머신비전 애플리케이션에서 조명이 중요한 이유

조명 선택 시 우선적으로 이해해야 할 사항들

머신비전 시스템은 대상물 자체를 분석하는 것이 아니라 대상물로부터 반사된 조명을 분석함으로써 이미지를 생성한다. 따라서 검사하는 생산 부품에서 조명이 어떻게 반사되는지  이해하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해서는 대상물을 구성하는 소재 및 크기, 형태, 마감상태를 적절히 알고 있어야 하는 것이다. 검사 시스템이 단색이라 할지라도 대상물의 컬러 또한 중요하기 때문에(빨간색 부품은 핑크색 부품과는 다르게 반사된다) 이러한 특성은 조명이 반사되는 방법에 영향을 미치며 양호한 이미지를 생성하는데 있어 여러 과제들을 유발한다. 올바른 조명 선택은 까다로운 애플리케이션을 처리하고 이를 간소화할 수 있도록 도울 수 있을 것이다.

조명은 컴퓨터 분석에 이용 가능한 이미지를 쉽게 만들 수 있도록 돕는다. 양호한 이미지는 적절한 초점과 조도로 만들어지기 때문에 선명도가 떨어지거나 고르지 못한 조도의 이미지는 더 많은 이미징 분석 작업이 필요하며 궁극적으로 프로세싱 시간을 증가시키고 올바르지 못한 이미지 분석 사례를 늘어나게 만든다.

일반적으로 선명도가 높은 이미지는 처리가 쉽다. 그림 1을 살펴보면 양호한 이미지 프로세싱 시스템은 두 이미지에서 모두 플러스 표시를 인지할 수 있지만 상단 이미지의 인식 안정성은 아래쪽 이미지 대비 낮은 선명도로 인해 떨어지게 된다. 만약 조도가 적절히 제어된다면 머신비전 시스템이 나머지 과정을 손쉽게 처리할 수 있다.
이미지는 조명이 대상물에 반사되면서 생성되기 때문에 조명이 대상물을 비추고 카메라로 다시 반사되면서 밝게 보인다. 만약 조명이 카메라에서 멀리 반사된다면(혹은 대상물에 흡수되거나), 대상물은 어둡게 보이게 된다. 머신비전 시스템은 일반적으로 검사 작업의 중요한 요소인 가장자리나 텍스처, 마킹을 확인하기 위해 밝고 어두운 영역 간의 차이에 초점을 둔다.

조명의 종류
조명의 종류는 사용되는 조명의 파장 또한 검사 공정에서 중요한 변수가 될 수 있다. 특정 컬러 및 대조되는 색을 이용한 조명은 이미지에서 어둡게 보이기 때문에 구분하기가 더욱 쉽다. 예를 들어, 이러한 기법은 병뚜껑의 날짜코드를 향상시키는데 사용할 수 있다.
적외선 조명은 제품의 흠집을 하이라이트하기 위해 사용할 수 있으며 자외선 조명은 잉크나 접착제가 형광색으로 보이도록 해준다(조명 자체뿐만 아니라 대상물에 형광색이 보일 수 있도록 적외선이나 자외선 조명을 사용한다면 카메라에 필터를 사용해야 함).
광선이 항상 평행이 되도록 정렬되는 평행 조명은 선명한 이미지를 만드는데 유용하다(그림 3 참조).
평행 광을 이용하고 불투명 유리를 관통해 빛이 나도록 만드는 확산조명은 조명 강도를 줄임으로써 휘광이나 그림자 유발을 방지하는 보다 부드러운 조도를 제공한다.
부품을 검사할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 촬영될 때 부품이 움직이는 속도와 카메라의 노출 시간이다. 해당 검사에서 무엇이 중요한지 파악하고 부품 이동 속도와 카메라 노출 속도를 고려해 목표를 정함으로써 애플리케이션을 간소화할 수 있다. 목표가 결정되면 원치 않는 이미지 요소들을 상쇄시키고 찾아야 할 특성과 결함을 하이라이트할 수 있는 조명원을 선택하는데 주력할 수 있다.

조명 기법
올바른 조명 기법 선택은 특정 애플리케이션의 특수 문제를 처리하는데 도움이 된다. 여러 옵션들이 제공되고 있으며 각각의 옵션은 특정 용도에 따라 장단점이 있다. 부품을 검사하기 위한 조명에는 백라이팅, 직접 조명, 구조화 조명, 온/오프-축 확산 조명 등 기본적으로 5가지의 기법이 있다.

백라이팅은 부품의 모양을 강조하기 위해 실루엣을 만들어내며 모양 측정은 가능하지만 전반적으로 표면의 모든 세부사항들을 판단하기는 어렵다. 대부분 흑백으로 부품의 이미지를 만들어냄으로써 최고의 선명도를 유지한다. 검사 애플리케이션에서 이러한 기법은 치수 측정을 위해 사용할 수 있지만 표면 검사에는 유용하지 않다. 이 기법의 과제는 설비고정이 어렵다는 것이다. 검사되는 부품을 받치고 있는 모든 기계적 고정 장치들이 백라이트를 방해하기 때문이다. 그림 4a와 그림 4b과 같은 사례들을 살펴보자.

다른 조명 기법 중 하나로 전면 직접 조명이 있다. 이 조명은 일반적으로 약간 중앙에서 벗어난 각도로 빛을 비춘다. 이러한 조명원은 설정이 쉽고 탁월한 선명도를 만들 수 있는 것은 물론 그림자를 생성하며 검사되는 부품의 표면에 따라 휘광을 발생시키기도 한다. 이런 그림자 생성은 이미지의 낮은 명암이 문제가 되는 경우 명암을 향상시키는데 기여할 수 있다. 또한 직접 조명은 점멸식 조명등으로 움직임이 멈추는 것과 같은 효과를 낼 수 있다. 조명원의 이동 효과에 대한 사례로 그림 5a와 그림 5b와 같은 이미지를 살펴보자.
만약 그림자를 최소화할 수 있다면 하나 이상의 직접 조명을 사용할 수 있다. 이를 위해 일부 시스템은 링 조명을 사용하고 있으며 확인해야 하는 부품 주변을 완전히 둘러싸고 있다.

또 다른 조명 기법은 구조화 조명이다. 구조화 조명은 치수 정보를 얻기 위해 사용되는 잘 알려진 조명 패턴(일반적으로 일직선으로 만들어진 평면 조명)을 사용한다. 일반적으로 레이저나 광섬유 라인 광과 같은 고도의 평행 광원이 사용된다. 이 기법은 반복되는 표면의 깊이 및 높이를 측정하는데 적합한 비용 효율적 방법으로 조명원이나 표면이 움직이는 경우에도 사용되며 명암이 낮은 부품의 표면을 상세하게 볼 수도 있다. 하지만 측정되는 부품이 조명 반사 효과를 낼 수 있어야 하기 때문에 측정대상 부품이 조명을 흡수하지 않아야 한다. 선형 조명원의 효과는 완벽히 평탄하게 비춰지며 비연속 표면은 그림 6a, 6b에 나타냈다.
DOAL(Diffuse On-Axis Lighting)로도 알려진 확산 온-축 조명은 조명원이 카메라에 방해되지 않도록 조명을 카메라와 일직선으로 부품에 직접 비출 수 있다. 이는 부품에서 조명을 직접 반사시키기 위해 50% 은도금 거울을 사용한다. 카메라는 조명이 비춰지는 이미지를 캡처하기 위해 이 거울을 통해 본다.

확산 온-축 조명 애플리케이션으로는 광택이 있는 평평한 표면상의 오류 검출 및 작은 구멍의 내부 검사 등이 있다. DOAL 조명은 은도금 거울을 통과하면서 휘도가 줄어들기 때문에 대상물에 일관되게 조명을 비추거나 조명을 개선하기 위해 추가 조명원을 사용하는데 적합하다.

그림 7a, 7b는 어떻게 DOAL을 사용해 반사광을 제거하고 일부 애플리케이션에서 표면의 특성을 보다 쉽게 검사할 수 있는지를 보여준다.
마지막으로 설명하고자 하는 조명 기법은 확산 오프-축 조명으로 흐린 날 조명이나 돔 라이트 조명으로도 알려져 있다. 이 조명 기법은 부품에서 직접 반사되지 않고 표면에 먼저 확산된 다음 부품에서 튕겨져 나온다. 확산 오프-축 기법은 마치 흐린 날에 무엇인가를 관찰하는 것처럼 그림자가 나타나지 않는다. 또한 부품 검사 애플리케이션에서는 문제를 유발하는 핫스팟이나 휘광 발생을 방지할 수 있다. 돔 조명이 사용되는 경우 카메라가 돔의 반사경에 있는 홀을 통해 촬영하는 이미지 중앙에 데드 스팟이 생길 수 있으므로 반사경이 사용되는 경우 데드 스팟을 채우기 위해 DOAL 소스를 추가하는 것이 좋다. 이외에 공간이 제한적인 애플리케이션에서는 평판 돔 조명을 카메라와 부품 사이에 배치할 수 있으며 곡면에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있다.

상시-동작(Always-on) 혹은 점멸식 조명
머신비전 애플리케이션에서 조명은 상시-동작등, 점멸등 둘 중 하나다. 점멸식 조명은 휘도를 높일 수 있으며 조명원을 보다 오래 유지할 수 있다. 보다 유용한 점은 움직임을 멈추게 할 수 있다는 것이다. 하지만 점멸식 조명은 제어가 필요하다. 타이밍은 반드시 이미지 수집과 정밀하게 조정되어야 하며 이 이미지들은 각기 휘도가 다르다. 또한 점멸식 조명을 사용할 때는 인적 요소도 고려해야 한다. 플래시 조명은 일부 사람들에게서 발작이나 두통을 유발할 수 있기 때문이다.
머신비전 시스템을 설계할 때 머신이 설치되는 영역의 주변광 영향을 고려하는 것이 중요하다. 부품을 비추기 위해 사용되는 조명은 검사 시스템의 목표가 실현되도록 주변에서 비춰지는 주변광을 제압할 수 있을 만큼 밝아야 한다. 주변광은 부품에 부가적인 휘광을 유발할 수 있다. 또한 작업자가 서있는 위치나 일과시간, 날씨, 계절에 따라 달라질 수 있다. 이러한 모든 요인들은 검사 시스템의 조명원을 선택하고 머신의 물리적인 레이아웃을 설계할 때 반드시 고려되어야 한다.

조명원
조명원 중 하나인 할로겐 등은 매우 밝은 조명이 필요한 애플리케이션(대부분 새로운 자동차의 헤드라이트는 할로겐)에는 효과적이지만 점멸식으로는 사용할 수 없다는 한계가 있고 시간이 갈수록 점점 뜨거워지며 휘도가 낮아지는 약점이 있다.
할로겐 타입의 조명을 검사 애플리케이션에 사용한다면 제품 수명을 연장하기 위해 최대 전력을 80%로 구동하고 컬러가 변하지 않도록 전압 한도를 유지해야 한다. 만약 애플리케이션이 할로겐에서 발생하는 열에 민감하다면 램프를 원격 장착할 수 있도록 광섬유를 이용하는 것도 좋다.
다른 조명원 중 하나인 백열등의 조명 전구는 저렴하고 손쉽게 이용이 가능하지만 점멸식으로 구성할 수 없고 열이 발생되며 시간이 지날수록 조금씩 휘도가 낮아진다. 형광등 조명원은 상대적으로 가격이 저렴하다. 백열등 조명은 여러 형태와 크기로 이용 가능하고 확산조명을 제공하며 휘광을 최소화할 수 있다. 제한 요소로는 점멸식으로 사용할 수 없고 시간이 지날수록 성능이 저하되며 밝기를 낮추는 것이 어렵다는 점이 있다. 또한 형광등은 AC 전원의 주파수로 인해 깜박거리게 되며 비전 검사 애플리케이션에서 이미지 품질에 영향을 미칠 수 있다. 고주파 밸러스트 사용은 깜박임을 줄이는데 도움이 되지만 이를 완전히 제거할 수는 없다.
레이저는 고도의 평행 광원으로 높은 휘도를 가지고 있으며, 검사되는 대상물에서 멀리 떨어진 곳에 장착이 가능하다. 다이오드 레이저라 불리는 특수 레이저는 점멸식으로 사용할 수 있다. 레이저는 거리 측정 및 3차원 측정에 사용되곤 하지만, 높은 정확도를 달성하기는 어렵다. 레이저는 일반적으로 매우 고가인데다, 잠재적으로 안전상의 위험이 있어 특별한 안전대책이 요구된다. 이러한 안전대책이 요구되는 애플리케이션의 경우, 광섬유가 평행 광을 제공할 수 있는 보다 안전한 옵션이다
이전의 많은 점멸식 조명 시스템은 크세논(Xenon) 조명을 적용하고 있다. 크세논은 짧은 기간에 걸쳐 매우 높은 휘도를 제공하기 때문에 움직임이 멈춘 것과 같은 효과를 줄 수 있어 점멸식 조명에 이상적이다. 하지만 크세논 점멸등의 휘도는 시간이 지날수록 감퇴하며 오늘날에는 거의 사용되지 않는다.
보다 탁월한 대안은 LED(Light Emitting Diodes)를 사용하는 것이다. 이 광원은 오늘날 머신 비전 애플리케이션에서 가장 보편적으로 사용되고 있다. LED는 10,000시간 이상 매우 오랜 기간 동안 유지가 가능하며 점멸식으로 사용하거나 열 문제없이 지속적으로 켤 수도 있다. 또한 LED는 사용하기에 매우 안전하고 효율적이며 거의 모든 컬러나 특정 파장에 맞게 사용할 수 있다. 초기 LED는 휘도의 한계가 있었지만 최신 LED는 매우 밝다(대부분의 신제품 자동차들이 외부 조명으로 LED를 사용하고 있다).
아래 차트는 여러 애플리케이션 적합성을 고려하기 위해 서로 다른 조명원을 비교한 것이다.

통합 조명
머신비전 사용자는 통합 조명을 포함하고 있는 시스템을 사용할 수 있다. 통합 조명은 부가적인 조명을 확보하거나 설치 및 전원을 구축할 필요 없이 특정 부품이나 특징을 하이라이트하기 위한 설정을 간소화할 수 있다. 통합 조명을 갖추고 있는 일부 비전 시스템은 추가 장비를 사용하지 않고 소프트웨어를 사용해 휘도 및 점멸식 조명을 제어함으로써 부가적인 혜택을 제공한다. 외부 조명이나 전원이 필요하지 않기 때문에 통합 조명을 갖춘 비전 시스템은 설치가 간편하고 생산 라인 상의 접근이 어려운 공간에서도 사용이 가능하다. 또한 보다 비용 효율적이다.

올바른 조명 선택
비전 시스템에 맞게 조정하거나 구성할 수 있는 많은 조명 옵션들이 있고 여러 적용 방법들이 있다. 이런 선택사항 중 올바른 조명 선택은 해당 머신의 생산성을 획기적으로 차별화할 수 있는 방법이다. 새로운 자동검사 시스템을 기획할 때 반드시 해야 할 첫 번째 일은 검사를 통해 취득해야 할 것은 무엇인지를 파악하고 표면의 마감상태나 컬러 등과 같이 검사해야 할 부품을 이해하는 것이다. 또한 생산 환경을 이해하는 것도 중요하다. 그러고 나서 여러 다양한 조명원의 장단점을 살펴봐야 한다.
올바른 조명을 선택한 후에는 효과를 극대화하기 위해 조명원의 위치를 결정해야 한다. 조명원의 조합과 부품을 어떻게 배치할 것인지 파악하고 카메라의 적절한 특성을 강조해 환경에 적절히 대용해야 한다. 이는 애플리케이션의 검사 요건에 맞는 양호하고 일관된 이미지를 생성하는데 매우 중요하다. 이런 제반사항들을 이해한 머신비전 전문가는 해당 애플리케이션을 위한 최상의 조명과 조명 위치 옵션을 결정하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

출처 | 코그넥스(www.cognex.com)