스마트 카메라와 임베디드 비전 시스템의 경계를 넘어서
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머신비전을 통한 자동 검사는 수동 작업으로 인한 오류를 없애고 품질의 일관성을 향상시킨다. 생산성을 높이고 생산 비용을 줄이며 고객 만족도를 높이는 ‘스마트 공장(smart factory)’의 시작을 열어준다. 그 결과는 뚜렷한 경쟁 우위를 확보할 수 있다.
운영자는 설치 공간이 제한되고 예산이 책정됨에 따라 작고 통합된, 그리고 쉽게 설치할 수 있는 비전 시스템에 대한 관심이 커지고 있다. 이러한 시스템의 연간 판매량은 최근 몇 년 동안 30% 증가했다.
비전 시스템 유형
스마트 카메라는 카메라, 컴퓨터를 결합한 단일 장치에 렌즈, 이미지 센서, 시스템 저장 장치 및 프로세서를 통합한, 작고 콤팩트한 올인원(all-in-one) 비전 시스템이다.
더 강력한 프로세서는 이론적으로 더 빠른 속도로 더 복잡한 작업을 실행할 수 있다. 그러나 그들은 열 방출 방안을 수용하기 위해 더 많은 전력을 소비하고 더 큰 물리적 크기가 필요하다. 예를 들어, 팬은 움직이는 부품이 쉽게 고장 나기 때문에 거친 환경에서 단점이 될 수 있다.
결과적으로, 스마트 카메라는 일반적으로 크기와 견고성을 고려하여 메모리가 제한된 저전력 ARM 기반, 또는 단일 코어 Intel® Atom™ 프로세서를 사용했다. 사용할 수 있는 최소 메모리 용량은 대부분의 산업 프로세스에 충분한 속도로 고해상도 이미지를 처리할 수 있는 능력을 제한하고 멀티 태스킹을 방해한다.
따라서 기존의 스마트 카메라는 측정, 계산, 정렬, 또는 바코드 스캐닝과 같은 단순한 이미지 태스킹에 전념하는 단일 용도로 사용되는 경우가 많다. 최소한의 확장성으로 인해 추가 기능을 구현하려면 더 많은 시스템 장치를 설치해야 한다.
더욱 복잡한 고성능의 머신비전 애플리케이션이 실행되고 확장성이 요구될 때, 사용자는 종종 비전 시스템의 두 번째 범주인 임베디드 비전 시스템으로 전환한다. 이 시스템에는 하나 이상의 고해상도 산업용 카메라에 연결된 산업용 PC가 포함된다. 산업용 PC는 일반적으로 다중 비전 채널이 지원되는 표준 PC 운영 체제를 실행하는 고성능 프로세서를 갖추고 있어 완전한 이미지 처리 기능 세트를 제공한다.
풍부하고 다양한 I/O 연결로 공장의 다른 필드 장치와 유연하게 연결할 수 있다. 그러나 임베디드 비전 시스템은 설치 비용이 많이 들고 복잡하다. 또한, 스마트 카메라에 비해 공간이 넓어 공간 제약이 있는 생산 현장에서도 불리하다. 더 많은 케이블과 팬의 필요성 또한 시스템 신뢰성에 영향을 미친다.
인텔은 2013년 4분기에 고성능, 저전력 소모 Intel® Atom™ 프로세서 E3840을 출시하여 새로운 범주의 비전 시스템을 도입했다. 이 시스템은 풀 PC 기능, 고해상도, 높은 프레임 속도 및 견고한 멀티 태스킹 성능을 갖춘 작고 콤팩트한 올인원 시스템이다. 또한, 유연한 확장성과 쉬운 배치를 제공한다.
이것을 가리켜 ‘차세대 머신비전 x86 스마트 카메라’라고 부른다. Intel® 프로세서 기반의 고도로 통합된 고성능 소형 비전 시스템을 가능하게 하기 때문이다.
장단점
스마트 공장의 요구사항
고효율 및 처리량
시스템 효율 및 처리량은 산업 제조업체 대부분이 추구하는 높은 생산성을 위해 매우 중요하다. 그러나 비용이 든다. 기존의 머신 비전 시스템에서는 고해상도와 높은 프레임 속도를 동시에 달성하기 어렵다.
실제로 비전 애플리케이션은 종종 낮은 프레임 속도의 높은 해상도, 또는 높은 프레임 속도의 낮은 해상도의 결합이다. 두 가지를 모두 달성하려면, 고급 CPU가 필요하며 비용이 비싸진다. 이러한 요인들 간에 필요한 균형을 유지하고 합리적인 비용 구조로 최적의 효율을 달성하는 것이 시스템 개발자가 직면한 중요한 문제다.
견고성과 신뢰성
산업 운영 환경에서 자동화된 시스템은 여러 가지 면에서 어려움이 있을 수 있다. 예를 들어, 식품 및 음료 생산 시설은 극한의 온도에서 습기가 많은 환경이지만, 공작 기계 환경은 금속, 또는 기타 물질로 인해 먼지가 많다. 생산 장비 근처에 비전 시스템을 설치할 경우, 다양한 요소에 높은 수준의 불투과성이 필요하다.
타사 장비와의 통합
생산 라인은 일반적으로 제조, 가공, pick-and-place, 검사, 포장 등 일련의 작업으로 구성된다. 예를 들어, CNC 터닝 작업에서는 컨베이어, 또는 로봇 암과 같은 외부 컨트롤러와 여러 구성 요소를 사용하여 구성 요소를 기계 간에 이동하고 커팅 작업을 시작하기 전에 산업용 카메라의 지침에 따라 정렬한다.
터닝 작업 후, 결함 검사를 위해 물체는 다음 작동 스탠드로 이송된다. 마지막으로 승인된 제품을 포장으로 보내며 운송을 위해 바코드 판독을 받는다. 다양한 시스템 간의 통합 및 통신은 모든 스마트 공장에 대한 어려운 과제다.
더 빠른 개발 시간
소프트웨어 솔루션 및 관련 호환성 문제의 개발은 중요한 요소며, 종종 구현의 성공, 또는 실패를 결정한다. 개발 시간을 단축하고, 시스템 개발 비용을 줄이는 것은 명백한 도전 과제다.
고려해야 할 구현 요소
CPU 효율
앞서 언급했듯이, 기존의 스마트 카메라는 일반적으로 단일 코어 Intel Atom 프로세서, 또는 ARM 기반 프로세서에서 수행되어 크기, 전력 및 열 발산 요구 사항을 충족시킨다. 그러나 이러한 종래의 스마트 카메라는 제한된 연산 능력을 가지며, 측정, 카운팅, 정렬, 또는 바코드 스캐닝의 개별 태스크를 다루는 간단한 이미지 애플리케이션에만 종종 사용된다.
Intel Atom 프로세서 E3840은 전력 소모를 10W 미만으로 유지하면서 이전 세대 프로세서에 비해 2배의 성능을 제공하므로 팬이 없는 소형 시스템에서 멀티 태스킹이 가능하다. 멀티 태스킹 시스템은 설치 횟수를 줄여 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership) 측면에서 경제적 이점을 제공한다.
이미지 센서
이미지 센서는 비전 시스템의 눈이다. 더 큰 센서는 더 많은 이미지 정보를 수집하고 더 높은 이미지 품질을 제공한다. 단순한 이미징 작업에 초점을 맞춘 기존 스마트 카메라의 경우, 이미지 센서의 크기가 문제 되지 않았다. 그러나 high end 및 고속 애플리케이션의 구현으로 이미지 센서 크기는 이미지 품질에 중요하다.
롤링 셔터 vs. 글로벌 셔터
롤링 셔터와 글로벌 셔터는 픽셀이 빛을 모으는 방식이 다르다. 롤링 셔터는 순차적인 행으로 빛을 모으고 각 행은 수집을 시작하고 끝내는 게 서로 약간 다르다. 전체 셔터 링 픽셀은 똑같은 시간 동안 빛의 수집을 시작하고 마친다.
종래의 스마트 카메라는 제한된 연산 능력으로 대량의 이미지 데이터를 처리하기에는 부족하기 때문에 롤링 셔터를 채택하는 경향이 있었다. 그러나 빠르게 움직이는 물체(흐림, 기울임, 흐림, 기울임, 흔들림, 부분 노출 효과 포함)를 처리할 때 셔터를 롤링하여 잔류 신호를 제거할 수 없기 때문에 고속 산업용 애플리케이션에서 기존 스마트 카메라를 사용할 수 없다. 현재 신세대 Intel Atom 프로세서의 향상된 CPU 효율성으로 소형 크기의 스마트 카메라는 글로벌 셔터 배포를 지원할 수 있다.
코프로세서(Coprocessor)
이미지 품질은 정확한 자동 검사 및 분석에 중요하지만 광학 조건(광원, 또는 렌즈)의 제한으로 인해 획득한 이미지의 밝기에 일관성이 없어 분석에서 오판할 수 있다. 비전 시스템이 분석을 위해 획득한 이미지를 자동으로 최적화할 수 있으면 이미지 분석의 정확성이 크게 향상된다.
종래의 비전 시스템에서 캡처된 이미지 데이터는 CPU에 의해 처리된다. 프로세서 자원이 충분하지 않으면 처리할 수 있는 이미지 데이터의 양이 줄어든다. 따라서 기존의 스마트 카메라는 종종 이미지 해상도, 또는 프레임 속도를 손상시켜야 한다.
신세대 x86 스마트 카메라에서 FPGA 보조 프로세서를 사용하면 이미지 매트릭스 작업을 CPU에서 FPGA로 오프로드(이미지 전처리)하여 CPU 리소스를 더 고급 알고리즘 작업에 수행할 수 있으므로 이미지 처리 효율성이 크게 향상된다. FPGA 코프로세서는 LUT(Look up Table), ROI(Region of Interest) 및 쉐이딩 보정과 같은 이미지 전처리 작업을 수행할 수 있으므로 더 작은 비전 시스템을 사용하여 더욱 빠르고 복잡한 애플리케이션을 구현할 수 있다.
그래픽 및 미디어 처리
차세대 Intel Atom 프로세서 E3840은 이전 세대 프로세서에 비해 CPU 및 트리플 그래픽 처리 성능에서 미디어 처리 작업을 덜어주는 GPU 드라이버를 채택했다. 통합된 Intel ® 7세대 HD 그래픽 기술을 사용하여 GPU는 여러 채널에서 비디오 엔코딩, 압축 및 전송을 동시에 처리할 수 있다. 이 성능의 향상으로 작은 비전 시스템이 기록하고, 미디어 데이터를 저장하고 분석하여 더 똑똑한 공장을 만든다.
디스플레이
기존의 스마트 카메라는 제어 센터에 연결된 이더넷 케이블을 통해서만 데이터를 전송한다. 비전 시스템을 VGA, 또는 이더넷 포트를 통해 생산 라인의 HMI, 또는 스크린에 연결하고 이미지 데이터를 동시에 표시할 수 있는 경우 운영자는 검사 결과를 보고 조기에 문제를 발견할 수 있다.
64비트 컴퓨팅
많은 양의 데이터를 관리하는 데 이미지 분석 애플리케이션이 필요하기 때문에 대부분의 주류 소프트웨어 툴은 64비트 명령어를 사용한다. 따라서 64비트 컴퓨팅을 지원하는 비전 시스템을 배치하는 것이 중요하다.
시스템 저장 장치
시스템 스토리지 용량은 비전 시스템이 전체 PC OS 및 타사 API를 실행할 수 있는지 여부와 시스템이 일치 및 비교를 위해 저장할 수 있는 이미지 샘플의 양을 결정할 수 있다.
총 소유 비용
총 소유 비용은 시스템의 명목 가격표에 의해서만 결정되는 것이 아니라 공간 사용, 주변 장치 지원, 시스템 확장성 및 소프트웨어 개발 비용을 포함한 다양한 요소의 조합으로 결정된다.
A. 공간 사용: 외부 케이블 링을 포함한 비전 시스템의 실제 크기는 생산 공간 비용으로 고려해야 한다. 외부 배선 및 케이블 링뿐만 아니라 PWM 광원 제어기와 같은 확장된 주변 장치도 고려해야 한다.
B. 시스템 확장 비용: 비전 시스템이 제공하는 채널 수는 확장성을 정의한다. 기존의 스마트 카메라는 단가가 저렴하지만 필요한 확장을 달성하기 위해 더 많은 시스템 장치가 필요하다. 이것은 실제 시스템 비용을 훨씬 높인다. 차세대 x86 스마트 카메라 시스템은 다중 채널과 추가 슬레이브 카메라를 지원하는 GigE 포트를 제공하며, 기능을 추가하고 평균 채널 확장 비용을 줄이기 위해 추가 시스템 장치를 설치해야 하는 필요성을 없애준다.
C. 소프트웨어 개발 및 융통성: 언급한 바와 같이, 제조 시설은 여러 개의 운영 스탠드를 포함하며, 그중 효과적인 통신 및 통합은 실제 공장 효율을 결정한다. 기존 소프트웨어 리소스가 여러 시스템으로 쉽게 통합될 수 있다면 배치 시 인력과 개발 비용이 크게 절감된다.
신세대 x86 스마트 카메라의 성공 전략
고성능과 효율성을 제공하는 소형 시스템
Quad-core Intel Atom 프로세서 E3845에서 실행되는 차세대 x86 스마트 카메라는 전력 소비를 줄이면서 CPU 및 GPU 성능을 크게 향상시킨다. 새로운 프로세서는 손바닥 크기의 x86 스마트 카메라에 기존의 스마트 카메라와 임베디드 비전 시스템의 장점을 결합하여 제공한다.
CPU, GPU 및 FPGA 코프로세서 간의 조정
Intel Atom 프로세서 E3845의 FPGA 보조 프로세서 및 통합 GPU는 CPU에서 작업 부하를 줄여 고급 컴퓨팅을 위한 리소스를 확보한다. 따라서 멀티 태스킹이 가능하므로 크기는 작지만 x86 스마트 카메라가 측정, 카운팅, 정렬 및 2D 바코드 판독 작업을 동시에 관리할 수 있다.
두 가지 방법
과거에는 기존의 스마트 카메라로 고속, 고해상도의 복잡한 이미지 처리를 동시에 달성할 수 없었다. x86 스마트 카메라의 신세대 고효율 Quad-core Intel Atom 프로세서 E3845는 4MP 60fps로 글로벌 셔터 센서 및 고속 검사를 손쉽게 지원하면서 FPGA 보조 프로세서 및 64비트 호환성을 통해 복잡한 이미지 분석을 구현한다.
높은 유연성과 신뢰성
차세대 x86 스마트 카메라 시스템은 GigE, VGA, RS-32, USB 포트 및 격리된 DI/O를 포함하여 임베디드 비전과 유사한 I/O 토폴로지를 제공하여 생산 라인의 다른 장치와의 통신 및 통합을 극대화한다. IP-67 정격 하우징은 습기, 먼지 및 기타 오염 물질로부터 안전하게 보호해 열악한 산업 환경에서 작동 신뢰성을 제공한다.
개방형 소프트웨어 아키텍처로서 총 개발 비용 절감
새로운 x86 스마트 카메라는 이미지 수집을 위한 GeniCam, GenTL 표준, 타사 소프트웨어와 통신하기 위한 동일한 API를 가진 중간 플랫폼과의 호환성을 제공한다.
다양한 개방형 아키텍처를 통해 개발자가 작성한 프로그램을 다른 장치로 쉽게 통합할 수 있으므로 소프트웨어 개발 시간이 단축되고 시스템 확장 비용이 절감된다.
ADLINK x86 스마트 카메라 솔루션
ADLINK의 NEON-1040/1020은 업계 최초의 quad-core x86 스마트 카메라로 68.5W x 110L x 52.7Hmm 크기의 콤팩트한 손바닥 크기의 하우징에 기존의 스마트 카메라와 임베디드 비전 시스템의 장점을 모두 구현한다.
1.91GHz quad-core Intel Atom 프로세서 E3845, 하이엔드 글로벌 셔터, FPGA 지원, 64비트 명령어, 온보드 2GB RAM 및 최대 32GB 시스템 스토리지를 특징으로 하는 NEON-1040/1020은 고속 및 최소한의 설치 면적으로 복잡한 산업 애플리케이션에 적합하다.
FPGA 코프로세서에서 제공하는 이미지 전처리 기능에는 LUT, ROI 그리고 음영 보정 기능이 포함되어 있어 CPU 로드를 줄이고 고속으로 복잡한 이미지 획득을 가능하게 한다.
ADLINK의 x86 스마트 카메라인 NEON-1040/1020은 GeniCAM, 이미지 수집을 위한 GenTL 지원, Open CV 및 Open CL 프로그래밍을 포함한 유연한 지원을 제공하는 개방형 소프트웨어 개발 아키텍처를 채택한다. 시스템 통합자는 프로그래밍 언어를 배우고 중간 플랫폼을 사용하여 쉽게 통합할 수 있다. 이는 모션, I/O 및 기타 장치와의 통합을 단순화하는 데 도움이 된다. 고속 배포 및 시스템 확장에 드는 총비용을 절감할 수 있다.
견고하고 세척 가능한 IP67 등급의 케이스와 M12 커넥터가 함께 제공되어 NEON-1040/1020이 공작 기계 및 식품/음료 가공 애플리케이션과 같이 가혹한 산업 환경에 견딜 수 있다.
주변 장치 지원에는 GigE Vision 슬레이브 카메라와 같은 외부 장치와 연결하기 위한 추가 GigE 포트와 I/O 제어 모듈이 있는 EtherCAT이 포함된다. 내장된 PWM 조명 제어 기능은 LED 조명과 통신하는 동안 총 소유 비용을 절약한다.
다기능 I/O 지원에는 4x 디지털 입력, 4x 디지털 출력, USB 2.0 포트, RS-232 포트 및 VGA 출력이 포함되어 있어 공장 자동화 사용자의 편의성을 극대화한다.
결론
현대의 대량 생산 프로세스에서, 자동화된 검사를 구현하는 것이 기업의 경쟁력 강화를 위한 주요 요구 사항인 제조 품질 및 생산성을 보장하는 데 중요하다.
시간과 비용은 항상 경쟁력을 결정하는 핵심 요소며, 시스템 구현자가 비용과 시장 출시 시간을 효과적으로 최소화하는 시스템을 선택하는 것이 중요하다.
x86 스마트 카메라는 기존 시스템이 달성할 수 있는 것 이상으로 고성능, 최대 통합, 쉬운 배치, 공간 효율성 및 최소한의 총 소유 비용을 개별적으로 실현하는 새로운 범주의 비전 시스템을 정의한다.
자료 제공: ADLINK(www.adlinktech.com)
