머신비전 애플리케이션을 위한 올바른 조명 구현 방법 ②
Advanced illumination
조명 기술
조명 기술은 다음과 같이 구성된다.
•후면 조명(Back Lighting)
•확산(Diffuse Lighting) 조명(‘full bright field’라고도 한다.)
•명시야(Bright Field, 실제로 부분적인 밝은 영역 또는 방향성)
•암시야(Dark Field)
일부 기술을 적용하려면 특정 조명과 기하학, 카메라를 상대적으로 배치하는 것, 샘플, 조명이 필요하다. 예를 들어, 표준 명시야 막대 표시등은 암시야 모드에서도 쓸 수 있다. 확산광은 그 자체로 독점적으로 쓰인다.
대부분의 비전 조명제품 제조업체는 같은 조명에서 쓸 수 있는 여러 기술 조합으로 조명을 제공한다. 적어도 LED 기반 제품의 경우 개별 기술을 따로따로 처리할 수 있다.
이와 같은 환경은 유연성이 뛰어나며, 단일 스테이션에서 여러 검사를 수행할 때 잠재 비용을 절감할 수 있다. 각 조명 기술의 응용 조건과 제한 사항, 검사 환경의 복잡성과 샘플, 광 상호 작용을 잘 이해하면 3가지 허용 기준을 충족하는 효과적인 조명 해결책을 개발할 수 있다.
a) 백 라이팅(후면 조명)
백 라이팅은 밝은 배경에 어두운 윤곽을 만들어내므로 즉각적인 대비를 생성한다(그림 16). 가장 보편적인 용도는 구멍과 틈새의 존재 여부 확인, 부품 배치, 방향 탐지, 대상물 측정이다.
아주 정밀한 (서브 픽셀) 에지 감지가 필요할 경우 종종 적색, 녹색, 청색과 같은 단색광을 빛 제어 편광으로 쓰는 것이 유용하다.
b) 확산(Full Bright Field) 조명
확산 또는 완전한 명시야 조명은 정반사나 균일하지만 여러 방향 광원이 필요한 혼합 반사 샘플에서 널리 쓰인다. 흔히 쓸 수 있는 확산 조명에는 여러 구현 방법이 있지만, 가장 일반적인 두 가지 유형인 반구형 돔/실린더와 축(그림 17a, 17b) 확산이 있다.
확산형 돔 조명은 보통 자동차 산업에서 볼 수 있는, 굴곡진 경면(거울의 비치는 쪽)의 조명에 효과적이다.
축상 조명은 평면 샘플과 비슷한 방식으로 작동한다. 상대적으로 평평한 물체에서 차별적인 각을 이루거나 질감이 있는 형상 또는 지형을 향상하는 데 효과적이다.
c) 부분적인 명시야 조명 또는 방향 조명
부분 명시야 조명은 가장 흔히 쓰이는 비전 조명 기술이며 일상적으로 쓰는 조명이다. 이 유형의 조명은 대개 점 광원과 방향 특성 때문에 방향이 있다는 점에서 완전한 명시야와 구별된다.
d) 암시야 조명
암시야 조명은 일상 생활에서 많이 쓰이는 기법이지만 쉽게 이해하기 어렵다. 예를 들어, 자동차 헤드라이트를 쓰는 것은 노면의 낮은 각도에서 빛이 입사하는 것과 작은 표면의 불완전한 부분에서 반사되는 것, 그리고 근처의 물체에 많은 영향을 받는다.
암시야 조명은 원형과 선형 또는 방향 유형으로 세분할 수 있다. 원형은 특정 조명 헤드 형상 설계가 필요하다. 보통 가까운 근접을 요구하는 낮거나 중간인 상태의 광 입사각을 특징으로 한다. 이는 원형의 밝은 헤드 품종을 위해 조율된다(그림 19).
e) 명시야 대 암시야
다음 그림은 미러링 된 표면의 원형 방향(부분 명시야)과 원형 암시야 조명의 구현 상태와 결과의 차이점을 보여준다.
암시야 조명을 효과적으로 적용하는 것은, 미러링 된 표면에 입사하는 빛의 대부분이 장면을 핫 스폿 눈부심으로 쏟아 부어 카메라로 향하는 것이 아니라, 멀리 반사된다는 사실에 달려 있다. 상대적으로 적은 양의 빛이 카메라로 다시 반사돼 표면의 작은 특성의 가장자리를 찾아낸다. 또한 ‘반사각이 입사각과 동일하다.’라는 방정식을 만족한다(다른 예는 그림 21 참조).
암시야 조명의 또 다른 중요한 측면은 유연성이다. 많은 표준 명시야 등은 암시야 기하학, 즉 일반적으로 방향 유형에서만 쓸 수 있다. 이 기법은 지형 샘플에서 에지를 검출하는 데에도 유용하다. 표본에 알려진 표준 오리엔테이션이 있는 경우 방향성의 다양성을 효과적으로 쓸 수 있다(그림 7, 오른쪽 이미지 참조).
애플리케이션 분야
그림 22는 일반적인 총 표면 특성 2개에 기초해서 서로 다른 조명 기술에 잠재적 응용 분야를 도시한다.
1) 표면 평탄도와 질감
2) 표면 반사율
다이어그램은 표면 반사율을 카테고리 3개와 매트, 거울, 혼합 대 표면 평탄도와 텍스처, 지형으로 나눠 나타낸다. 다이어그램에서 오른쪽과 아래쪽으로 이동함에 따라 더욱 특수화된 조명 기하학과 구조화 조명 유형이 필요하다.
‘형상 독립’ 섹션(Geometry Independent Area)은 작동 거리, 액세스, 밝기, 투영된 패턴과 같이 필요한 모든 기준을 충족하는 경우 특정 조명 기술이 효과적일 수 있음을 뜻한다.
조명 분석 시퀀스
‘조명 분석 순서’에서는 조명 유형과 카메라 민감도, 광학, 조명 기술, 4가지 조명 시각 기준에 대한 실무 지식을 전제로 한다. 준수할 수 있는 검사 목록으로 쓸 수 있으며, 검사 요구 사항에 맞게 수정하고 확장할 수 있는 표준화된 방법에 좋은 바탕을 제공한다.
1) 즉시 검사할 수 있는 물리적 환경
a) 물리적 제약
b) 부품 특성
c) 인체 공학 또는 안전
2) 견본 - 가벼운 상호 작용
a) 샘플 표면
b) 구성과 색상
c) 가벼운 오염
3) 관심 있는 기능은 무엇인가?
4) 조명의 4가지 주춧돌 적용
a) 라이트 - 카메라 - 샘플 기하학 문제
b) 조명 패턴 문제
c) 표본과 배경색의 색차
5) 조명 기술, 지식 유형 그리고 강도의 적용
a) 형광 대 석영 - 할로겐 대 LED 대 기타
b) 명시야, 암시야, 확산, 후면 조명
c) 비전 카메라나 센서 양자의 효율과 스펙트럼 범위
자료 제공: Advanced illumination(www.advancedillumination.com)
