스마트 카메라와 임베디드 비전시스템의 결합 X86 스마트 카메라 솔루션
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머신 비전에 의한 자동 검사는 ‘스마트 팩토리’의 등장을 본격화시키면서 수동 운영으로 인해 발생하는 오류를 없애고 품질의 일관성은 향상시키며 생산성 증가, 생산 비용 절감으로 고객만족 결과를 수립할 수 있다. 이러한 결과는 확실한 경쟁 우위로 나타날 것이다.
비전 시스템의 유형
스마트 카메라는 카메라와 컴퓨터를 합친 하나의 디바이스가 렌즈, 이미지 센서, 시스템 저장공간 그리고 프로세서를 모두 포함하면서도 작고 간편한 올-인-원 비전 시스템을 말한다. 이론적으로 보면, 점차 강력해지는 프로세서가 더욱 복잡한 업무들을 보다 신속하게 수행하는 역량을 갖추어 가고는 있으나, 열 발산 장치를 가동을 위해 더 많은 전력을 소모하면서 필요로 하는 물리적 공간도 더욱 커지고 있다.
예를 들어 팬의 경우, 움직이는 부품은 쉽게 손상되기 때문에 혹독한 환경에서는 단점일 수 있다. 따라서 스마트 카메라는 전력 소모가 낮은 ARM 기반 혹은 Intel® Atom™ 싱글 코어 프로세서를 주로 사용했으며, 크기와 거친 사용 환경을 고려하여 메모리를 제한했다. 가용 메모리 용량이 최소화되어 대부분의 산업용 프로세스에 적합한 속도로 고화질 이미지를 처리하는 기능이 제한되어 다중작업 기능을 수행하기 어려웠다.
이로 인해 일반적의 스마트 카메라는 측정(Gauging), 집계(Counting), 정렬 혹은 바코드 스캐닝과 같은 간단한 이미지 작업에만 주력하는 단일 용도로 사용되는 경우가 많았다. 확장 가능성이 최소로 제한되어 있기 때문에 추가 기능을 수행하려면 더 많은 시스템 유닛을 설치해야 했다.
복잡한 고성능의 머신 비전 애플리케이션이 등장하고 확장 가능성이 중요시 되는 요즘 들어 사용자들이 비전시스템의 두 번째 카테고리에 해당하는 ‘임베디드 비전 시스템’에 눈을 돌리고 있다. 이러한 시스템은 하나 이상의 고화질 산업용 카메라와 연결된 산업용 PC를 포함하고 있으며, 여기서 PC는 표준형 PC OS로 구동되는 고성능 프로세서로 다수의 비전 채널을 지원하며 이미지 프로세싱 기능까지 모두 제공한다. 다양한 다목적 I/O 연결성으로 공장에서 사용하는 현장 디바이스와의 유연한 연결성을 실현했다.
장점 & 단점
스마트 팩토리 요구사항
높은 효율성과 처리량
대부분의 산업 제조업체가 추구하는 높은 생산성을 위해서는 효율성과 처리량이 매우 중요하다. 하지만 문제는 비용이 발생한다는 점이다. 게다가 기존의 머신 비전 시스템에서 고화질과 높은 프레임률을 동시에 달성하기는 매우 힘들었다.
실제로, 비전 애플리케이션은 고화질과 낮은 프레임률 혹은 저화질과 높은 프레임률의 결합인 경우가 많다. 이 두 가지를 동시에 확보하려면 고급 CPU가 필요하므로 그 만큼 비용도 증가하게 된다. 따라서 이러한 요소들 사이에서 정교하게 균형을 유지하고 합리적인 비용 구조로 최상의 효율성을 달성하는 것은 시스템 개발자가 현재 직면하고 있는 중요한 이슈이다.
러기드 디자인과 안정성
산업용 운영 환경은 자동화된 시스템에서 여러 가지 다양한 방식으로 혹독한 상황이 자주 발생한다. 예를 들어, 식음료 생산 시설은 습도가 높은 환경 조건에 극단적인 온도 변화가 발생하기 쉬운 반면, 금속 가공 환경은 금속이나 기타 침투성 미립자가 포함된 분진이 많기 때문이다. 만약 비전 시스템이 이러한 생산 장비 인근에 설치될 예정이라면 시스템 구성품이 높은 수준의 불침투성을 갖추어야 한다.
다양한 장비와의 통합
일반적으로 생산 라인은 제조, 기계 가공, 픽앤플레이스, 검사, 포장과 같은 연속적인 운전으로 구성된다. 예를 들어, CNC 터닝 운전의 경우, 서로 다른 여러 대의 머신들을 컨베이어나 로봇 팔 같은 외부 컨트롤러와 함께 사용하면서 머신들 간에 컴포넌트를 이동시키고 절단 작업이 시작되기 전, 산업용 카메라의 가이드에 따라 컴포넌트를 정렬시킨다.
터닝 후에는 다음 운전단계인 결함 검사를 위하여 컨베이어로 이동시키며, 마지막으로 승인을 받은 제품을 포장단계로 보내고 그 다음엔 선적을 위해 바코드 인식을 한다. 이러한 일련의 과정에서 서로 다른 시스템들 간의 통합이나 커뮤니케이션은 스마트팩토리 구현의 도전 과제와도 같다.
더욱 빨라진 개발
소프트웨어 솔루션의 개발과 관련 호환성 이슈는 매우 중요한 요소이며, 실행의 성공과 실패를 결정하기도 한다. 개발 시간을 단축하고 시스템 개발 비용을 절감하는 것은 명백한 난제로 꼽힌다.
고려해야 할 실행 요소
CPU 효율성
앞서 언급했듯이, 일반적인 스마트 카메라는 흔히 Intel® Atom™ 싱글 코어 프로세서나 ARM 기반의 프로세서로 크기, 파워 그리고 열 발산과 관련한 요구사항을 충족한다. 하지만 이러한 스마트 카메라는 컴퓨팅 성능이 제한적이라, 측정(Gauging), 집계(Counting), 정렬 혹은 바코드 스캐닝과 같은 개별적인 작업을 수행하는 간단한 이미지 애플리케이션에서만 사용되는 경우가 흔하다.
Intel® Atom™ E3840 프로세서는 이전 세대 프로세서에 비해 두 배의 성능을 발휘하면서도 전력 소비는 10W 이하이며 소형 팬리스 시스템에서도 멀티태스킹을 지원한다. 멀티태스킹 시스템을 통해 설치 횟수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 총소유비용(TCO) 측면에서도 경제적인 이점을 가져다준다.
이미지 센서
이미지 센서는 비전 시스템의 눈이다. 센서의 크기가 클수록 이미지 정보를 많이 취득할 수 있고 좋은 품질의 이미지를 전달할 수 있다. 스마트 카메라가 간단한 이미징 작업을 중점적으로 수행하던 과거에는 이미지 센서의 크기가 중요한 이슈가 아니었지만, 고사양, 고속의 애플리케이션이 도입되면서부터 이미지 품질을 위해 이미지 센서 크기의 중요성이 커졌다.
롤링 셔터 vs 글로벌 셔터
롤링 셔터와 글로벌 셔터는 픽셀이 빛을 수집하는 방식이 다릅니다. 롤링 셔터는 순차적인 순서로 여러 차례 빛을 수집하므로 빛의 수집이 시작되고 끝나는 각각의 순서가 회차 별로 약간씩 다르다. 글로벌 셔터링을 하는 픽셀은 빛의 수집이 시작되고 끝나는 시점이 모두 정확하게 동일한 시간 동안 이루어진다.
제한된 컴퓨팅 성능으로 대량의 이미지 데이터를 처리하기에는 부족하기 때문에 기존의 스마트카메라는 롤링 셔터를 채택하는 경향이 있다. 하지만 롤링 셔터가 빠르게 움직이는 물체를 처리할 때에 잔상 신호를(함께 따라오는 흐릿함/왜곡/흐릿함 왜곡/흔들림/부분 노출 효과) 제거할 수 없다는 점 때문에 일반 스마트 카메라를 고속의 산업용 애플리케이션에서 사용할 수 없게 되었다.
최근 들어, 새롭게 탄생한 Intel® Atom™ 프로세서의 개선된 CPU 효율성으로 소형 폼팩터 스마트 카메라도 글로벌 셔터 배치를 지원할 수 있게 되었다.
보조프로세서
정확한 자동 검사와 분석을 위해 이미지 품질이 중요해진 반면, 광학적 조건(광원 혹은 렌즈)의 한계로 인해 취득한 이미지가 일관성 없는 명암을 보이는 상황이 야기되어 분석에서 잘못된 판단을 초래하기도 한다. 비전 시스템이 획득한 이미지를 분석 단계에 제출하기 전에 자동으로 최적화할 수 있다면 이미지 분석의 정확도는 현저하게 향상된다.
기존의 비전 시스템에서는 캡처한 이미지 데이터가 CPU에 의해 처리되기 때문에 프로세서 리소스가 충분하지 않으면 처리할 수 있는 이미지 데이터의 양이 줄어들 수밖에 없다. 따라서 일반적인 스마트카메라는 이미지의 화질과 프레임률 중 하나는 반드시 희생해야 하는 상황이 자주 발생한다.
새로운 x86 스마트 카메라의 FPGA 보조 프로세서 사용을 통해 이미지 메트릭스 운영을 CPU에서 FPGA(이미지 프리프로세싱)로 오프로드시킴으로써 이미지 프로세싱의 효율성을 대폭 개선했으며, 이로 인해 CPU 리소스는 고급 알고리즘의 운전을 수행할 수 있게 되었다. FPGA 보조 프로세서는 소형 비전시스템과 함께 LUT(룩업테이블), ROI(관심영역) 그리고 쉐이딩 보정과 같은 이미지 프리프로세싱 업무를 수행할 수 있게 되었고 결과적으로 더욱 빠르고 복잡한 애플리케이션을 실현했다.
그래픽과 미디어 프로세싱
신형 Intel® Atom™ 프로세서 E3840은 GPU 드라이버를 채택하여 CPU에서 수행하는 미디어 프로세싱 작업을 오프로드하고, 기존의 프로세서와 비교해 그래픽 프로세싱 성능을 3배 가량 향상했다. 통합된 IntelR 7세대 HD 그래픽 기술을 통해 GPU는 비디오 인코딩과 압축은 물론 다수의 채널에 동시 전송이 가능해졌다. 이러한 성능 개선으로 소형 비전시스템이 미디어 데이터를 기록하고 저장 및 분석까지 할 수 있게 되어 ‘더욱 스마트해진’ 팩토리가 탄생했다.
디스플레이
일반적인 스마트 카메라는 컨트롤 박스와 연결된 Ethernet 케이블을 통해서만 데이터를 전송한다. 하지만 비전 시스템이 VGA나 Ethernet 포트를 통해 생산 라인의 HMI이나 스크린과도 연결되어 이미지 데이터를 동시에 디스플레이한다면, 운영자는 이상 유무의 검사결과를 바르게 확인할 수 있다.
64비트 컴퓨팅
대량의 데이터를 관리하려면 이미지 분석 애플리케이션이 필요하기 때문에 이러한 세그먼트에서 주로 사용되는 소프트웨어 툴의 대부분은 64비트 명령어를 활용한다. 따라서 64비트 컴퓨팅을 지원하는 비전 시스템의 배치가 필수적이다.
시스템 저장공간
시스템 저장 용량은 비전 시스템이 PC OS와 다양한 API를 완전하게 구동할 수 있는 가를 결정할 뿐만 아니라 수량도 결정되어 진다.
총소유비용(TCO)
총소유비용은 시스템을 위해 지불해야 하는 명목상의 가격이 아닌, 공간 사용, 주변기기 지원, 시스템 확장 가능성 그리고 소프트웨어 개발 비용과 같은 모든 요소들의 전체적인 조합에 따라 결정된다.
• 공간 사용: 외부 케이블링을 포함한 비전 시스템의 물리적인 크기는 반드시 생산 공간 비용으로 간주해야 한다. 또한 외부 배선이나 케이블링은 물론 PWM 광원 컨트롤러와 같은 확장된 주변기기까지도 함께 고려해야 한다.
• 시스템 확장 비용: 비전 시스템이 제공하는 채널 수는 곧 확장 가능성을 의미한다. 기존 스마트 카메라의 경우 단품 가격은 저렴하지만 필수적으로 확장하려면 시스템 유닛이 추가로 필요하기 때문에 실제 시스템 비용은 상당히 고가일 수밖에 없었다. 새로운 x86 스마트 카메라 시스템은 다수의 채널은 물론 추가 슬레이브 카메라를 지원하는 GigE 포트를 제공하므로 기능을 추가하기 위하여 시스템 유닛을 별도로 설치할 필요가 없어져 채널 확장에 소요되는 평균 비용이 낮아졌다.
• 소프트웨어 개발 및 다목적 유용성: 제조 시설은 다수의 운전 스탠드로 구성되어 있으며, 이들 간의 효율적인 커뮤니케이션과 통합은 실제 공장의 효율성을 결정한다. 현행 소프트웨어 리소스가 시스템 전반에 걸쳐 손쉽게 마이그레이션 된다면 배치에 소요되는 인력과 개발 비용이 현저하게 절감된다.
새로운 x86 스마트 카메라의 필승 전략
고성능과 효율성을 발휘하는 소형 시스템
Intel® Atom™ 쿼드 코어 프로세서 E3845 기반의 신형 x86 스마트 카메라는 CPU와 GPU 성능을 대폭 개선하는 동시에 전력 소비도 절감시켰다. 새로운 프로세서 덕분에 기존의 스마트 카메라와 임베디드 비전 시스템의 장점을 모두 담은 손바닥 크기만한 x86 스마트 카메라가 탄생했다.
CPU, GPU 그리고 FPGA 보조-프로세서 간의 코디네이션
Intel® Atom™ 프로세서 E3845의 FPGA 보조 프로세서와 통합 GPU는 CPU의 작업을 오프로드하고 리소스가 보다 고급 컴퓨팅에 활용될 수 있도록 허용한다. 그 결과 멀티태스킹이 가능해져 x86 스마트 카메라가 소형 폼 팩터임에도 측정(Gauging), 집계(Counting), 정렬 그리고 2D 바코드 인식 작업을 동시에 수행할 수 있다.
두 마리 토끼 잡기
기존의 스마트 카메라로 고속, 고화질 그리고 복잡한 이미지 프로세싱을 동시에 달성하는 것은 불가능했다. 하지만 x86 스마트 카메라에 탑재된 신형 고효율 Intel® Atom™ 쿼드 코어 프로세서 E3845는 4MP, 60 fps, 글로벌 셔터 센서와 고속 검사를 손쉽게 지원하는 한편 FPGA 보조 프로세서와 64비트 호환성을 활용하여 복잡한 이미지분석도 문제없이 수행한다.
높은 유연성과 안정성
새로운 x86 스마트 카메라 시스템은 GigE, VGA, RS-232, USB 포트 그리고 고립형 DI/O를 포함하는 임베디드 비전 시스템과 유사한 I/O 토폴로지를 제공하여 생산 라인에서 기타 디바이스들과의 커뮤니케이션과 통합을 극대화했다.
방수방진 IP67 등급의 하우징은 습기, 먼지 및 기타 오염물질로부터 안전하게 장비를 보호하기 때문에 거친 산업 환경에서도 운영상의 안정성을 보장한다.
오픈 소프트웨어 아키텍처로 총 개발 비용 절감
새로운 x86 스마트 카메라는 이미지 취득을 위하여 GeniCam, GenTL 표준과의 호환성을 비롯해, 다양한 소프트웨어와 커뮤니케이션하도록 동일한 API를 가진 중간 플랫폼을 제공한다. 자유자재로 활용할 수 있는 오픈 아키텍처 덕분에, 개발자들이 작성한 프로그램을 다른 디바이스로 쉽게 마이그레이션 할 수 있고 소프트웨어 개발 기간이 단축되었으며 시스템 확장에 소요되는 총 비용도 절감되었다.
ADLINK x86 스마트 카메라 솔루션
ADLINK의 NEON-1040/1020은 업계 최초의 쿼드 코어 x86 스마트 카메라로 68.5W x 110L x 52.7H mm의 편리한 손바닥 크기 하우징에 기존의 스마트 카메라와 임베디드 비전 시스템이 가지는 장점을 모두 담았다.
Intel® Atom™ 쿼드 코어 프로세서E3845 1.91GHz, 하이엔드 글로벌 셔터, FPGA, 64비트 명령체계, 온보드 2GB RAM 그리고 최대 32GB의 시스템 저장 공간을 갖춘NEON-1040/1020은 최소의 풋프린트로 빠르고 복잡한 산업용 애플리케이션에 적용된다.
FPGA 보조 프로세서가 제공하는 이미지 프로세싱 기능에는 LUT(룩업테이블), ROI(관심영역) 그리고 쉐이딩 보정이 포함되어 있어 CPU 부하는 줄이고 복잡한 이미지를 고속으로 취득할 수 있다. ADLINK의 x86 스마트 카메라인 NEON-1040/1020은 오픈형 소프트웨어 개발 아키텍처를 채택하여 이미지 취득을 위한 GeniCAM, GenTL을 포함해 Open CV, Open CL 프로그래밍과 같은 유연한 지원을 제공한다.
시스템 통합자는 프로그래밍 언어만 숙지하고 중간 플랫폼을 이용하여 손쉽게 마이그레이션을 수행할 수 있다. 따라서 모션, I/O 그리고 기타 디바이스와의 통합이 간소화되었고 배치도 신속하게 완료할 수 있을 뿐만 아니라 시스템 확장에 소요되는 총비용도 절감된다. 러기드 디자인으로 견고하며 세척이 가능한 IP67 등급의 케이싱과 M12 커넥터를 함께 적용한 NEON-1040/1020은 금속 가공, 식/음료 공정 애플리케이션과 같이 가장 혹독한 산업 환경에서도 문제없다.
주변기기 지원에는 GigE 비전 슬레이브 카메라 같은 외부 디바이스와의 연결을 위한 추가 GigE 포트 그리고 I/O 제어 모듈과 연결되는 EtherCAT이 있다. 내장형 PMW 라이팅 제어는 총소유비용(TCO)를 절약해주고 LED 조명과 호환된다. 다용도 I/O 지원으로 제공되는 4x 디지털 입/출력, USB2.0 포트, RS-232 포트 그리고 VGA 출력은 공장 자동화 사용자를 위한 편의성을 최대화했다.
결론
현대의 대량 생산 공정에서 자동화 검사는 제조 품질과 생산성 확보에 매우 중요할 뿐 아니라 기업의 경쟁력 강화를 위한 핵심적인 요구사항이다. 시간과 돈은 경쟁력을 정의하는 주요 요소로 항상 거론되고 있는 만큼, 시스템 실행자에게 비용과 시장 출시 기간을 효과적으로 최소화 시켜주는 시스템의 선택은 중요한다.
기존 시스템의 성능과 역량을 훨씬 뛰어넘는 X86 스마트 카메라는 고성능, 통합의 최대화, 손쉬운 배치, 공간 효율성 그리고 총소유비용(TCO) 최소화를 단독으로 실현시키며 비전 시스템의 새로운 카테고리를 정의한다.
자료 제공: ADLINK(www.adlinktech.com)
