세계를 바꾼 비전 센서의 공격력
머신비전 산업의 주역으로 우뚝 … 존재감 극대화
마이크로프로세서와 메모리의 첨단화로 머신비전 기능 또한 비약적으로 발전했다. 특히 비전 센서와 스마트카메라 그리고 PC 기반 비전시스템 등은 더욱 가파른 발전 곡선을 그리고 있다. 비전 센서와 스마트카메라가 어떻게 머신비전 분야 성장을 이끌어냈는지 자동영상협회 편집기자인 Winn Hardin의 글을 통해 알아본다.
자료제공 | 자동영상협회(www.visiononline.org), Winn Hardin
스마트카메라가 눈에 띄기 시작한 것은 1990년대 이후다. 그 시기에 발전한 멀티 코어 프로세스 기술 덕에 눈부신 성장을 이룩한 것. 1990년대는 인터넷·원격 접속 및 통제 기능이 괄목상대했고, 고해상도 센서가 유행하기 시작했으며, 특정 응용 프로그램을 위해 전문적으로 만들어진 스마트카메라 시스템이 성장하던 시기였다. 거기에 이미지 처리 라이브러리 기능마저 높아지고 있었으니, 스마트카메라가 발전하지 않았다면 그것이 오히려 이상할 정도였다.
오늘날 스마트카메라의 발전은 여러 부수적인 시스템을 낳았다. 그 중 하나가 비전 센서라고 불리는 녀석이다. 스마트카메라의 자손으로 일컬어지는 비전 센서는 한 번에 데이터를 처리할 수 있다는 점에서 스마트카메라와 똑 닮았다. PC로 자료를 전송하는 기능도 같다.
비전 센서가 PC 기반 솔루션과 다른 점은, 센서 몸체 안에 머신비전 솔루션의 기본 구성요소들을 모두 갖추었다는 것이다. 이미지센서·조명·연산·소프트웨어·I/O 등이 모두 포함되어있다. 이런 장점으로 인해 비전 센서는 여러 응용프로그램에 쉽게 적용될 수 있다.
하지만 비전 센서가 모든 방면에 정통한 것은 아니다. 특정 응용프로그램에 적합한 솔루션을 선택하기 위해서는 비전 센서와 스마트카메라를 제대로 이해할 필요가 있다.
주방 대 차고
머신비전 종사자 대부분은 머신비전 시스템이 얼마나 복잡한지에 대한 순서를 다음의 네 가지 범주로 나누는 데 동의할 것이라고 생각한다(물론 다소의 개인적 차이는 있겠지만). 필자가 나눈 순서는 ①비전 센서 ②스마트카메라 ③PC 기반 비전시스템 ④애플리케이션 특화 및 턴키 시스템 순이다.
미국 Keyence의 제품 생산 스페셜리스트인 Steven Tirsway는 “비전 센서와 스마트카메라는 각기 다른 장점을 가지고 있다”며, “비전 센서를 사용하면 사용자가 장치와 센서를 연결했을 때 처음부터 개발 코드를 구성하지 않고도 특정 응용프로그램용 환경을 설정할 수 있다”고 설명했다.
SICK의 비전 센서 제품 매니저인 짐 앤더슨은 “부엌 서랍에 있는 도구와 차고에 있는 연장만큼이나 차이가 있다”고 덧붙였다. “사용자는 부엌에 있는 도구, 즉 비전 센서를 이용해 여러 작업을 수행할 수 있다. 블럽 분석은 물론이고 패턴 매칭 툴을 사용해 일정 모양을 찾을 수도 있다”는 게 그의 설명이다.
짐 앤더슨은 “그러나 더 많은 이미지 분석 기능 또는 다양한 필터를 원한다면 스마트카메라와 함께 작업해야 한다. 스마트카메라는 많은 플러그인을 사용할 수 있게 구성되어있기 때문”이라고 덧붙였다.
하지만 곧 “비전 센서보다 스마트카메라에서 더욱 많은 매개 한계를 발견할 수 있을 것”이라고도 말했다. 짐 앤더슨은 “즉, 비전 센서와 스마트 카메라라는 두 시스템 사이는 고정적이지 않다. 스마트카메라와 PC 기반 비전시스템, 그리고 비전 센서와 PC 기반 비전시스템 사이의 관계도 마찬가지다. 이들을 번갈아가며 사용하면, 시스템은 더 강력해진다”고 설명했다.
각 시스템이 주로 투입되는 분야를 살펴보면, 솔루션에 따라 특정 시스템이 어떤 기능을 하는지 알 수 있다.
오늘날 생산되는 모든 비전 센서는 모든 스마트카메라와 직접적으로 경쟁하게 된다. 사용자는 두 제품의 기능과 센서 크기 그리고 I/O를 비롯한 여러 고려 사항에 따라 두 제품 중 하나를 선택해야 한다.
하지만 머신비전 시장에서 팔리고 있는 대부분의 비전 센서는 VGA 혹은 WVGA 해상도 센서를 장착하고 있다. 스마트카메라가 2메가픽셀 이상의 센서를 장착하는 것과 큰 차이다.
거기에 비전 센서는 애플리케이션의 수가 한정되어있다. 스마트카메라가 프로그램 조절 막대나 자동 구성 장치로 프로그램 및 작업을 수행하는 반면, 비전 센서는 특정 값을 입력하거나 여러 입력을 매크로 기능으로 실행한다. 비전 센서는 독자적으로 의사결정을 내릴 수 있기는 하지만 일반적으로 제한된 I/O를 가지고 있어 작업 수행 능력에도 한계가 있다.
Tirsway는 “여러 비전 센서 응용프로그램은 별개의 I/O를 충분히 갖고 있다”고 주장했다. “자동인식, 위치 결정, 측정 응용프로그램 분야를 제외하면 데이터를 전송할 필요성이 없다. 이런 특성을 통해 비전 센서를 좀 더 안정적이고 사용하기 쉽게 만들 수 있다”고 말했다. 그는 “반면, 스마트카메라는 더욱 다양한 기능을 제공한다. 많은 도구 모음, 높은 CCD와 CMOS 해상도 그리고 많은 주변 장치 등이 그렇다”며, “하지만 더 큰 유연성을 만들고자 한다면 복잡성 또한 매우 높아진다”고 스마트카메라의 장·단점을 설명했다.
존재·부재만이 아니다
지난 몇 년간 비전 센서는 사용에 제한이 있는 머신비전 시스템이라고 일컬어졌다. 센서의 역할이 물체가 시야 안에 있는지의 여부만을 알려주는 것이기 때문이다(물론 이 기능은 여전히 머신비전 분야에서 중요한 역할을 차지한다).
하지만 비전 센서의 기능은 한층 더 성장했다. 그 배경에는 더 많은 머신비전 기능, 후속 작업을 위한 의사결정 능력, 그리고 일부 스마트카메라보다 더 높은 처리 속도 및 처리량 등이 있다.
앤더슨은 “SICK의 Inspector 제품군은 기본적인 패턴 매칭, 회전, 콘트라스트 등 비전 센서 기능뿐 아니라 위치를 결정하고 일부 블랍 분석을 수행할 수도 있다. 이는 유기농 제품 검사나 서로 중복되는 제품 검사도 실행할 수 있음을 뜻한다”고 말했다.
비전 센서가 변화한 또 다른 예는 Keyence의 IV 시리즈에서 찾을 수 있다. IV 시리즈 카메라는 내부에 기계 바퀴가 있고, 그 안에 여러 렌즈를 장착한 것이 흥미롭다.
Tirsway는 “우리(Keyence)는 개발 초기에 ‘간편함’과 ‘자동 초점’ 그리고 ‘자동 밝기 조정’ 기능을 제공할 수 있도록 목표를 설정했다”고 밝혔다. 그는 “카메라 안쪽에 있는 사이클이 작업물에 최적화된 초점을 맞출 수 있도록 렌즈를 작동한다. 하지만 사용자가 수동으로 초점을 맞출 수 있도록 슬라이드 기능도 제공하고 있다”고 밝혔다.
누가 가장 빠른가
최신 스마트카메라는 대부분 높은 클럭 속도를 자랑하는 멀티코어 CPU, 혹은 여러 다른 종류로 이루어진 마이크로프로세서 GPU 코어를 장착한 CPU를 탑재하고 있다. 하지만 비전 센서가 경쟁자인 스마트카메라보다 더 많은 처리량을 소화할 수 있다는 것을 알면 놀랄 것이다.
앤더슨은 “비전 센서는 적은 도구를 사용하기 때문에 도구 사이의 상호작용에 많은 경우의 수가 필요없다”고 설명했다. 그는 “SICK의 Inspector는 초당 250장의 이미지를 처리할 수 있는데, 대조적으로 IVC 스마트 카메라는 40장의 이미지를 처리할 수 있다”며, “사용자가 웹 서버를 가동한 뒤 이미지마다 각자 다른 몇몇 도구들을 사용했을 때, IVC가 초당 10장만을 처리할 수 있다면 Inspector는 같은 환경에서 초당 약 40장의 이미지를 처리한다”고 말했다.
또한 앤더슨은 “이런 장점은 SICK 제품에만 해당하는 것이 아니며, 거의 모든 업계에 공통적으로 적용할 수 있는 사항”이라고 주장했다.
비전 센서가 사용할 수 있는 기능이 몇 가지로 제한될 때, ‘절반만 채워진 잔’을 보는 사람들은 불평할 수도 있다. 하지만 비전 센서는 여타 비전시스템과 정면으로 맞설 수 있는 힘이 충분하다.
Keyence의 Tirsway는 “비전 센서가 갖고 있는 재주 중 하나는 한 번, 혹은 짧은 기간 안에 여러 작업을 수행하는 능력이다. 이런 유연성이야말로 한 검사장비에 쓰이고 있는 여러 센서들을 하나로 대체할 수 있는 원동력”이라며, “비전 센서를 통해 각 프로그램 당 최대 16개의 검사를 시행할 수 있으며, 레시피마다 최대 32개의 프로그램을 구성하고 내부에 저장할 수 있다”고 말했다. “작업 중에 시스템을 재구성하지 않고도 각 프로그램을 쉽게 전환하는 것도 큰 매력”이라는 것이 Tirsway의 설명이다.
비전 센서와 스마트카메라 그리고 PC 기반 비전시스템 분야에서 지능을 높이는 추세가 지속될까? 그렇다고 볼 수 있다. 의심할 여지 없이 모든 머신비전 제품이 더 빠른 프로세서와 네트워크 그리고 더 똑똑한 이미지 프로세싱 알고리즘을 필요로 하고 있다.
하지만 비전 센서를 활용한 응용프로그램에서 이는 그다지 중요한 사항이 아닐지도 모른다. Tirsway는 “비전 센서가 미래에 얼마나 더 많은 일을 수행할 수 있을지 고려할 필요가 없다고 생각하며, 대신 당장 내일 작업을 얼마나 더 쉽고 안정적으로 수행할 수 있을지만을 생각한다”고 말한다.
Tirsway는 “비전 센서에 있어 마이크로프로세서만큼 중요한 것이 조명 분야”라고 말했다. 그는 “조명 분야는 현재 백열등 조명에서 LED 조명으로 이동하고 있는 추세”라며, “백열등과 LED는 둘 다 조명을 대상으로 하고 있지만, 새로 등장한 LED 기술이 수명과 기술면에서 안정적이고 효율적”이라고 말했다.
Tirsway는 “제조업체는 이미 누군가가 달성한 비전 센서를 개발해야 한다”고 역설한다. “이미 패키지에 적용되고 있는 분야에서 더 쉽고 안정적으로 적용할 수 있도록 하는 것, 그것이 비전 센서의 미래여야 한다”는 것이 Tirsway의 철학이다.
