머신 비전 조명 시스템에 대한 유용한 지식 ③

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3. 플래시 vs 연속

조명, 파장 및 필터와 추가 요소는 이미지 처리 솔루션에 근본적인 영향을 준다. 적합한 조명을 식별했으면 다음은 작동 모드를 위한 시간을 투자해야 한다. 업계에서는 이러한 모드를 설명하기 위해 스트로브, 플래시, 펄스, 스위치 및 연속 조명 등 다양한 전문 용어가 사용되고 있다. 본문은 머신 비전에 사용되는 세 가지 기본 모드에 대해 중점적으로 설명한다.

■ 연속 작동

■ 스위치 조작

■ 플래시 조작

이러한 용어를 정의하고 차이점을 명확하게 하며 각 모드의 장단점과 애플리케이션에 대한 세부 정보를 제공한다.

3.1 연속 및 스위치 작동 모드

연속 조명으로 작업할 때 광원은 공칭 전류로 영구적으로 작동한다. 이 모드는 이미지 획득 주파수가 조명이 가능한 펄스/플래시 주파수보다 훨씬 빠른 프로세스에 필요하다. 이 연속 작동 모드는 라인 스캔 카메라 애플리케이션에 사용된다. 또한 스위치 입력이 없으므로 실제로 연속 작동에서만 작동할 수 있다.

펄스 또는 스위치식 조명 솔루션도 공칭 전류로 작동하므로 연속 조명과 동일한 수준의 밝기를 제공한다. 그러나 고속광 절연 PLC 및 TTL 스위치 입력을 사용하면 이미지를 수집하는 순간에 켜고 이미지를 촬영한 후 끌 수 있다. 스위치 작동의 주요 장점은 LED 수명을 연장한다는 것이다. LED 듀티 사이클을 단축하면 이러한 부품의 수명을 연장할 수 있다. 연속 조명 시스템과 비교할 때 전원 켜는 시간의 절반만 작동하는 시스템은 2배 더 긴 서비스 수명을 달성할 수 있다.

또한 플래시 작동 모드는 LED가 매우 짧은 시간 동안 켜지지만 훨씬 높은 수준의 광 출력으로 켜진다. 이를 통해 외부 조명이나 모션 블러로 인해 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

3.2 플래시 조명

대부분 플래시 사용에 익숙하지만 플래시는 SLR, 디지털 카메라 또는 전화 카메라에 유용한 조명 형태다. 최근 산업 환경에서 플래시의 사용이 급격히 증가하고 있다.

그러나 산업용 머신 비전 애플리케이션에서는 플래시 장치와 조명이 통합된 카메라는 사용되지 않는다. 머신비전에서 사용되는 조명 시스템은 LED를 빠르고 정확하게 '고속' 출력할 수 있는 특화된(일반적으로 통합된) 플래시 컨트롤러가 장착되어 있다. 깜박이면 LED가 매우 높은 전류로 작동하며, 이러한 방식으로 연속 및 펄스 조명에 비해 밝기가 최대 25배까지 증가할 수 있다.

플래시 조명은 그다지 밝지 않다. 트리거 신호가 전송될 때 플래시 조명 시스템의 최대 조명 출력은 한 자리 마이크로 초 단위로 측정할 수 있는 시간 내에 사용 가능하다. 막대한 광 출력 트리거와 함께 이 빠른 가용성은 카메라에서 매우 짧은 노출 시간을 설정할 수 있음을 의미한다. 따라서 노출 시간은 플래시 지속 시간으로 설정되며 10~220μs이다. 노출 시간이 매우 짧기 때문에 다음과 같은 문제를 최소화할 수 있다.

1. 모션 블러

생산성과 처리량 시간을 향상시키기 위해 로봇이나 컨베이어 벨트를 사용하는 것은 프로세스 내에서 모션을 가속화하는 것을 의미한다. 머신 비전 시스템이 이 프로세스 속도에서 브레이크 역할을 해서는 안 된다. 이런 일이 발생하지 않도록 최선의 방법은 프로세스를 중단하지 않고 이미지를 획득하고 분석하는 것이다. 그러나 물체가 0.5m/s로 움직이는 경우 가능한 최대 노출 시간을 추측할 수 있으며 이미지 블러가 2픽셀을 초과하지 않아야 한다. 최대 노출 시간은 정확히 100 μs이다.

연속 또는 펄스 조명에서는 광도가 너무 낮아서 물체를 제대로 비출 수 없다. 펄스 조명의 스위치 켜는 지연 시간이 너무 길다. 그러나 플래시 조명을 사용하면 최대 광출력을 5μs 내에서 사용할 수 있으며 방대한 양의 광이 제공된다. 위에서 언급했듯이 노출 시간이 매우 짧은 것은 전혀 문제가 되지 않으며 움직이는 물체도 간단히 촬영 될 수 있다. 육안 및 카메라의 경우 움직이는 물체가 완전히 정지한 것처럼 보인다. 따라서 이미지 분석이 간단하다.

2. 외부 광

플래시 조명은 노출 시간이 짧고 광도가 매우 높아 외부 조명도 완전히 억제할 수 있다. 노출 시간이 220 μs를 넘지 않으면 카메라 또는 다른 광원 바로 옆에 있는 창에서 나오는 빛조차도 포착되지 않으므로 테스트 대상 이미지에 영향을 미치지 않는다. 이것은 분석의 신뢰성을 크게 향상시킨다. 특히 넓은 공장 건물에서 환경이나 주변 조명이 검사 시스템을 방해하는 것을 걱정할 필요가 없음을 의미한다.

3. 분산 광

인간의 눈은 플래시 조명을 펄스 조명보다 덜 산만하다고 인식한다. 비디오의 카메라 이미지에서 볼 수 있듯이 플래시는 실제로 펄스 조명보다 훨씬 밝다. 그 효과는 우리 눈이 짧고 빠른 빛이 최대 강도로 깜박임을 볼 수 없다는 사실에서 비롯된다. 따라서 덜 산만한 것으로 인식한다.

다음 장에서는 플래시 조명에 중점을 둔 다양한 모드의 장점과 응용 프로그램을 설명하기 위해 여러 가지 예를 설명한다.

3.3 산업용 애플리케이션을 위한 플래시 조명의 장점

3.1 장과 3.2 장에서는 연속, 펄스 및 플래시 조명 시스템의 속성을 소개했다. 스위치 작동을 플래시 모드와 비교하면 다음과 같은 주요 차이점을 식별할 수 있다.

■ 펄스 지연

스위치 작동에서 시스템 켜기의 지연은 약 5ms이다. 반면에 플래시 조명은 트리거 신호에 매우 빠르게 반응하며 3~5μs 만으로도 전체 밝기 수준을 제공할 수 있다.

■ 광도

아주 짧은 시간에 플래시 조명은 연속 및 펄스 조명보다 25배나 높은 광도를 제공한다.

■ 듀티 사이클

플래시 조명은 10~220μs 범위 동안 켜져 있지만 펄스 조명 시스템의 듀티 사이클은 트리거 신호의 길이에 따라 다르다. 펄스 조명 시스템은 트리거 신호가 있는 동안 활성화된 상태를 유지한다.

이러한 결과로 플래시 조명을 사용하면 산업 공정에 배치할 때 여러가지 주요 이점이 있다. 검사에서는 달성 시간과 비용 절감이 특히 중요하다. 특히 식음료 생산에서는 제품 테스트 30~80회/초의 초고속 공정을 진행한다. 이러한 프로세스는 QA 작업을 수행하기 위해 중지할 수 없다.

한 예로, 고성능 병입 공장은 매초 10개 이상의 병을 채울 수 있다. 두 번째 단계인 충전 및 운송도 연속적으로 이어진다. 이러한 빠른 움직임으로 인해 펄스 또는 정적(연속) 조명시스템은 선명한 이미지를 얻을 수 없다. 노출 시간이 너무 길어 병이 녹화 가능한 거리만큼 이동하여 카메라 이미지에 모션 블러가 발생한다.

이때 플래시 조명 시스템을 사용하면 노출 시간을 짧게 하여 동일한 수준의 밝기로 이미지를 캡처할 수 있다. 병은 100μs로 훨씬 짧은 거리를 이동한다. 따라서 카메라 이미지에서 병은 움직이지 않는 것처럼 보이며 이미지를 분석하는 것이 가능하다.

이러한 빠른 공정에서 연속 또는 펄스 조명 시스템을 사용하면 이미지를 얻기 위해 병을 정지해야 한다. 이러한 종류의 스톱/스타트 생산 라인은 작업과 마모를 증가시키는 동시에 생산 능력을 제한하여 시스템의 비용 효율성을 무효화한다.

최근 의약품 검사에서 머신 비전은 제품 불법 복제에 대한 보호 수단으로 많이 사용되고 있다. 의약 업계 추정치에 따르면, 유통 중인 의약품의 약 10~30%가 위조품이다. 이러한 제품이 시장에 나오지 못하게 하기 위해 관련 법이 강화되었다. 따라서 의약품에 사용되는 1차 포장 및 오버 팩에 대해 코딩이 필요하다.

또한 이제 식별코드를 2차 및 3차 포장에 배치해야 한다. 이러한 추가 점검 과정은 기름칠이 많은 패키징 프로세스에 있어 불편함을 가져다 준다. 여기서 지연을 최소화하기 위해 컨베이어 벨트에서 제품을 검사하게 된다. 잠재적인 모션 블러를 최소화하기 위해 플래시 조명이 없으면 프로세스 처리 시간을 줄이는 게 불가능하다.

비용 효율성 측면에서 플래시 조명은 연속 조명 시스템보다 서비스 수명이 길다. 클럭 주파수, 듀티 사이클 및 강도는 모두 조명 시스템의 온도에 큰 영향을 미친다.

이러한 건물에서는 대형 창문, 천장 조명 및 회전 위험 또는 마킹 표시등이 있는 차량으로 인해 이미지 분석이 어렵다. 자동차 분야에서 자주 사용되는 금속, 반사 및 광택 물체는 주변광의 대부분을 카메라에 반사시킨다. 이러한 불안정한 조명 조건은 이미지 분석에 문제가 된다. 하지만 플래시 조명 시스템의 조도는 주변 조명의 강도보다 수십 배 더 밝다.

결과적으로, 플래시 조명을 사용하면 이미지 분석은 공장 조명이나 창문을 통한 태양광의 간섭에 영향을 받지 않는다. 머신 비전 시스템 검사는 완전 자동화된 생산 라인뿐만 아니라 수동 작업 환경에서도 필요하다. 검사 작업은 작업자에게 가능한 한 직관적이어야 한다. 사람의 눈은 충분히 빨리 반응할 수 없기 때문에 플래시 빛은 약한 빛의 '스파크' 로만 인식된다.

플래시 조명은 연속 및 펄스 조명 시스템보다 눈으로 인식하기가 훨씬 더 쉽다. 따라서 이러한 눈부신 효과를 줄이면 작업자와 카메라 시스템 간에 협력할 수 있다. 이제 다음 장에서 플래시 조명을 선택하고 통합할 때 고려해야 할 사항을 알아본다.

3.4 플래시의 핵심 요소

몇 가지만 염두에 두면 플래시 조명 시스템의 사용 및 통합 방법은 연속 또는 펄스 광원을 설치하는 것만큼 간단하다.

1. 이미지 획득과 플래시 동기화

플래시 조명을 통합할 때 가장 중요한 작업은 플래시 시스템과 이미지 획득 시스템을 동기화하는 것이다. 조명 시스템은 220μs 이하의 순간에 매우 높은 에너지의 플래시를 생성한다. 이  빛을 포착하려면 조명 시스템의 플래시를 사용하여 이미지를 정확하게 조정해야 한다. 한 가지 방법은 시간 내에 플래시가 발생하도록 카메라의 노출 시간을 길게 설정하는 것이다.

그러나 그렇게 하면 3.3 장에 설명한 조명 및 모션 블러 제거와 관련된 모든 이점이 무효화된다. 그렇기 때문에 카메라 노출 시간을 플래시 조명으로 트리거 되는 순간과 일치시키는 것이 중요하다. 즉 플래시 길이가 220μs 이면 카메라 노출 시간도 220μs 여야 한다.

이를 위해 많은 카메라 제조업체는 플래시 출력 인터페이스를 제공한다. 플래시 출력을 가장 높은 순위로 할당하면 플래시 신호가 항상 이미지 획득과 동기적으로 전송된다. 따라서 카메라의 다른 처리 작업으로 인해 지연되지 않는다. 이 우선 순위를 설정하지 않으면 조명 시스템이 이미지 획득보다 나중에 신호를 수신할 수 있다. 이 경우 이미지가 충분히 밝아지지 않는다.

 
표준 PLC 출력과 달리 이러한 종류의 특수 플래시 출력도 신호 품질 측면에서 최적화되었다. 트리거 타이밍의 지터와 공차는 최소화되어 신호 경로에 거의 영향을 미치지 않는다. 카메라 유형에 따라 조명이 카메라에 연결되고 특정 설정이 컨트롤에 구성된다.

2. 시험 물체의 속도와 플래시 신호의 길이와 노출 시간으로 인한 모션 블러 평가

최종 이미지의 모션 블러는 피사체(또는 컨베이어 벨트) 속도 v 와 플래시 지속 시간 t 에 따라 다르다. 이미지에 허용된 최대 모션 블러와 속도를 입력하면 최대 플래시 지속 시간 tmax를 계산할 수 있다. 이렇게 하려면 먼저 허용된 물체 변위를 계산한다(즉, 이미지에서 허용되는 흐림 수준을 초과하기 전에 이미지를 획득하는 동안 테스트 물체가 이동할 수 있는 거리).

예: 의약품 포장에서는 인쇄된 코드를 스캔해야 한다. 제품 팩이 컨베이어 벨트에서 0.5m/s로 움직인다. 이미지 스케일은 | β '| 1 : 5이다. 사용된 이미지 센서 PX' 에서, 픽셀의 폭은 5μm이다. 이미지의 최대 흐림 수준은 2픽셀로 설정된다. 이미지에서 최대 물체 변위 lmax는 다음과 같이 계산된다.

허용되는 최대 물체 변위와 물체 속도로 최대 플래시 지속 시간 tmax를 계산할 수 있다.

100μs의 노출 시간/플래시 지속 시간을 사용하면 최종 이미지에서 피사체가 2픽셀 이상 이동하지 않는다.

3. 조사와 노출 시간의 상호 작용

실험실 작업에서는 연속 모드 조명이 먼저 사용되는 경향이 있다. 이어서, 플랜트와 통합될 때 플래시 조명으로 전환하면, 적절한 밝기 레벨을 달성하기 위해 설정되는 플래시 시간 t 에 문제가 발생한다. 센서의 감광성, 렌즈의 광투과율 및 카메라 게인과 같은 다른 설정이 동일하게 유지되는 경우, 조도 Ε(t) 및 회색 레벨 GL을 사용하여 계산할 수 있다.

예: 연속 모드에서, 시험 물체는 90W/m²의 조도로 2200μs 동안 조명되었다. 플래시 모드에서는 동일한 테스트 객체도 이미지화 된다. 물체 이미지의 회색 레벨은 연속 모드에서 얻은 회색 레벨과 일치해야 한다. 이 사양을 충족시키려면 플래시 모드에서 작동할 때 조도를 증가시켜야 하는 요소를 계산해야 한다. 노출 시간이 220 μs라고 가정하면 다음의 비율을 얻는다.

따라서 플래시 조명은 연속 조명보다 10배 더 밝아야 한다. 이것이 보장될 수 있다면, 이미지 밝기의 손실을 보상할 필요없이 플래시 조명 시스템 사용이 가능하다. 적절한 플래시 조명 시스템을 설계할 때 언급된 세 가지 요소를 고려하면 플랜트와의 통합이 단순화된다.

또한, 거의 모든 LUMIMAX® LED 플래시 조명 시스템에는 기계 설정, 즉 통합 플래시 컨트롤러로의 설치를 단순화하는 특수 기능이 있다.

이를 통해 안전성과 기능의 최대 수준을 보장하고 머신 비전 시스템과의 통합시간을 단축하며, 컨트롤러와 조명 사이의 긴 케이블로 인한 전력 손실이 사라진다. 통합 컨트롤러는 추가 모듈을 사용할 필요가 없으므로 공간을 절약하고 비용을 절감한다.

LUMIMAX® LED 조명을 위한 광학, 전기 및 기계 액세서리는 요구 사항과 장비 환경의 통합에 맞춰 수정 작업을 단순화한다. 이 혁신적인 솔루션은 작은 설치 공간 내에서 LUMIMAX® LED 조명을 빠르고 쉽게 통합할 수 있다. 특수 T 어댑터 케이블을 사용하면 조명을 카메라 시스템에 직접 연결하여 제어할 수 있다.

따라서 구성품 시운전을 단순화하면서 추가 배선 작업을 줄일 수 있다. 어댑터 케이블은 카메라의 전기 연결과 전원 공급 장치 사이에 있다. 조명 시스템을 이 신호 흐름에 직접 연결하는데 사용되므로 카메라를 전원 공급 장치 및 트리거 신호 소스로 사용할 수 있다. 따라서 시스템 설계 및 설치 작업이 줄어들어 궁극적으로 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

LUMIMAX® 마운팅 솔루션을 사용하면 고성능 LUMIMAX® 영역 및 스폿 조명 시스템을 카메라 시리즈 Cognex InSight 5xxx, Simatic MV440 및 Baumer Verisens XC에 직접 장착할 수 있다. 조명 각도와 작업 거리를 정확하게 조정하기 위해 장착 옵션을 개별적으로 조정하고 유연하게 확장할 수 있다. 결과적으로 조명, 광학 및 카메라는 하나의 소형 장치를 구성한다.

이 기사는 지난호에 이어 시리즈로 연재됩니다.

자료 제공: Lumimax(www.lumimax.com)