머신 비전 기초의 이해

‘산업용 비전’ 또는 ‘비전 시스템’이라고도 하는 머신 비전은 시각적으로 검사하는 등 여러 용도로 사용하기 위해 프로세싱 하드웨어와 소프트웨어 알고리즘에 연결된 디지털 이미지 센서(특수 렌즈와 카메라에 포함)를 사용하는 것이다. 머신 비전은 컴퓨터 과학, 광학, 기계 공학, 산업 자동화 등을 아우르는 여러 업계를 종합한 분야이다. 지금까지 머신 비전 도구들은 제조 분야에 집중하였지만, 빠르게 변화하여 의료용, 연구용, 영화 제작에 이르기까지 많은 분야에서 사용되고 있다.

머신 비전 시스템은 실시간 품질 관리 시스템을 만들거나 제조 로봇과 같은 장비에 지시를 내리기 위해 디지털 입출력 장치(카메라), 컴퓨터 네트워크(이미지 데이터 저장 및 공유), 이미지 캡처 및 프로세싱 시스템(컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어)을 함께 결합하여 제공한다. 이미지 프로세싱을 기본적으로 다루는 ‘컴퓨터 비전’과는 다소 차이가 있다. 대신, 머신 비전 시스템은 고속, 고배율 24시간 연속 동작, 반복 측정이 필요한 까다로운 산업용 애플리케이션에서 시각적으로 검사하고 관리할 수 있도록 구축된다.

힘든 작업 수행
어떠한 기계도 사람의 눈보다 더 다양하게 살펴볼 수 없지만 다른 인간적인 약점이 제조 환경에서 생산성을 저해 할 수 있다.
이러한 작업은 재미가 없기 때문이다. 일반적으로 높은 속도, 일정한 동작, 단조로움과 같은 특성이 있는 검사와 같은 비전 관련 공장 작업에서 지루함, 주의 산만, 피로와 같이 사람의 능력을 저하할 수 있다.
이러한 작업에서 머신 비전 시스템을 활용하는 공장 자동화는 많은 이점을 제공한다. 머신 비전 시스템은 사람보다 더 빠르고 더 정확하고 일관성이 있는 작업을 수행할 수 있다. 인건비를 줄이고, 생산량을 높이고, 부정확하거나 올바르지 않은 어셈블리와 관련된 오류 비용을 제거할 수 있다. 이들은 공장 관리 네트워크의 일부를 형성하여 제조 문제를 온라인으로 자동 식별하고 자동 해결을 할 수 있다.
이들은 로봇 제어와 형식 검증과 같은 관리에서 필요한 입력을 통하거나, 측정을 확인하거나 문자열이 제대로 인쇄되어 있는지를 확인하는 등  검사 공정 자체의 일부일 수 있다.
머신 비전 시스템은 카메라를 한 대만 설치할 수 있고 여러 대를 설치할 수 있다. 또한, 미리 정해진 공차 또는 요구 사항에 따라 중앙 제어 시스템에 모든 캡처, 해석, 신호 전송을 각각 포함할 수도 있다.
복잡하고 여러 단계인 육안 검사 작업을 쉽게 자동화 하거나, 빠른 속도로 대규모로 간단하게 검사할 수 있다. 이러한 종류의 애플리케이션으로는 포지셔닝, 식별, 검증, 측정, 결함 검출 등이 있다. 머신 비전 시스템은 제품 품질 향상, 높은 수율, 적은 생산 비용의 출발점이 되어 제조의 더 높은 표준을 주도하고 있다. 좋은 품질을 일관성이 있게 제공하여 최종적으로 생산성을 높이고 고객 만족도를 향상할 수 있다.
주문 제작으로 제공되는 머신 비전 시스템
머신 비전 시스템은 공장, 도로, 우주 등 여러 곳에서 사용되기 때문에 많은 곳에서 필요한 구성 요소들은 표준 제품으로 제공하지만, 주문 제작으로 많이 제공된다. 일반적으로 머신 비전 시스템의 각 구성 요소들은 하나의 작업을 수행한다. 이를 통해 새로운 기능을 추가하거나 성능을 향상하기 위해 불필요하게 다른 구성 요소들을 교체하지 않고 구성 요소를 쉽게 교체할 수 있다. 또한, 고장이 난 부품을 간단하게 교체할 수도 있다. 카메라는 가장 약한 부분에서 나머지 시스템 부분의 혁신을 이끌어 내는 추진 요소로 나아가고 있다. 이것은 빛을 기록할 뿐만 아니라 이미지 품질을 개선하기 위해 다양한 수준으로 프로세싱을 수행하거나 파일 크기를 줄일 뿐만 아니라 다른 저장 매체로 기록할 수 있는 일반 소비자용 디지털 카메라와 디지털 필름 카메라와는 대조적이다.

비전 시스템의 구성 요소
일반적인 머신 비전 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 구성된 자동화된 생산 프로세스의 일부가 될 수 있다.
카메라 : 시스템은 컬러, 흑백, 넓은 스펙트럼 이미지를 기록하는 1개 이상의 디지털 카메라가 있다. 소비자 제품인 카메라와 같이 광학 제품/렌즈를 장착하여 특정 FOV(Field of view)와 사용할 수 있는 빛을 제공한다. 적절한 렌즈를 선택하려면 먼저 FOV와 동작 거리(Working distance)를 알아야 한다. FOV는 캡처할 영역의 크기이다. 동작 거리는 카메라 전면에서부터 검사할 개체까지의 대략적인 거리이다. 더 정확한 정의는 렌즈의 구조를 고려해야 한다.
트리거(Trigger) : 이 구성 요소로 카메라가 보는 무엇인가에 대한 응답으로 특정 동작을 하도록 만들 수 있다. 광학 또는 자기 센서와 같은 검출 부품과 센서를 동기화하면 이미지 획득 및 프로세싱을 시작하도록 하거나, 결함이 있는 부품을 거부하거나, 분류할 수 있도록 액추에이터를 형성할 수 있다.
이미지 프로세서 : 품질 기준을 충족하는지 확인하거나 타입을 검증하거나 다른 관리 시스템의 로봇을 제어할 목적으로 Microsoft Windows가 설치된 환경에서 컴퓨터 프로그램은 이미지 프로세싱, 검출, 측정, 비교 등을 수행한다.
케이블 : 디지털 입출력과 같은 입출력 하드웨어 또는 Ethernet, USB, Firewire, Camera Link 등과 같은 통신 연결로 결과를 보고하거나 자동으로 구성 요소를 거부할 수 있다.

고객 상황에 맞는 시스템 구축
모든 머신 비전 시스템은 몇 가지 중요한 구성 요소로 구성된다. 이미지 센서/카메라는 빛을 캡처하고 컴퓨터가 이해할 수 있는 전기 신호로 변환한다. 그런 다음, 전기 신호를 렌더링하고 이를 바탕으로 뭔가를 수행할 수 있는 컴퓨터로 결과를 전달하는 프로세싱 엔진으로 전송한다.
애플리케이션에 따라 동작 요구 사항과 부가적인 기능은 다르지만, 모든 머신 비전 시스템은 일부 근본적인 속성과 행동을 공유한다. 시스템 모두는 이미지가 필요하거나 화면 또는 개체를 검사하고, 실제로 가장 빠른 속도로 지속해서 동작한다.

그림 2에서 보여주는 검사 시스템의 필수 요소는 이미지 캡처와 시스템 응답을 시작하기 위해 전송 부분, 비전 시스템, 센서 등을 포함한다. 전송 부분은 검사를 위해 개체를 적절한 위치로 이동시킨다. 카메라, 광학 요소(렌즈), 조명, 이미지 프로세서 등을 포함하는 비전 시스템은 합격/불합격을 결정하기 위해 개체 이미지를 캡처하고 프로세싱 한다. 응답 시스템은 필요한 동작을 취할 뿐만 아니라 운영자 또는 다른 시스템으로 결과를 전송한다. 시스템이 적절하게 작업을 수행할 수 있도록 개체를 위치시키면 센서가 응답 및 식별을 시작한다.
틀림없이 가장 중요하고 가장 먼저 해야 하는 검사 시스템의 개발 단계는 위치 결정 또는 ‘스테이징(Staging)’이다. 어쨌든, 센서가 화면을 캡처하지 않으면 어떠한 프로세싱 작업도 정보를 가져올 수 없다. 이 단계에서는 이미징을 위해 카메라 전면에 적절하게 개체를 위치시키는 방법을 결정한다. 개체가 카메라 및 이미지 센서로 전달되는 방법을 알아내는 것은 머신 비전 설계에서 가장 어려운 부분일 수 있다. 이 전달 방식은 카메라, 조명, 센서, 응답 시스템 등을 포함한 나머지 시스템에 영향을 줄 수 있다. 그리고 카메라는 장소에 구애받지 않는다고 느낄 수 있다. 몇몇 사례를 살펴보면, 정돈되고 예측할 수 있는 방식으로 컨베이어 벨트를 통해 개체가 전달되는 대신, 개체가 이동되거나 정렬될 수 있다.
그림 4에서의 시스템은 영화 스턴트를 촬영하기 위해 설계되어 개체가 카메라와 함께 이동된다.

효율적 처리능력, 고해상도에 대한 지속적인 요구
비전 검사로 정밀하게 로봇을 가이드할 수 있고 더욱 정확하게 제조 공정을 만들 수 있다. 커스텀 제품과 변형 제품을 더 많이 생산하는 환경이 되고 있다. 현장에서 기계가 확인할 수 있을 뿐만 아니라 현장의 작업을 더 많이 대체할 수 있다. 보다 효율적이고 신속하게 검사하고 폐기물과 스크랩 재료를 신속하게 제거할 수 있다.
빠르고 더 효율적인 처리 능력, 대역폭 증가, 적은 비용의 케이블 연결과 스토리지 사용 등과 함께 향상된 품질과 더 높은 해상도의 카메라에 대한 지속적인 요구로 머신 비전은 끊임없이 발전하고 있다.

자료제공 | 앤비젼(www.envision.co.kr/mv/)
위의 자료는 비전 솔루션을 핵심으로 하여 핵심 제품과 엔지니어링 컨설팅및 기술지원 서비스를 제공하는 비전 솔루션 전문기업인 앤비젼 제공이다. 더 자세한 내용은 앤비젼 홈페이지에서 확인 할 수 있다.