第1章结构光系统概述

一、结构光系统概述

大家好，我是老张。做结构光这行快十年了，踩过的坑比走过的路还多。今天咱们聊聊结构光系统的基础，这部分看似简单，但很多新手上来就翻车。嗯，我先把核心框架画出来，你心里有个谱。

说白了，结构光就是「主动投射 + 三角测量」。投影仪往物体上打光，相机从另一个角度拍，然后通过几何关系算出深度。我刚开始接触这行时，总觉得这跟人眼双目视觉差不多，后来才发现——主动投射的好处太大了，尤其遇到纹理很弱的物体，比如白墙、塑料件，双目视觉直接歇菜，结构光反而游刃有余。

核心公式其实就一个：

Z = (B * f) / (d + Δ)

其中 B 是基线距离（投影仪和相机光心之间的距离），f 是相机焦距，d 是视差，Δ 是系统误差项。嗯，这个 Δ 我当年调了整整两周才搞定，后面会细说。

关键点：结构光的精度取决于三个因素——基线长度、编码分辨率、标定精度。基线越长，深度分辨率越高，但遮挡问题也越严重。我个人习惯在 200mm-500mm 之间选，具体看被测物体大小。

一个典型的结构光系统，硬件上就两样东西：投影仪和相机。但这里面的门道不少。

DLP 投影仪：我主力用的。刷新率高，能到 120Hz 甚至更高，适合相移法这种多帧编码。德州仪器的 DLP LightCrafter 系列我用过好几代，稳定性不错。
LCD 投影仪：便宜，但刷新率低，而且像素边缘模糊。我建议只用在静态场景或者散斑方案里。
激光投影：散斑噪声大，但景深极深。做大型物体（比如汽车）时可以考虑。

我的经验：投影仪和相机之间最好加一个同步触发线。用软件同步经常丢帧，尤其跑高速的时候。我后来全部改成硬件触发，再也没出过问题。

编码策略是结构光的灵魂。说白了，就是怎么给每个像素一个「身份证」，让相机能认出投影仪打出来的是哪条光。目前主流的有三种，我一个个说。

相移法是我最常用的方法。它通过投射多张正弦条纹图，每张之间相位偏移一定角度（通常是 90° 或 120°），然后通过反正切函数解出相位。精度很高，能达到亚像素级别。

// 三步相移法示例（相位偏移 120°）
I1 = A + B * cos(φ)
I2 = A + B * cos(φ + 2π/3)
I3 = A + B * cos(φ + 4π/3)

// 解相位
φ = atan2(√3 * (I1 - I3), 2*I2 - I1 - I3)

但相移法有个坑——解出来的相位是包裹的，范围在 [-π, π] 之间，需要做相位展开。我曾经在展开这一步栽过跟头，遇到物体表面有陡峭台阶时，展开算法直接崩了。后来我改用多频外差法，才彻底解决。

避坑指南：我曾经在金属反光表面用相移法，结果高光区域完全解不出相位。后来加了偏振片，效果立竿见影。记住——高光是相移法的天敌。

格雷码是二值化编码，每张图只有黑白两种灰度。它的好处是鲁棒性极强，对表面纹理不敏感，也不怕环境光干扰。我做过对比测试，在同样光照条件下，格雷码的误码率比相移法低一个数量级。

格雷码的编码方式很巧妙：相邻两个码字之间只有一位不同。这样即使解码时出现一位错误，也不会导致深度值跳变太大。

// 格雷码与二进制码的转换
// 二进制 → 格雷码
gray = binary ^ (binary >> 1)

// 格雷码 → 二进制
binary = gray;
while (mask >>= 1) binary ^= mask;

但格雷码的精度受限于投影分辨率。比如投影仪是 1024 像素宽，用 10 位格雷码，理论精度就是 1/1024。想提高精度？要么换更高分辨率的投影仪，要么跟相移法结合——这就是混合编码的思路。

散斑方案跟前面两种完全不同。它不投射规则条纹，而是投射随机散斑图案。相机拍一张图，然后跟参考图做块匹配，找到对应点，再算深度。

散斑最大的优势是——单帧就能重建。Kinect v1 用的就是散斑方案，能做到 30fps 实时。但缺点也很明显：精度低，而且依赖物体表面纹理。如果物体是纯色的，匹配效果就很差。

三种编码对比：

最后说一句，实际项目中我很少只用一种编码。比如做高精度测量时，我会用「格雷码 + 相移法」混合——格雷码做粗定位，相移法做细定位，精度能到 0.01mm 级别。你想想看，这比单一编码强太多了。

好了，这一章就聊到这儿。结构光系统说复杂也复杂，说简单也简单——原理就一个三角测量，但真正落地时，每个环节都有坑。后面我会把调参的实战经验一点点掰开揉碎了讲给你听。

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