어떤 머신비전을 원하나?

계측에 필요한 머신비전 기술의 이모저모
머신비전이 새로운 쓰임새를 찾고 있다. 먹거리를 늘리기 위해 사방을 기웃거리는 형국이다. 그렇게 찾아낸 것이 바로 계측 분야다. 측정 시스템 자체가 높은 정확도와 전문적인 기술을 요구함에 따라 머신비전 기술 역시 요구에 대응할 수 있도록 개발되고 있는 것. 이와 관련해, 자동영상협회(AIA)는 계측에 필요한 머신비전 구성요소의 예시와 계측에 쓰이는 머신비전 기술의 현주소, 그리고 더 나은 계측을 위한 방안을 제시했다.
글 | Winn Hardin, Contributing Editor, AIA
 

머신비전 시스템은 대부분 측정 작업을 수행할 수 있다. 그러나 현재는 전문화된 측정 시스템만이 측정 작업 및 체계를 구축하고, 나아가 일반적으로 널리 인정받는 표준을 제시하게 된다. 예를 들어 미국표준기술연구소나 미국식품의약국(FDA) 등이 그렇다. 하지만 실제로는 머신비전 시스템만이 객관적인 기준을 통해 생산성을 비교할 수 있으며, 또한 비용효율적인 솔루션을 제공하기도 한다.

이런 측정 시스템을 개발하고자 할 때, 머신비전 기술자에게 주어진 과제는 ‘실제 생산라인’과 ‘표준’의 수리적 세계 사이에 어떤 방법으로 다리를 놓느냐 하는 것이다. 이와 더불어 계측 솔루션을 필요로 하는 산업 수가 증가함에 따라 끊임없이 변화하는 시스템적 요건을 충족해야 함은 물론 비용 효율적 기대에도 부응해야 한다.

고객 기반 중심 계측 성장
자동차·반도체·전자·디스플레이 등의 산업 분야는 계측 응용프로그램에 대한 머신비전 솔루션의 개발을 지지하고 있다. 여기에 최근 몇 년 동안 가전제품과 종이 그리고 플라스틱 등을 생산하던 수많은 산업의 종사자들까지 전통적인 산업 분야에 합류했다.

SCHOTT North America의 제이슨 배츨러(Jason Baechler)는 이런 과정이 일부 산업에 국한된 현상이 아니라고 이야기하고 있다. 그는 “제약 및 의료기기 제조 분야는 꼭 계측 분야의 신규 진출이 필요하지는 않다”며, “하지만 새로운 규정이 세워진다면, 고급 머신비전 시스템이 제조 과정 전반으로 확산될 필요성을 느낄 수 있을 것”이라고 말하고 있다.

배츨러는 “예를 들어 미국 약국방(1820년 설립. 1990년까지 1250건의 USP Reference Standards 및 3200건의 문서를 간행했으며 1천 건 정도를 심의 중에 있다. 편집자 주)에서의 유리 박막층 법이나 주사용 약병의 박리에 기인한 파편법을 보면 명확하다”고 단정짓는다.  제이슨 배츨러는 SCHOTT North America에서  Lighting and Imaging 부서 업무 관리자로 활동하고 있으며, 산업용 머신비전·산업·현미경·플라스틱 광케이블 등 다양한 분야를 담당하고 있다.

머신비전 계측 솔루션이 노릴 수 있는 다른 성장 분야로는 정전 인서기(靜電印書機, Electrostatic Printer)·제지·플라스틱·가전제품 분야 등이 있다.

Teledyne DALSA의 산업용 제품 부서의 전략 개발 이사인 벤 도슨(Ben Dawson) 박사는 “휴대전화 제조 공정에 머신비전 계측 장치를 도입하면 시각적으로 완벽한 제품을 만들 수 있다”고 주장했다.

벤 도슨 박사는 “휴대전화를 열어볼 때마다 사람들은 마치 보물 상자를 여는 것처럼 고급스럽게 행동하기를 원하고, 제조업체들은 사람들의 이런 신념을 좀 더 보강하고 싶어한다”며, “OEM 기술 명세서는 이 모든 것을 지시하며, 심지어는 스피커 그릴(외부 이물질로부터 스피커 내부를 보호하는 장치. 편집자 주)이 휴대전화를 마이크로미터 이하 단위까지 정렬할 수 있다”고 말했다. 쉽게 말해 머신비전 계측 솔루션을 이용하면 공장에서 분할 생산되는 제품들까지도 완벽하게 통제할 수 있다는 뜻이다.

‘두 가지’를 잘 조절하고 있는가?
계측 시스템이 가진 주 능력은 독립적인 측정 표준을 만드는 것이다. 이 목적을 달성하기 위해서는 비전시스템을 교정하는 작업이 중요하다. 최종 사용자 중 대부분이 표준 좌표계를 통해 비전시스템을 교정해야 한다고 인식하고 있다. 하지만 그들은 중요한 두 번째 단계를 간과하고 있다. 바로 비전시스템을 교정하는 구체적인 방법이다.

Teledyne DALSA의 도슨 박사는 “자주 쓰이는 두 가지 교정방법을 융합한 새로운 방법이 있다”고 귀띔했다.
“이 중 한 가지 방법은 절대교정(입력되는 물리량과 출력되는 전압 등과의 관계를 정량적으로 정하는 것, 편집자 주)인데, 26.3픽셀을 1밀리미터 혹은 다른 측정 단위와 맞추는 것”이라며, “이 방법은 작업자 대부분이 ‘보정’ 하면 떠올리는 방법”이라고 말했다.

도슨은 “두 번째 방법은 사람들이 간과하기 쉬운 것인데, 바로 광학 왜곡을 교정하는 작업”이라며, “좋은 렌즈는 영상에 일부 왜곡을 삽입하기도 한다”고 말했다. 구체적으로 “텔레센트릭 및 더블 가우시안 렌즈는 왜곡을 줄이는 데 우수하다”고 힌트를 주기도 했다.

하지만 곧 그는 “이 방법을 사용한 뒤 이미지 가장자리를 보게 된다면 격자를 내려놓고 이미지의 광학 왜곡을 수정하는 방법을 강구해야 할지도 모른다”고 충고했다.

“시스템이 검사하는 분야 및 범위가 항상 같을 경우가 있다. 피스톤이 그런 경우다. 이 때  시스템이 렌즈 안에서 가장 효율적인 지점을 사용하도록 설정할 수 있다. 이렇게 함으로써 광학 왜곡에 대해 우려하지 않아도 된다”고 도슨은 해결책을 제시했다.

하지만 곧 “시스템이 다양한 부품을 검사해 이 부품들이 렌즈 시야 내에서 다른 지점에 떨어지는 경우 역시 존재한다”며, “이런 상황에서 절대측정을 하려면 소프트웨어를 통해 광학 왜곡을 수정해야 한다”고 문제점을 제기했다. 도슨은 “이런 상황이 닥쳤을 때,  계측 시스템에서 소프트웨어의 중요성을 결코 과소평가할 수 없다. 소프트웨어는 왜곡을 수정하고 보정하는 데 있어 큰 도움이 되기 때문”이라고 말했다.
 

더 빠르고 더 나은 계측
SCHOTT의 제이슨 배츨러는 “오랫동안 계속되어 온 전쟁”이라는 다소 격한 표현을 사용했다. 배츨러는 “소프트웨어 디자이너에게 문의하면 그들은 ‘더 나은 렌즈는 더이상 필요없으며 더 나은 소프트웨어가 필요할 뿐’이라고 대답한다. 광학 제조업체에 물으면 그들은 소프트웨어에 있어 광학이 얼마나 중요한지에 대해 장광연설을 늘어놓는다. 결국 양쪽 모두가 하고자 하는 말은, 더 큰 센서와 더 작은 픽셀 피치를 탑재한 새로운 카메라가 필요하다는 이야기”라고 지적했다.

그는 “오늘날 소비자들은 광학 기술이 몇 년간 최고조에 달했다고 인식하고 있다. 카메라의 품질은 곧 광학의 품질과 일치하기 때문”이라며, “남은 것은 제조업체들과 사용자들 모두가 이 기술적 발전을 받아들이는 것 뿐”이라고 말했다.

고객들이 범하는 일반적인 실수 중 하나는 계측 작업을 하면서 고품질 카메라를 CCTV급 줌 렌즈와 짝지어놓고는 고품질 이미지를 기대하는 것이다. 오늘날 몇몇 고객들은 고품질 줌 렌즈를 찾기보다는 고품질 고정 배율 솔루션을 찾고 있는데, 여러 고품질 줌 렌즈로 시스템을 구축하는 경우 광학 시스템은 물론이고 컴퓨터 및 애플리케이션 전체 공정마저 복잡해지는 현상이 있어 이를 방지하고자 하기 때문이다.

배츨러는 “사람들은 단순히 하이엔드 텔레센트릭 렌즈 혹은 저 왜곡 줌 렌즈가 새 시대를 열리라고만 생각하겠지만, 사실은 사용자가 가지고 있는 렌즈가 센서의 광학 요구 사항을 지원하는지 그 여부를 이해해야 한다”며 “제작자들은 고정 배율 렌즈를 통해 비용을 절약하고 이미징 속도를 개선하기 위해 꾸준히 노력하고 있기 때문”이라고 설명했다.

배츨러는 “우리는 거꾸로 고객이 요청하는 사항에 맞추어 완벽한 센서와 렌즈 및 조명 솔루션을 제공한다. 우리는 복잡한 광학 시스템을 설계하는 전문가이며, 굳이 소비자들이 할 필요 없는 작업이기 때문”이라고 밝혔다.
한편, 더 많은 픽셀을 탑재한 큰 센서는 머신비전 시스템의 백엔드, 즉 데이터 수집 및 처리과정에 대한 요구 역시 높다.
BitFlow의 영업이사인 도널 웨이드(Donal Waide)는 “우리가 만든 Karbon-CXP와 새로운 Cyton-CXP 프레임그래버는 고속 데이터 전송을 위해 특별히 설계한 제품”이라며, “우리는 항상 가장 빨리 PC에 데이터를 입력하는 보드를 만드는 데에 초점을 맞추었다. CoaXPress라는 ‘열차’가 이 작업을 가속화하고 있다”고 말했다.

도널 웨이드는 “CoaXPress의 높은 속도와 긴 케이블 길이는 반도체·전자제품·의료 제조 등의 분야에서 클린 룸 내부에 PC를 갖출 필요가 없음을 뜻한다”고 말했다. 그는 “새해와 함께 더 나아진 CoaXPress 인터페이스는 계측 분야에서 고속 보드용으로 많은 수요를 유도할 것”이라고 기대를 드러냈다.

결론
최근 머신비전 기술이 발전하면서 3.4마이크론피치를 달성한 5메가픽셀 카메라의 수요가 성장했고 그 결과 표준 광학은 더 이상 센서의 품질에 미치지 못하게 됐다. 이 물리적인 요소를 머신비전 계측 솔루션을 추구하는 산업 증가라는 현상과 결합해보면, 고객은 스스로가 만드는 제품의 품질을 향상시켜 보답할 수 있는 고품질 머신비전 구성요소를 측정 시스템에 도입하고자 한다는 결론을 도출할 수 있다.