2D 와 3D 기술 차이점과 적용 애플리케이션 비교
SICK
머신 비전
머신 비전 기술은 디지털 카메라와 이미지 처리를 사용하여 수동검사작업을 대체하거나 보완하여 기계에 시각을 부여한다. 이 기술은 다양한 산업에서 생산을 자동화하고 제품 품질을 향상시키는 데 사용된다. 머신 비전 어플리케이션은 물체의 유무에 대한 감지와 같은 상당히 기본적인 작업에서 열악한 환경의 복잡한 실시간 검사 및 분류 작업에 이르기까지 다양하다.
대부분의 비전 시스템은 주변 장치를 사용하여 이미지 트리거링을 위한 광전 스위치, 결함 있는 물체를 선별하는 메커니즘 그리고 모니터링 및 제어를 위한 터치 패널 운영자 인터페이스와 같은 작업을 수행하므로 ‘비전 시스템’이라는 용어가 사용된다. 머신 비전 작업은 4가지 업무 중 하나로 분류할 수 있다. 대부분의 경우 특정한 애플리케이션을 위한 비전 시스템은 몇 가지 작업의 조합으로 구성된다.
머신 비전의 업무
- 포지셔닝은 물체를 감지하고 찾은 다음 물체의 존재 또는 위치 좌표를 보고하는 작업이다.
- 검사는 제품의 품질을 확인하는 작업이다(예: 어셈블리의 모든 부품이 있는지 확인하거나 결함 및 편차를 찾는다)
- 측정은 길이, 너비, 높이, 면적 및 부피와 같은 물체 치수를 결정하는 작업이다.
- 읽기는 1D 코드, 2D 코드 및 OCV/OCR과 같은 텍스트를 판독하고 읽는 것이다.
SICK는 다양한 애플리케이션에 맞는 적절한 비전 기술을 제공해왔다. 모든 애플리케이션은 적절한 기술을 사용하여 해결해야한다. 따라서 어떤 기술을 사용할 수 있는지, 그리고 다른 맥락에서 어떤 기술을 가지고 있는지 이해하는 것이 좋다. 여기서는 다양한 작업과 애플리케이션을 해결하기 위한 적합한 머신 비전 기술에 대한 개요를 설명한다.
2D와 3D 결합으로 애플리케이션 문제 해결
특정 비전 과제를 해결하는 데는 여러가지 방법이 있다. 어떤 경우에는 2D 또는 3D 비전의 선택이 명백하지만 다른 경우에는 두 기술이 모두 효과가 있다. 그러나 각각의 경우에 따라 다른 이점이 있다. 안정적인 머신 비전 솔루션을 제공하려면 이러한 이점과 이것이 주어진 애플리케이션에 어떻게 적용되는지 이해하는 것이 중요하다.
2D 비전
2D는 대비(contrast, 콘트라스트)가 높은 응용 분야, 물체의 질감 또는 색상이 솔루션의 핵심인 경우에 특히 유용하다. 2D는 앞서 말한 4가지 비전 작업을 모두 해결하는 데 사용되며 머신 비전 솔루션의 주요 기술이다.
3D 비전
3D는 물체의 부피, 모양 또는 3D 위치를 분석하는 데 적합하지만 대비가 낮지 만 높이 차이가 감지되는 부품 및 결함을 감지하는 데 적합하다. 3D는 주로 측정, 검사 및 위치 지정에 사용되지만 대비 정보가 누락된 경우 각인 코드 또는 텍스트를 읽는 데 3D가 사용되는 경우도 있다.
3D 애플리케이션 예
이 작업은 로봇이 선택할 다음 객체를 찾는 것이다. 낮은 콘트라스트 조건으로 인해 2D 이미지의 상단 객체는 거의 인식되지 않습니다. 3D 이미지에서는 가장 가까운 물체가 이미지에서 가장 밝게 표시되므로 위에 있는 물체를 쉽게 찾을 수 있다.
2D 애플리케이션 예
여기서의 작업은 패키지의 인쇄를 확인하는 것이다. 3D 이미지는 객체의 윤곽과 모양만 보여준다. 이미지에 레이블과 인쇄가 보이지 않는다. 따라서 패키지의 인쇄는 대비가 좋은 2D 이미지에서만 확인할 수 있다.
2D 기술
2D 이미징에서 분석할 장면은 영역 카메라 또는 라인 스캔 카메라를 사용한 스캔 방법으로 즉시 캡처된다. 두 경우 모두 장면의 최종 표현은 강도 값(흑백 이미지) 또는 컬러 이미지(종종 RGB 값)의 이미지이다. 작업에 적합한 2D 이미지를 캡처하기 위한 주요 요소는 센서 이미저 자체 외에 렌즈 및 조명의 선택이다.
2D 조명
2D 애플리케이션의 성공 여부는 이미지 품질에 따라 달라지며 좋은 조명 방법을 선택하는 데 달려 있다. 올바른 조명은 분석할 특징을 강조하고 높은 이미지 품질을 보장하며 주변광에 관계없이 시간이 지남에 따라 일관된 모양을 제공한다. 머신 비전에서 빛을 설명하는 용어는 다음과 같다.
- 조명은 물체의 밝히는 방식이다.
- 조명은 빛을 생성하는 실제 램프이다.
- 주변 조명은 창문을 통해 들어오는 햇빛과 같은 간접 주변 빛이다.
몇 가지 기본 조명 원리를 이해하면 애플리케이션에 적합한 조명 종류를 선택하는 데 도움이 된다.
- 무광 표면은 직사광선으로 조명할 수 있다.
- 광택 표면에는 반사를 피하기 위해 확산된 간접 조명이 필요하다.
중요한 조명 유형
- 링 라이트(Ring light)
링 라이트는 렌즈의 광학 축 주위, 카메라 또는 카메라와 물체 사이에 장착된다. 이 유형의 조명은 직접적이므로 무 광택 표면에 더 적합하다.
- 돔 라이트(Dome light)
돔 라이트는 렌즈의 광 축 주위에 장착된 돔우로부터 빛을 반사하여 균일한 광 강도로 간접광을 생성한다. 이 유형의 조명은 물체의 반사를 최소화하며 직접 조명에서 눈부심과 원치 않는 반사를 유발하는 포장 날짜를 읽는 등의 광택이 있는 표면에 적합하다.
- 백라이트(Backlight)
백라이트 디자인을 사용하여 물체를 뒤에서 조명하여 윤곽이나 실루엣(silhouette, 윤곽)을 만든다. 백라이트는 정확한 실루엣이 중요하고 물체 자체의 대비 기능이 작업을 방해할 수 있는 작업을 측정하고 배치하는 데 매우 유용하다.
3D 이미징 기술
3차원을 표현하는 것에는 여러 가지 방법이 가능하다. 다양한 머신 비전 기술을 사용할 수 있으며 각각의 장단점이 있다. SICK에서 사용하는 3D 이미징 기술은 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
- 스캐닝 기술
- 스냅 샷 기술
스캐닝 기술에서, 3D 이미지는 측정 영역을 통해 물체를 이동시키거나 카메라를 물체 위로 이동시킴으로써 프로파일에 의해 프로파일에 의해 획득된다. 올바른 3D 데이터와 유효한 3D 이미지를 얻으려면 움직임이 일정하거나 또는 움직임을 알아야 한다(예; 움직임을 추적하기 위한 인코더를 사용). 생성된 3D 이미지는 일반적으로 매우 정확하다.
스냅 샷 기술은 일반적인 소비자 카메라와 같은 단일 샷을 3D로 촬영하여 완벽한 3D 이미지를 생성한다. 물체 또는 카메라의 움직임을 알 필요가 없지만 기술은 스캔 기술만큼 정확하지 않은 이미지를 생성한다. 이 기사에 설명되는 3D 이미징 기술은 레이저 삼각 측량(스캔), 비행 시간(스냅 샷) 그리고 스테레오(스냅 샷)이다.
레이저 삼각 측량
레이저 삼각 측량은 레이저 선과 카메라를 사용하여 물체의 높이 프로파일을 수집한다. 물체가 움직이는 동안 프로파일이 모여 3D 이미지를 만든다. 높이 프로파일 획득에는 물체 이동이 필요하기 때문에 이 방법을 스캐닝 기술이라고 한다. 레이저 삼각 측량은 비행시간(TOF, Time-of-Flight) 보다 측정 정확도가 높지만 측정 범위가 더 제한적이다.
TOF
TOF 3D 카메라는 스냅 샷을 사용하여 3D 이미지를 만든다. 즉, 물체 또는 카메라 움직임이 필요하지 않다. 이 기술은 이미지와 이미지의 각 지점에 대해 장치와 대상 사이의 광 신호 비행 시간을 측정한다. 초기 신호에 대한 신호 시간 도달의 위상 편이를 알면, 장치와 목표 사이의 거리가 도출될 수 있다. 결과는 대상의 즉각적인 3D 이미지이다. 비행 시간은 0.5m 이상의 넓은 시야와 작업 거리를 가진 애플리케이션 분야에 적합하다.
스테레오
스테레오 이미징은 사람의 시야(눈)와 유사하게 작동하며 외부 움직임 없이 스냅샷 3D 이미지를 제공한다. 서로 다른 위치에서 촬영한 2D 이미지 2개를 결합하고 이미지 간 상관관계를 찾아 깊이 이미지를 만든다. 레이저 삼각 측량 및 TOF와 달리 스테레오 기술은 전용 광원에 의존하지 않는다. 그러나 상관관계를 찾으려면 두 이미지에 충분한 세부 사항과 개체의 질감 또는 불균일성이 있어야 한다. 따라서 넓은 시야를 가진 응용 분야와 야외 사용에 적합하다. 더 나은 결과를 얻으려면 구조형 조명으로 장면을 조명하여 이러한 세부 사항을 추가해야 할 수도 있다.
3D 기술 비교
결론적으로 3D 이미징을 달성하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 주어진 애플리케이션과 환경에 가장 적합한 방법을 선택한다. 각 3D 기술의 주요 기능은 다음과 같다.
레이저 삼각 측량
- 광원: 라인 프로젝션 레이저
- 주변광 불필요
- 높은 세부 해상도 및 정확도
- 비교적 짧은 측정 범위
- 카메라가 물체 뒤에 숨겨져 있을 때 레이저를 볼 수 없는 경우 폐색 가능
- 스캐닝 기술
비행 시간
- 광원: 시간 변조 • 주변광 불필요
- 넓은 측정 범위 • 비교적 낮은 디테일 해상도 및 정확도
- 스냅 샷 기술
스테레오
- 광원: 수동 주변 조명 • 비교적 낮은 디테일 해상도 및 정확도
- 넓은 측정 범위 • 실외 적용에 적합
- 스냅 샷 기술
비전 포트폴리오
SICK는 2D 및 3D 모두를 위해 구성하기 쉽고 가장 유연하고 강력한 데이터 스 트리머에 이르기까지 광범위한 비전 포트폴리오를 보유하고 있다.
비전 시스템의 설정은 복잡성에 따라 매우 다양하며, 경험이 없는 사용자의 빠른 설치부터 고급 알고리즘 개발 및 프로그래밍을 사용하는 대규모 프로젝트에 이르기까지 모든 것을 포함할 수 있다. 경험이나 작업의 복잡성에 관계없이 고객을 지원하기 위해 비전 포트폴리오를 세 가지 주요 범주로 나눈다.
가능한 구성
가장 간단한 비전 시스템은 내장 이미지 트리거링, 조명 및 내장 이미지 분석 기능을 갖춘 자체 포함된 카메라이다. 그들의 구성은 간단하며 몇 시간의 훈련 후에 기술 지향적인 사람이 수행할 수 있다.
- 사용하기 쉬운 비전 센서 • 독립형 운영
- 구성 가능한 매개 변수 • 결과 출력
- 쉬운 구성을 위한 직관적인 GUI • 신속한 솔루션 개발
- PC를 통한 원격 구성 • SOPA S
- 임베디드 이미지 처리
프로그래밍 가능
이 카메라의 복잡성은 중간 정도이다. 구성 가능한 것과 마찬가지로 분석이 장치에 포함된다. 차이점은 하드웨어 구성 및 소프트웨어 프로그래밍이 더 유연하다는 것이다. 애플리케이션 개발자가 되려면 며칠의 교육이 필요하다.
- 유연한 비전 카메라 - 독립형 운영
- 다목적 사용자 프로그래밍 - 결과 출력
- 맞춤형 GUI를 사용한 유연성 - 유연한 솔루션 개발
- PC를 통한 원격 구성 - AppSpace, IVC 스튜디오
- 임베디드 이미지 처리
스트리밍
가장 유연한 비전 시스템은 PC 기반이다. PC에서 분석을 수행하는 동안 카메라는 이미지를 생성한다. 전문 애플리케이션 개발자는 종종 이러한 유형의 시스템을 선호한다. 까다로운 애플리케이션에서 맞춤형 시스템 기능과 알고리즘을 모두 생성할 수 있는 유연성이 있기 때문이다.
- 데이터 스트리밍 카메라 • 외부 PC 처리
- 다목적 이미지 획득 • 2D 및 3D 이미지 데이터 출력
- 개발 GUI에 의한 유연성 • 완전히 유연한 솔루션 개발
- PC를 통한 원격 구성 • 소프트웨어 개발 키트
- PC 이미지 처리
일반적인 2D 애플리케이션
일반적인 3D 애플리케이션
자료 제공: SICK(www.sick.com)
