비전시스템의 다양한 활용사례 / 9) 측정·계측용 머신비전
세계를 측정하는 기준이 되다
산업현장에서 머신비전은 없어서는 안 될 요소가 되었다. 인간의 눈을 대신할 기술이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로 수행할 수 없는 많은 기술을 가능케 하고 있다.
최근에는 이러한 기술이 공장자동화 분야는 물론이고 비 산업적인(Non-industrial) 분야로까지 확대되는 추세이다. 반도체·전자·자동차·측정 및 계측 분야와 같은 공장자동화부터 국방·항공우주·연구·생체인식·의료·농업에 이르기까지 머신비전이 나아갈 수 있는 길은 아직도 무궁무진하다.
정리 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)
머신비전의 임무에는 여러 종류가 있다. 위치를 측정하고(Location), 제품을 식별·인지하며(Identify), 제품 및 환경을 점검하기도 한다(Inspect). 머신비전이 가지고 있는 모든 역할들은 생산현장에 반드시 필요한 요소들이다. 머신비전이 공장자동화에 빠르게 적응한 것도 이 덕이다.
최근 들어 그 쓰임을 인정받고 있는 기능이 바로 측정(Measure)이다. 생산현장에서 측정을 사용하면 물건의 크기·부피·무게·양을 정확히 잼으로써 제품 오차 및 불량품이 줄어들고, 따라서 재생산이나 추가 작업 등의 불필요한 비용 역시 감소한다.
최근 들어 측정 기술이 선박, 자동차, 금형이나 플라스틱 등 분해가 불가능한 제품, 심지어는 건물과 도로에까지 도입될 정도로 발달했다. 따라서 측정을 담당하는 머신비전의 쓰임 역시 수직상승하고 있다. 3차원 측정기, 레이저 스캐너, 3D 머신비전, 소프트웨어 알고리즘 등 첨단 머신비전 기술들 모두 측정 작업을 수행할 수 있어 생산 및 검사 분야에 쉽고 빠르게 접목시킬 수 있다. 머신비전은 측정 및 계측 분야에서 사용자에게 정확도와 신뢰를 제공하는 척도가 되고 있다.
측정이 얼마나 광범위한 분야에 사용되고 있는지, 그리고 머신비전의 측정 기술이 어느 정도까지 발전해있는지를 이번 기사를 통해 살펴본다.
●대표적 활용사례 모음
소 무게를 실시간으로 측정하라
노련한 사육자들은 소를 보고 체중이 얼마인지 금방 파악할 수 있다. 소를 잡으면 얼마나 많은 소고기를 얻을 수 있는지 추정할 수 있어야 하기 때문이다.
노련하지 못한 혹은 정확한 측정치를 원하는 소 사육자들이 선호하는 것은 소 저울(cattle scale)이다. 하지만 저울은 값이 제법 나가는 물건이거니와 소들에게 공포를 유발할 수 있다. 이 때문에 소 저울을 꺼려하는 사육자들은 테이프와 변환 표를 이용해 수동으로 무게를 측정하고 있다. 원시적인 방법으로 소의 무게를 측정하는 셈이다.
이런 문제를 해결하기 위해 이탈리아 사육자 연합(Associazione Italiana Allevatori)이 팔을 걷어붙였다. 소 무게를 측정할 수 있는 머신비전 기반 시스템을 개발한 것. 이 시스템은 소의 가슴둘레를 측정해 이를 바탕으로 소의 전체 무게를 계산하는 방법을 사용한다.
시스템은 GPS 시스템을 탑재하고 있는 것이 특징이다. GPS 시스템을 통해 카메라가 녹화하는 지점을 함께 기록한다. 이밖에도 레이저 프린터와 노트북 컴퓨터가 측정을 돕는다.
사용자가 두 개의 레이저 마커로 측정 대상의 양 측면을 조명하면, 레이저가 지정한 지점을 카메라가 촬영한다. 이후 동일한 과정으로 소의 전면을 촬영한다.
카메라가 자료를 수집하고 나면 소프트웨어가 활약할 차례다. 소프트웨어는 측정한 촬영 대상의 모양을 따라 선을 그린다. 이 선의 둘레가 곧 동물의 대략적 치수가 된다. 치수는 노트북이 실행하는 알고리즘에 의해 체중으로 자동 변환되며, 동시에 품종과 성별 그리고 나이 정보도 제공한다.
도로의 균일성 측정하는 레이저 스캐너
독일 프라운호퍼 IPM 연구소(Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM)의 연구팀이 도로의 균일성을 측정하는 레이저 스캐너를 개발했다. 독일연방 도로연구소의 승인을 받은 최초의 제품이기에 더욱 값지다.
신발상자 크기의 스캐너는 3m 높이의 차량에 장착되어 있으며, 최대 폭 4m 이내의 모든 길을 스캔할 수 있다. 이를 실현하기 위해 스캐너 내부에 달린 8각 거울이 레이저 빔을 차량이 움직이는 방향에 따라 도로와 수직으로 조사되도록 조작한다.
레이저는 아스팔트에 닿았다가 스캐너로 도로 반사되며, 이를 센서가 감지한다. 노면에 조사한 빛이 센서에 의해 다시 들어오기까지 걸리는 시간을 계산해 노면과 스캐너 사이 거리를 측정한다. 측정 정확도는 0.15 내지 0.3밀리미터 사이에 불과하다.
차량의 진행방향과 위치 파악 및 결정은 위성항법시스템(GNSS) 및 관성측정시스템을 이용해 수행한다. 이른바 포장 프로필 스캐너(PPS)라고 불리는 IPM의 이 장치는 이미 초기 현장 실험을 마친 상태다. IPM 연구진은 도로 측량 기술 업체인 Lemhann+Partner과 협력해 독일 전역에 걸쳐 총 1500㎞ 규모의 고속도로 및 주요 간선도로를 스캔했다.
용종을 자동으로 발견하는 알고리즘
대장암을 쉽고 간편하게 확인할 수 있는 방법이 등장했다. 대장내시경처럼 복잡한 방법을 택하지 않아도 약만 삼키면 검사를 진행할 수 있어 많은 이들이 관심을 가지고 있다. ‘대장 캡슐 내시경’이라는 이름의 이 검사법은 카메라·조명·송신기·배터리를 잘게 모은 캡슐형 알약을 삼키기만 하면 된다. 하지만 이 검사법은 환자에게는 간편할지 몰라도 의료진에게는 힘든 방법이다. 초당 30프레임이라는 많은 영상을 촬영하기에 영상을 분석하는 데에 많은 노력이 필요한 것.
텍사스 대학의 알렉산더 마모노프(Alexander Mamonov)와 그 동료들이 개발한 알고리즘이 이런 부담을 덜 수 있을 것으로 보인다. MIT Technology Review에 따르면, 알렉산더와 동료들이 개발한 알고리즘은 촬영한 영상이 용종의 징후를 띠는지 검사한 뒤, 용종으로 판명되는 영상만을 골라 더 자세하게 분석한다.
알고리즘은 돌출부(protrusions)에 초점을 두고 용종이 의심되는 부분을 탐지한다. 돌출부란 용종과 건강한 조직을 구별할 수 있는 핵심 인자를 말한다. 알고리즘은 영역 조정 기능을 사용해 해당 조직의 곡률을 측정함으로써 돌출부 영상을 분석한다.
조직을 구 모양으로 감싸고 있는 돌출부의 반경을 구했다면 이제 곡률을 측정할 차례다. 뒤이어 곡률과 곡률 한계점을 구한 뒤에도 추가적으로 분석 및 조사가 필요하다면 프레임을 한 번 더 분석하게 된다.
연구팀은 알고리즘을 통해 실험에 들어갔다. 총 19,000장의 영상 속에 230장의 용종 영상을 섞어 알고리즘이 분석 작업을 수행한 것. 실험 결과, 알고리즘은 47%의 정확도로 용종을 찾아냈다.
하지만 촬영한 영상을 분석하는 작업은 항상 쉽고 간단하지만은 않다. 용종이 다른 것들에 가려져있거나 발견하기 어려울 수 있기 때문이다. 반면, 정지 영상을 분석하는 것보다 동영상 전체에서 용종을 찾아내는 알고리즘이 더 나은 측정 결과를 만들어낼 수도 있다고 기사는 지적한다. 이렇게 측정한 결과 알고리즘은 약 81%의 인식률을 달성했다.
마모노프는 MIT Technology Review를 통해 “자동 용종 검출 분야에서 우리의 접근 방식은 결코 궁극적인 방법은 아니”라며, “하지만 이 알고리즘은 완전자동화 용종 검출 분야에서 더 높은 성능을 구현하기 위한 중요한 단계를 차지하고 있다”고 평했다.
카이퍼 벨트까지 감지하는 이미지센서
이미지센서 제조회사 e2v는 대만의 Sinica 연구소와 계약을 체결했다. 이 계약의 일환으로 대만에 40개의 대지측량 CMOS 이미지센서와 세 개의 지상기반 망원경을 제공했다. 이 기술은 Transneptunian(해왕성 궤도를 따라 도는 유성. 편집자 주) 자동 엄폐 측정기(TAOS Ⅱ)에 탑재된다. TAOS Ⅱ는 크기 분포를 측정한다. 카이퍼 벨트 속 태양계 끝부분에 있는 지름 1㎞의 작은 물체부터, 태양계의 가장자리에 있는 명왕성 너머의 어마어마한 얼음 잔해 고리까지 다양한 물체를 감지하는 것.
현재까지 지구에서 멀리 떨어진 태양계 물질들에 대한 지식은 드물다. 직접 관찰할 수 없을 만큼 작고 희미하기 때문이다.
TAOS Ⅱ는 멕시코 바하칼리포르니아주에 있는 San Pedro Ma、rtir(SPM)의 국가 천문학 전망대(OAN)에서 세 대의 중간 크기 망원경으로 운영된다. 각 망원경은 동시에 1만 개 이상의 별에서 이미지 데이터를 수집할 수 있는 커스텀 카메라와 함께 배치된다. 결과값은 연간 3백 테라바이트를 넘는 크기의 RAW 이미지데이터로 저장된다.
31×74mm 센서는 20fps 속도로 순식간에 카이퍼 벨트 객체 너머를 촬영하며, 멀리 떨어진 별 바로 앞까지 도달하면 빛을 측정하며 작동한다. 세 개의 망원경은 각 8.8메가픽셀 e2v CMOS디바이스가 장착됐다. e2v의 장치는 사용자 정의 설계와 제조 그리고 낮은 읽기 소음과 높은 스펙트럼 응답을 제공한다.
세포 특성 측정하는 시스템
UCLA 대학의 생명공학 연구원들이 유체(流體)의 벽에 부딪히는 방법으로 영상을 획득함으로써 세포의 물리적 특성을 측정할 수 있는 새 시스템을 만들었다.
Deformability Cytometer라고 불리는 이 기구는 UCLA 생명공학 박사과정 학생인 대니얼 고세트와 헨리 Tse 그리고 생명공학 조교수인 디노 디 카를로가 만들었다. Deformability Cytometer는 소형 미세유동 칩으로 구성되어있는데, 이 칩은 순차적으로 세포를 정렬함으로써 초당 수천 개의 세포를 유체 벽에 부딪힌다. 이 시스템에 맞추어 만들어진 카메라는 현미경으로 초당 14만 장의 세포 사진을 촬영하며, 이렇게 촬영한 이미지를 세포의 물리적 특성 정보를 추출하는 특수 소프트웨어를 통해 분석한다.
일찍이 여러 연구자들이 세포의 물리적 특성이 세포의 건강에 대한 정보를 제공한다는 것을 발견한 바 있지만, 특정 세포를 측정기까지는 수 시간 혹은 수 일의 시간이 걸리기 때문에 지금까지의 측정 과정은 학술 연구 실험실에서만 이루어졌다. 하지만 Deformability Cytometer를 사용하면 샘플을 준비해 수만 개의 세포를 분석하기까지 10분에서 30분밖에 걸리지 않는다.
이 작업은 UCLA의 David Geffen 의학 학교에서 실험 의학을 담당하며, 동시에 병리학 교수로 재직 중인 세포병리학자 지앤 유 라오 박사와 공동으로 진행했다.
연구팀이 Deformability Cytometer을 통해 환자를 관찰한 결과, 환자의 폐에 흉수가 일어났으며 그 안에 암세포가 있다는 것을 발견하였다. 흉수란 흉막강 내 정상 이상으로 폐 주위에 고이는 액체를 말하는데, 면역 세포와 가슴 벽 안쪽의 중피 세포 그리고 낮은 농도의 암세포 등 여러 유형의 세포가 혼합되어있기 때문에 이 기술이 등장하기 전까지는 분석이 어려웠다.
3차원 측정기, 검사 현장을 지배한다
3차원 측정기는 말 그대로 물체를 3차원으로 측정할 수 있는 기기다. 생산현장이나 연구실 그리고 개발 단계 등에서 필수 요소로 자리잡았다.
캘리퍼와 마이크로미터에서 시작해 윤곽투영기와 메저링 마이크로스코프 그리고 측정현미경을 거쳐 만들어진 것이 3차원측정기다. 오랜 시간동안 많은 현장을 겪어오며 발전해온 3차원 측정기는 이제 레이저나 카메라를 이용한 비접촉 3차원 측정기로 거듭나고 있다. 비접촉 방식의 3차원 측정기는 레이저나 조명을 투과는 방식을 사용하며, 대상에 반사되거나 굴절되는 빛의 차이 혹은 명암의 차이를 이용해 대상을 측정한다.
다품종 소량생산을 모토로 하는 자동차 분야나 해외에 생산거점을 둔 다국적 기업 그리고 여러 생산라인을 한 번에 관리해야 하는 현장에서는 인라인 방식의 3차원 측정기를 널리 사용하고 있다.
인라인 3차원 측정기란 말 그대로 생산라인 안에서 활용할 수 있는 3차원 측정기로, 먼지나 진동 등에 민감해 현장에서 측정 작업을 수행하기가 쉽지 않았던 3차원 측정기의 단점을 극복한 제품이다. 현재 3차원 측정기는 현재 어느 한 사례를 꼽기 어려울 정도로 다방면으로 활약하고 있다. 의학·반도체·금형·플라스틱 가공·역설계·연구 및 개발 분야에서 폭넓게 쓰이는 것. 가히 팔방미인이라 불릴 만하다.
변형에도 강한 레이저 기반 검사
VITRONIC의 VIPAC D2는 레이저 기반 크기·부피 측정 시스템으로, 종이상자의 표면을 일제히 측정함은 물론 상자의 변형도 인식할 수 있다. 유통 센터의 고장 방지 및 불량품 저장 시스템을 기반으로 이를 실현한다.
매일 유통센터에는 각기 수치가 다른 종이 상자에 있는 제품들이 도착한다. 소매업체·우체국·택배 업체·물류센터 및 기업 등이 저마다의 제품을 보내는 것.
대부분의 유통센터에는 높은 받침대(high lack)가 설치되어있으며, 제품들은 받침대 위에 자동으로 정렬된다. 이 때 상자가 움푹 들어가거나 어딘가가 튀어나오는 등 손상이 발생하기 쉽다.
유통센터에서는 이런 상품이 유통되는 것을 막고자 상품이 들어오는 즉시 자동 윤곽 검사를 함으로써 제품을 정렬한다. 손상된 제품을 신속히 걸러내는 것.
하지만 윤곽 검사를 실시하지 않거나 검사 과정에 문제가 발생한 유통센터에서는 자동 창고관리기술에 오작동이 발생하고, 그 결과 상품 처리량이 감소하게 된다. 불량품으로 간주되는 기형 상자 역시 감지 및 표시할 수 없게 된다.
레이저 검사시스템을 활용함으로써 불량품을 조기에 검사 및 발견할 수 있고, 필요한 경우 불량품 저장 시스템에 보관할 수도 있다.
기형 제품 검출 기능이 필요한 또 다른 분야는 자동 팔레타이징이다. 자동 팔레타이징은 상자의 모양이 온전해야만 안전하게 제품들을 분류할 수 있다. 움푹 들어가거나 벗겨진 부분 혹은 손상된 부분이 있으면 분류 및 검사에 지장을 초래한다. 뿐만 아니라 결함을 가진 상자는 팔레타이징 로봇에 손상을 입힐 수 있다.
VITRONIC에서 만든 용량 측정 시스템인 VIPAC D2는 높은 처리 속도로 상자의 윤곽 검사를 자동으로 수행할 수 있어 유통센터의 원활한 창고 관리를 위한 최적의 조건을 제공한다.
인라인 기능을 갖추었으며 3m/s 속도로 작업할 수 있는 이 시스템은 최대2500mm×1000mm×1000mm의 측정 범위를 가지고 있다. 따라서 모양이 불규칙하거나 비뚤어진 물체도 윤곽을 측정하고 전송할 수 있다.
VIPAC D2는 각 개체마다 수백 개의 측정 포인트를 설정하는 포인트클라우드 방법을 활용해 각 상자의 길이·너비·높이·부피를 총체적으로 측정한다. 크기 및 부피를 측정하고 나면 소프트웨어를 이용해 최적의 상품 모양과 비교하여 형상 검사를 수행할 수 있다. 함몰되어있거나 부풀어있는 등 불량 부분을 잡아낼 수 있는 것은 물론이다.
상자를 정확하게 측정하고 변형을 감지하기 위해 적은 크기의 인클로징 큐브(enclosing cube)가 쓰인다. 측정한 자료는 인터페이스를 통해 기존의 창고 관리 시스템으로 전달되며, 여타 자동화 작업을 추가로 적용할 수도 있다. 청구서·짐 싣기 최적화·배송노선 작성뿐 아니라 통계 및 내부 흐름 최적화 분석 작업 등이 이에 해당한다.
단면 스캐닝 시스템, 성형품 검사 속도 높인다
플라스틱·전자 제품·자동차·커넥터·의료기기 등을 만드는 제조업체는 수천 개의 부품들을 필요로 한다. 업체들은 각 부품들을 만들 때 CAD 소프트웨어를 통해 제품을 디자인하고, 이후 금형(金型)을 만들어 각 부분의 특징 및 기능을 형상화한다. 이 과정에서 사출성형기계가 쓰인다. 열가소성 수지 및 열경화성 플라스틱 재료를 통해 원하는 부분을 형상해야 하기 때문이다.
작업이 완료되면 제조업체는 측정 과정을 거친다. 각각의 복잡한 부품들이 CAD 모델을 준수해 만들어졌는지 확인해야 하기 때문이다. 초도 검사(first article inspection)라고 알려진 이 과정을 통해 제품 승인 여부는 물론 품질관리 요구사항을 충족하는지도 확인한다. 과거에는 초도 검사 과정을 수행하면서 특정 지점을 측정하기 위해 터치 프로브 CMM 혹은 3D 디지타이저를 사용했다. 하지만 이 과정은 시간이 많이 걸리는데다 노동집약적이어서 효율적인 작업이라 말하기는 어려웠다.
CGI라는 기업이 여러 특허를 받은 3D 스캐닝 시스템을 개발함으로써 이 문제를 해결했다. 이 시스템은 단면 스캐닝 기술을 활용함으로써 초도 검사 속도를 높이고 분석 작업을 가속화하는 것이 특징이다.
시스템을 구성하는 기계 중 하나인 Pearl-700은 최대 2.5×1.75×3.5인치 범위 내에서 성형부품의 크기는 적절한지, 특징은 잘 살렸는지 측정한다. CGI의 최고경영자인 크레이그 크럼프(Craig Crump)는 “복잡한 사출성형 부품의 모든 측면을 정확히 측정하기 위해서는 CGI의 Encase-It을 통해 검사해야 하는 부품을 완전히 감싸 측정하는 것이 중요하다”고 말했다(왼쪽 그림 참조).
경화 작업을 거친 이후 ‘냄비’ 부분(제품을 완전히 감싼 부분을 말한다. 편집자 주)은 Pearl-700에 의해 테이블에 안전하게 고정된다. 이후 백색 LED 패널을 두 층으로 나눔으로써 장치의 표면을 균일하게 조명한다. 또한 각 부분의 3D 모델을 만들기 위해 기계와 0.001인치 거리에서 2500rpm으로 회전하는 엔드 밀을 사용해서 얇은 막을 제거하고 (가운데 그림 참조), 이후 새로 노출된 단면을 스캔한다.
Basler의 1.3메가픽셀 A100카메라로 촬영한 영상을 파이어와이어 인터페이스를 통해 시스템 호스트 컴퓨터로 전송한다. PC는 Z축 위치 자료와 영상 자료를 저장하는데, 저장된 2D 영상 자료로부터 추출한 배열 및 위치 정보와 원본 CAD 자료를 비교하고 동시에 3D 클라우드포인트를 생성하기 위함이다. 이 작업을 수행하기 위해 우선 하나의 이미지를 역치(자극에 대해 어떤 반응을 일으키는 데 필요한 가장 작은 자극의 세기, 편집자 주)에 다다르게 한다. 그 뒤 edge-detection 알고리즘을 사용해 각 레이어의 경계선 좌표를 파악한다.
그 다음, 2D 영상의 X축 및 Y축 좌표를 Z축 위치 데이터와 결합해 3D 포인트클라우드를 생성한다. 이 자료를 통해 이 부품의 표면을 측정한 모델을 넙스(컴퓨터그래픽에서 부드러운 곡면으로 이루어져 비정형화된 3차원 입체를 모델링하는 방식. 출처 시사상식사전) 형식의 컴퓨터 그래픽 모델 혹은 파라메트릭·STL 형식으로 재구성할 수 있으며, 따라서 부품 표면을 시각화해 작업자에게 제공할 수 있다.
시스템은 또한 타사 CAD 패키지와 원활히 연동하기 위해 IGES, ACSII, 바이너리 포인트 형식으로 만들 수 있다. 한국의 Rapidform XOR, 미국의 Geomagic, 캐나다의 Polyworks from Innovmetric 등 다양한 CAD 모델을 만들 수 있다. 이러한 방법으로 원본 CAD 모델과 시스템이 생성한 CAD 모델을 모두 디지털적으로 비교할 수 있다(오른쪽 그림 참조).
여러 기업들이 이 장비를 초도 검사에 사용하고 있다. 그 중 미국의 Matrix Tooling을 예로 들어보자. 이 회사는 부품 검사에 CGI의 CCS-1000 시스템을 사용하고 있는데, 이 장비는 12×10.5×8인치 범위 내의 모든 부품을 검사할 수 있다.
Matrix Tooling의 품질 관리자인 개리 요한슨은 “CMM 혹은 광학 게이지를 사용할 경우 접촉할 수 없는 각 측정 부분을 절단해야만 하는 불편함이 따른다”며, “하지만 단면 스캐닝 시스템은 절단에 쓰이는 시간 소모를 줄이고 작업 결함 역시 현저히 줄인다”고 말했다.
