3D 머신비전 산업의 효율적 응용방안을 위한 측광형 스테레오 기술
Smart Vision Lights
산업 응용을 위한 광도 측정용(측광) 스테레오는 3D 표면 방향과 반사광에 대한 영향을 사용해 로컬 3D 표면 변형을 강조하는 대비(Contrast) 이미지를 생성한다. 이 기술은 새로운 특수 알고리즘, 머신비전 성공을 위한 조명의 중요성에 대한 인식, 저렴한 멀티 라이트 솔루션 덕분에 주목받고 있다.
실제 객체에는 깊이, 너비, 그리고 높이가 있다. 성공적으로 작동하려면 로봇과 같은 자동화된 시스템이 이 세 가지 차원에서 ‘보아야’ 한다. 카메라와 조명과 이미지 처리용 PC로 구성된 머신비전 시스템은 로봇에게 필요한 ‘시야’를 제공한다. 그러나 머신비전 업계가 당면한 가장 큰 과제 중 하나는 객체를 올바르게 찾고 분석하기 위해 처리해야 하는 데이터의 양을 줄이는 것이었다.
머신비전 디자이너는 데이터를 축소하기 위해 조명, 필터, 그리고 흑백 카메라를 사용해 컬러 머신비전 애플리케이션을 처리한다. 결과로 생성되는 회색 음영 이미지에는 빠른 처리 속도를 위한 데이터가 적다. 마찬가지로 엔지니어는 전통적인 3D 애플리케이션을 해결하기 위해 2D 머신비전 솔루션으로 기계 설비와 모션 제어 시스템을 개발할 것이다.
오늘날 마이크로프로세서, GPU(Graphics Processor Unit), FPGA(Field Programmable Gate Array)는 설계자에게 더 많은 처리 능력을 제공하지만 처리 능력이 무한하지는 않다. 측광(photometric stereo)이라고 하는 새로운 머신비전 기술은 3D 애플리케이션에서 가장 비용 효율적인 해결책이 될 수 있다.
3D 비전 개요
제공되는 처리 능력으로 컬러와 3D 애플리케이션의 데이터 감소에 대한 필요성이 완화됐다. 예를 들어 값싼 데이터 처리, 레이저, 광학은 컨베이어 기반 3D 시스템을 위한 통합 레이저 삼각 측량 시스템을 용이하게 하여 3D 개체 맵을 생성하는 단계로 초당 수십만 개의 2D 프로파일을 생성할 수 있다. 대안으로, ToF 카메라(Time-of-Flight cameras, 비과시간법 카메라)는 레이저 조명의 안전 문제없이 많은 애플리케이션을 위한 저해상도 3D 지도를 제공한다.
대 면적 3D 프로젝트의 경우, 로봇의 끝에 장착된 단일 카메라 사진 측량 시스템은 서로 다른 위치에서 동일한 대상을 여러 장 찍고 카메라와 대상 간의 기하학적 관계를 기반으로 이미지의 모든 픽셀의 3D 위치를 계산한다. 대 면적 3D 검사의 경우 사람의 눈처럼 두 개의 캠을 서로 나란히 정렬하여 3D 정보를 캡처한다.
그러나 시야가 큰 물체의 고속 검사를 위해서는 측정 목적으로 정량적 3D 데이터가 항상 필요한 것은 아니지만 정성적 3D 데이터는 매우 유용할 수 있다. 그것이 측광 스테레오 기술이 도입되는 것이다.
측광 스테레오 장점
측광 스테레오는 주로 주어진 픽셀의 높이를 측정하는 것과 관련이 없다. 오히려 이 기술은 3D 표면 방향과 반사광에 대한 영향을 사용하여 기존의 2D 이미징에서는 보이지 않는 로컬 3D 표면 변형을 강조하는 대비 이미지를 생성한다.
측광 스테레오 솔루션은 카메라와 테스트 대상 사이의 정확한 3D 관계를 알 필요가 없으며 3D 데이터를 캡처하는 데 두 대의 카메라가 필요하지 않다. 대신, 여러 조명 소스를 가진 단일 카메라를 사용한다. 측광 스테레오 기술은 서로 다른 조명 조건 아래 그 물체를 관찰함으로써 물체의 표면을 추정한다. 이 방법은 표면에 의해 반사되는 광의 양이 광원 및 관찰자에 대한 표면의 방향에 의존한다는 사실에 기초한다.
새로운 특수 알고리즘, 머신비전 성공과 좋은 조명의 중요성에 대한 인식 증가 및 Smart Vision Lights의 LLM(Light Light Manager)과 같은 저렴한 멀티 라이트 솔루션이 산업 응용을 위한 광도계 스테레오에 주목받고 있다. 프레임 그래버(frame grabber), 또는 스마트 카메라 브레이크 아웃(Smart Camera Break-out) 비용보다 적은 비용으로 간단한 브라우저 기반 인터페이스를 통해 4개의 조명을 제어할 수 있다.
오늘날 측광 스테레오 애플리케이션의 고유한 이점은, 예전에 어려웠거나 불가능했던 많은 산업 검사 애플리케이션을 해결할 수 있게 해준다.
이 사진에서 검은색 플라스틱 클립은 클립 주위에서 90, 180, 270, 및 360도에 위치하며 LED Light Manager(LLM)에 의해 제어되는 선형 미니어처 (LM) LED 조명을 받는다. 카메라가 각 노출을 트리거하면 LLM이 다른 방향의 빛을 트리거한다. 카메라는 각 이미지에서 최상의 픽셀을 가져와서 구성 이미지보다 많은 이미지를 나타내는 하나의 컴포지션(그림 5)으로 결합하는 이미지 라이브러리 측광 스테레오 등록 알고리즘을 실행하는 PC에 각 이미지를 공급한다(사진 제공: Matrox Imaging).
애플리케이션: 클립 및 타이어
부품에서 제기된 문자를 읽는 것은 머신비전 시스템에서 항상 문제가 되어 왔다. 이 예에서 플라스틱 커넥터는 숫자 2와 방향 기호와 함께 표면에 몇 가지 기능적 특징을 가지고 있다. 클립을 구성하는 재료와 제기된 문자 사이에는 차이가 없으므로 대비가 없다. 타이어와 같은 더 큰 물체에서 제조업체는 레이저 삼각 측량 시스템을 사용하여 3D 표면 맵을 작성했다. 3D 측정을 위한 레이저 스캐닝 시스템은 훨씬 더 통합되고 효과적이지만 솔루션은 종종 복잡하고 많은 비용이 소요된다.
그림 1-4에서 검은색 플라스틱 클립은 Smart Vision Lights의 선형 외형 (LM) LED 조명을 사용하여 90도, 180도, 270도, 360도의 각도로 타이어 주변에서 볼 수 있으며 LLM에 의해 통제된다. Matrox 카메라가 각 노출을 트리거하므로 LLM은 다른 방향에서 빛을 트리거한다. 카메라는 로컬 라이브러리의 스테레오 등록 알고리즘을 실행하는 PC에 각 이미지를 공급한다. 이 알고리즘은 모든 해당 픽셀을 결합하여 로컬 서피스 속성을 설정하고 로컬 3D의 콘트라스트 이미지와 같은 하나 이상의 유형의 합성 이미지를 생성한다. 기하학, 또는 알베도 이미지(albedo image, 그림 5)와 같은 합성 이미지는 구성 이미지 중 어떤 것보다 많은 것을 나타낸다. 결과로 생성된 컴포지션은 클립 표면에 검은색 블랙 글자를 형성하는 모서리와 전체를 구성하는 다양한 사출 성형 부품의 모서리를 명확하게 보여준다.
애플리케이션: 합성 피혁 제품의 구멍
위의 예는 합성 피혁 소재의 그림 4개를 더 보여준다(그림 6-9). 마치 유기 물질을 흉내 낸 것처럼, 인조가죽은 상당한 표면 질감을 가지고 있다. 전체 이미지에서 100% 표면 질감을 시각화하는 것은 육안으로는 거의 불가능하다. 각각의 성분 이미지에서 지지 기판에 놓인 물질의 휨은 강한 그림자를 생성하는 반면, 이미지의 다른 부분은 강한 빛 반사로 인해 포화 상태가 되는 경향이 있다. 측광 스테레오 등록 알고리즘(그림 10)의 최종 구성은 카메라의 전체 시야에서 균등하게 조명된 텍스처를 보여주며 각 틈새와 구멍의 하이라이트에 따라 선명한 대조를 이룬다.
측광 스테레오 기술은 엔진 헤드와 같은 금속 가공 표면의 기공에도 사용할 수 있다. 도트 핀(dot peen), 레이저 마킹 및 심지어 캐스트 부품과 같은 직접 부품 마킹 시스템은 경제적인 측광 솔루션을 통해 분명히 이득을 얻을 수 있는 또 다른 분야다.
이 네 장의 사진 세트는 나침반의 네 점에서 개별적으로 조명된 합성 피혁 소재를 보여준다. 전체 이미지에서 100% 표면 질감을 시각화하는 것은 인간의 눈에는 거의 불가능하다. 측광 스테레오 등록 알고리즘의 최종 구성은 각 틈새를 따라 날카로운 명암비로 카메라의 전체 시야를 가로 질러 균등하게 조명된 질감을 보여주고 왼쪽 상단 사분면의 구멍을 강조 표시한다.
측광형 스테레오 전망
우리의 3D 세계는 3D 비전 솔루션에 계속 의존할 것이다. DBMR Research는 최근 글로벌 3D 머신비전 시장이 2017년에서 2024년 사이 연평균 9.5% 성장하여 연간 154억 달러에서 320억 달러로 증가할 것으로 예측한다. 3D 머신비전 시장의 주요 과제는 높은 설치 비용과 기술적 지식 부족이다. 패키징 된 측광 스테레오 등록 도구와 LLM LED 조명 관리자의 원 클릭 프로그래밍에 의해 알 수 있듯이 머신비전 업계는 3D 머신비전의 차세대 단계에 대비하고 있다.
자료 제공: Smart Vision Lights(www.Smartvisionlights.com)
