CN114322821A - 一种三维扫描装置及其标定方法和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维扫描装置及其标定方法和测量方法，三维扫描装置包括投影单元，用于向被测物体投射结构光图案；成像单元，用于成像所述被测物体反射的结构光图案；所述投影单元的投影光路的光轴与所述成像单元的成像光路的光轴交叉，在被测物体上形成有交集的投影视场和成像视场；控制单元，与投影单元和成像单元连接，用于控制所述投影单元和所述成像单元；所述控制单元中存储若干三维重建时调用的标定参数，所述投影单元和所述成像单元设置有对应标定参数变焦的变焦镜头。本发明的三维扫描装置在转换测量视场时，无需重新对三维扫描装置进行标定，而是调用控制单元中预存的标定参数进行三维重建，提高三维扫描装置的适用范围和工作效率。

Description

一种三维扫描装置及其标定方法和测量方法

技术领域

本发明属于光学三维测量技术领域，具体地说，涉及一种三维扫描装置及其标定方法和测量方法。

背景技术

随着计算机视觉技术的发展以及新技术新需求的驱动，三维扫描系统成为非接触式测量的重要手段，被广泛应用于工业设计领域的辅助制造与检验、游戏娱乐领域的实景建模与仿真以及考古领域的遗址保护与复原等。

三维扫描系统在进行三维模型重构时，涉及的首要关键问题就是三维扫描系统的标定问题，即如何获得三维扫描系统中相机的内部参数和外部参数，以实现基于相机内部、外部参数的三角测量原理，进而完成三维模型重构。

现有技术中，最常用的基本扫描方法是对单/双目系统在固定视场尺度下对物体进行结构光成像，然后结合标定参数对物体进行三维计算获取点云数据。若改变视场需扫描前对扫描系统进行标定，获取系统在该视场下的内外参数。

显微三维测量的实际应用中经常会遇到多种不同的视场尺度测量，若变换视场尺度进行三维扫描前都需要重新对扫描系统进行标定，才能对待测物体进行三维扫描，这无疑对用户的使用带来很大不便，同时也限定了显微三维扫描装置的应用范围，降低了显微三维扫描装置的工作效率。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维扫描装置，以解决现有技术中当三维扫描装置的测量视场尺度变化后需要重新对三维扫描装置进行标定的问题。

本发明的另一目的在于提供一种对上述三维扫描装置进行标定的标定方法，使三维扫描装置应用所述的标定方法标定后可应用于多个不同视场尺度下的三维扫描过程。

本发明的再一目的在于提供一种应用上述三维扫描装置进行扫描的测量方法，在变换视场进行三维扫描时不必对三维扫描装置重新进行标定，提高测量效率。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种三维扫描装置，包括

投影单元，用于向被测物体投射结构光图案；

成像单元，用于成像所述被测物体反射的结构光图案；

所述投影单元的投影光路的光轴与所述成像单元的成像光路的光轴交叉，在被测物体上形成有交集的投影视场和成像视场；

控制单元，与所述投影单元和所述成像单元连接，用于控制所述投影单元和所述成像单元；

所述控制单元中存储若干三维重建时调用的标定参数，所述投影单元和所述成像单元设置有对应标定参数变焦的变焦镜头。

进一步的，所述控制单元中的若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，其中，标定参数a_ij为所述变焦镜头第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

进一步的，三维重建时，所述变焦镜头采用已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距，所述控制单元调用与之对应的标定参数a_ij。

进一步的，所述变焦镜头的第i个投影焦距所对应的投影视场和第j个成像焦距对应的成像视场的交集为测量视场，所述测量视场大于等于被测物体的大小。

进一步的，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元和所述成像单元在变焦范围分别变焦所得；

或者，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元和所述成像单元在变焦范围同步变焦所得，其中，i＝j。

进一步的，所述的三维扫描装置为显微三维扫描装置，

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头相互独立，所述微缩镜头与所述显微镜头分别至少包括可变焦的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头和所述显微镜头分别包括可同步驱动的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头与所述显微镜头至少包括共用的变焦镜和物镜。

一种应用于如上所述的三维扫描装置的标定方法，包括以下步骤：

S1，将三维扫描装置放置于距被测标准物体一定工作距处；

S2，将所述投影单元的投影焦距和所述成像单元的成像焦距变换至某一数值；

S3，控制单元获取步骤S2中在该投影焦距和成像焦距处对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数并存储在所述控制单元中；

S4，改变所述投影单元和所述成像单元的焦距，重复步骤S2-S3，控制单元获取与投影焦距和成像焦距相对应的若干标定参数并存储在所述控制单元中。

进一步的，步骤S4中，若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，其中，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距下对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

一种应用如上所述的一种三维扫描装置的测量方法，包括以下步骤：

S1，将三维扫描装置放置于距被测物体一定工作距处；

S2，根据被测物体大小，将所述投影单元的投影焦距和所述成像单元的成像焦距变换至某一数值，使投影视场和成像视场覆盖被测物体；

S3，控制单元调用投影焦距和成像焦距相对应的标定参数；

S4，利用所述标定参数对被测物体三维重建。

进一步的，所述控制单元中存储有若干标定参数，若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，步骤S3中，控制单元调用标定参数a_ij，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距相对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明的三维扫描装置可满足不同测量视场对应不同尺度的被测物体进行三维重建的要求。在转换测量视场的过程中，无需对三维扫描装置进行重新标定，而是调用控制单元中预存的标定参数进行三维重建。这为用户的使用带来极大的便利，同时也扩展了三维扫描装置的应用范围，提高了三维扫描装置的工作效率。

2、本发明通过在投影单元中设置微缩镜头，在成像单元中设置显微镜头，使本发明的三维扫描装置能够适用于显微三维扫描领域，在对微小物体三维扫描过程中，同样无需对三维扫描装置进行重新标定，提高了显微三维扫描的效率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明三维扫描装置的示意图；

图2是本发明显微三维扫描装置的一种实施方式的示意图；

图3是本发明显微三维扫描装置的另一种实施方式的示意图；

图中：1、控制单元；2、投影单元；21、投影器件；22、投影单筒显微镜；3、成像单元；31、成像器件；32、成像单筒显微镜；4、被测物体；5、变倍体；6、物镜。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种三维扫描装置，包括投影单元2、成像单元3和控制单元1。所述投影单元2用于向被测物体4投射结构光图案；所述成像单元3用于成像所述被测物体4反射的结构光图案；所述投影单元2的投影光路的光轴与所述成像单元3的成像光路的光轴交叉，在被测物体4上形成有交集的投影视场和成像视场，投影视场和成像视场的重合区域称为测量视场。

所述的控制单元1与所述投影单元2和所述成像单元3连接，用于控制所述投影单元2和所述成像单元3。优选的，所述的控制单元1可以为与所述投影单元2和所述成像单元3连接的计算机。

所述控制单元1中存储若干三维重建时可调用的标定参数，所述投影单元2和所述成像单元3设置有对应标定参数变焦的变焦镜头，变焦镜头通过变焦改变投影视场和成像视场。

详细的，如图1所示，控制单元1中存储有若干标定参数，在利用三维扫描装置对第一被测物体进行三维扫描时，工作人员通过调整投影单元的变焦镜头的投影焦距和成像单元的变焦镜头的成像焦距使三维扫描装置的测量视场覆盖第一被测物体。假设此时的测量视场为第一测量视场，这时，控制单元1调取与第一测量视场对应的投影焦距和成像焦距相对应的标定参数对第一被测物体进行三维重建。

实际应用中常常会出现需要连续对不同的被测物体4进行三维重建的工作，且为了达到最优的测量效果时，大小不同的被测物体4所需的测量视场往往是不同的。例如，警用现场勘查的三维痕迹提取、对不同工件的三维测量以及对人体皮肤的三维成像等使用环境。

例如，在第一被测物体的三维重建工作结束后，如果工作人员需要继续利用该三维扫描装置对第二被测物体进行三维重建，且第二被测物体与第一被测物体所需的测量视场不同时，工作人员调整该三维扫描装置的投影单元的变焦镜头的投影焦距和成像单元的变焦镜头的成像焦距使该三维扫描装置的测量视场覆盖第二被测物体。假设此时的测量视场为第二测量视场，这时，控制单元1调取与第二测量视场对应的投影焦距和成像焦距相对应的标定参数对第二被测物体进行三维重建。

以此类推，本发明的三维扫描装置可满足不同测量视场下对不同的被测物体进行三维重建的要求，在转换测量视场的过程中，无需对三维扫描装置进行重新标定，而是调用控制单元1中预存的标定参数进行三维重建。这为用户的使用带来极大的便利，同时也扩展了三维扫描装置的应用范围，提高了三维扫描装置的工作效率。

进一步的方案中，所述控制单元1中的若干标定参数组成m×n矩阵A_mn，其中，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距下对应标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

详细的，m表示投影单元的变焦镜头可变换的m个投影焦距，n表示成像单元的变焦镜头可变换的n个成像焦距，m、n大于等于1。m个投影焦距逐一分别与n个成像焦距配合形成不同的测量视场。控制单元1中存储的m×n个标定参数对应m×n个测量视场。其中，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距下对应标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}。

例如，三维扫描装置的投影单元的变焦镜头可变换3个投影焦距，成像单元的变焦镜头可变换4个成像焦距，3个投影焦距逐一与4个成像焦距配合形成12个不同的测量视场。控制单元1中存储有12个不同的标定参数与12个不同的测量视场相对应。

12个标定参数组成一包括12个元素的矩阵A₃₄：

其中，标定参数a₁₁为第1个投影焦距和第1个成像焦距下的标定参数；标定参数a₁₂为第1个投影焦距和第2个成像焦距下的标定参数；……；标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数；……；标定参数a₃₄为第3个投影焦距和第4个成像焦距对应的标定参数。

当被测物体4需要其中一个测量视场进行三维重建时就需要调用与该测量视场相对应的标定参数，那么调用的这一标定参数是与形成该测量视场的某一投影焦距和某一成像焦距相对应的。

进一步的方案中，所述控制单元在三维重建时，采用已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距，并调用与之对应的标定参数a_ij。

详细的，三维扫描装置在出厂前进行标定，根据不同规格的被测标准物所需的测量视场，在投影单元的变焦镜头可变换的焦距中选择若干投影焦距与成像单元的变焦镜头可变换的焦距中选择若干成像焦距配合进行标定，同时生成若干标定参数存储于控制单元1中。在出厂后，应用该三维扫描装置进行三维重建时，根据实际被测物体4三维重建过程中所需的测量视场将投影焦距和成像焦距定位至已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距处，并调用与之对应的标定参数a_ij进行三维重建。

本发明的三维扫描装置包括能够实现上述投影焦距和成像焦距的定位功能的结构。

需要注意的是，本发明所述的将投影焦距和成像焦距定位至已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距，由于实现方式不同定位过程可能存在微小误差，因此，凡包含上述定位含义的结构均在本发明的保护范围之内。

优选的方案中，所述的若干标定参数为若干测量视场对应的标定参数，所述测量视场为投影视场和成像视场的交集，所述投影视场大于所述成像视场。

详细的，在确定测量视场的范围时限定投影视场大于成像视场，使被测物体4实现该视场下最高像素分辨率的成像结果，提高三维扫描装置三维重建的分辨率。

进一步的，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元2和所述成像单元3在变焦范围分别变焦所得。

或者，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元和所述成像单元在变焦范围同步变焦所得，其中，i＝j。

优选的实施方式中，所述的三维扫描装置为显微三维扫描装置，

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头相互独立，所述微缩镜头与所述显微镜头分别至少包括可变焦的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头和所述显微镜头分别包括可同步驱动的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头与所述显微镜头至少包括共用的变焦镜和物镜。

详细的，一种实施方式中，所述的三维扫描装置为显微三维扫描装置，在进行微小物体的显微三维扫描时，调用标定参数进行三维重建。

在另一种实施方式中，如图2所示，微缩镜头为投影单筒显微镜22，显微镜头为成像单筒显微镜32。投影单筒显微镜22和成像单筒显微镜32分别包括可变焦的变焦镜和物镜。

投影单元2还包括可投射序列条纹图案的投影器件21和投影适配器；成像单元3还包括接收反射回的序列条纹图像的成像器件31和成像适配器。所述投影适配器设置在所述投影器件21与投影单筒显微镜22之间，用于耦合投影器件21与投影单筒显微镜22；所述成像适配器设置在所述成像器件31与成像单筒显微镜32之间，用于耦合成像器件31与成像单筒显微镜32。

投影器件21投射的序列条纹图案通过投影适配器进入投影单筒显微镜22，投影单筒显微镜22的变焦镜和物镜变视场投射序列条纹图案。投影器件21、投影适配器、投影单筒显微镜共同为投影光线提供投影通道。这里投影单筒显微镜将投影器件的条纹图案缩小投射到被测物体上可称为微缩镜头。

成像单筒显微镜的变焦镜和物镜变视场成像反射回的序列条纹图像,该图像经成像适配器藕合到成像器件31上。成像器件31、成像适配器、成像单筒显微镜32共同为成像光线提供成像通道。这里成像单筒显微镜32将被测物体上的微小投影区域放大成像于成像器件上可称为显微镜头。

投影单筒显微镜22和成像单筒显微镜32均包括独立的变焦镜，在变焦范围内投影单筒显微镜22的变焦镜和成像单筒显微镜32的变焦镜分别变焦获得投影单筒显微镜22的投影焦距和成像单筒显微镜32的成像焦距，进而可调整显微三维扫描装置的测量视场。

微缩单筒显微镜和显微单筒显微镜的光轴交叉设置，以便使微小的投影视场与微小的成像视场在被测物体4上交汇，使微小物体的三维扫描得以实现。

上述实施方式中的，m和n可以相等，也可不相等。这是由于不同的光学元器件本身具有的特性不同，那么，在投影单筒显微镜22和成像单筒显微镜32上选择设定与标定参数相对应的投影焦距和成像焦距时就可以按照光学元器件本身的特性进行选择。如果，投影单筒显微镜22本身的变焦范围较大，则可以设定投影焦距的个数大于成像单筒显微镜32成像焦距的个数。反之也可设定投影焦距的档位个数小于成像单筒显微镜32的档位个数。

当然，这是根据光学元器件本身的特性进行选择。也可以根据用户的需求进行定制。用户在实际应用中需要哪些测量视场，就可以根据这些需要的测量视场对应投影焦距和成像焦距进行标定。

作为可实现的硬件实施方式，投影单筒显微镜22为一变焦镜头组件，可变换m个不同焦距，同时配置有焦距定位手轮。三维重建过程中，可通过旋转手轮定位至所需的第i个投影焦距处。同理，成像单筒显微镜32也为一变焦镜头组件，可变换n个不同焦距，同时配置有焦距定位手轮。三维重建过程中，可通过旋转手轮定位至所需的第j个成像焦距处。

当通过手轮分别定位至第i个投影焦距和第j个成像焦距时，控制单元调用与第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数a_ij对被测物体进行三维重建。

另一种实施方式与上述实施方式的区别是：用于变换投影单筒显微镜22的投影焦距的手轮和用于变换成像单筒显微镜32的成像焦距的手轮可同步驱动。

需要注意的是，现有技术中公开的能够实现上述分别变焦定位至第i个投影焦距和第j个成像焦距的硬件结构还有很多，本发明的上述结构仅作为对本发明的解释。

另一种实施方式中，如图3所示，详细的，用于改变投影视场和成像视场的变焦镜头至少包括集成一体的变倍体5，即微缩镜头与显微镜头共用集成一体的变倍体5。变焦镜头至少还包括投影适配器和成像适配器，所述投影适配器设置在所述投影器件21与变倍体5之间；所述成像适配器设置在所述成像器件31与变倍体5之间。

变焦镜头至少还包括物镜6，优选的，物镜6至少应覆盖变倍体5，物镜6设置在变焦镜头的前端，使投影器件21发出的投射平行光经过物镜6后发生偏折射向被测物体4，被测物体4反射的偏折光经过物镜6后变为与投射平行光相平行的反射平行光，进而被成像器件31所接收。使所述投影单元2的投影光路的光轴与所述成像单元3的成像光路的光轴对称交叉。

投影单元2至少包括可投射投影图案的投影器件21，投影器件21、投影适配器、变倍体5、物镜6共同为投影光线提供投影通道。投影器件21发出的投影图案经投影通道微缩投射到被测物体上，可称之为微缩通道。

成像单元3至少包括接收反射回的投影图像的成像器件31，成像器件31、成像适配器、变倍体5、物镜6共同为成像光线提供成像通道。被测物体上的微小投影区域经成像通道放大成像于成像器件上，可称之为显微通道。

通过改变变倍体5的焦距可调整显微三维扫描装置的测量视场。

上述方案中，由于在显微三维扫描装置中设置了一个物镜6、共同的变倍体5分别与投影器件21和成像器件31组成投影光路和成像光路，因此，在根据测量视场设定投影焦距和成像焦距时是在变倍体5的变焦范围内同步变换变倍体5的焦距实现的。即投影焦距与成像焦距应该是相等的。

此时，若干标定参数组成的m×n矩阵A_mn就转换为对角矩阵，即，m＝n。

矩阵的A_mn即可表示为

在对被测物体4进行三维重建时，调取应用于被测物体4所需的测量视场的标定参数a_ij，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为变倍体5在变焦范围同步变焦所得，而i＝j。

作为可实现的硬件实施方式，所述变倍体5包括具有双通道平行光路的多组镜组。显微三维扫描装置还包括一与所述变倍体5连接的执行机构，用于调节不同镜组之间在光轴方向上的距离以变换所述变倍体5的投影焦距和成像焦距。执行机构与控制单元连接，由控制单元控制其执行过程。优选的，所述执行机构包括驱动电机。

利用显微三维扫描装置进行三维重建时，所述控制单元控制所述驱动电机调整不同镜组之间在光轴方向上的距离，使变倍体5定位至第i个投影焦距和所述第j个成像焦距，进而调用与第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数a_ij对被测物体进行三维重建，必然的，此过程中的i＝j。

同样需要注意的是，现有技术中公开的能够实现上述同步变焦定位至第i个投影焦距和第j个成像焦距的硬件结构也有很多，本发明的上述结构仅作为对本发明上述实施方式的解释。

上述方案中，限定了投影光路的光轴与成像光路的光轴为对称交叉，可进一步提升测量精度，对微小物体的三维重建意义重大。提高本发明的显微三维扫描装置对微小物体的测量精度。

进一步的方案中，在第i个投影焦距和第j个成像焦距下利用被测标准物对显微三维扫描装置进行参数标定后生成的标定参数a_ij中包括影响三维重建的多种因素，例如，可能包括像素信息、灰度信息、以及畸变系数等。这些参数也可组成一参数矩阵。

本发明还提供一种三维扫描装置的标定方法，用于对上述的三维扫描装置进行标定。

具体的步骤包括：

S1，将三维扫描装置放置于距被测标准物体一定工作距处；

S2，将所述投影单元2的投影焦距和所述成像单元3的成像焦距变换至某一数值；

S3，控制单元1获取步骤S2中在该投影焦距和成像焦距处对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数并存储在所述控制单元1中；

S4，改变所述投影单元2和所述成像单元3的焦距，重复步骤S2-S3，控制单元1获取与投影焦距和成像焦距相对应的若干标定参数并存储在所述控制单元1中。

详细的，三维扫描装置在出厂前进行标定，根据不同规格的被测标准物所需的测量视场，投影单元的变焦镜头的变焦范围中选择的若干投影焦距与成像单元的变焦镜头的变焦范围中选择的若干成像焦距配合进行标定，同时生成若干标定参数存储与控制单元1中。

进一步的，步骤S4中的标定参数形成一m×n矩阵A_mn，其中，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距下对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

优选的，可根据变焦镜头的情况生成不同类型的矩阵A_mn，具体参见前述实施方式，此处不再赘述。

在出厂后，应用该三维扫描装置进行三维重建时，根据实际被测物体4三维重建过程中所需的测量视场将投影焦距和成像焦距定位至已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距处，并调用与之对应的标定参数a_ij进行三维重建。

进一步的方案中，在第i个投影焦距和第j个成像焦距下利用被测标准物对三维扫描装置进行参数标定后生成的标定参数a_ij中包括影响三维重建的多种因素，例如，可能包括像素信息、灰度信息、以及畸变系数等。这些参数也可组成一参数矩阵。

本发明还提供一种应用上述三维扫描装置进行三维重建的测量方法，具体包括以下步骤：

S1，将三维扫描装置放置于距被测物体4一定工作距处；

S2，根据被测物体4大小，将所述投影单元2的投影焦距和所述成像单元3的成像焦距变换至某一数值，使投影视场和成像视场覆盖被测物体4；

S3，控制单元1调用投影焦距和成像焦距相对应的标定参数；

S4，利用所述标定参数对被测物体4三维重建。

进一步的，所述控制单元1中存储有若干标定参数组成m×n矩阵A_mn，步骤S3中，控制单元1调用标定参数a_ij，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

进一步的方案中，标定参数a_ij中包括影响三维重建的多种因素，例如，可能包括像素信息、灰度信息、以及畸变系数等。这些参数也可组成一参数矩阵。

详细的，控制单元1中存储有若干标定参数，标定参数是在出厂前对被测标准物进行标定获得的参数，在利用三维扫描装置对被测物体4进行三维扫描时，工作人员通过调整投影单筒显微镜22的投影焦距和成像单筒显微镜32的成像焦距，或者通过调整变倍体5的焦距使三维扫描装置的测量视场覆盖第一被测物体。假设此时的测量视场为第一测量视场，这时，控制单元1调取与第一测量视场下的投影单筒显微镜22的投影焦距和成像单筒显微镜32的成像焦距或变倍体5的焦距相对应的标定参数对第一被测物体进行三维重建。

上述调整投影单筒显微镜22的投影焦距和成像单筒显微镜32的成像焦距或者调整变倍体5的焦距的过程实质上是在测量过程中将投影单筒显微镜22的投影焦距和成像单筒显微镜32的成像焦距或者变倍体5的焦距进行定位的过程，将其定位至标定过程中该标定参数所需的投影焦距、成像焦距或者变倍体5的焦距。

实际应用中常常会出现需要连续对不同的被测物体4进行三维重建的工作，且为了达到最优的测量效果时，不同的被测物体4所需的测量视场往往是不同的。例如，警用现场勘查的三维痕迹提取、对不同工件的三维测量以及对人脸皮肤的三维图像成像等使用环境。

在一个优选的实施例中，本发明用于重建微小结构表面的三维形貌，例如，在第一被测物体的三维重建工作结束后，如果工作人员需要继续利用该显微三维扫描装置对第二被测物体进行三维重建，且第二被测物体与第一被测物体所需的测量视场不同时，工作人员调整该显微三维扫描装置的变倍体5的焦距使该显微三维扫描装置的测量视场覆盖第二被测物体。假设此时的测量视场为第二测量视场，这时，控制单元1调取与第二测量视场下的变倍体5的焦距相对应的标定参数对第二被测物体进行三维重建。

以此类推，本发明的三维扫描装置可满足不同测量视场对应不同尺度的被测物体4进行三维重建的要求，在转换测量视场的过程中，无需重新对三维扫描装置进行重新标定，而是调用控制单元1中预存的标定参数进行三维重建。这为用户的使用带来极大的便利，同时也扩展了三维扫描装置的应用范围，提高了三维扫描装置的工作效率。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种三维扫描装置，包括

投影单元，用于向被测物体投射结构光图案；

成像单元，用于成像所述被测物体反射的结构光图案；

所述投影单元的投影光路的光轴与所述成像单元的成像光路的光轴交叉，在被测物体上形成有交集的投影视场和成像视场；

控制单元，与所述投影单元和所述成像单元连接，用于控制所述投影单元和所述成像单元；

其特征在于：所述控制单元中存储若干三维重建时调用的标定参数，所述投影单元和所述成像单元设置有对应标定参数变焦的变焦镜头。

2.根据权利要求1所述的一种三维扫描装置，其特征在于：

所述控制单元中的若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，其中，标定参数a_ij为所述变焦镜头第i个投影焦距和第j个成像焦距对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

3.根据权利要求2所述的一种三维扫描装置，其特征在于：

三维重建时，所述变焦镜头采用已标定的第i个投影焦距和第j个成像焦距，所述控制单元调用与之对应的标定参数a_ij。

4.根据权利要求2或3所述的一种三维扫描装置，其特征在于：

所述变焦镜头的第i个投影焦距所对应的投影视场和第j个成像焦距对应的成像视场的交集为测量视场，所述测量视场大于等于被测物体的大小。

5.根据权利要求4所述的一种三维扫描装置，其特征在于：

所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元和所述成像单元在变焦范围分别变焦所得；

或者，所述第i个投影焦距和所述第j个成像焦距为所述投影单元和所述成像单元在变焦范围同步变焦所得，其中，i＝j。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种三维扫描装置，其特征在于：所述的三维扫描装置为显微三维扫描装置，

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头相互独立，所述微缩镜头与所述显微镜头分别至少包括可变焦的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头和所述显微镜头分别包括可同步驱动的变焦镜和物镜；

或者，所述投影单元包括微缩镜头，所述成像单元包括显微镜头，所述微缩镜头与所述显微镜头的光轴对称交叉，所述微缩镜头与所述显微镜头至少包括共用的变焦镜和物镜。

7.一种应用于如权利要求1-6任一所述的三维扫描装置的标定方法，其特征在于：包括以下步骤

S1，将三维扫描装置放置于距被测标准物体一定工作距处；

S2，将所述投影单元的投影焦距和所述成像单元的成像焦距变换至某一数值；

S3，控制单元获取步骤S2中在该投影焦距和成像焦距处对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数并存储在所述控制单元中；

S4，改变所述投影单元和所述成像单元的焦距，重复步骤S2-S3，控制单元获取与投影焦距和成像焦距相对应的若干标定参数并存储在所述控制单元中。

8.根据权利要求7所述的一种三维扫描装置的标定方法，其特征在于：

步骤S4中，若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，其中，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距下对被测标准物三维标定生成的与该投影焦距和成像焦距相对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

9.一种应用如权利要求1-6任一所述的一种三维扫描装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤

S1，将三维扫描装置放置于距被测物体一定工作距处；

S2，根据被测物体大小，将所述投影单元的投影焦距和所述成像单元的成像焦距变换至某一数值，使投影视场和成像视场覆盖被测物体；

S3，控制单元调用投影焦距和成像焦距相对应的标定参数；

S4，利用所述标定参数对被测物体三维重建。

10.根据权利要求9所述的一种三维扫描装置的测量方法，其特征在于：

所述控制单元中存储有若干标定参数，若干标定参数为矩阵A_mn，矩阵A_mn包括m×n个标定参数，步骤S3中，控制单元调用标定参数a_ij，标定参数a_ij为第i个投影焦距和第j个成像焦距相对应的标定参数，i＝{1……m}，j＝{1……n}，m、n大于等于1。

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