의료용 애플리케이션에서 머신 비전 카메라의 역할 ①
Basler
카메라는 현미경 검사, 안과학, 병리학, 내시경 검사, 실험실 자동화 및 생물의학 연구 분야에서 특히 중요한 구성요소이다.
본문에서 첫 번째 주제로 디지털 카메라의 주요 특성들을 검토해 의료용 애플리케이션을 위한 머신 비전(MV)의 장점을 집중적으로 설명하겠다. 두 번째로 머신비전 카메라의 색 충실도 개념에 대해 알아볼 것이다. 끝으로 CCD와 CMOS의 두 가지 센서의 개념과 장단점, CCD에서 CMOS 센서로의 전환에 대해 이야기하겠다.
1. 의료용 애플리케이션에서 카메라의 선택 기준
센서와 인터페이스 기술이 소비자 중심으로 바뀌면서 카메라가 의료용 제품 개발에도 영향을 주고 있다. 의료용 애플리케이션에 적합한 카메라를 선택하는 것은 광범위한 센서와 인터페이스로 인해 점점 어려워지고 있다.
의료용 카메라 선택 시 핵심 기준은 (1) 크기 및 폼팩터 (2) 카메라 사용 환경 (3) 카메라 센서 (4) 인터페이스 (5) 렌즈 (6) 플랫폼 기대 수명 (7) 사용자 정의 옵션 등이다. (1)번부터 (5)번까지는 제품별로 차이가 있으며 (6)번과 (7)번은 카메라 제조사별로 차이가 있다. 본문에서는 의료용 애플리케이션을 위한 카메라 성능에 대한 기대치와 머신 비전 카메라가 확실한 장점을 제공하도록 하려면 어떻게 설계해야 하는지에 대하여 집중적으로 설명한다.
크기와 폼팩터
크기와 폼팩터는 카메라 선택에 있어 결정적인 기준들이다. 작업 모니터링용과 같은 외부 이미지 센서로 사용하거나 현미경 검사 카메라로 사용할 경우 카메라를 안정적인 하우징에 장착해야 한다. 카메라를 장치에 내장시킬 경우 공간과 크기가 아주 중요해진다. 인터페이스와 케이블 커넥터도 이때 중요한 역할을 한다. 유연한 케이블이 달린 LVDS 기반 인터페이스는 좁은 공간에도 장착할 수 있다.
머신 비전 카메라는 산업 환경에 맞게 강력하게 설계되었다. 소비자용 카메라와 달리 센서 간격, 카메라 변형 및 FOV에 끼치는 영향과 같은 요소들을 설계에 반영해야 한다. 이는 높은 수준의 안정성과 이미지 데이터의 재현 가능성을 보장하기 위해 필수이다.
카메라 환경
카메라 환경 및 배치 시나리오를 고려하는 것은 의사 결정 과정의 핵심이다. 카메라는 다양한 조명 조건에 부딪힌다. 두 대의 카메라를 사용하는 대신 머신 비전 카메라는 소프트웨어를 사용해 서로 다른 주변 여건에 맞춰 카메라 설정을 조정할 수 있다. 일반적인 MV 카메라 소프트웨어는 노출 시간, 트리거 및 화이트 밸런싱과 같은 기능을 제어한다.
카메라 센서
카메라의 ‘눈’으로서 광학 센서는 가장 중요한 구성 요소이다. 검사 대상 물체가 무엇인지에 따라 내장된 센서는 최소 임계 거리에서 최대 해상도 이미지를 촬영할 수 있어야 한다. 진단용으로 카메라를 사용할 경우 고감도 센서를 사용하면 최대 20 MP의 고해상도를 기대할 수 있다. 프레임 속도 역시 애플리케이션별로 달라진다.
사용자가 실시간 설정할 수 있는 이미지(예: 현미경 검사 카메라)가 필요하다면 매끄러운 이미지 재현을 위해 보통 25-30 fps(frames per second)가 필요하다. 반대로 고정된 표본의 검사 및 분석에는 프레임 속도가 전혀 중요하지 않다. 센서 기준은 중요하다. 안과용 굴절 검사계를 포함한 애플리케이션에서는 모노크롬 센서가 적당한다. 망막(retina)의 이미지 녹화와 같은 애플리케이션에서는 검사 대상의 색상이 분석 과정에 있어 중요한 역할을 한다.
모노크롬 센서는 안과, 병리학 및 피부과용 진단 애플리케이션에서 자주 사용된다. 카메라에 의한 정확한 색상 재현은 또 다른 주요 기준이기 때문에 본문에서 자세히 설명할 것이다. 어두운 조건에서 작동하는 애플리케이션(예: 형광조명)에는 우수한 양자 효율, 낮은 다크 노이즈 및 판독 노이즈를 가진 특별한 센서가 필요하다. 그 밖의 결정 요소로는 낮은 노이즈와 빛에 민감한 넓은 면적의 픽셀을 들 수 있다.
머신 비전 카메라 제조업체들은 자사 카메라에 맞는 광범위한 센서를 공급하며 때로는 동일한 센서를 서로 다른 인터페이스에 맞게 설계하기도 한다. 이는 애플리케이션에 특화된 장치를 개발하는 대신 기성품 카메라를 사용할 수 있게 한다. 이는 개발 비용과 시장 출시 소요 기간을 짧고 효율적으로 만드는 데 중요한 요소이다.
머신 비전이 소비자용 카메라와 비교할 때의 또 하나의 장점은 이미지 품질이다. 머신 비전 카메라에는 사전 처리를 위한 온보드 연산 유닛이 내장되어 있다. 이 기술은 여러 해 동안에 걸쳐 다듬어져 디베이어링, 노이즈 제거 및 보정 알고리듬과 같이 CPU를 사용하는 연산 작업을 처리할 수 있다. 최상의 시나리오에서 연산 장치는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용해 자체 인터페이스를 통해 지연 없이 이미지 데이터를 전송할 수 있다.
머신 비전 카메라의 또 다른 장점은 변수의 투명성이다. 소비자용 카메라의 센서 판독에 있어 상당한 후처리가 필요한 블랙박스 프로세스가 관련되는 반면, 머신 비전 카메라 개발자들은 카메라 설정을 완벽히 통제하고 있다. 또 하나 매우 중요한 점은 머신 비전 카메라 센서는 24시간 작동이 가능하도록 설계된다는 점이다. 표준 카메라가 몇 시간만 연속 사용해도 오작동(이미지 결함 및 프레임 손실 발생)이 일어나기 시작하는 데 반해 머신 비전 카메라 센서는 중단 없이 수년 동안 동작할 수 있다.
인터페이스
머신 비전 카메라용 인터페이스로 가장 인기 있는 것은 기가비트 이더넷(GigE)이다. GigE 기술은 긴 케이블 길이와 표준 네트워크 아키텍처와 호환되기 때문에 의료용 애플리케이션에서도 인기가 좋다.
최근 수년 간, USB3의 간편한 플러그앤플레이 기능도 인기를 얻었다. 머신 비전 업계의 제조업체들은 GigE 및 USB3 포트를 통해 이미지 데이터를 전송하기 위해 고안된 표준을 개발했다. 바로 GigE Vision 및 USB3 Vision이다. 이 프로토콜들은 가벼우면서도 안정적이고 이미지 데이터 스트림을 신속히 전송할 수 있다.
작은 휴대용 기기에서는 대역폭이 인터페이스와 이미지 처리 환경을 위한 핵심 요소이다. 스테레오 애플리케이션에는 LVDS 기반 인터페이스가 바람직하다. 이 인터페이스는 고객의 프로세서 보드에 탑재된 연산 장치(예: FPGA)에 내장시켜 CPU 부하를 증가시키지 않고도 특정 연산 작업을 초고속으로 처리할 수 있다. 리본 케이블도 LVDS 기반 인터페이스에 사용된다. 이 케이블은 아주 유연하며 좁은 공간에 설치하기에 안성맞춤이다.
렌즈
일단 카메라, 조명, 처리 장치 및 알고리듬 사양이 확정되고 나면 다음 단계는 보통 렌즈에 대한 요구 사항을 정하는 것이다. 맞춤 렌즈를 생산하는 데는 여러 해가 걸리기 때문에 렌즈를 개발하는 초기 단계에 선택하는 것이 무엇보다 중요하다.
몇몇 머신 비전 카메라 제조업체들이 렌즈와 해당 케이블을 공급하고 있다. 이 ‘원스톱 쇼핑’은 시간과 상당한 개발 자원을 절감시켜주며 또한 공급업체에 대한 리스크를 줄여준다.
기대 수명
기대 수명은 제조업체의 카메라를 선택할 때 반드시 고려해야할 주요 사항이다. 특히, 외과, 안과 및 의료 진단용 애플리케이션의 경우 오랜 시간이 소요되는 까다로운 인증 프로세스(ISO, FDA)에서 십년 이상의 제품 수명을 요구한다. 이 기준은 사실 기술 혁신보다 고객의 선택 기준에서 더 중요한 조건이 된다.
사용자 정의 옵션
머신 비전 카메라 제조업체들은 자사 카메라를 고객의 필요에 맞춰 개조하는 데 익숙하다. 이러한 융통성은 의분 분야에서 특히 중요하다. 예를 들어 하나의 제품이 의료용 제품으로 승인되면 개발 단계에서 고객을 위해 해당 펌웨어를 사용해 공급되어야 한다. 카메라는 고객별로 소재, 레이블, 색상을 조정하는 의료용 하우징에 맞아야 한다.
요약
머신 비전 카메라는 의료용 제품 시장에 매우 적합하다.
1. 오랜 수명으로 안정적인 하우징, 정확한 센서 배치, 우수한 내장 품질을 보장한다.
2. 다양한 조명과 애플리케이션 시나리오에 적응할 수 있는 안정적인 소프트웨어가 있다.
3. 폭넓은 센서 및 인터페이스 기술을 선택할 수 있다. 빠르고 효율적인 통합으로 시장 출시 소요 기간이 보장된다.
4. 물체의 실제 색상으로 정확하게 재현한 이미지를 제공한다.
5. CMOS 센서가 CCD 센서에 비해 저렴한 대안으로 자리 잡았다.
6. 이미지 전송을 위해 특화된 GigE 및 USB3.0 인터페이스를 갖고 있다.
7. VDS와 같은 새로운 인터페이스 기술들을 이용하면 아주 좁 은공간(예: 휴대 기기, 스테레오 비전)에 비전 시스템을 설치할 수 있다.
8. 원스톱 쇼핑으로 카메라, 렌즈 및 케이블을 단일 공급업체에서 공급받을 수 있다.
9. 수명이 긴 소프트웨어 및 하드웨어 플랫폼을 여러 해 동안 공급받을 수 있다.
10. 부가 서비스로 고객별 애플리케이션(예: 색상, 레이블, 소재및 기타)을 구현할 수 있다.
