머신 비전 조명 시스템에 대한 유용한 지식 ①

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1. 파장

적절한 조명을 선택하는 조건 중에는 조명의 형상과 각도 외에 파장이 중요하다. 궁극적으로 애플리케이션에서 결정적인 요소는 바로 파장이다. 빛의 색상은 반드시 컬러 카메라로 작업할 때만 중요한 것은 아니다. 특히 컬러 물체의 흑백 이미지를 획득할 경우 파장에 따라 놀라운 효과를 얻을 수 있다. 또한 파장은 이미지 해상도 기능에 직접적인 영향을 준다. 단파광은 초미세구조를 볼 수 있지만 장파광은 간섭 패턴을 마스킹 할 수 있다.

본문은 올바른 파장과 조명 색상을 사용해 애플리케이션 솔루션을 최적화하는 방법을 설명한다.

1.1 스펙트럼 감도

아래 다이어그램은 CCD 센서의 스펙트럼 감도에 대해 플롯된 육안의 감도 곡선(V- 람다 곡선이라고도 함)을 보여준다. 사람의 눈은 가시광선으로 약 400 ~ 700 nm의 방사선을 감지한다. 눈은 약 555nm에서 가장 민감하다. 따라서 V- 람다 곡선의 중간에서 동일한 밝기를 달성하기 위해 극단에서 보다 적은 복사 강도가 요구된다. 카메라 센서는 훨씬 광범위한 전자기파 스펙트럼에 반응한다. 결과적으로 이 카메라는 사람의 눈에는 보이지 않는 자외선 및 적외선 파장에도 민감하다.

이미지 처리 작업에 적합한 조명을 설계할 때 이러한 차이를 이해하는 것이 중요하다. 조명 시스템의 밝기는 조도로 주어지며 럭스(lux)로 측정된다. 이 조도값은 광원에서 표면에 떨어지는 광속(제곱미터 당 루멘, lm/m2)을 나타낸다. 이 표면의 평방미터가 1 루멘(lm, lumen)의 광속으로 조명되면 조도 값은 1 럭스이다.

따라서 1 lm/m2는 1 럭스와 같다. 그러나 조도를 측정할 때는 V-lambda 곡선이 가중치로 사용된다. 따라서, 녹색광은 동일한 양의 광 에너지에 대해 청색 또는 적색보다 더 높은 럭스값을 갖는다. 조도는 시각적 및 광도 파라미터이다. 눈으로만 인식되는 경우 실내조명이 적합 할 수 있지만 이는 머신 비전에 예기치 않은 결과를 초래할 수 있다. 카메라의 스펙트럼 감도가 눈의 감도와 일치하지 않기 때문에 이 매개 변수는 산업용 머신 비전 분야에서 중요한 지표는 아니다.

보다 신뢰할 수 있는 값은 객관적인 조도 지표다. 이것은 표면에 빛으로 떨어지는 전자기 에너지 또는 광학 방사선 에너지의 총합을 설명한다. 값은 평방미터당 와트(W/m2)로 표시된다. 조도는 이미지 처리 작업을 위해 조명의 밝기 측면에서 시스템을 평가해야 할 때 더욱 신뢰할 수 있는 기준이다.

1.2 색 이론

빛과 색의 상호 작용을 이해하려면 먼저 이에 대한 과학적인 기본 원리를 이해해야 한다. 첫 번째 중요한 점은 색상 혼합이다. 학교에서 배운 것처럼 기본 색상은 빨강, 초록, 파랑이다. 우리가 함께 혼합하는 색상이 많을수록 색상이 어두워진다. 세 가지 기본 색상이 모두 같은 비율로 혼합되면 검정색이 된다. 이러한 종류의 색상 혼합은 감색 혼합(subtractive colour mixing)으로 안료를 함께 혼합하는 모든 방법에 적용할 수 있다.

그러나 빛으로 작업을 할 때는, 우리는 첨가색 혼합(additive colour mixing)을 참조한다. 빨간색, 녹색 및 파란색 빛을 같은 비율로 혼합하면 흰색 빛이 나타난다. 파란색 빛이 없는 동일한 비율의 빨간색과 녹색 빛은 노란색을 생성하는 반면, 빨간색과 파란색은 자홍색을 만들고 파란색과 녹색은 청록색을 만든다. 유색 물체가 유색 빛과 상호 작용하는 방식을 이해하려면 위와 같은 지식이 필요하다.

따라서 백색광은 적색, 녹색 및 청색의 3가지 파장의 혼합물로 구성된다. 따라서 논리적으로 백색광에는 파장 자체를 부여할 수 없다. 대신에 백색광의 분류는 색 온도에 의존한다. 이것은 캘빈(Kelvin) 단위로 지정되며 흑체 또는 흑체 방사의 온도에 해당한다. 각 온도는 특정 색상의 빛에 해당한다. 흑체는 모든 전자기 방사선을 완벽하게 흡수한다. 그러나 가열되면 빛을 내기 시작하여 가시 스펙트럼에서 빛을 생성한다. 여기서 발생하는 온도가 색 온도(colour temperature)이다.

1.3 빛과 색

1.1 장과 1.2 장에서는 빛, 파장 및 색상과 관련된 몇 가지 기본 원리를 다루었다. 이 장에서는 이러한 개념을 모아서 이미지 처리와 연관 시키려고 한다. 특히 유색 물체 및 배경과 관련된 이미지 처리 작업의 경우 올바른 파장을 선택하는 것이 중요하다.

특히 흑백 카메라를 사용할 때 적절한 조명 색상을 사용하면, 머신 비전 애플리케이션에 대한 솔루션을 결정적으로 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 이미지의 대비가 크게 향상돼 추가적인 광학 또는 소프트웨어 필터가 필요하지 않다. 이것은 이미지 처리 작업을 상당히 단순화한다.

원리 자체는 매우 간단하다. 하나의 물체가 특정한 파장들을 반사하므로 사람의 눈에는 색깔로 나타난다. 우리가 적색으로 인식하는 물체는 빛의 적색 부분을 반사한다. 다른 파장은 흡수된다. 반대로, 이는 빨간색 테스트 대상을 빨간색으로 조명하면 이미지에서 대상이 밝아진다. 대신에 빨간색 부분이 없는 파장으로 조명을 비추면 빛이 흡수되어 물체가 어둡게 나타난다.

컬러 휠을 다시 살펴보면 이 효과를 다른 색상과 파장에 쉽게 사용할 수 있다. 노란색 물체에 파란색 조명이 조사되면 검은 색으로 나타난다. 빨강 또는 녹색 빛으로 켜지면 빨강 또는 녹색 부분을 반사한다. 개체가 밝게 나타난다. 여기서 흰색 물체는 모든 파장을 반사하고 검은 물체는 빛을 가장 많이 흡수한다는 것을 기억하는 것이 중요하다.

따라서 이러한 물체는 색 온도에 독립적으로 반응한다. 특수한 경우는 비가시광선, 즉 적외선 및 자외선에 적용된다. 컬러 조명의 애플리케이션 범위는 매우 광범위하다. 적용 예로서는, 포장 산업에서의 제품 인쇄 검사와 조립공정에서 여러 색상의 플라스틱 부품 검사 또는 색깔 있는 부품의 픽 앤 플레이스 등이 있다.

1.4 빛과 색– 적외선

1.3 장에서는 다양한 파장과 유색 물체 간의 상호 작용을 살펴보았다. 그러나 가시 스펙트럼 밖의 방사선으로 작업할 때는 특수 효과가 발생한다. 특히 장파장 적외선 범위에서 유색 및 인쇄물은 가시광선 스펙트럼과 다르게 작동한다. 적외선의 반사 및 흡수는 재료 색상보다 표면 특성에 더 의존한다.

예를 들어 인쇄면에 빛이 떨어지면, 모든 색상이 이 빛을 균일하게 반사하기 때문에, 표면에 존재하는 실제 인쇄물이 카메라에서 거의 보이지 않을 수 있게 된다. 다양한 색상의 플라스틱, 라벨 및 여러 유형의 열전사 인쇄에서도 비슷한 결과가 나타난다. 여기서는 흑백 영역이 예외다. 이를 위해 기본 규칙이 적용된다. 즉, 검은 색은 모든 파장에서 가장 강한 흡수제이며 반면 흰색은 모든 파장을 동일하게 반사한다.

이것은 특정 영역을 선택적으로 마스크하기 위해 적외선 조명을 색깔이 있는 물체에 함께 사용할 수 있음을 의미한다.

적용 예

특히 식품 포장에서는 소비자의 구매를 촉진하기 위해 매력적인 디자인이 중요하다. 이때 디자인은 일반적으로 전면 멀티 컬러 인쇄를 한다. 멀티 칼라 인쇄는 유효 기간 만료일 또는 바코드와 같은 특정 인쇄 기능을 감지해야 하는 경우 이미지 처리에 문제가 발생한다. 이때 적외선 조명의 역할이 필요하다. 유효 기간 만료 날짜와 같은 중요한 표시는 검은 색으로 양각되거나 인쇄된다.

우리가 색상에 대한 적외선의 영향을 이용한다면, 산만한 배경을 ‘페이드 어웨이(fade away)’로 만들 수 있다. 필요한 오버 프린트는 쉽게 분석할 수 있다. 유색 시험 물체의 유용성 외에도 장파장 적외선이 중요한 역할을 하는 곳은 적외선 조명을 사용하여 특정 재료를 살펴볼 수 있다. 예를 들어 컨베이어 벨트의 백라이트 시스템을 사용해 검사할 수 있다. 적외선을 특수 필터와 함께 사용하여 외부 빛을 감쇠(차단) 할 수도 있다.

1.5 해상도

반사된 빛과 백라이트 시스템에서도 올바른 파장을 선택하는 것이 결정적인 역할을 한다.

반사광

표면의 특징, 손상 및 오염(예: 엠보싱, 긁힘 또는 먼지)을 검사할 때는 단파광을 사용하는 것이 좋다. 이는 장파 방사선보다 더욱 강하게 반사되며, 미세한 불규칙성을 명확하게 보여준다. 하지만 재료 층에 더 깊이 침투하는 장파광에서는 작은 표면 결함이 거의 보이지 않는다. 대비 차이가 최소화되므로 머신 비전 시스템에서는 분석할 수 없다.

장파광의 일부는 표면에 직접 반사된다. 재료 표면에 직접 반사되는 단파광에 비해 더욱 확산된다. 테스트 이미지에서 모서리는 상대적으로 덜 선명하게 나타난다. 방사선의 파장이 짧아지거나 길수록 효과는 비례하여 증가한다. 이러한 이유로 표면 검사 작업에는 강렬한 청색 또는 자외선이 사용된다.

백라이트

백라이트 시스템에서도 파장의 영향을 간과해서는 안 된다. 여기서 가장 큰 관심사는 빛 회절이다. 간단히 말해, 회절 효과는 가장자리 뒤의 빛 전파이다. 이동하는 빛이 물체에 부딪히면 반사된다. 물체 가장자리 뒤에 빛의 파도가 모든 방향으로 퍼져 서로 겹친다. 장파장의 빛으로 회절이 더욱 두드러진다. 이는 물체와 그 가장자리의 이미징 및 백라이트 시스템에서의 측정에 매우 중요하다.

대신 단파광을 사용하면 물체 주변에서 약하게 회절되기 때문에 물체 가장자리가 더 선명하고 대비가 더욱 뚜렷해진다. 이는 머신 비전 측정 정확도를 높이면서 이미지의 가장자리가 없어지는 현상을 최소화한다.

이 기사는 앞으로 시리즈로 연재됩니다.

자료 제공: Lumimax(www.lumimax.com)