第二章：结构光系统核心组件

结构光系统，说白了就是一套「光与相机」的精密配合。我做了这么多年3D视觉，见过太多系统出问题，最后发现都是某个组件没选对。今天咱们就把投影系统、相机系统、标定板和同步触发这四块，一个一个拆开讲清楚。

2.1 投影系统：DLP、LCoS、LCD

投影系统是结构光的「光源大脑」。它负责把编码好的条纹图案投射到物体表面。三种主流技术，各有各的脾气。

2.1.1 DLP（数字光处理）

DLP 是目前结构光领域的主流选择。它的核心是一块 DMD 芯片，上面密密麻麻排布着微镜阵列。每个微镜都能独立翻转，实现高速开关。

我个人习惯用 DLP，原因很简单：

• 速度极快：微秒级切换，轻松实现 1000fps 以上的投影速率。我在做高速动态物体扫描时，DLP 是唯一能跟上的方案。
• 对比度高：黑白分明，条纹边缘锐利。这对相位解包裹非常有利。
• 分辨率灵活：从 VGA 到 4K 都有成熟产品。

2.1.2 LCoS（硅基液晶）

LCoS 是另一种反射式投影技术。它的像素间距可以做得非常小，所以分辨率上限很高。

• 优点：填充因子高（>90%），画面细腻无网格感。适合需要高分辨率条纹的场景。
• 缺点：响应速度比 DLP 慢，通常在毫秒级。而且液晶有温度漂移问题，需要做补偿。

嗯，这里要注意：LCoS 的偏振特性会限制某些编码方案。如果你用相移法，LCoS 的偏振态变化可能会引入相位误差。

2.1.3 LCD（液晶显示）

LCD 是最便宜的方案，但也是性能最差的。它的液晶分子响应慢，刷新率通常只有 60Hz 左右。

我建议只在实验室验证阶段用 LCD。真正做产品时，LCD 的拖影和低对比度会让你抓狂。你想想看，一个条纹边缘模糊的投影，怎么保证亚像素级的匹配精度？

参数	DLP	LCoS	LCD
响应速度	微秒级	毫秒级	10ms+
对比度	高（>1000:1）	中（500:1）	低（200:1）
分辨率上限	4K	8K+	4K
成本	高	中	低
适用场景	高速/高精度	高分辨率静态	实验室验证

2.2 相机系统：CMOS vs CCD

相机是结构光的「眼睛」。选错相机，投影再好也白搭。

2.2.1 CMOS（互补金属氧化物半导体）

CMOS 传感器是目前的主流。它的每个像素都集成放大器，读出速度快，功耗低。

• 全局快门：这是结构光的关键要求。CMOS 的全局快门可以同时曝光所有像素，避免运动模糊。我做过一个抓取流水线零件的项目，用的就是全局快门 CMOS，效果很好。
• 高帧率：轻松实现 100fps 以上，配合 DLP 的高速投影，可以实现实时 3D 重建。
• 噪声问题：CMOS 的固定模式噪声（FPN）比 CCD 高。但现代 CMOS 通过片上校正，已经可以接受。

2.2.2 CCD（电荷耦合器件）

CCD 是传统方案，现在用得少了。它的优点是噪声极低，图像均匀性好。

• 缺点：读出速度慢，帧率低。而且 CCD 通常只有卷帘快门，不适合动态场景。
• 适用场景：静态物体的超高精度测量。比如文物扫描、精密零件检测。

说实话，除非你追求极致的信噪比，否则我建议优先选 CMOS。CCD 的卷帘快门在结构光中是个大坑——条纹移动时，卷帘快门会导致图像畸变。

2.3 标定板

标定板是结构光系统的「尺子」。没有它，你的 3D 数据就是一堆乱码。

2.3.1 标定板类型

• 棋盘格：最经典。角点检测简单，鲁棒性好。我习惯用 12x9 的棋盘格，每个格子 20mm。
• 圆点阵：圆心定位精度比角点高，适合高精度标定。但圆点阵对透视畸变敏感，需要小心。
• 编码标定板：每个特征点有唯一编码，可以自动识别。适合多视角系统。

2.3.2 标定板材质

材质会影响标定精度。我踩过坑：

• 陶瓷基板：热膨胀系数小，精度高。但贵。
• 玻璃基板：平整度好，但易碎。
• 亚克力板：便宜，但热变形严重。我曾经在夏天用亚克力板标定，结果温度一高，标定板弯了，标定结果全废。

2.4 同步触发机制

同步触发是结构光系统的「心跳」。投影和相机必须严格同步，否则条纹和图像对不上。

2.4.1 硬件触发

这是最可靠的方式。用 FPGA 或单片机产生触发信号，同时发给投影仪和相机。

// 伪代码示例：FPGA 同步触发逻辑
always @(posedge clk) begin
  if (frame_start) begin
    projector_trigger <= 1;  // 触发投影切换条纹
    #10;                     // 等待投影稳定
    camera_trigger <= 1;     // 触发相机曝光
    #5;
    camera_trigger <= 0;
    #5;
    projector_trigger <= 0;
  end
end

我建议用硬件触发，延迟可以控制在纳秒级。软件触发（比如通过 USB 发送指令）的延迟不稳定，容易丢帧。

2.4.2 软件触发

如果硬件条件有限，也可以用软件触发。但要注意：

• 操作系统调度会导致延迟抖动（通常 1-10ms）
• 需要做时间戳对齐
• 不适合高速场景（>30fps）

2.4.3 同步策略

常见的同步策略有两种：

• 投影先触发，相机后触发：等投影条纹稳定后再曝光。适合 DLP 这种快速切换的投影。
• 相机先触发，投影后触发：适合 LCD 这种慢速投影，可以避免拖影。

我个人习惯用第一种。DLP 的微秒级切换，几乎不需要等待。但如果你用 LCD，记得在投影切换后加 10ms 的延迟，等液晶稳定。

2.5 知识体系总览

下面这张图，把本章的核心逻辑串起来了。你可以把它当作选型时的 checklist。

这张图里，四个组件是并列关系，缺一不可。投影和相机决定了你能拍出什么样的条纹图像，标定板决定了你能把图像转换成多精确的 3D 坐标，同步触发则保证了这一切在时间上对齐。

好了，核心组件就讲到这里。下一章咱们聊聊编码策略——怎么设计条纹图案，才能让系统又快又准。

---