# 二維自動化光學檢測及應用_吳先晃_機器視覺簡介及取像系統的選擇(下)\_遠心鏡頭及線掃描相機
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[影片連結](https://www.youtube.com/watch?v=EeGd5nbLIUc)

## 遠心系統

上圖有兩個鏡頭的成像概念，上面的是一般鏡頭，其拍攝原理與人眼是一樣的，隨著物體位置的不同，我們所看過去的視角也會是不一樣的。但遠心鏡頭特別的是，不管物體位置在那，它看物體的視角都是垂直的，範例所示是垂直於物面，因此也稱為物面遠心鏡頭。

## 遠心系統

上圖兩個物件放置一起。

## 遠心系統

在移動之後，一般人眼與一般鏡頭來看的話，遠的物體看起來就會變小，近的就會變大。

## 遠心系統

抽像來說，如果是一般人眼與鏡頭的話，因為是非等視角的概念，因此即使物體大小相同，在移動之後所見就會有所落差。因此可以看到上圖左的非等視角說明中兩個物件是不同大小的。

但是在遠心鏡頭來看的話，兩個相同物件即使擺放位置不同，最終在等視角概念之下還是會呈現相同大小。

## 遠心系統

現在我們改以從物件的上面往下看。

## 遠心系統

很明顯的，在一般人眼、鏡頭的成像上是與遠心鏡頭完全不同。一般人眼的話因為是非等視角，因此你會看到物件的旁邊區域，但在遠心鏡頭上卻不是這樣，在等視角的情況下，你只會看到物件的正上方的部份，因為它是垂直於物面的視角。

## 遠心系統

可以從這邊有個比較直觀的說明，遠心鏡頭在橫向量測上並不會受到深度的影響。

## 遠心系統

上圖是實際物件的拍攝，相同的擺放但不同的相機拍攝。從放樂高的架子來看可以很明顯看到差異。遠心鏡頭拍攝的部份是一個平面，我們無法看到旁邊的側影，但一般鏡頭是有的。

兩個黃虛線區域也很明顯的呈現出差異，左邊的黃線虛線區域有四個階，遠心鏡頭下看起來跟右邊的黃區虛線是等寬的，但是在一般的鏡頭下的左邊區域卻是變窄的。

## 遠心系統

從這張圖可以看的到兩種鏡頭的差異。遠心是垂直於物體面。但在CCTV鏡頭卻不是這樣的，最右邊的小圖說明著，$D2_{\text{image}}$(紅)與$D2_{\text{real}}$(黑)的距離很完全不一樣的。有高度落差的部份，其距離是被縮短的(黑->紅)。

## 遠心系統 - 尺寸量測應用

這是一個實際物體拍攝的案例。中間的圖很明顯就是CCTV所拍攝，其尺寸就很有可能會因為剛剛說的問題而有所誤差，但相同問題在最右邊的遠心鏡頭是不存在的。

因此這種立體物件最好還是採用遠心鏡頭來拍攝較為實際。

## 遠心系統

這麼好的東西當然也有它的缺點，就是又大又貴。

另一個問題就是，在上集有提到FOV的概念，如果是一般CCTV的話，我們可以透過倍率的縮小來放大它的FOV。但遠心鏡頭不一樣，在固定的焦距之下，其鏡頭直徑一定要比你的FOV還要大，也就是說，如果你的拍攝目標是10CM，那你的鏡頭就一定要超過10CM。

## 線掃描系統：面相機

基本上，掃描器就是一種線掃描系統。也就是成像並不是一次成型，而是一條一條所累積起來的。

雖然我們有提過，FOV可以透過調整$\alpha$來變換，不過一但$\alpha$變小，FOV變大，那解析度就會變差，也會造成細節無法呈現的問題。

## 線掃描系統：面相機陣列

當然有一種方式就是把相機做陣列，多台一起拍然後再把照片組合在一起，不過有些時候這不太好控制就是。

## 線掃描系統：線掃描相機

想法上，與其拍一個面，不如拍一條線。所以我們可以看到上圖左這種1600萬像素的相機轉成一條線。拍攝的範圍從原本的4096拉大至16384，也就是放大4倍。

假設，原本是4096x4096的照片，並且每一秒鐘需要60張，也就是60fps。將之轉成線之後，一次掃一條，這意謂著相同的面積我們需要掃描61440條，也就是相同的條件之下就需要每一秒可以掃61440條，即61.44k line per second(kHz, kpls)。

這樣子就從原本的每秒60張4096x4096的照片變成每秒61440張16384x1的照片，看清楚單位是1，也就是1條。

## 線掃描系統：線掃描相機

這樣，我們就可以每次拍攝一條的情況下進行作業。而且這麼做的好處在於只需要一台相機，成像上比較完美之外，控制系統也比較好實作。

當然，線掃描相機會貴一點，因為sensor比較大，鏡頭也會大一點。

## 線掃描系統：線掃描相機

這是線掃描系統實拍的影像分享

## 線掃描系統

拍攝的方式是可以採用旋轉球面的方式來拍攝，以此檢驗品質。

## 線掃描系統 - 線掃描相機的鏡頭

線掃描系統的話，我們如果要維持一個更長的成像的話，那就一定要把焦距拉長，並且把物距拉寬。通常這類的相機跟鏡頭的中間必需再做點加工就是，可能會是需要一些特別的機構來做結合。

## 線掃描系統 - 線掃描相機的光源

這種系統的光源也會是線性的，也就是長條狀，而且要很亮。為什麼要很亮，舉例來說，60fps，代表每張照片的曝光時間為1/60秒，也就是0.0166s。按照剛剛的範例，轉換之後的線掃描在每一秒要拍61440條。這意謂著在線掃描的拍攝情況下的曝光時間只有1/61440秒，也就是0.0000162s。這中間相差了1000倍。

所以，這種光源也會很貴，單條可能就上萬元。