머신 비전의 인간적 측면

인간을 편리하게 해주는 머신 비전

카메라, 센서, 비디오 인터페이스 기술의 진화는 제품 제조와 인간의 검사 능력을 훨씬 능가하는 품질 검사에 대해 지속적으로 머신 비전 성능을 발전 시켰다. 이미징 시스템은 인간의 눈으로 인지 할 수 없지만 현미경으로 보이는 결함을 찾을 수 있고, 육상 선수 보다 빨리 이동할 수 있고, 인간이 들지 못하는 무게를 들어 올릴 수 있다. 간혹 새로운 기술 개발에서 간과되는 것이 있는데 바로 인간이란 요소이다. 이것은 다양한 기술 개발이 인간의 능력 대체 또는 보강하는 것에 초점을 맞추고 있는 머신 비전 애플리케이션에서 특히 그러하다. Pleora가 작성하고 다트비젼이 제공한 이 글에서는 시스템의 사용과 유지 보수를 간소화하기 위한 인간의 필요성에 대해 고민하면서, 비전 표준이 어떤 새로운 머신 비전 기술의 디자인 진화에 사용되는지에 대해 알아본다.

플러그 앤 플레이 사용
USB는 특히 사용하기 쉽고 넓은 가용성 덕분에 여러 소비자와 컴퓨팅 장치에서 유선 데이터 연결의 중추가 되었다. 하지만 단 하나의 예외가 실시간 화상 분석을 위한 미가공 데이터머신 비전이다. 왜냐하면 표준의 이전 버전들이 비압축 전송을 지원하는데 필요한 대역폭을 제공에 실패했기 때문이다.
USB2.0 대역폭의 10배가량 제공하는 USB 3.0 표준 또는 Super Speed USB가 이것을 바꿔 놓았다. 이 미가공 데이터와 GigE Vision에 의해 개발된 콘셉트를 이용하여 머신 비전 산업이 USB3.0 케이블을 통해 이미징 비디오와 데이터 전송을 2013년 2월 USB3 Vision 출시와 함께 표준화했다.
USB3 Vision으로 인해 비디오와 데이터는 카메라와 센서에서 기존 컴퓨터, 랩탑 또는 태블릿의 포트로 직접적으로 전송된다. USB 3.0 버스는 3Gbps 대역폭의 데이터양을 전송 하며 Camera Link Base 배열을 능가하고 Medium 배열에 근접하나 멀티 케이블 또는 별도의 PC의 장치 데이터 획득용 PCIe 프레임 그래버 제품이 필요로 하지 않는다.
머신 비전에 필요로 하는 대역폭은 USB3 Vision의 초기 채택에 주요 요인이었다. 하지만 제품을 제조하는 장비회사는 좀 더 유연한 케이블링과 Plug-and-Play 연결로 인한 사용 이점을 필요로 한다.

검사와 분석을 위한 현미경 시스템에서<사진 2> 디자이너는 비용을 절감하고 사용성을 향상시키며, Camera Link 카메라를 USB3 Vision 카메라로 변환함으로써 복잡성을 줄일 수 있다. 이런 시스템은 현미경 이미지를 컴퓨터로 분석 및 관찰을 위한 용도로 전송하기 위해 Camera Link 카메라를 사용한다. 이 Camera Link 비디오 인터페이스는 데스크탑 컴퓨터에서 이미지 캡처를 위해 무겁고, 특수한 케이블링과 PCIe 프레임 그래버를 필요로 한다. 그 결과 좀 더 복잡한 시스템과 높은 비용, 제한된 컴포넌트 선택으로 연결 된다.
비교해 보면, USB3 Vision Pleora iPort CL-U3는 현미경 카메라로부터 USB3.0 케이블을 통해 직접적으로 랩탑, 싱글 보드 컴퓨터, 또는 태블릿으로 이미지를 전송 한다.
Camera Link 프레임 그래버를 PCIe 슬롯에서 제거하는 것은 전체 시스템 복잡성을 줄이고, Plug-and-Play USB3.0 케이블은 검사 장치에서 셋업과 해체를 신속하게 할 수 있게 한다.

활동적인 이미징 시스템
고객들은 점점 작업 현장의 워크스테이션을 가로질러 사용할 수 있는 휴대용 비전 시스템으로 옮겨가는 추세이다. 더 작고, 더 강력한 카메라와 이미지 소스들의 진화는 이런 솔루션들의 개발을 지원하면서 이루어진다. 비전 표준은 비용 보장과 사용성 장점에서 중요한 역할을 수행 하고 있다.
그 중 하나의 예시는 바코드 검사이다. 이 애플리케이션에서 비전 표준은 소형의 탁상용 이미징 시스템 디자인을 상당히 간소화 시켰다. 바코드 프린트 검사 시스템은 자동화된 품질 검사와 창고 프로세스에서 자세한 품질 분석률을 제공하여 비용 감소, 생산성 향상, 에러율 감소에 도움을 줬다.
초기 제조 프로세스에서는 품질 확인으로 인해 라벨링 또는 마킹 시스템이 업그레이드되거나 읽을수 없는 바코드가 생산되기 전에 교체되었다. 만약 프린팅 에러가 신속히 검출되지 않았다면, 자동화된 리딩 시스템은 제품을 식별할 수 없어 바코드는 수동으로 공급 체인 시스템으로 들어가야 되거나, 식별되지 않은 제품은 폐기되었어야 할 것이다. 그로 인해 제조 공정에 혼란을 야기하고 추가 비용 발생을 초래했을 것이다.
이런 프린트 검사 시스템은 바코드가 자동화된 공정에서 산업 표준을 충족시키는지 확인하며 비용과 크기 이점을 제공하는 소형 비디오 인터페이스를 내장한 머신 비전 하드웨어와 소프트웨어에 의존한다.

<사진 3>의 애플리케이션에서, 휴대용 바코드 검사 시스템은 CMOS 이미지 센서를 사용하며, 바코드의 고해상도 이미지 캡처를 위해 특화된 디자인의 조명을 사용한다.
임베디드 비디오 인터페이스는 이미지를 GigE Vision이나 USB3 Vision에 호환 가능한 이미지 스트림으로 전환 시킨다. 그 후 이미지는 규격화된 케이블을 통해 바코드 판독성이 검사되는 컴퓨팅 플랫폼의 포트로 전송 된다. POE 또는 USB Power Delivery는 케이블을 좀 더 단순화 시키고, 컴포넌트 비용을 절감 시킨다. PCIe 프레임 그래버의 기술적 복잡성을 제거하고, 단일 케이블 설치를 가능하게 함으로써, 휴대용 시스템은 다양한 제조현장으로 이동이 가능하다.
무선 연결은 대부분의 고객들에게 환영 받는 기능이며, 머신 비전이라고 예외는 아니다. 의료 분야는 모바일 영상처리를 받아들인 첫 번째 시장이 되었으며, 산업용 애플리케이션에서는 모바일 비파괴 테스팅과 검사에 유사한 기술이 현재 사용되고 있다.
임베디드 비디오 인터페이스는 카메라, X-ray 패널 및 케이블이 복잡성, 비용, 유용성 문제를 만드는 다른 애플리케이션을 위한 촬상 장치에 GigE Vision 2.0 무선 비디오 연결을 통합하는 간단한 방법으로 시스템 제조업체 및 통합을 제공한다.
임베디드 비디오 인터페이스는 비압축 비디오를 낮은 지연대기로 IEEE 802.11n 무선 링크를 통해 스트리밍 한다. 애플리케이션 요구 조건에 따라 비디오는 비디오 인터페이스 프레임 버퍼에 저장된다. 영상데이터는 랩탑 또는 태블릿, 단일 보드 컴퓨터로 무선 전송되며, 값비싼 외부 프레임 그래버 카드가 포함된 데스크탑 PC를 필요로 하지 않는다. 
산업용 X-ray 애플리케이션에서 무선 솔루션은 휴대용 X-ray 이미징 시스템으로 변환될 수 있는 Flat Panel Detector(FPD)에 내장된다. 임베디드 하드웨어는 무선으로 실시간 이미지를 FPD로부터 컴퓨팅 플랫폼으로 분석, 녹화, 디스플레이용으로 직접 전송한다. 각 엔드 포인트에서 이미지 데이터 캡처를 위해 PCIe 프레임 그레버 또는 무선 네트워크에 이미징 장치를 연결을 위한 독립형 802.11n 브리지는 불필요하며, 그로 인해 시스템의 복잡성을 현저하게 낮춰준다.

사용자를 위한 비디오
머신 비전 시스템은 고품질, 실시간 자동화 프로세싱, 분석에 요구되는 비압축 이미지 피드를 만들어 낸다. 이런 다양한 애플리케이션들이 필요로 하는 여러 요구 사항을 가진 반면, 예를 들어 조립 라인의 실시간 모니터링 또는 품질 보증 목적 달성의 용도로 높은 대역폭의 비디오 전송과 녹화는 비실용적이며, 비싼 방법이다. 대신 제품 제조회사들은 범용 목적의 모니터링, 녹화용 영상처리 시스템 설치를 필요로 한다. 
영상 압축은 제조사들에게 좀 더 경제적이고 머신 비전용으로 사용하기 쉬운 이미징 시스템과 실시간 모니터링 및 녹화용으로 디자인하기 위한 새로운 방법을 제시한다. 이미징 애플리케이션에서 제품 제조 회사가 고려해야 할 두 가지 종류의 영상 압축 방법이 있다.
‘unrecoverable’이라고 불리는 Lossy 압축은 원본 이미지의 몇 가지 정보와 선명도를 손실한다. DVD와 인터넷 비디오 스크리밍으로 유명한 H.264는 Lossy 영상 압축의 예이다. Lossy 압축은 50:1의 비율(또는 그 이상)로 압축하여 데이터 사이즈를 줄이는데 훌륭한 역할을 하나 높은 지연 대기를 초래한다. 이미지 품질의 손실은 인간의 눈으로 인지할 수 없으며, 몇 초간의 지연은 원격에서 모니터링하거나 이미지 스트림을 녹화 할 때 영향을 주지 않는다.
이런 타입의 압축은 다중 사용자를 가진 비전 애플리케이션에 적합하다. 예를 들어, 제조 라인에서 GigE Vision카메라로부터의 비압축 비디오는 프로세싱과 분석 플랫폼으로 전송 된다.
동일한 비디오는 트랜스 코더 게이트웨이로 멀티 캐스트 될 수 있으며, H.264를 이용하여 압축하고 비디오를 유선 또는 무선 연결로 운영 센터로 전송 될 수 있다. 여기서 운영자는 원격으로 시설을 모니터하며 추후 분석을 위한 주요 이벤트들을 기록 할 수 있다.

JPEG-LS나 JPEG 2000의 특정 모드 같이 회복 가능하거나 또는 수학적으로 무손실 압축 기술은 훨씬 낮은 압축 비율을 가지고 있지만 모든 원본 정보는 보존 된다. 게다가 지연대기는 이 가벼운 압축으로 인하여 훨씬 낮아진다.
회복 가능한 압축 데이터는 낮은 지연대기가 요구되는 시스템에 적합하나 데이터 속도가 기존 케이블링에 의해 지원되는 것보다 높아야 한다. 예를 들어 1080p 컬러 비디오 데이터는 GigE Cable, Camera Link 또는 USB 3.0을 통해 스트림되고 전송 된다. 그 결과 디자이너는 고 해상도 이미지를 저렴하고 사용하기 쉬운 케이블을 통해 전송하며 시스템 기능을 향상 시킬 수 있다.

머신 비전의 인간 편익
머신 비전 기술 개발이 ‘더 똑똑하고, 더 작고, 더 빠름’에 초점을 두는 동안 모든 고속 생산 로봇과 휴대용 이미징 애플리케이션의 뒤에는 구매에 앞서 비용편익을 평가하고, 시스템을 설치 및 유지하며, 사업 결정을 위한 데이터를 분석하는 사람이 있었다. 이런 USB3.0 시스템은 다른 인터페이스 디자인(CameraLink, Gigabit Ethernet) 보다 비용적으로 효율적이며, 사용하기 쉽다는 것을 확신 시켜준다.

자료제공 | Pleora(www.pleora.com)