仪的标定装置的部件爆炸图；
图3示出了本实用新型提供的三维扫描仪的标定装置的功能爆炸图；
图4示出了本实用新型提供的三维扫描仪的标定装置的标定板图案示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、标定单元；20、驱动机构；30、控制单元；40、连接单元；50、行程开关；60、滑环单元；70、外壳；80、装置圈；90、转接头；11、标定座；12、标定板；21、转轴；41、联轴器；42、转动螺杆；43、转动螺母；44、基座。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1至图3所示，本实用新型的实施例提供了一种三维扫描仪的标定装置，三维扫描仪的标定装置包括：标定单元10，用于进行相机标定；驱动机构20，驱动机构20的转轴21与标定单元10连接，用于对标定单元10进行驱动，以使标定单元10运动；控制单元30，与驱动机构20连接，用于生成控制指令，其中，控制指令用于控制驱动机构20的开启和关闭。
应用本实用新型的技术方案，令标定单元10与驱动机构20相连接，通过驱动机构20对标定单元10进行驱动，使标定单元10运动，以改变标定单元10的位置姿态，进而达到三维扫描仪通过对标定单元10的各种位置姿态进行采集、标定的技术目的。此外，令控制单元30与驱动机构20相连接，并基于生成的控制指令以控制驱动机构20的开启和关闭，进而控制标定单元10运动，即控制标定单元10变换位置姿态，达到了通过控制单元30直接简易地控制标定单元10位置姿态，以简化三维扫描仪标定过程，同时避免标定操作失误的现象发生。
可选地，标定单元10，可以是标定板12，英文全称为Calibration，在机器视觉、图像测量、摄影测量、三维重建等应用中，为校正镜头畸变；确定物理尺寸和像素间的换算关系；以及确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果，其中，带有固定间距图案阵列平板即为标定模块。
可选的，如图4所示，标定板12上图案为点状矩阵，且多个点外围设有圆环，而各个点之间的距离、圆环直径、以及圆环之间的距离均为预定值。进而达到采集多幅标定板12上的图案，获取图案的二维坐标，计算得出摄像机的内外参数，完成标定算法。
可选地，标定板12的尺寸可以是20*20*15mm2，其中，标定板12的面积为20*20mm2。
可选地，驱动机构20可以是微型电动机，通过微型电动机控制标定模块移动。
可选地，控制单元30可以分别与驱动机构20和三维扫描仪电连接，通过一个控制单元30，分别控制三维扫描仪和驱动机构20。
可选地，本实用新型提供的三维扫描仪的标定装置可以应用在小型三维扫描仪中，实现对小型化的三维扫描仪的自动标定，其中，小型三维扫描仪的尺寸为50*50*250mm，三维扫描仪的轴线方向的长度为250mm，三维扫描仪的轴线垂直方向上的截面面积为50*50mm2。
在本实施例中，标定单元10包括：标定座11，标定座11为前端面具有顷斜角度的圆台，标定座11与驱动机构20连接；标定板12，标定板12设置于标定座11的前端面，标定板12用于进行相机标定。为了获取更多标定单元10的姿态，令标定单元10包括：前端面具有倾斜角度的标定座11和用于相机标定的标定板12，进而使设置于标定座11前端面的标定板12具有一定的倾斜角度，以便标定板12在旋转的情况下，得到多种位置姿态的标定板，达到了提高采集的标定板12图案的多样性，增加了标定的准确性的技术效果。
可选的，标定板12和标定座11可以设置为一体式，即前端面具有倾斜角度的标定板12。
可选的，可以设置多个前端面具有不同倾斜角度的标定座11，进而在不同需求的情况下，相应的使用不同倾斜角度的标定座11，即标定座11为可拆卸、可替换式标定座11。
在本实施例中，三维扫描仪的标定装置还包括：连接单元40，连接单元40的第一端与驱动机构20的转轴21连接，以及连接单元40的第二端与标定单元10连接，用于令驱动机构20通过连接单元40控制标定单元10进行运动。达到更加稳固的建立驱动机构20和标定单元10的连接关系，降低了意外情况的发生的可能性。
可选的，连接单元40包括：联轴器41；转动螺杆42，转动螺杆42与驱动机构20的转轴21通过联轴器41相连接；转动螺母43，转动螺母43相配合地套置于转动螺杆42的外围，且转动螺母43与标定单元10相连接；其中，述驱动机构20通过转动螺杆42和转动螺母43控制标定单元10围绕连接单元40的中轴线进行旋转的同时，标定单元10延标定单元10的中轴线的方向进行移动。也即，通过联轴器41连接转动螺杆42和驱动机构20的转轴21，在驱动机构20开始运转时，其驱动机构20的转轴21开始转动，进而带动通过联轴器41连接的转动螺杆42开始转动，基于此，套设于转动螺杆42外围的转动螺母43也开始转动，带动与其转动螺母43相连接的标定单元10也开始转动。
此外，需要说明的是：基于转轴21螺杆和转动螺母43的基本原理，驱动机构20在带动转动螺杆42和转动螺母43进行转动的时候，其转动螺母43会基于转动程度，在转动螺杆42的延伸的方向上进行一定范围的伸缩，进而带动标定单元10也进行一定范围的伸缩活动，进而增加了标定板12位置姿态的变换情况。
可选的，联轴器41为连接轴与回转件的装置，且在传递运动和动力过程中一同回转，且正常情况下不脱开的一种装置。
可选的，标定板12通过连接单元40与驱动机构20连接，并通过标定座11保持标定板12平面与相机光轴成一定角度，例如30°。
需要说明的是：本实施例中，使用联轴器41连接转动螺杆42和驱动机构20的作用是为了防止转动螺杆42承受过大的载荷，且联轴器41兼有补偿两轴之间由于制造安装不精准、工作时的变形或热膨胀等原因所发生的偏移，以及缓和冲击、吸振的作用，即联轴器41是起到一定保护作用。
其中，为了避免联轴器41、转动螺杆42和转动螺母43承载过多向下的重力(非旋转力)，在本实施例中，连接单元40还包括：基座44，基座44与驱动机构20相连接，用于放置联轴器41。
在本实施例中，三维扫描仪的标定装置还包括：行程开关50，行程开关50与驱动机构20相连接，用于基于标定单元10的移动位置，控制驱动机构20。由于驱动机构20和标定单元10是通过包括转动螺杆42和转动螺母43的连接单元40相连接，基于转动螺杆42和转动螺母43的运作原理，其连接于转动螺母43上的标定单元10会基于旋转的程度进行一定的位置变化，即标定单元10会在转动螺杆42延伸方向上进行一定的移动，因此，在驱动机构20控制标定单元10转动的情况下，标定单元10会在转动螺杆42延伸方向上进行一定的位置移动，而行程开关50包括触头，当标定单元10触碰到其触头时，行程开关50即立刻控制驱动机构20停止运行，即行程开关50立即断开驱动机构20的电路，达到控制驱动机构20的运行状态，避免标定单元10移动距离过大，造成部件损害。进而达到令标定单元10在一定的范围内进行旋转移动，起到保护连接单元40和标定单元10的作用。
此外，行程开关50，主要是通过机械运动部件的碰撞使其触头动作，来实现接通或断开控制电路，也即，行程开关50也可以依据与标定单元10同步移动的部件的移动情况，进而控制驱动机构20，例如：转动螺母43。
此外，可以基于行程开关50是通过连接和断开驱动机构20的电路进而控制驱动机构20的，因此，可以设置不同的驱动机构20的电路，使得标定单元10按一定的移动位置或移动行程，自动停止移动、反向运动、变速运动、自动往返运行。
在本实施例中，三维扫描仪的标定装置还包括：滑环单元60，滑环单元60与驱动机构20相连接，用于为驱动机构20输送能源、以及连通信号。驱动机构20基于其工作原理，需要连接一定的输送能源的线路，例如，电线。且驱动机构20基于控制单元30生成控制指令进而执行开启指令或关闭指令，因此需要连接一定传输信号的线路，例如，电线。为了防止在驱动机构20连续360°旋转运动的情况下，上述输送能源的线路和上述传输信号的线路遭受到一定的损耗的情况发生，进而通过滑环单元60进行输送能源以及连通信号，也即令上述输送能源的线路和上述传输信号的线路连接滑环单元60，进而由滑环单元60为驱动机构20输送能源以及连通信号。
可选的，滑环单元60包括导电滑环和滑环支架。其中滑环支架为空心圆柱状，导电滑环为与空心圆柱相配的圆柱状，且在圆柱外周设有薄片圆环。
为了保护上述三维扫描仪的标定装置，可选的，在本实施例中，三维扫描仪的标定装置还包括：外壳70，外壳70内设置标定单元10、驱动机构20和控制单元30，其中，外壳靠近标定单元10的第一端具有敞口，敞口用于安装三维扫描仪的主体。
作为一个可选的示例，外壳70第一端的敞口设置在标定单元10的中轴线的方向。
此外，外壳70在靠近驱动机构20的一端设有连通孔，以便输送能源的线路和传输信号的线路可以通过该连通孔连接至外壳70内的驱动机构20。
为了令外壳便于安装和拆卸，作为一个可选的示例，外壳70为可沿纵向拆分的柱状外壳，敞口与标定单元10相对应地设置。
基于上述可沿纵向拆分的柱状外壳，作为一个可选的示例，三维扫描仪的标定装置还包括：装置圈80，装置圈80套置于外壳70的第一端的外围，用于紧固可沿纵向拆分的柱状外壳70。
此外，上述外壳70也可以通过其他方式进行紧固，例如，通过在可沿纵向拆分的柱状外壳70上设置多个卡扣。
在本实施例中，三维扫描仪的标定装置中，三维扫描仪的标定装置还包括：转接头90，转接头90填塞至外壳的敞口，用于转接标定单元10的光学显示，且转接头90与三维扫描仪相连接。即在敞口的位置处设置转接头90，以便于三维扫描仪获取标定单元10各种位置姿态时的标定图案，进而计算出所需的标定结果，完成标定工作。
需要说明的是：如图1和图2所示，装置圈80与转接头90相匹配连接，装置圈80前端的内壁与转接头90相卡接，装置圈80后端的内壁与外壳70的第一端的外围相卡接，以实现转接头90填塞至外壳70的敞口的技术特征。
本实用新型的另一实施例提供了一种口内三维扫描仪，包括标定装置，其标定装置为上述任意一种三维扫描仪的标定装置。通过应用本实用新型的技术方案，令标定单元10与驱动机构20相连接，通过驱动机构20对标定单元10进行驱动，使标定单元10运动，以改变标定单元10的位置姿态，进而达到三维扫描仪通过对标定单元10的各种位置姿态进行采集、标定的技术目的。此外，令控制单元30与驱动机构20相连接，并基于生成的控制指令以控制驱动机构20的开启和关闭，进而控制标定单元10运动，即控制标定单元10变换位置姿态，达到了通过控制单元30直接简易地控制标定单元10位置姿态，以简化三维扫描仪标定过程，同时避免标定操作失误的现象发生。
可选的，在摄像机标定工作中所需标定的外部参数有六个，即旋转矩阵中绕三个坐标轴的旋转角以及平移矩阵中沿三个坐标轴方向的位移；内部参数有六个，即Cx、Cy、Sx、Sy、f、和k，其中Cx、Cy、Sy已通过预标定确定。因此，这里只需求解六个外部参数中的Sx、有效焦距f和径向畸变系数k即可。
可选地，本发明采用基于一阶径向畸变的摄像机模型，利用一种逐步分解的摄像机线性标定法，将各参数逐步分解，通过求解线性方程组，先计算旋转矩阵，再计算平移矩阵，最后求内部参数焦距和径向畸变系数。具体推导如下：
根据投影和透视变换理论以及矩阵转换知识可以把从三维世界坐标系到计算机图像坐标系的完整变换分为四步：
(1)三维空间坐标系到摄像机坐标系的变换，即从(x，yw，zw)到(x，y，z)的变换。
其中，
其中，R和T分别为从世界坐标系到摄像机坐标系的旋转和平移变换，R是一个3×3的正交矩阵,T是一个3×1的平移向量,独立变量共六个。即反映旋转变换的三个转角及反映平移变换的三个平移分量。
其中，T＝[Tx Ty Tz]。
(2)小孔摄像机模型下的理想透视投影变换，即从(x，y，z)到(Xu，Yu)的变换。
其中，
(3)畸变模型：描述图像坐标系中实际图像坐标(Xd，Yd)和理想图像坐标(Xu，Yu)间的关系。多数实验证明，图像中心点处的畸变很小，而在图像边缘处的畸变较大，因此选择kRd2作为畸变因子，建立如下的畸变模型：
其中，Xd＝(1+kRd2)Xu， 式(1.4)；
Yd＝(1+kRd2)Yu，式(1.5)；Rd2＝Xd2+Yd2，Rd为径向半径的平方，k为径向畸变系数。
(4)实际图像坐标到计算机图像坐标的变换，即从(Xd，Yd)到(Xf，Yf)。
其中，Xf＝Cx+SxXd，式(1.6)；Yf＝Cy+SyYd，式(1.7)，(Cx，Cy)为计算机帧存图像中心的坐标,Sx，Sy分别为图像平面中X和Y方向单位距离上的像素数(pixels/mm)，即比例系数。
设Sx/Sy＝β；Xd’＝(Xf-Cx)/Sy；则Xd＝Xd’/β。
可见，需要标定的参数包括：
外部参数：R和T共有六个独立变量；
内部参数：f为有效焦距，k为径向畸变系数，Sx，Sy分别为X和Y方向的比例系数，β为尺度因子，(Cx，Cy)为计算机帧存图象中心坐标。
其中，Cx，Cy，Sy可以通过预标定得到。
设旋转矩阵平移矩阵计算旋转矩阵R及T的Tx、Ty分量。
由式(1.1)得由式(1.2)、(1.3)、(1.4)、(1.5)得所以将上式移行整理得到：
可选地，对每一个标定点，当已知其三维坐标及相应的图像坐标时就可以列出一个上述X′d的方程。在上述X′d的方程中，列向量的七个元素为未知数，取七个标定点，通过求解线性方程组，就可以求出这七个未知数。考虑到标定过程中三维坐标点和图像坐标取值存在随机误差，因此应该多取一些标定点(>7)，按照最小二乘法原理求得各标定点总误差为最小的最优解。然后根据旋转矩阵的R正交性质，可进一步计算出旋转矩阵R中各元素及Tx和Ty。
可选地，利用最小二乘法解上述超定方程组(N>＝7)可得如下变量：
可选地，利用R的正交性(标准正交矩阵)可以算出β，Ty，Tx和r1、r2，具体如下：
(1)计算|Ty|，其中，|Ty|＝(α52+α62+α72)1/2。
(2)计算β及Sx，其中，β＝(α12+α22+α32)1/2|Ty|，则Sx＝βSy。
(3)求得|Ty|后，尚有Ty的符号需要确定，实际上由成像几何可知，Xd和x有相同的符号，Yd和y也有相同的符号，可以利用这一点来确定Ty的符号。即再求得|Ty|后任选一特征点Pk(xk，yk，zk)，首先假设Ty为正号，利用上述超定方程组(N>＝7)解出的变量，可以计算出r1-r6和Tx。
可选地，可以计算出特征点对应的x和y。若此时x和Xd，y和Yd同号，则Ty符号为正，否则Ty符号为负。
(4)已知Ty和β，可以利用上述超定方程组(N>＝7)解出的变量直接计算r1-r6，Tx。利用R的正交性和右手系特性(相应于世界坐标系为右手系)，可知r7-r9由头两行的叉乘得到：r7＝r2r6-r3r5；r8＝r3r4-r1r6；r9＝r1r5-r2r4。
通过上述过程，已经解出了整个旋转矩阵R和T中的Tx、Ty分量以及图象尺度因子β。
可选地，计算有效焦距f、T的Tz分量和透镜畸变系数k，可以计算得到：
假设：Hx＝r1xw+r2yw+r3zw+Tx，Hy＝r4xw+r5yw+r6zw+Ty，W＝r7xw+r8yw+r9zw，fk＝f·k，可以得出Hx·f+Hxrd2·fk-Xd·Tz＝Xd·W，Hy·f+Hxrd2·fk-Yd·Tz＝Yd·W。
可选地，对N个特征点，利用最小二乘法对上述两个方程进行联合最优参数估计，就可以得f，fk，Tz，进而求得f，k，Tz。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。