머신비전으로 정밀 측정 실현하기

돌발상황에 대처는 필수 … 전기 커넥터 검사에서 입증

머신비전이 수행하는 중요한 작업 분야 중 하나가 측정이다. 하지만 측정은 머신비전 활용사례 중에서도 제법 까다로운 과정에 속한다. 정확한 측정을 실현하기 위해서는 여러 변수들을 효과적으로 통제해 영상처리 도중 일어날 수 있는 돌발 상황에 대처할 준비가 되어있어야 한다. 텔레다인 달사가 제공하는 정밀 측정 노하우를 통해 머신비전 측정에 한 걸음 더 다가가자.
자료제공 | Teledyne DALSA(www.teledynedalsa.com)

머신비전 시스템을 사용해 정확한 측정을 수행하기 위해서는 측정할 영역 혹은 개체에 알맞는 구성요소를 선택해야 한다. 그래야만 정밀한 영상을 획득할 수 있기 때문이다.
측정에는 크게 두 가지 방법이 있다. 첫째로, 간편하고 저렴한 머신비전 구성요소를 통해 2차원(2D) 부품 측정을 수행할 수 있다. 반면 많은 양 혹은 커다란 부품을 효과적으로 측정하려면 두 번째 방법인 3차원(3D) 부품 측정이 알맞다. 덧붙여 3차원 측정 기능으로 2차원 측정을 수행하면 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다.

3차원 측정 기술로 2차원 측정을 수행한 대표적 예는 Faber Associates이 수행한 전기 커넥터 핀 검사에서 엿볼 수 있다.
전기 커넥터는 연결 및 소스 와이어와 연결 및 압착할 때 수직 식별을 하기 위한 평면 러그가 달려있다. 각 부분은 두 대의 카메라·렌즈·조명의 화각 내에 배치된다. 수직 카메라가 러그의 윤곽을 확인하고 수평 카메라가 수직 식별표의 높이를 확인한다.

측정 대상의 대비(콘트라스트)를 개선하기 위해 조명을 사용한다. 전기 커넥터는 부품 뒤쪽으로 평행한 조명을 받아 날카로운 그림자를 드리워 왜곡된 영상을 만들 가능성이 있다. 조명은 평행 광원으로, 모든 피사체에 동일한 각도로 빛을 조사하기 때문이다. 하지만 이 평행 광원의 장점은 원근 왜곡을 최소화하고 일부 모서리에서 발상하는 날카로움(Sharpness) 현상이 한쪽 모서리 방향으로만 치우친다는 것이다. 따라서 타 조명에 비해 교정이 용이하다.

렌즈 맵(확대 혹은 축소)을 통해 카메라 센서에 들어오는 영상을 조절할 수 있다. 그만큼 렌즈가 중요한 요소인 것. 반면 렌즈는 정밀도에 제한을 주는 요소이기도 한데, 원근 왜곡·피사계심도·공간 주파수 응답(spatial frequency response)·광학적 왜곡 등 여러 현상을 초래하기 때문이다. 특히 이 중 원근 왜곡은 영상화한 크기에 큰 변화를 일으킨다. 검사 대상이 렌즈 쪽으로 다가가거나 멀어질 때 Z축 혹은 광학축을 따라 영상 왜곡이 일어난다. 이 변화는 누가 봐도 알 수 있을 만큼 큰 변화이며 보통 1/Z와 비례한다. 따라서 렌즈를 활용할 때에도 주의를 기울여야 한다.

피사계심도는 Z축의 거리에 따라 그 범위를 달리한다. 따라서 획득한 영상의 일부에만 초점이 맞을 가능성도 있다. 이 경우에는 물체가 정초점 범위 내에서 조금만 벗어나도 흐려지는 현상이 발생한다. 이를 ‘블러’ 현상이라 한다. 약간의 블러 현상은 모서리 측정에 별 문제가 되지 않는다. 하지만 일부 대비를 감소시키는 요인으로 작용한다. 블러 현상이 생긴 상태에서 물체를 측정하면 대비 감소가 감지 및 측정을 더욱 어렵게 만든다.

사람들이 2D 혹은 평면적 측정이 바람직하다고 판단하는 이유는 3D 측정에서는 피사계심도가 제한적이기 때문이다. 피사계심도를 높이기 위해 렌즈 크기를 줄이면 렌즈를 통해 들어오는 빛을 감소시켜 결과적으로 영상 대비가 약해지는 요인이 된다. 따라서 이러한 현상이 상대적으로 적은 2D 측정이 3D 측정에 비해 구현하기 쉽다.

공간 주파수는 일부 기능과 역관계를 가지고 있다. 일부 기능이 감소하면 영상의 대비 역시 함께 감소한다. 하지만 카메라 센서의 픽셀 배열에서 에일리어징 현상(해상도의 한계로 선 등이 우둘투둘하게 되는 현상. 노이즈의 일종이다.)을 방지하기 위해서는 대비 감소가 어느 정도는 필요하다.

대비 감소 역시 피사계심도와 마찬가지로 작은 얼룩 감지와 경계선 기반 측정에 큰 영향을 미친다.
광학적 왜곡이 있는 렌즈는 광학축에서 멀어졌을 때 눈금의 크기가 변화하는 결과를 초래한다. 물론 이러한 왜곡은 충분히 계산 및 제거할 수 있다. 반면 정밀한 측정을 위해서는 약간의 광학적 왜곡이 필요할 때도 있으므로 신중히 선택해야 한다.

텔레센트릭 렌즈를 사용하면 이러한 원근법적 왜곡 및 광학적 왜곡을 말끔하게 해결할 수 있으므로 정밀한 시각적 측정을 제공한다.
텔레센트릭 렌즈는 광학축과 평행한 빛만을 수용해 카메라 센서에 전달한다. 하지만 텔레센트릭 렌즈의 화각은 렌즈의 전면, 그것도 렌즈의 직경만큼으로 제한된다.
카메라의 픽셀 크기와 픽셀 수에 따라 필요한 화각(촬영 대상 및 그 주변 영역을 촬영할 수 있는 크기)과 렌즈 배율이 정해진다. 센서의 픽셀 크기를 확대한 뒤 이를 분할하면 카메라가 측정하고 있는 영역의 픽셀 크기를 구할 수 있다.

이 방법으로 구한 전기 커넥터의 화각은 폭 0.92·높이 0.69인치이다. 텔레다인 달사의 Genie 카메라는 1600×1200픽셀과 0.3배 렌즈 배율을 제공해 이 조건을 충족할 수 있다.
Genie 카메라가 촬영할 수 있는 픽셀 사이즈는 0.575밀리미터로, 1인치마다 6만 픽셀을 달성한다. 전기 커넥터를 측정하는 데에 필요한 정밀도는 1인치마다 3만 픽셀로, Genie 카메라는 전기 커넥터를 측정하는 데 부족함이 없는 성능을 갖고 있다.

텔레다인 달사의 Vision Appliance에 탑재된 Shelrock 머신비전 소프트웨어를 통해 이미지를 처리할 수 있다. Vision Appliance는 머신비전에 최적화된 소형 컴퓨터다. Shelrock 소프트웨어는 에지 투 에지 측정, 센터 서클 측정, 파트 투 파트 간격 측정 등 다양한 기능을 활용해 물체를 측정할 수 있다. 부품의 이물질을 검사할 수 있는 몇 가지 기능도 탑재되어있다.

비전시스템은 측정자가 던질 수 있는 많은 질문에 답할 수 있는 능력을 가지고 있다. 최근 발전하고 있는 타인기 금형 분야에서는 허용치를 넘어서는 마모를 감지해 전기 커넥터의 크기 변화 등을 표시한다.

어떻게 0.6밀리미터의 픽셀 크기로 0.3밀리미터 모서리 위치 정밀도를 달성할 수 있을까? 픽셀의 ‘내부(Inside)’를 볼 수 없을 때에는 어떻게 측정해야 할까? 광학적 흐릿함(Optical Blurring) 기능을 모방하는 것이 해답이 될 수 있다. 광학적 흐릿함 기능을 사용한 것처럼 단계별 모서리를 모델링할 수 있는 것. 단계별로 모델링한 픽셀을 이상적인 모서리 위치에 근접하도록 수치를 복구하면 된다. 이 경우 앞서 설명했던 약간의 번짐(Blurring)이 나쁘지 않게 작용하는 셈이다.

단, 이 가정은 모서리의 일부에 이상적이며 광학적 흐릿함이 수학적으로 잘 적용되었을 때에 한한다. 실제로 일부 모서리는 픽셀의 최소 4분의 1을 차지하기도 하며, 통제하고 있는 조건에서 훨씬 더 높은 정밀도를 자랑한다. 따라서 전기 커넥터 핀 검사에서 모서리 위치 정밀도는 0.15밀리미터 정도면 부족함이 없다. 때로는 이 서브픽셀 방식을 측정 영역과 모서리 길이 계산 등에 적용할 수 있지만, 이때는 여러 복잡한 문제들이 뒤따른다.

픽셀(여기서 픽셀이란 전기 커넥터 식별표에 있는 구멍의 직경을 말한다)에 적용할 수 있는 마지막 조치는 철저한 교정 과정을 통해 ‘World Measures’로 변환하는 것이다. 이 과정은 훈련을 받은 측정 그리드(차세대 인터넷 운영 체계)에 의해 자동으로 수행된다. 정밀도 수치를 더 정확하게 변환하는 역할을 맡는다.

이 문서가 이야기하고자 하는 바를 다시 한 번 짚어보자. 모서리 측정과 같은 일부 기능은 정밀하고 정확한 측정에 도움을 주는데, 이를 수행하기 위해서는 평행한 조명·각 부품의 세심한 배치·텔레센트릭 렌즈·눈금·광학 왜곡 보정·비전시스템 컴퓨터의 계산 능력 등이 필요하다. 위와 같은 구성요소들을 제공하는 공급업체 중 대부분은 적합한 부품을 선택하는 데에 도움을 주기 위해 상담은 물론 ‘마법사’ 프로그램도 제공한다.

비전시스템 소프트웨어 및 프로세서는 사용하기 쉽고 빠르며 실제로 측정하는 부분의 정밀도를 높이기 위한 일련의 과정을 지원하고 있다.