3차원 측정을 위한 포토메트릭 스테레오 장점과 응용기술

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머신 비전은 일반적으로 물체 표면에서 식별 정보를 수집하여 검사 공정 속도, 정확성 및 일관성을 높이기 위해 부품 검사에 적용된다. 표면에서의 긁힘 및 찌그러짐과 같은 단순한 결함은 머신 비전 카메라와 기존의 조명 솔루션으로도 쉽게 식별할 수 있다.

그러나 일부 물체의 엠보싱, 질감 또는 고반사표면과 같은 표면 결함을 정확하게 식별하는 것을 어렵게 만드는 3D 측면이 있으며, 특징 대비(contrast) 또는 질감(texture)이 거의 또는 전혀 나타나지 않는 물체도 있다. 일반적으로 머신 비전에 사용되는 표준 비전조명 및 카메라 구성은 단일 조명/뷰어 관점에서만 이미지를 캡처한다.

따라서 단일 이미지 포인트에 기록된 강도 값에서 로컬 표면 모양(엠보싱 또는 기타 3D 세부 정보 포함)을 결정할 수 없으므로 특정 애플리케이션에서는 효과가 없을 수 있다. 이러한 어려운 물체 표면에서 기능에 적합한 표면 대비를 달성하고 궁극적으로 3D 원근을 수집하기 위해 포토메트릭(photometric, 광도) 스테레오를 적용하여 표면 방향의 인식을 일정하게 유지하면서 입사조명의 방향을 변경할 수 있다.

포토메트릭 스테레오로써 표면 대비 생성

포토메트릭 스테레오 기술은 표면 알베도 또는 표면이 반사하는 입사광의 일부를 활용하여 대비가 향상되고 표면 노이즈가 감소된 이미지를 생성한다. 머신 비전용 포토메트릭 스테레오의 중요한 요소는 표면 알베도가 검사 대상 물체의 고유한 특성이 아니라 입사광의 스펙트럼 및 각도 분포의 직접적인 결과라는 것이다.

물체는  표면 알베도를 생성한다. 실제로 포토메트릭 스테레오 기술은 정적 뷰어 방향과 관련하여 입사 조명 방향의 변화에 따라 표면 반사율 변화를 활용해 표면 알베도를 기본 표면 모양과 분리한다. 머신 비전의 포토메트릭 스테레오는 조명 방향의 변경, 정적 카메라 및 소프트웨어를 사용하여 생성된 여러 이미지를 처리한다. 이미지는 4개의 사분면 각각에서 획득되어 서로 다른 소스 방향에서 자동으로 등록된 이미지를 효과적으로 생성한다.

이미지를 처리하기 위해 포토메트릭 소프트웨어는 정적 카메라 시점에 대해 서로 다른 포인트 소스 방향에서 생성된 표면 반사율의 변화로 인해 캡처된 각 이미지 전체에서 물체의 특정 포인트를 추적한다. 그 후 이미지를 함께 처리하여 로컬 표면 속성을 설정하고 물체의 로컬 모양을 다시 생성하여 단일 조명/카메라 검사 설정으로 식별할 수 없는 허용 가능한 대비를 가진 이미지를 생성한다(그림 1 참조).

머신 비전에서 포토메트릭 스테레오의 구성요소

여러 조명 방향에서 이미지를 획득하려면 DF198 MicroBriteTM Diffuse Ring Light(그림 2) 또는 다중 조명 스테이션(그림 3)과 같은 다중 세그먼트 조명을 사용할 수 있다. 각 옵션은 필요한 방향의 표면 알베도를 얻기 위해 여러 지점 방향 또는 여러 파장에서 조명할 수 있는 기회를 제공한다. 다목적 다중 채널 조명 컨트롤러는 다중 세그먼트 조명 또는 다중 조명 스테이션을 구동하고 필요한 시퀀싱 및 손 흔들기 기능을 제공하는 가장 효과적인 솔루션이다.

고급 조명의 DCS-400E 및 DCS-800E 조명 컨트롤러는 포토메트릭 스테레오 이미징 소프트웨어 라이브러리와 결합하여 확실한 검사결과를 생성할 수 있는 다중 채널 조명 및 시퀀싱을 제공한다. DCS-400E(쿼드 컨트롤러)에는 4개의 출력 채널이 있고 DCS-800E(쿼드 X2)에는 8개의 출력 채널이 있다. DCS-400E(쿼드 컨트롤러)에는 4개의 출력 채널이 있고 DCS-800E(쿼드 X2)에는 8개의 출력 채널이 있다.

각 채널은 그래픽 사용자 인터페이스의 독립적인 밝기, 펄스 폭 및 펄스 지연 설정과 함께 포토메트릭 스테레오 애플리케이션에서 사분면, 색상 또는 조명 유형의 조합을 사용할 수 있다. 다중 채널 컨트롤러에는 표준 또는 순차 모드가 있는 GUI가 있다.

표준 모드

표준 모드는 기존 스트로브 컨트롤러처럼 작동하며 고정된 지연 및 펄스 폭으로 모든 채널을 발사한다. 그림 5A-5C는 표준 모드에서 DCS-400E 및 DCS-800E의 소프트웨어 인터페이스를 보여준다.

시퀀스 모드

시퀀스 모드를 사용하면 개별 채널 플래시를 카메라 노출과 동기화하여 다차원 획득을 생성할 수 있다. 각 시퀀스는 일련의 이벤트로 구성되며, 각 채널은 자체 펄스 지연, 전류 및 펄스폭 설정을 특징으로 하는 DCS-400E 쿼드 컨트롤러의 경우 1-4개 채널 또는 DCS-800E QuadX2의 경우 1~ 8개 채널의 활동을 포함할 수 있다. Ai Quad 컨트롤러 내의 사용자 지정 가능한 옵션을 통해 사용자는 포토메트릭 스테레오 애플리케이션을 고유한 검사 요구에 맞게 조정할 수 있다.

그림 6A 및 6B는 4개의 개별 이벤트가 있는 시리즈를 보여주며, 시퀀스를 완료하려면 카메라에서 4개의 트리거가 필요하다. 물체 주변의 시퀀스에서 여러 조명 또는 단일 다중 세그먼트 조명을 펄싱하면 이미지 라이브러리 포토메트릭 스테레오 등록 알고리즘으로 처리할 수 있는 그림자가 생성된다. 이미지를 함께 결합하면(그림 1의 검은색 플라스틱 클립 예 앞부분 참조) 표면 검사가 향상된다.

포토메트릭 스테레오에 대한 고려 사항

포토메트릭 스테레오를 구현할 때 가능한 많은 광각을 사용하여 많은 수의 이미지를 캡처하고 싶을 수 있다. 결국, 다른 광각으로 촬영한 이미지의 수를 늘리면 소프트웨어가 강력한 이미지를 생성할 수 있는 추가 데이터 포인트를 생성한다.

그러나 검사 중에 물체의 표면에 너무 가깝게 배치된 광원은 하나의 프로그램에서 많은 수의 이미지를 처리하려고 할 때 문제를 일으킬 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이는 강한 그림자가 있는 많은 이미지를 처리할 때 깊이 맵의 과도하게 매끄럽게 처리되고 대비가 낮은 이미지 되기 때문이다.

따라서 물체에서 광원까지의 거리를 고려하는 것이 중요하다. 근거리 포토메트릭 스테레오는 강한 그림자와 많은 오클루전을 생성하기 때문이다. 포토메트릭 스테레오의 또 다른 고려사항은 기존 검사 설정에 통합할 수 있다는 것이다. 앞에서 설명한 것처럼 일반적으로 구성되는 포토 메트릭 스테레오 시스템은 연속 뷰에서 단일 이미지 위치에 기록된 방사값(radiance value)을 사용한다. 이는 움직이는 물체를 검사하는 애플리케이션에서는 사용하기 어렵다.

고정된 단일 물체를 검사하려면 많은 시간과 제어된 검사 매개 변수가 필요하다. 고속 이동 검사 애플리케이션은 많지 않지만 포토메트릭 소프트웨어에는 움직이는 물체의 검사를 용이하게 하는 조항이 있다. 표면 데이터 포인트의 일관된 배치를 보장하기 위해 물체 자체를 항상 물리적으로 조정할 수는 없지만 촬영한 이미지는 물체의 움직임을 보상하기 위해 소프트웨어 내에서 방향을 변경하거나 다시 등록할 수 있다. 추가로 전체 조명 이미지를 촬영하여 물체의 변위 5를 설정하여 검사 프로세스 전반에 걸쳐 물체의 변화하는 위치를 추적할 수 있다.

포토메트릭 스테레오를 사용한 샘플 애플리케이션

포토메트릭 스테레오를 적용하는 부품 검사는 머신 비전 애플리케이션에서 산만하거나 왜곡될 수 있는 3D 특성으로 표면을 평탄화 할 수 있는 기능을 활용한다. 포토메트릭 스테레오 적용의 이점을 보여주기 위해 서로 다른 문제가 있는 두 개의 오브젝트를 살펴본다.

곡면이 있는 병 검사

이 예에서는 광택있는 비타민 병 바닥에 인쇄된 로트 코드를 검사하고 있다. 병 바닥의 반사 및 오목한 특성 때문에 과도한 정반사없이 인쇄된 로트 코드를 비추는 것은 어렵다. DCS-400E 쿼드 컨트롤러로 독립적으로 제어되는 4개의 사분면 각각과 함께 DF198 MicroBriteTM 확산링 라이트를 사용하여 서로 다른 방향에서 4개의 이미지를 캡처 할 수 있다(그림 7A 참조). 그림 7A의 4개의 입력 이미지는 카메라 시점과 관련하여 4개의 뚜렷한 조명 방향에서 광택 병의 바닥을 묘사한다.

Matrox Design Assistant 및 Imaging Library(MIL)를 사용하여 이미지를 처리하면 최종 이미지가 평평하게 표시되어 그림 7B에서 쉽게 식별할 수 있는 인쇄된 로트 코드가 생성된다. 그림 7A의 입력 이미지 내에서 보이는 공격적인 음영이 깊이 맵 내에서 부드럽게 처리되어 더욱 균일한 대비를 생성하고 표면의 3D 특성을 구별한다.

나사산이 있는 부품 검사

나사산이 있는 금속 부품은 표준 비전 조명 및 카메라 구성에 다른 문제를 제시한다. 물체 스레드의 다양한 높이로 인해 상당한 그림자가 생기므로 시각적으로 결함을 검사하기가 매우 어렵다. 또한 금속 표면은 원치 않는 정반사가 생긴다.

병 검사와 마찬가지로 DCS-400E 쿼드 컨트롤러를 사용하여 DF198 MicroBriteTM 확산 링 라이트의 사분면을 독립적으로 제어하여 나사산 부품을 네 방향에서 비춘다(그림 8A 참조). 그림 8A의 입력 이미지는 부품의 3D 표면 특성의 그림자 및 반사로 인해 발생하는 검사 문제를 강조한다. 그러나 Matrox Design Assistant 및 Imaging Library에서 이미지를 처리하여 최종 평면화 이미지는 정반사 및 심한 그림자를 제거한다. 그 결과 손상된 실이나 기타 결함이 있는지 이미지를 보다 쉽게 검사할 수 있다.

포토메트릭 스테레오 및 고급 조명

궁극적으로 포토메트릭 스테레오는 반사율이 높은 물체 또는 중요한 3D 특성을 가진 표면 등 까다로운 상황에서 검사 이미지를 얻는 방법이다. 창의적인 조명 기하학을 활용하는 기술이 존재하지만 이러한 기술조차도 부족할 수 있으므로 더욱 많은 조명 솔루션이 필요하다.

이러한 상황에서 사분면 조명 또는 다중 조명 설정, 다중 채널 조명 컨트롤러 및 전용 처리 소프트웨어 라이브러리는 까다로운 검사 애플리케이션에 이상적인 포토메트릭 스테레오 솔루션을 제공한다.

자료 제공: Advancedillumination(www.advancedillumination.com)