화상 처리 시스템 기본 요소 ②

BASLER 

간과하기 쉬운 요소 : 조명 설치

적절한 조명이 없다면 아무것도 보이지 않는다. 이러한 사실은 화상 처리 시스템에서 더욱 두드러진다.

빠른 속도의 검사를 위해서는 민감한 카메라와 고속 렌즈가 필요하다. 대부분의 경우 조명을 조정하거나 최적화하는 편이 이미지 밝기를 동일한 수준으로 높이는 것보다 쉽다. 다음과 같은 옵션들은 이미지를 더 밝게 하기 위해 언제든 이용할 수 있다.

• 때로는 일반적인 상용 광원을 사용해 주변광을 밝게 하는 것으로 충분하다. 주위가 충분히 밝은지 확인하면 된다. 하지만 조명에 적절한 에너지가 공급되고 있는지도 확인해야 한다. 잘못된 환경에서 일반 전원 콘센트의 교류 전류에서 공급되는 전원으로 인해 이미지 녹화 주파수에 문제가 생기거나, 이미지 밝기가 갑자기 높아지거나 출렁일 수 있다. 따라서 화상 처리용 조명은 직류 또는 고주파 AC를 사용해 수행하는 경우가 많다.

• 렌즈나 미러를 사용한 라이트 셰이핑(light shaping) 기법을 이용하면 기존 조명 광을 결합해 관심을 갖고 있는 영역에 높은 레벨의 강도로 비출 수 있다.

• 적절한 광원을 이용한 플래시 사진 촬영은 영구적이거나 자연스럽지는 않지만 일시적으로 매우 밝은 조명을 이미지 촬영에 동기화해 사용할 수 있게 해준다. 이는 영구적으로 작동시킬 경우 광원이 파괴될 수 있는 높은 전력을 아주 짧은 순간 동안 많은 광원에 입력해 보다 높은 밝기를 얻어내는 것이다.

하지만 조명의 밝기만이 중요한 요소는 아니다. 빛이 물체에 반사된 뒤 카메라에 들어오는 경로 역시 중요하다. 특별한 특성 또는 속성이 드러나도록 하기 위해 특수한 종류의 조명을 사용하기도 한다. 다음 중 어떤 조건에서 원하는 세부 정보가 더 잘 나타나는지 파악해야 한다.

• 라이트 필드(light field) 또는 다크 필드(dark field)

• 집중 조명 또는 확산 조명

• 반사광 또는 배경 조명

대부분의 사람들에게 친숙한 사진 촬영의 예로, 주변광은 대개 확산되지만 충분히 밝지는 않다. 지향성 플래시는 밝은 빛을 비출 수는 있지만 매끄러운 면에서 원치 않는 반사가 일어나 이미지에서 포착하고자 하는 세부 정보를 가릴 수 있다. 이러한 효과는 반사가 잘 일어나지 않는 똑바른 면이 강한 빛에 노출되는 화상 처리에서는 바람직할 수 있다. 확산광은 여러 방향으로 반사를 일으키는 면이 많은 대상용으로 좋다.

이미지는 반사된 빛에 의해 보이는 반면, 스테인드글라스 창은 배경 조명을 통해서만 눈부신 모습이 드러난다.

라이트 필드(light field) 및 다크 필드(dark field) 조명은 일상생활에서는 대개 문제 되지 않는다. 라이트 필드 포토그래피(Light field photography)의 경우 정상 시각으로 볼 때와 같이 물체에서 반사된 빛을 직접 보게 된다. 다크 필드(dark field) 조명의 경우 집중 광이 카메라 쪽으로 바로 반사되지 않는 각도로 비춰진다. 그러면 특정 변수(주로 빛을 굴절시키는 물체의 흠집)를 만족시키는 빛만이 카메라에 감지된다.

앞서 언급했던 바와 같이 사용 중인 조명의 파장에도 관심을 가져야 한다. 단색 광원은 렌즈에서 색수차 효과를 발생시키지 않기 때문에 보다 선명한 재현이 가능한 경우가 많다. 그렇지만 단색 조명의 적절한 강도를 달성하기 어려울 수 있다. 아주 좁은 대역의 빛(레이저)을 사용해 작업할 경우에는 간섭 현상이 일어날 수도 있다. 선택 파장 범위에서 민감도가 충분한 카메라를 사용하도록 주의해야 한다.

또 다른 장점은 특정 파장의 빛을 사용할 경우 보이지 않는 특성을 표면화할 수 있다는 것이다. 이는 다른 단점에 비해 더 큰 이점을 줄 수 있는 요소다.

조명을 설계할 때는 아주 많은 조명 기술과 다양한 속성과 특징을 가진 램프를 선택할 수 있다. 할로겐, 할라이드 램프 및 가스 방전 램프, LED, 형광관 및 기타 많은 램프를 이용해 조명 시스템을 제작할 수 있다.

조명의 빔 경로를 형성하는 시스템의 광학 부품들은, 검사 대상 물체의 특수한 결함 또는 특징을 식별하는 데 도움을 주는 다양한 도구를 활용할 수 있다.

프레임워크 조건 특히 에너지 소모와 수명, 트리거 옵션 및 냉각과 같은 조건을 잊지 말아야 한다. 사례에 따라 다르긴 하지만 이런 조건에 의해 우수한 솔루션인지 부적합한 솔루션인지가 결정되기도 한다.

PC 하드웨어

필요한 하드웨어는 작업 및 필요한 처리 속도를 기준으로 결정된다.

간단한 작업은 PC 하드웨어와 표준 화상 처리 패키지를 사용해 처리할 수 있다. 때로는 복잡하고 빠른 화상 처리 작업을 위해 전문적인 하드웨어가 필요하다.

Camera Link와 같은 고속 카메라 인터페이스에는 특수한 프레임 그레버 카드가 필요하다. 이 카드는 주로 사전 평가를 수행해 시스템의 연산 능력을 확장한다.

실제로 작업이 얼마나 복잡한지 알려 주는 지표를 제공한다. 특징을 추출 및 평가한 뒤 분류 장치에 명령을 전달하는 완전 자동 시스템은 실시간 처리가 가능해야 하며 오프라인 모드에서 사람이 사후 처리하는 데 필요한 특징을 감지하는 시스템에 비해 훨씬 높은 연산 능력을 필요로 한다.

고객에게 재판매하기 위한 소형 장치로는 임베디드 시스템이 적합하다. 때로는 특수한 하드웨어가 필요하지만 항상 의존성이 커진다는 단점이 있고 고비용과 낮은 사용자 만족도를 유발하는 경우가 많다.

상대적으로 저렴한 소비자 장치들은 모델이 금방 단종되고 부품을 구하기 어려워지는 단점이 있으며, 이는 시스템에 맞는 사양으로 후속 기종을 설계해야 함을 의미한다. 운영 체제에 있어서 궁극적인 시스템 사용자는 시스템 성능이 얼마나 강력해야 하는지 결정하는 데 중요하다.

소프트웨어

소프트웨어는 대개 이미지를 평가하는 데 필요하다. 대부분의 카메라에는 이미지를 표시하고 카메라를 구성하는 데 사용되는 애플리케이션이 함께 제공된다. 최초 설치 시에는 이 정도면 충분하다. 특수한 용도와 화상 처리 작업에는 구매 또는 개발한 특별한 소프트웨어가 필요하다.

대부분의 카메라는 표준(GenICam 및 USB3 Vision)을 지원하며 범용 드라이버와 포트를 이용해 조작할 수 있다. 제조업체별 드라이버가 별도의 소프트웨어나 샘플 소프트웨어 코드에 통합돼 있는 카메라도 있다. 이것은 소프트웨어 개발 키트(SDK)로 제공되며 여기에는 제조업체가 자사 웹 사이트에서 무료로 제공하는 카메라 소프트웨어 제품군인 Basler pylon이 포함돼 있다.

실제 화상 처리를 위해 화상 처리 알고리즘을 개발 및 구현한 별도의 전용 프로그램을 작성할 수 있다. 이런 방식은 개발 후 특허 보호를 획득할 수 있는 상용 시스템 또는 소프트웨어 공급업체에만 경제성이 있다.

무료이거나 상업적으로 판매되는 소프트웨어 라이브러리(예 : Halcon) 혹은, 구성 요소로 제공되는 LabView와 같은 프로그램을 포함해 이미 많은 표준 화상 처리 작업용 솔루션을 이용할 수 있다.

사과 농부에게도 우리의 도움이 필요하다.

보다 실용적인 사례 연구이다.

분야 : 사과 검사. 300mm 너비의 컨베이어 벨트에서 200mm/s의 속도로 사과가 이동된다. 사과는 대개 3개 단위로 연이어 이동한다.

사과 농부는 화상 처리 시스템을 이용해 사과 크기를 5mm 이하의 정밀도로 측정하려 한다.

해상도

5mm까지 쉽게 분석할 수 있도록 하려면 이 길이를 20픽셀 미만으로 표현해선 안 된다. 따라서 각각의 픽셀은 5mm/20 = 0.25mm의 거리를 표시하게 된다.

이 픽셀 해상도로 최상의 촬영을 하기 위한 컨베이어 전체 해상도는 300mm/(0.25 mm/pixel) = 1200픽셀이 필요하다.

1200x1000 픽셀을 지원하는 Basler ace 카메라를 선택한다고 가정하면 데이터시트를 통해 카메라의 각 픽셀 가장자리 길이가 3.75μm임을 알 수 있다.

재생 비율을 구해 보면 0.00375mm/0.25mm = 0.015이다. 초점 거리가 18mm와 35mm 사이인 표준 렌즈를 사용하면 카메라와 컨베이어 벨트 사이의 거리는 2.5m면 충분하다.

최대 노출 시간

최대 노출 시간에는 여러 가지 제약이 있다. 이 사례에서의 제약은 움직임으로 인해 물체가 흐릿하게 보일 수 있다는 점이다.

움직임에 따른 흐릿해짐은 센서에서 1픽셀을 초과해선 안 된다. 이동 방향으로 2픽셀을 움직이려면 2*0.25mm = 0.5mm이고, 이 파장에서는 2.5ms(0.5/200 m/s)가 필요하다.

이동 시간에서 최대 노출 시간이 계산된다. 즉, 2.5ms 노출된 사이에 물체는 2픽셀을 이동한다. 따라서 노출 시간은 매우 짧으며 이는 외부 광원을 사용해야 함을 의미한다.

사과의 다른 세부 정보에는 관심이 전혀 없다면 배경 조명을 이용해 사과의 가장자리 콘트라스트를 높일 수 있으며 대신 사과 자체는 더 어둡게 보인다.

카메라의 프레임 속도는 충분한가?

사과의 대략적인 크기는 10cm다. 사과를 프레임에 완전히 들어오도록 하려면 이미지를 얼마나 자주 촬영해야 할까?

카메라는 벨트 이송 방향으로 1000픽셀을 갖고 있다. 이는 0.25mm 픽셀 해상도와 25cm의 FOV를 의미한다. 이미지에 최소 한 번 이상 사과가 완전히 촬영되도록 하려면 벨트가 15cm{(FOV) - (물체의 크기)} 전진할 때마다 사진을 찍어야 한다. 사과의 크기 차이를 감안하면 실제 수치는 10cm에 가까워진다.

벨트가 10cm 전진하는 데 걸리는 시간은 0.5초이다. 결과적으로 리프레시 레이트는 1/0.5s = 2fps다. 다시 말해 초당 두 번씩만 이미지를 촬영하면 된다. 리프레시 레이트 기준에서 이는 매우 처리하기 쉬운 조건이며 표준 상용 카메라라면 모두 처리할 수 있다.

요약

화상 처리 시스템의 개념 설계에는 카메라와 카메라 광학 부품부터 조명 및 다운 스트림 PC 하드웨어와 소프트웨어에 이르기까지 해당 시스템 내부의 모든 구성 요소와 관련해 고려해야 할 부분이 많다.

하지만, 사전에 시스템 용도와 가장 중요한 요소가 무엇인지를 명확히 함으로써 이러한 작업을 단계별로 효과적으로 관리할 수 있다.

자료 제공: BASLER(www.baslerweb.com)