4. 多相机系统概述：常见拓扑结构与同步触发机制
多相机系统是3D视觉中实现大视场、高精度、多视角重建的基础。本章从系统拓扑和同步触发两个核心维度展开，帮助理解不同应用场景下如何设计相机网络。
4.1 多相机系统的常见拓扑结构
根据相机之间的空间关系与重叠区域，多相机系统主要分为三种典型拓扑：立体对、环视和阵列。下表对比了它们的核心特征与适用场景。
| 拓扑类型 | 相机数量 | 视场重叠 | 主要用途 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 立体对 | 2 | 高重叠（>80%） | 深度估计、视差计算 | 双目视觉、结构光 |
| 环视 | 4~8 | 低重叠（10%~30%） | 全景拼接、360°感知 | 自动驾驶环视、VR全景 |
| 阵列 | ≥8（可至数百） | 中等重叠（30%~60%） | 高精度3D重建、光场采集 | 动作捕捉、工业检测 |
4.1.1 立体对拓扑
立体对是最基础的多相机结构，由两台相机组成，光心间距（基线）固定。通过匹配左右图像中的同名点，利用三角测量原理计算深度。基线长度直接影响深度精度：基线越长，深度分辨率越高，但视场重叠区域会减小。
4.1.2 环视拓扑
环视系统将相机围绕场景或载体均匀布置，相邻相机之间保留少量重叠区域用于图像拼接。典型配置为4~6个相机环绕车辆或机器人，实现360°无死角感知。标定难点在于相邻相机之间的外参一致性以及全局位姿闭环约束。
4.1.3 阵列拓扑
相机阵列采用规则网格或稀疏分布，覆盖较大空间。阵列系统通常用于动态3D重建（如动作捕捉），需要同时标定所有相机的内参、外参以及畸变参数。阵列规模越大，标定复杂度呈指数增长，通常需要借助高精度标定场或自动特征匹配算法。
4.2 同步触发机制
多相机系统中，各相机必须在同一时刻或已知时间偏移下采集图像，否则运动物体或快速变化的场景会导致特征匹配失败。同步触发机制分为硬件同步和软件同步两大类。
| 同步方式 | 精度 | 延迟 | 硬件需求 | 典型场景 |
|---|---|---|---|---|
| 硬件同步 | 微秒级（<10 μs） | 固定、可预测 | 触发线、信号发生器 | 高速运动、动作捕捉 |
| 软件同步 | 毫秒级（1~50 ms） | 可变、受网络影响 | 网络时间协议（NTP/PTP） | 静态场景、慢速运动 |
4.2.1 硬件同步
硬件同步通过物理信号线（如GPIO、BNC）将外部触发信号同时发送至所有相机。相机接收到上升沿或下降沿后立即开始曝光。硬件同步的精度主要取决于信号传播延迟和相机响应抖动，通常可控制在微秒级，适合高速运动场景。
- 主控设备（如FPGA或微控制器）产生方波触发信号。
- 信号通过菊花链或星型拓扑分发至各相机。
- 相机设置为“外部触发模式”，忽略内部时钟。
- 部分系统支持“同步曝光”与“同步读出”分离，进一步降低帧间抖动。
4.2.2 软件同步
软件同步依赖网络协议（如IEEE 1588精确时间协议PTP）或操作系统时间戳对齐。各相机通过局域网共享同一时间基准，在采集时记录时间戳，后续通过插值或时间偏移补偿实现帧对齐。软件同步成本低、部署灵活，但精度受网络延迟抖动影响，通常为毫秒级。
4.3 同步触发方案选型建议
在实际工程中，选择同步方案需综合考虑精度需求、成本预算和系统复杂度。以下给出典型场景的推荐方案：
- 高速动作捕捉（>100 fps）：必须使用硬件同步，推荐外部触发信号+FPGA控制器，抖动控制在1 μs以内。
- 自动驾驶环视（10~30 fps）：可采用PTP软件同步，配合硬件时间戳辅助，精度可达亚毫秒级。
- 静态物体3D扫描：软件同步即可满足要求，甚至可采用“顺序采集+后处理对齐”策略。
- 混合系统（立体对+环视）：立体对部分使用硬件同步，环视部分使用软件同步，通过全局时间戳统一坐标系。