【条纹结构光系列（1）：系统搭建】

介绍

条纹结构光是一种非接触光学3D测量技术，在文献里通常被称为条纹投影轮廓术。它的特点是在近距能够实现高空间分辨率3D、高精度（微米级）的测量。凭借着这些特点，条纹结构光被用于零部件缺陷检测、机械臂视觉引导、3D扫描等对测量精度要求较高的场景。本文开启一个新的博客系列，介绍条纹结构光技术。笔者将分享条纹结构光系统搭建以及实现系统标定、三维重建的完整过程。本文主要介绍系统搭建过程。

系统构成

条纹结构光系统主要由投影仪、相机构成。根据所使用相机数量的不同，条纹结构光主要可分为单目、双目两种系统。两种系统的标定和重建算法存在不少的差异，在后续的博客中将会详细介绍。笔者用两台相机和一台投影仪搭建了结构光系统。实现单目系统时，仅使用投影仪和两台中的一台相机，实现双目系统时，则同时使用投影仪和两台相机。

以下是所用投影仪和相机的作用说明和核心参数。

投影仪

投影仪用于投射出条纹，由于条纹结构光通常采用时序编码，因此投射的条纹图案在不同帧是不同的。所以投影仪需要有投射可变图案的能力。笔者购买了工业级3D扫描专用的DLP投影仪来投射条纹图案，其主要参数如下表。

投射比的定义为投影距离D DD与画面宽度W WW的比值，可以换算得到水平FOV约 64.0°，竖直FOV约38.7°，逆相机模型的焦距（镜头焦距比像素大小）约为f x = 1920 × 0.8 = 1536 f_x = 1920 \times 0.8 = 1536fx​=1920×0.8=1536。

相机

相机用于采集投射到物体上产生变形的条纹。笔者用以前购买的两台海康工业相机来搭建系统，相机主要参数如下表。

镜头使用的是已有12mm镜头，最大光圈2.8。计算得到相机水平FOV和竖直FOV大约分别是38.8°和32.8°，与投影仪FOV有明显差距。这里确实是搭建系统时没有做好的地方，因为用的是已有相机和镜头，FOV没有做到太匹配，有些浪费投影仪的性能。不过这也保证了相机固定时有很大的结构自由度，不用担心出现相机视场超出投影仪投射区域的情况。

系统搭建

下图是搭建的系统结构，投影仪位于两台相机中间，左相机到投影仪镜头的基线长度大约17.5cm，两台相机的基线长度大概35cm。

上图中两个相机和投影仪光轴是平行放置，但后面调试发现在感兴趣测量范围内，两个相机FOV没有很好重叠，所以后来做了调整，让左右两个相机朝投影仪光轴偏转了一定角度。

投影仪控制

使用TI官方的DLP EVM软件控制投影仪投射条纹。这个软件可以控制投影仪投射一些软件和固件中自带的图案，或者自己添加的1bit、8bit一维横条纹或者竖条纹图像。下图是控制投影仪投射自带的棋盘格图像。

下图是使用Light Control功能投射自己生成的一维8bit横条纹和竖条纹图案。

添加完成后，选择要投影的Pattern Set，并设置前曝光、曝光、后曝光时间。前曝光、后曝光时间并不投射图案，是为了DMD 数据加载、系统时序稳定、与外部相机同步，并提供曝光与帧率分离的灵活性。只有曝光时间才是投射图案的。三个时间的和要大于相机最短采图间隔，否则同步时相机采图会出现丢帧。观察Triger Out2图案可以看到，当投影仪投射图案时，会持续输出高电平，这个信号可以用来控制相机同步采图。下图中，三个时间分别设置成了20000us、2000us、20000us，大于相机帧周期（1/60fps=16667us）。

相机控制

相机控制使用海康的MVS软件。需要和投影仪同步拍摄时，将相机设为外触发模式。

相机对焦和光圈调节

组装完成后，需要调整相机与投影仪的对焦以及相机的光圈。相机对焦根据根据感兴趣的深度测量范围确定。笔者关注500mm到1000mm的测量区间，所以将相机对焦于中间位置。将标定板放置于约750mm处，调节相机光圈至最大（这样景深最浅，最能凸显对焦是否清晰），然后调节对焦环直至标定板成像最为清晰。对焦完成后，调小相机光圈，让标定板在500mm和1000mm处也有合适的清晰度。最后，拍摄白墙，微调其中一个相机的光圈，使两个相机图像灰度均值基本一致。

投影仪对焦调节

完成相机对焦和光圈调节后，锁紧螺丝，开始调节投影仪对焦。将投影仪放置于距离白墙500mm处，控制投影仪投射棋盘格图案，调节投影仪对焦至图案最清晰。此时查看相机图像，通常可以观察到清晰的投影仪像素颗粒。这种像素颗粒会对测量质量产生不利，需要消除。进一步调节投影仪对焦至更近的距离，直至500mm处的相机图像恰无法观察到像素颗粒。这样基本上可以最大程度利用投影仪分辨率，并能够保证500mm至更远的距离都无法观察到像素颗粒。

投影仪和相机同步

笔者所购投影仪同步信号高电平电压为3.3V，恰与所购工业相机可用的最低同步信号电压一致，所以可以直接把投影仪同步线接到相机的同步线输入上。投影仪在投射图案时，输出持续的高电平信号。将相机设为外触发模式，选择外触发端口，并设置为检测到上升沿信号时采集图像，这样就每当投影仪投射图案时，相机就会采集图像，从而实现了投射条纹和采集图像的同步。下面的视频展示了投影仪和双相机同步效果。

相机曝光时间设置

相机的曝光时间不能小于投影仪曝光时间，否则将出现图案失真的情况。这是因为DLP投影仪本质只能投射黑白二值图案，投射8bit图案时，会根据bit位的高低编码为多个二值图案，并用不同的曝光时间依次投射，这些二值图案在曝光时间进行能量累加后，才能形成连续的8bit图案。相机曝光时间小于投影仪曝光时间时，可以看到不同bit明显的阶梯图案。下图是投影仪曝光时间设为2000us，相机曝光设置为500us、1000us、1500us、2000us时拍摄的8bit条纹图案。

笔者在后续测试中发现，最好将相机曝光时间A设置为略大于投影仪曝光时间B，并将投影仪Triger Out2输出提前(A-B)/2，这样可以避免上升沿触发误差导致的条纹图案失真。下图是投影仪曝光时间设置为3000us，相机曝光时间设置为3000us和设置为3100us并提前50us输出同步信号的墙面重建效果对比，可以清楚的发现前者存在条纹失真导致的谐波误差，而后者更加平整。