머신비전 애플리케이션 솔루션 가이드

SICK

머신비전은 기계에 시야를 부여하여 디지털 카메라 및 이미지 처리를 사용하여 수동 검사 작업을 대체하거나 보완한다. 머신 비전 애플리케이션은 물체의 유무 존재 감지와 같은 매우 기본적인 작업부터 거친 환경에서의 복잡한 실시간 검사 및 등급 지정 작업에 이르기까지 다양하다. 대부분의 비전시스템은 이미지 트리거를 위한 광전 스위치, 결함이 있는 물체를 거부하는 메커니즘, 모니터링 및 제어를 위한 터치 패널 운영자 인터페이스와 같은 주변 장비를 사용하여 작업을 수행한다.

머신비전 작업은 네 가지 주요 작업 중 하나로 분류할 수 있다. 대부분의 경우 특정 애플리케이션을 위한 비전시스템은 이러한 작업의 조합으로 구성된다.

비전 과제

포지셔닝은 물체를 감지하고 찾은 다음 물체의 존재 또는 좌표를 보고하는 작업이다.

검사는 제품 품질을 확인하는 작업이다. 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 디코딩하고 읽는 기능이다.

2D 또는 3D로 애플리케이션 해결

특정 비전 과제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있다. 어떤 경우에는 2D 또는 3D 비전의 선택이다. 그러나 어떤 경우에는 두 기술이 모두 작동할 수 있으며 이때 각각 특정 이점을 제공한다. 신뢰할 수 있는 머신비전 솔루션을 제공하려면 이러한 장점과 애플리케이션에 어떻게 적용되는지 이해하는 것이 중요하다.

2D 비전

2D는 대비가 높은 애플리케이션이나 물체의 질감이나 색상이 솔루션의 핵심일 때 특히 유용하다. 2D는 4가지 비전 과제를 모두 해결하는 데 사용되며 머신 비전 솔루션의 지배적인 기술이다.

3D 비전

3D는 물체의 부피, 모양 또는 3D 위치를 분석하는 데 적합하지만 대비가 낮고 높이 차이가 감지되는 부품 및 결함을 감지하는 데에 적합하다. 3D는 주로 측정, 검사 및 위치 지정에 사용되지만 대비 정보가 누락된 경우 각인된 코드 또는 텍스트를 읽기 위해 3D를 사용하는 경우도 있다.

2D 및 3D 응용 사례

작업은 로봇이 선택할 다음 물체를 찾는 것이다. 2D 이미지의 낮은 대비 조건으로 인해 상단 물체는 거의 인식되지 않는다. 3D 이미지에서는 가장 가까운 물체가 이미지에서 가장 밝게 나타나기 때문에 상단의 물체를 쉽게 찾을 수 있다.

2D 응용

여기서 작업은 패키지의 인쇄를 확인하는 것이다. 3D 이미지는 물체의 윤곽과 모양만 보여준다. 라벨과 인쇄물은 이미지에 보이지 않는다. 따라서 패키지의 인쇄물은 대비가 좋은 2D 이미지에서만 확인할 수 있다.

2D 기술

2D 이미징에서 분석할 장면은 영역 카메라 또는 라인 스캔 카메라를 사용하는 스캔 방법으로 즉시 캡처가 된다. 두 경우 모두 장면의 최종 표현은 강도 값(흑백 이미지) 또는 컬러 이미지(종종 RGB 값)의 이미지다. 작업에 적합한 2D 이미지를 캡처하기 위한 핵심 요소는 센서 이미저 외에도 렌즈 및 조명 선택이다.

2D 조명

2D 애플리케이션의 성공 여부는 이미지 품질에 따라 달라지며, 이는 조명 방법을 선택하는 데 달려 있다. 올바른 조명은 분석할 기능을 강조하고 높은 이미지 품질을 보장하며 주변 조명에 관계없이 시간이 지남에 따라 기능이 일관되게 표시되도록 한다. 머신 비전에는 빛을 설명하는 몇 가지 용어가 있다.

•- 조명은 물체를 비추는 방식이다.

•- 조명은 조명을 생성하는 실제 램프이다.

•- 주변 광은 창문을 통해 들어오는 햇빛과 같은 간접적인 광이다.

몇 가지 기본 조명 원리를 이해하면 애플리케이션에 적합한 조명 유형을 선택하는 데 도움이 된다.

•- 무광택 표면은 직사광선으로 비출 수 있다.

•- 광택이 있는 표면은 반사를 피하기 위해 간접 조명이 필요하다.

중요한 조명 유형

•- 링 라이트

링 라이트는 카메라 또는 카메라와 물체 사이의 광축 주위에 장착된다. 이러한 유형의 조명은 무광택 표면에 적합하다.

•- 돔 라이트

돔 라이트는 렌즈의 광축 주위에 장착된 돔의 빛을 반사하여 균일한 광도의 간접 광을 생성한다. 이러한 유형의 조명은 물체에 대한 반사를 최소화하고 직접 조명에서 눈부심과 원치 않는 반사를 유발할 수 있는 포장의 날짜를 읽는 것과 같은 광택있는 표면에 적합하다.

•- 백라이트

백라이트 디자인을 사용하여 물체를 뒤에서 조명하여 윤곽 또는 실루엣을 만든다. 백라이트는 정확한 실루엣이 중요하고 물체 자체의 대비 기능이 작업을 방해할 수 있는 작업을 측정하고 배치하는 데 매우 유용하다.

3D 이미징 기술

3차원 이미징은 여러 가지 방법으로 할 수 있다. 서로 다른 머신비전 기술을 사용할 수 있으며 각 기술에는 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 이동하거나 물체 위로 카메라를 이동하여 프로파일별로 이미지를 획득한다. 올바른 3D 데이터와 유효한 3D 이미지를 얻으려면 움직임이 일정하거나 잘 알 수 있어야 한다(예: 움직임을 추적하기 위해 인코더를 사용). 이때 생성된 3D 이미지는 매우 정확하다. 스냅샷 기술은 일반 소비자용 카메라와 마찬가지로 3D로 단일샷을 촬영하여 물체의 완전한 3D 이미지를 만든다. 물체 또는 카메라의 움직임은 필요하지 않지만 이 기술은 스캐닝 기술만큼 정확하지 않은 이미지를 생성한다. 본문에 설명된 3D 이미징 기술은 레이저 삼각 측량(스캐닝), Time-of-Flight(스냅 샷) 및 스테레오(스냅 샷)이다.

레이저 삼각 측량

레이저 삼각 측량은 레이저 라인과 카메라를 사용하여 물체 전체의 높이 프로파일을 수집한다. 물체가 움직이는 동안 3D 이미지를 생성하기 위해 프로파일이 결합된다. 높이 프로파일 획득에는 물체 이동이 필요하기 때문에 이 방법을 스캐닝 기술이라고 한다. 레이저 삼각 측량은 Time-of-Flight 보다 측정 정확도가 높지만 측정 범위가 제한적이다.

TOF

TOF(Time-of-Flight) 3D 카메라는 스냅 샷을 사용하여 3D 이미지를 만든다. 즉, 물체나 카메라 움직임이 필요하지 않다. 이 기술은 이미지의 각 지점에 대해 장치와 대상 사이의 빛 신호의 TOF를 측정한다. 초기 신호에 대한 신호 시간 도착의 위상 변화를 알면 장치와 대상 사이의 거리를 도출할 수 있다. 결과는 타겟의 즉각적인 3D 이미지이다. TOF는 시야가 넓고 작동 거리가 0.5m 이상인 애플리케이션에 적합하다.

스테레오

스테레오 이미징은 사람의 시각과 유사하게 작동하며 외부 움직임 없이 스냅샷 3D 이미지를 제공한다. 서로 다른 위치에서 찍은 두 개의 2D 이미지를 결합하고 이미지 간의 상관관계를 찾아 깊이 이미지를 만든다. 레이저 삼각 측량 및 TOF와 달리 스테레오 기술은 전용 광원에 의존하지 않는다. 그러나 상관관계를 찾으려면 두 이미지에 충분한 세부 정보가 있어야 하고 개체에 충분한 질감 또는 비 균일성이 있어야 한다. 따라서 시야가 넓은 애플리케이션과 실외 사용에 적합하다. 더 나은 결과를 얻으려면 구조화된 조명으로 장면을 비추는 세부 사항을 추가하면 된다.

3D 기술 비교

결론적으로 3D 이미징을 달성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 애플리케이션과 환경에 가장 적합한 방법에 따라 달라진다. 각 3D 기술의 주요 기능은 다음과 같다.

레이저 삼각 측량

•- 광원: 라인 프로젝션 레이저

•- 주변 광이 필요 없음

•- 높은 세부 해상도 및 정확도

•- 비교적 짧은 측정 범위

•- 레이저가 물체 뒤에 숨겨져 있을 때 카메라가 레이저를 볼 수 없는 가림 가능

•- 스캐닝 기술

TOF

•- 광원: 시간 변조

•- 주변 광이 필요 없음

•- 넓은 측정 범위

•- 상대적으로 낮은 세부 해상도 및 정확도

•- 스냅 샷 기술

스테레오

•- 광원: 수동 주변 광

•- 상대적으로 낮은 세부 해상도 및 정확도

•- 넓은 측정 범위

•- 실외 애플리케이션에 적합

•- 스냅 샷 기술

비전 포트폴리오

SICK는 2D 및 3D 모두에 대해 구성하기 쉬운 것부터 가장 유연하고 강력한 데이터 스트리머에 이르기까지 광범위한 Vision 포트폴리오를 보유하고 있다. 비전 시스템의 설정은 복잡도가 매우 다양하며 경험이 없는 사용자의 빠른 설치부터 고급 알고리즘 개발 및 프로그래밍이 포함된 대규모 프로젝트에 이르기까지 모든 것이 포함될 수 있다. 사용자의 경험이나 업무의 복잡성에 관계없이 사용자를 지원하기 위해 비전 포트폴리오를 세 가지 주요 범주로 분류했다.