벌크 재료 검사를 위한 삼선형 라인 스캔 카메라와 프리즘 기반 라인 스캔 카메라

Chromasens 

요약

본 기사의 목적은 벌크 재료 검사와 관련하여 삼선형 라인 스캔(trilinear line scan) 카메라 allPIXA 웨이브를 프리즘 기반 카메라와 비교하는 것이다.

전통적으로 프리즘 기반 카메라는, 이따금 삼선형 카메라의 라인 이동이 물체 스캔 속도를 알고 있을 때만 보정될 수 있다. 이 때문에 대량 재료 스캔과 관련하여 종종 삼선형 카메라보다 더 많이 선택된다. 오른쪽 삼선형 센서를 선택하고 비닝 모드(binning mode)로 작동시켜 여러 픽셀을 평균화하는 경우 이러한 전통적인 접근 방식이 항상 필요한 것은 아니라는 것을 입증한다.

1. 소개

벌크 재료가 자동화된 고속 방식으로 검사되는 산업에는 다양한 용도가 존재한다. 산업용 카메라를 사용할 수 있으며, 벌크 재료가 전형적으로 고속으로 움직이기 때문에 라인 스캔 카메라 기술이 매우 적합하다. 가장 간단한 경우, 그러한 카메라는 센서 셀의 단일 선형 라인으로 구성된다. 이미지의 연속선을 획득하는 동안 센서에 수직으로 스캔 장면을 이동하여 2차원 이미지(영역 센서의 이미지와 유사)가 작성된다.

단일 라인 센서는 일반적으로 그레이 스케일로 단일 채널 이미지를 생성할 수 있다. 그러나 많은 벌크 재료 검사 애플리케이션에는 컬러 이미지가 필요하다. 풀 컬러 이미지를 얻는 기술에는 두 가지 유형이 있다.

- 단일 삼선형 라인 센서

- 3개의 단일 라인 센서가 있는 프리즘 기반 카메라

작동 원리는 그림 1에 나와 있다. 삼선형 센서의 경우, 단일 점(객체)의 세 이미지 라인이 다른 순간에 획득된다. 결과적으로 전송 방향의 채널 이동은 일반적으로 카메라 내부에서 교정된다. 완벽한 보정을 위해 스캔 물체 속도는 일정해야 하고, 미리 정확하게 결정되어야 한다. 프리즘 기반 카메라는 3개의 이미지 채널이 동일한 시간에 획득되므로 추가 보정이 필요하지 않다.

대량 재료가 컨베이어 벨트를 통해 이송될 때마다 물체 속도는 일반적으로 잘 알려져 있다. 그러나 다음과 같은 경우에도 해당되지 않는 애플리케이션이 있다.

- 자유 낙하 벌크 재료: 개별 재료 조각 사이의 속도 분포는 균질하며 공기 마찰에 의해서만 약간 영향을 받는다.

- 경사면의 벌크 재료: 개별 재료 조각 사이의 속도 분포는 재료와 평면의 마찰 계수에 의해 영향을 받는다.

삼선형 라인 센서의 경우 알려지지 않은 대상 속도로 인해 개체 윤곽이 전송 방향에 잘못된 색으로 나타나는 소위 색 프린지(color fringe), 혹은 후광 효과(halo effect)가 발생할 수 있다. 그 예가 그림 2에 나와 있다. 이 연구에서 삼선형 카메라 센서 유형을 현명하게 선택하는 방법과, 그 구성이 프리즘 기반 카메라와 컬러 이미지 품질 면에서 동일하다는 것을 입증한다.

다음 3번에서는 샘플 대량 재료의 일반적인 속도 분포를 테스트하고 조사하는 데 사용되는 실험실 설정과 구성 요소에 관해 설명한다. 5번에서는 삼선형 센서 기반 카메라 allPIXA 파와 프리즘 카메라의 1 대 1 비교를 수행하고 6번에서 경사면에 벌크 재료의 샘플 이미지를 보여준다. 마지막으로 7번에서 이 기사를 요약한다.

2. 카메라 선택

앞서 언급했듯이, 삼선형 센서 기반 카메라는 여러 조건에서 프리즘 기반 카메라의 대안으로 사용될 수 있다. 삼선형 센서의 색 프린지 효과는 컬러 이미지 채널이 센서 선(일반적으로 R, G, 그리고 B) 사이의 물리적 거리와 배율 β에 따라 달라지는 양만큼 서로에 대해 이동되어야 한다는 사실에 유래한다.

센서 데이터 시트에서 거리 Δ는 센서 라인 사이의 픽셀 피치로 언급된다. 두 줄 사이의 색상 변이의 실제 크기(미터)는 β * Δ이다. 일반적으로 객체의 스캔 속도 Vscan은 전송 해상도와 광학 해상도가 동일한 방식(정사각형 픽셀)으로 공칭 속도 V0로 조정된다. 색 프린지의 크기(픽셀 단위)는 이 두 속도의 비율에 따라 다르며 배율 대신 픽셀 S의 실제 크기를 사용하여 계산할 수 있다.

Chromasens 삼선형 라인 스캔 카메라 포트폴리오를 선택하면, 기존 allPIXA [2] 또는 allPIXA pro [3] 대신 새로운 allPIXA wave [1] 제품군의 카메라를 고려한다. 이 카메라의 픽셀 피치는 40μm 대신 10.2μm이고, 픽셀 크기는 10μm 대신 5.6μm다. 따라서 색 프린지 ​​효과의 크기는 이미 2배 감소되었다.

프린지의 크기는 이미지 해상도(더 작은 β)를 증가시킴으로써 더 감소할 수 있다. 우리가 아는 한 산업용 애플리케이션을 위한 표준 상용 프리즘 기반 라인 스캔 카메라는 최대 4096 픽셀을 가지고 있다.

allPIXA 웨이브 패밀리의 카메라는 최대 15360 픽셀까지 사용할 수 있다. 따라서 동일한 시야(FoV, Field of View)지만 더 많은 픽셀이 주어지면 다음 예제와 같이 배율을 줄일 수 있다.

- 시야: 100mm

- 카메라 해상도

  a) 2k(2048) 픽셀 센서가 있는 48.8μm / 픽셀

  b) 4k(4096) 픽셀 센서가 있는 24.4μm / 픽셀

  c) 15k(15360) 픽셀 센서가 있는 6,5μm / 픽셀

- 카메라 해상도에 비례한 라인 이동

  a) 4k(4096) 픽셀 센서: 2048 픽셀 센서보다 계수가 2 작음

  b) 15k(15360) 픽셀 센서: 2048 픽셀 센서보다 계수가 7.5 작음

따라서, allPIXA pro 제품군의 2k 삼선형 센서 대신 allPIXA 웨이브 패밀리의 15k 삼선형 라인 스캔 센서를 사용하면 동일한 시야를 고려할 때 색 프린지 효과가 15배 줄어든다.

나머지 색 프린지는 색이 검은 색에서 흰색으로 바뀌는 가장자리에서 최대 FoV를 나타낸다. allPIXA 웨이브의 경우 두 개의 인접한 색상 채널에서 가장자리의 이미지가 서로 상대적으로 두 픽셀씩 이동한다. 추가 트릭은 프린지를 더 줄이는 데 도움이 된다. 여러 픽셀이 하나의 단일 픽셀로 평균화되면 비닝(binning)이라는 프로세스가 실행된다. 모든 색상 채널의 이동된 가장자리가 동일한 픽셀로 떨어진다. 남은 이동은 이제 서브 픽셀 레벨에 있으며 에지(edge)의 약간의 변색이 발생한다.

삼선형 라인 스캔 카메라를 설정할 때 내부 라인 이동 보정은 애플리케이션의 공칭 속도로 설정된다. 비닝 방법은 속도 변화를 보정하기만 하면 된다. 일반적으로, 이 경우 2~4픽셀의 창을 비닝하는 것이 유용하다.

3. 실험실 설정과 시험 재료

테스트를 위해 두 가지 구성을 설정했다. 첫 번째는 경사면 설정이다(그림 3, 왼쪽 참조). 이 경우, 자유 낙하하는 벌크 재료와 비교할 때, 벌크 재료 입자의 속도 분포가 경사면 설정은 최악의 경우로 간주된다. 두 번째 구성은 선형 스테이지 설정이다(그림 3, 오른쪽 참조). 벌크 재료는 평면 아래에 배치되어 카메라 아래로 이동한다.

이 설정을 사용하면 제어된 방식으로 이동 속도를 조정할 수 있다. 이를 통해, 서로 다른 속도에서 두 가지 카메라 유형을 사용하여 개별 재료 입자를 1 대 1로 비교할 수 있다.

테스트에 사용되는 구성 요소

카메라 설정

광원

테스트에 사용되는 벌크 재료

- 흰쌀 – 색 프린지 효과가 가장 눈에 띄기 때문에 화이트 객체는 최악의 시나리오로 간주될 수 있다.

- 아몬드 씨앗

- 자갈

4. 경사면상 벌크 재료의 속도 분포 분석

삼선형 센서 카메라를 사용하는 기존의 라인 스캔 애플리케이션에서는 주어진 전역 속도에 대해 카메라에서 라인 이동이 수정된다. 자유 자재로 움직이는 벌크 재료(예: 경사면 혹은 자유 낙하)의 경우, 조정은 평균 속도에 대해 수행되며 시스템을 설정할 때 한 번 결정해야 한다.

이 기사에서는, 흰쌀 샘플의 경우 경사면에서 벌크 재료의 개별 입자 속도를 분석했다. 이것은 스캔 된 이미지의 각 쌀의 라인 이동(line-shift)에 대한 얼룩(blob) 분석에 의해 수행되었다. 결과적인 속도 분포는 그림 4에 있다.

우리는 10%의 속도 표준 편차를 확인했다. 분포는 가우스 분포를 통해 적절하게 근사되었다고 가정한다면, 모든 입자의 68%가 평균 속도에서 +/-10%의 속도 범위 내에 있고 95%가 평균 속도의 +/-20% 범위에 있다고 결론지을 수 있다.

5. 모든 PIXA 웨이브와 프리즘 카메라의 1 대 1 비교

흰쌀의 속도 분포의 매개변수를 가정할 때, 우리는 상이한 속도로 리니어 스테이지 셋업으로 이미지 데이터를 획득할 수 있다.

이 기사에서는 위의 가정을 고려하여 평균 속도에서 +/-20% 속도를 고려하여 모든 입자의 95%에 대해 유효하다. 동일한 스캔 장면을 사용하여 삼선형과 프리즘 기반 카메라에 대한 실험을 반복했다.

다음 도표에는 이미지 데이터는 직접 비교를 나타낸다.

기본 해상도와 명목상 속도(오른쪽 열, 3행)와 +/-20% 속도(오른쪽 열, 2열 및 4행)로 얻은 삼선형 카메라 이미지를 비교하면 상단과 하단의 색 변두리를 관찰할 수 있다. 쌀 상단의 확대된 이미지가 그 효과를 자세히 보여준다.

2x2 혹은 4x4 픽셀로 기본 해상도 이미지를 Binning하면 변색 잔류물을 최소화할 수 있다. 4x4 픽셀 비닝의 경우, 도표 3에 확대 버전을 표시한다

.

어두운 배경의 흰색 물체는 삼선형 카메라의 색 프린지 효과 측면에서 최악의 시나리오다. 다음 그림에서는 다른 스캔 객체의 샘플 이미지를 보여준다.

삼선형과 프리즘 기반 카메라의 이미지 품질은 다소 비슷하다. 카메라 간의 색상 차이는 두 센서의 스펙트럼 반응성의 차이에 기인한다.

6. 경사면상 벌크 재료의 샘플 이미지

이전 실험에서 벌크 재료는 1 대 1 비교를 위한 리니어 스테이지 설정으로 스캔 되었다. 더욱 현실적인 시나리오는 경사면 설정에서 벌크 재료의 이미지를 얻는 것이다. 다음 도표는 그에 따라 이미지를 나열한다.

7. 요약

벌크 재료 검사를 위한 삼선형과 프리즘 기반 카메라의 비교는, 소위 색 프린지​효과의 시각적 평가 측면에서 수행되었다. 이 효과는 개별 입자가 별개의 속도를 가질 때 나타난다. 샘플 벌크 재료의 예를 통해 고해상도 센서와 픽셀 비닝을 사용하여 작은 물리적 픽셀 라인 거리의 카메라를 선택하면 가시적인 색상 얼룩을 효과적으로 제거할 수 있음이 입증되었다.

반사된 광이 스펙트럼으로 편평한 대상(예를 들어, 이미지에서 백색으로 나타나는 대상)은 가장 큰 색 프린지 ​​효과를 나타낸다. 다른 객체의 경우 색 프린지 효과는 일반적으로 더 작고 많은 애플리케이션에서는 보이지 않는다. 삼선형 센서로 스캔한 이미지에 색 프린지 ​​효과가 표시되는지 여부가 의심스러운 경우, 경험적으로 테스트하는 것이 좋다. Chromasens는 무료로 초기 테스트를 제공한다.

제안된 방법은 여러 가지 이유로 유용하다. 우선, 프리즘 기반 카메라에 비해 훨씬 높은 해상도로 합리적인 가격의 삼선형 센서가 있다. 또한, 삼선형 센서를 사용하면 프리즘 기반 카메라의 확장된 광학 경로에 필요한 특수 보정 렌즈가 없으므로 표준 렌즈 선택에 훨씬 더 많은 유연성을 제공한다.

자료 제공: Chromasens(www.chromasens.com)