Basler, 규정된 목표에 달성하기 위한 화상 처리 시스템에 적합한 카메라 선택 방법

카메라 선택은 전체 시스템 구축의 첫 단추이다. 화상처리 시스템의 실제 시스템 설계 과정에서는 실제로 카메라를 통해 무엇을 할 것인가를 파악하고 객관적이 자체 평가를 하는 것이 중요하다. 규정된 목표를 달성하기 위해 내 카메라의 필요한 특성을 찾아야 하는 것이 필요하다. 다양한 카메라 모델에 대한 지식과 화상처리 시스템과 관련된 핵심 부분에 대한 이해를 돕고자 디지털 카메라 생산의 글로벌 제조업체인 Basler사가 제공하는 기술 응용 자료를 번역해 게재한다.

화상 처리 시스템을 구축하기 위한 결정은 보통 구체적인 필요성을 토대로 하는데 시스템에 대한 기본 요구 사항은 이미 산업용 머신 비전에 사용된 두 가지 주요 카메라 기술 중 하나를 가리키고 있다.

네트워크 카메라 또는 산업용 카메라

화상 처리 시스템용 카메라는 산업용/머신 비전(MV) 또는 네트워크/IP(Internet Protocol)카메라로 분류된다.
네트워크 카메라는 IP(Internet Protocol) 카메라로도 알려져 있으며 비디오를 녹화한다. 이 카메라는 산업용 카메라와 함께 전통적인 감시 애플리케이션에 자주 사용된다. 이들 제품은 주로 충격 및 거친 날씨에 견디도록 설계된 튼튼한 하우징에 들어 있어 실내외 어디에서의 사용에도 적합하다. 주간/야간 모드 및 특수 적외선 필터(차단 또는 투과 필터)를 포함한 다양한 기능을 통해 아주 나쁜 조명과 날씨 조건에서조차 탁월한 화질을 제공한다.

네트워크 카메라는 선적 라인 및 포장 시스템부터 건축 및 교통 감시 시스템에 이르는 다양한 분야의 공정 제어에서 감시 작업용으로 사용된다. 사용 장소로는 ▲은행 ▲카지노 ▲회사 구내 및 공공 건물(경기장, 기차역, 공항, 컨테이너 항구)▲물류 및 수송(물류 센터, 접근 통제) 등과 같은 곳들이 있다.

컬러 또는 모노크롬 카메라

컬러 또는 모노크롬 카메라를 결정하는 것은 비교적 단순하다. 이 결정은 전적으로 화상 처리가 필요한 애플리케이션의 성격에 좌우된다. 카메라 시스템에서 필요한 결과를 정확히 규정하게 되면 적절한 분석/지속적인 처리를 위해 이미지 캡처에 컬러가 필요한지, 아니면 흑백이면 충분한지 효과적으로 정의할 수 있다. 컬러가 꼭 필요한 것이 아니면 대개 모노크롬 카메라를 선택하는 것이 더 낫다. 모노크롬 카메라는 컬러 필터가 필요하지 않기 때문에 컬러 카메라에 비해 감도가 더 뛰어나고 좀 더 자세한 이미지를 제공한다. 지능형 교통 시스템과 같은 여러 애플리케이션에서 증거 등급 이미지에 대한 구체적인 국가별 법률 요구 사항을 충족시키기 위해 흑백과 컬러 카메라를 조합해 사용하는 경우도 많다.

센서 종류, 셔터 기술, 프레임 속도

다음으로 중요한 단계는 CMOS 또는 CCD 센서 기술을 기반으로 구축된 적절한 센서를 고르는 것이다. 이 시점에서 셔터 종류 선택도 고려해야 한다. 옵션은 글로벌 또는 롤링 셔터가 있다. 센서 종류와 셔터가 결정되고 나면 다음으로 고려해야 할 사항은 카메라가 작업을 끊김 없이 처리하기 위해 매 초 전송해야 할 이미지 개수를 의미하는 프레임 속도이다. 이 항목은 처음 생각할 때는 다소 복잡해 보이지만 화상 처리 시스템에 대한 요구 사항만 파악하고 나면 사실 매우 명확해진다.

센서 종류
두 가지 센서 기술 간 근본적 차이점은 해당 센서의 기술적 구조에 있다. CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 칩에는 빛(구체적으로 광자)을 전자 신호(전자)로 변환하는 전자 회로가 센서 표면에 직접 결합되어 있다. 이로 인해 이미지 데이터를 보다 신속히 읽을 수 있고 사용자가 이미지 범위를 융통성 있게 호출할 수 있어 속도가 매우 빨라진다. CMOS 센서는 SLR 카메라와 같은 소비 시장에서 폭 넓게 사용되고 있다.

장점은 뛰어난 가격 대비 성능비, 빠른 속도(이미지 속도), 높은 해상도(픽셀 수), 낮은 소모 전력 탁월한 Quantum efficiency를 들 수 있다. 이러한 특징들은 과거에 CCD 센서가 장악했던 영역에 CMOS 칩이 발을 들여놓는 데 한 몫 했다. 지금은 여러 해 동안 기술이 발전되어 거의 어떤 화상 처리 애플리케이션용으로든 적합한 수준이 되었다. 최신 CMOS 센서를 판매할 때 특히 강조할 부분은 화질 손상 없이 높은 이미지 속도를 얻을 수 있다는 점이다.

CCD 센서는 그 아키텍처와 이미지 데이터 전송 및 처리 방식이 속도의 한계에까지 근접했지만 비교적 느린 애플리케이션에서 탁월한 화질을 제공한다. 최근 몇 년 동안의 여러 가지 기술 발전 방향을 보면 센서 시장에서의 트렌드는 점점 CMOS 기술쪽으로 기울고 있다.

셔터
언뜻 보기에 셔터 종류는 센서를 선택할 때 그리 중요해 보이지 않지만 사실은 전혀 그렇지 않다. 애플리케이션에 적합한 셔터를 사용하는 것은 매우 중요하다. 두 가지 옵션으로 글로벌 셔터와 롤링 셔터가 있다. 셔터는 노출 순간에만 열려 입사광으로부터 카메라 내부의 센서를 보호한다. 선택된 셔터나 노출 시간에 따라 적절한 빛의 ‘양’과 셔터 개방 시간이 결정된다. 두 가지 셔터의 차이점은 빛에 대한 노출 방식에 있다.

글로벌 셔터 방식은 한 번에 센서 전체에 빛이 들어오도록 한다. 따라서 프레임 속도(보통 fps로 표시)에 따라 이동하는 물체가 빠르게 연속 노출된다. 글로벌 셔터는 교통 및 수송 분야, 물류 및 인쇄 매체 검사와 같이 고속으로 이동하는 물체를 촬영해야 하는 애플리케이션에 최적이다. 롤링 셔터는 이와 달리 이미지를 줄 단위로 노출시킨다.

즉, 각 이미지가 여러 개의 가로 줄로 구성된다. 각각의 줄은 다시 일정한 개수의 픽셀로 구성된다. 픽셀 종류는 해상도에 따라 달라진다(자세한 내용은 “해상도, 센서 및 픽셀 크기” 장 참조). 요약하면 높은 해상도 = 많은 픽셀, 낮은 해상도 = 적은 픽셀이라는 공식이 성립된다. 줄 단위 노출은 단계별로 이루어진다.

Basler ace와 같은 에어리어 스캔 카메라의 경우 이런 데이터의 양은 인터페이스 및 사용하는 카메라의 속도에 따라 크게 달라진다. 어떤 속도가 가능한지 또는  화상 처리 시스템의 카메라가 기록해야 할 대상이 무엇인지에 좌우된다. 카메라 검사 지점을 지나 고속으로 이동하는 신문에 인쇄된 이미지의 검사와 같은 고속으로 이동하는 애플리케이션의 경우 카메라가 수 밀리초 이내에 ‘촬영’할 수 있어야 한다. 이것은 대개 낮은 프레임 속도만을 필요로 하는 제약 및 제조업에서 사용되는 일부 미세한 검사에서와는 큰 차이가 있는 것이다.

해상도, 센서 및 픽셀 크기

해상도
실제로, 해상도는 이미지 안에서 서로 구분할 수 있는 두 선 또는 두 점 사이의 측정 가능한 최소 거리를 나타낸다. 그렇다면 카메라 사양에 “2048×1088”이라고 적혀 있다면 이것은 무엇을 의미할까? 이 숫자는 줄당 픽셀(이미지를 구성하는 점) 수를 나타내며 이 경우에는 가로줄 2048 픽셀, 그리고 세로줄 1088 픽셀을 나타낸다. 두 숫자를 곱해 얻은 숫자는 2,228,224 픽셀 또는 2.2 메가픽셀(백만 픽셀 또는 줄여서 ‘MP’)의 해상도를 나타낸다. 애플리케이션에 필요한 해상도를 결정하는 데는 다음과 같은 간단한 공식이 사용된다.

센서 및 픽셀 크기
센서와 개별 픽셀의 표면이 넓을수록 입사광을 포획할 수 있는 공간이 넓어진다. 빛은 이미지 데이터를 생성하고 처리하기 위해 센서가 사용하는 신호이다. 사용 가능 면적이 넓을수록 신호 대 잡음 비율(SNR)이 커지며 특히 3.5㎛ 이상의 크기를 갖는 픽셀의 경우 더욱 공간이 넓어진다.

SNR이 클수록 화질이 좋아지고 42dB 정도의 측정값이면 훌륭한 결과로 간주된다. 대형 센서의 또 다른 장점은 공간이 넓어져 더 많은 픽셀을 심을 수 있어 더 높은 해상도를 얻을 수 있다는 것이다. 여기에서의 최대 장점은 사용 가능한 공간이 좁아 작은 픽셀을 사용해야 하는 상대적으로 작은 센서에서와 달리 고해상도를 유지하면서도 충분히 큰 개별 픽셀을 사용할 수 있어 우수한 SNR을 보장할 수 있다는 점이다. 그

럼에도 불구하고 센서가 크고 대형 픽셀의 개수가 많다 하더라도 적절한 광학 부품을 사용하지 않으면 좋은 결과를 얻을 수 없다. 높은 수준의 세부 정보를 표현할 수 있는 적당한 렌즈와 결합될 때만 최대한의 성능을 발휘할 수 있다. 또한 대형 센서는 더 많은  실리콘을 사용하게 되어 결국 가격이 비싸진다.

인터페이스와 카메라 하우징 크기

다음은 화상 처리 시스템을 설계할 때 항상 부딪히게 될 주제 두 가지에 대해 설명한다.

인터페이스
화상 처리 시스템 완성을 위한 다음 단계는 인터페이스 선택이다. 여기에서의 목표는 성능, 비용 및 신뢰성의 최적 균형점을 찾기 위해 서로 다른 요소들 사이의 비중을 계산하는 것이다. 인터페이스는 카메라 센서에서 이미지를 처리하는 구성 요소 즉, 하드웨어 및 소프트웨어로 이미지 데이터를 전송하는 카메라와 PC 사이의 통신 수단 역할을 한다.

널리 보급되어 있는 다양한 최신 기술들을 선택할 수 있다. 즉, Camera Link(CL), 기가빗 이더넷(GigE), USB 3.0과 같은 다양한 최신 기술들을 선택할 수 있지만 USB 2.0이나 FirWire와 같은 오래된 기술을 사용하면 성능 상의 한계로 인해 일반적인 용도로는 권장하지 않는다. 케이블 길이, 대역폭, 플러그 앤 플레이 호환성, 시스템당 카메라 대수, 실시간 호환성 및 예산 등의 애플리케이션 요건에 따라 Camera Link, GigE 또는 USB 3.0 중에서 카메라에서 PC로 빠르고 깔끔하며 안전하게 이미지 데이터를 전송할 수 있는 최상의 인터페이스를 선택할 수 있다.

GigE 및 USB 3.0은 이와 대조적으로 기존 PC 기술과 호환되어 시스템 가격에 긍정적 효과를 가져올 뿐 아니라 플러그 앤 플레이 호환성 덕택에 구성도 간편하다. 또한 GigE 및 USB 3.0은 산업 인증 표준인 GigE Vision과 USB3 Vision의 지원을 받고 있다. 이로 인해 카메라를 표준 액세서리와 결합할 때 모든 구성 부품과의 매끄러운 상호 작용을 보장한다.

하우징 크기
카메라 하우징의 크기는 인터페이스 선택에 직접적인 관련이 있다. 본래 카메라 선택에 있어 핵심 기준은 아니지만 전체적인 시스템 통합에 영향을 줄 수 있다. 전체 직물 너비를 더 잘 기록하기 위해 카메라를 연달아 설치하는 애플리케이션(멀티 카메라 장비)에서는 1밀리미터의 공간조차 문제가 될 수 있다.

유용한 카메라 기능

모든 Basler 카메라에는 화질을 개선하고 이미지 데이터를 보다 효과적으로 평가하거나 공정을 보다 정밀하게 제어하는 데 도움이 되는 핵심 기능들이 내장되어 있다. 각 카메라 모델의 기능 가운데 화상처리 시스템 설계의 중요성을 감안해 세 가지 기능을 예로 설명한다.

AOI (Area of Interest)
Basler 카메라는 항상 프레임 내에서 특정 개별 관심 영역을 선택하거나 한 번에 서로 다른 AOI를 여러 개 선택할 수 있는 옵션을 제공한다.  이러한 프레임 섹션 및 섹션 자체가 처리되고  출력된다. 이것의 장점은 프레임에서 이미지 평가에 관련된 부분들만 처리된다는 점이다. 이 외에도 데이터 양이 적을 수록 프레임 속도가 빨라지기 때문에 개별 AOI는 종종 카메라 데이터를 더 빨리 읽기 위한 용도로도 사용된다.

“자동기능”
Basler 카메라는 “자동기능”이라는 일련의 기능을 제공한다. 한 가지 예로 자동 노출 보정 및 자동 게인(Automatic gain)을 들 수 있는데, 이 두 가지 기능의 조합을 통해 노출 시간 및 게인 변수가 변화하는 주변 여건에 맞게 보정됨으로써 이미지 밝기 및 대비가 유지된다.

Sequencer
Sequencer는 특정 이미지 시퀀스를 판독하는 데 사용된다. 이는 예를 들어, 다양한 AOI를 프로그램한 뒤 Sequencer를 통해 자동으로 판독할 수 있음을 의미한다.

자료출처 |Basler Korea(www.baslerweb.com)

Basler AG

Basler는 공장자동화, 의료 & 생명과학 및 교통 애플리케이션을 위한 디지털 카메라 생산에서 선도적인 자리를 차지하고 있는 글로벌 제조업체이다. 카메라 선택은 전체 시스템 구축의 첫 단추이다. 다양한 해상도, 프레임 속도 및 센서 기술이 적용된 흑백 및 컬러 모델 모두를 아우르는 폭 넓은 제품 포트폴리오에서 원하는 제품을 선택할 수 있다. 모든 Basler 카메라에는 다양한 애플리케이션에 완벽히 들어맞고 화상 처리 시스템에 결합할 때 융통성을 극대화시켜 주는 표준 인터페이스가 내장되어 있다. Basler의 제품은 업계의 요구 사항에 따라 디자인되며, 용이한 통합, 작은 크기, 우수한 이미지 품질과 우월한 가격 대비 성능을 제공하고 있다. Basler는 1988년에 설립되어 비전 기술에서 25년 이상의 경험을 보유하고 있다. 400여명의 직원이 독일 아렌스부르크의 본사와 미국, 싱가포르, 타이완, 일본, 그리고 한국의 지사에 근무 중이다.