[첨단 헬로티]

 

제조 업계에서 가장 뜨거운 토론 주제 중 하나는 Industry 4.0이다. 업계 자동화 및 데이터 교환 분야에서 새롭게 정의된 혁신 그룹인 Industry 4.0은 생산성을 향상시키고, 폐기물을 줄이며, 제품 품질을 개선하고, 제조 유연성을 높이고, 운영 비용을 절감하고, 무수한 다른 이점을 공장 현장에 제공할 수 있는 엄청난 잠재력을 보여준다.

글로벌 제조업체의 다양한 운영과 지역, 산업, 규모 및 경쟁 환경의 변화를 감안할 때 Industry 4.0의 모든 잠재력은 계속해서 활발하게 형성되고 있다. 공간이 계속 진화하는 동안 한 가지 분명한 사실은 Industry 4.0이 향후 수년간 제조 방향에 영향을 미칠 것이라는 점입니다. 모든 공장에서 가장 큰 데이터 생산자 중 하나인 비전 기술이 어느 때보다 더욱 중요해지고 있다. 머신비전의 기본에 대해 들여다보는 기회를 갖기 위해 앞으로 2회에 걸쳐 ‘머신비전의 기본’에 대해 싣는다. 

머신비전의 구성요소

머신비전시스템의 기본 구성요소(그림 9)에는 조명, 렌즈, 이미지 센서, 비전 프로세싱, 통신이 포함된다. 조명은 검사할 부품의 특징이 두드러지도록 빛을 비춰 카메라가 명확히 인식할 수 있게 한다. 렌즈는 이미지를 포착하여 빛의 형태로 센서에 보낸다. 머신비전 카메라의 센서는 이 빛을 디지털 이미지로 변환한 다음 분석을 위해 프로세서에 전송한다.

비전 프로세싱은 이미지를 검토하고 필요한 정보를 추출하고 필수 검사를 실행하며 결정을 내리는 알고리즘으로 구성된다. 최종적으로, 개별 I/O 신호나 데이터가 직렬 연결을 통해 장치(정보를 기록하거나 사용하는 장치)에 전송되어 일반적으로 통신이 이루어진다.

▲ 그림 9. 머신비전시스템의 기본 구성요소

조명 모듈, 센서, 프로세서와 같은, 대부분의 머신비전 하드웨어 구성요소는 상용 기성품(COTS)으로 제공된다. 머신비전시스템은 COTS를 사용하여 조립하거나 단일 장치에서 모든 구성요소를 갖춘 통합 시스템으로 구매할 수 있다.

다음 페이지에는 머신비전시스템의 다양한 핵심 구성요소인 조명, 렌즈, 비전 센서, 이미지 프로세싱, 비전 프로세싱 및 통신이 나와 있다.

조명: 조명은 성공적인 머신비전 결과를 얻기 위한 핵심 요소다. 머신비전시스템은 물체 자체를 분석하는 것이 아니라 물체에서 반사된 빛을 분석하여 이미지를 생성한다. 

조명 기법에서는 광원이 사용되며 부품과 카메라에 대해 광원을 배치한다. 특수 조명 기술은 부품을 실루엣화하여 불필요한 부분은 무효화하고 필요한 부분은 강화하며, 이를 통해 이미지를 향상할 수 있다.

역광 조명: 역광 조명은 외부 또는 에지만 측정하는 애플리케이션을 위해 물체의 윤곽을 향상한다. 역광 조명을 사용하면 형태를 감지하고 치수를 더 확실하게 측정할 수 있다.

축 확산 조명: 축 확산 조명은 측면에서 광학 경로로 조명을 연결한다(동축 방식). 측면에서 비추는 반투명 거울은 부품의 아래쪽을 밝혀주며 부품은 반투명 거울을 통해 빛을 카메라로 다시 반사한다. 이에 따라 빛이 균등하게 비춰지고 이미지가 균일하게 보이게 된다.

구조형 광: 구조형 광은 조명 패턴(평면, 격자 또는 더 복잡한 모양)을 알려진 각도로 물체 위에 투영한다. 이를 통해 대비 독립적 표면 검사, 치수 정보 획득 및 용적 계산을 수행할 수 있다.

암시야 조명: 지향성 조명은 표면 결함을 더 쉽게 드러내 주며, 암시야 및 명시야 조명을 포함한다. 일반적으로 암시야 조명은 저대비 애플리케이션에 적합하다.

암시야 조명에서는 카메라로부터 반사형 조명이 반사되고 표면 질감으로부터 산광이 산란되며 고도 변화가 카메라에 반사된다.

명시야 조명: 명시야 조명은 고대비 애플리케이션에 이상적이다. 그러나, 고압 나트륨 및 석영 할로겐과 같은 방향성이 강한 광원은 날카로운 그림자를 생성할 수 있으며 일반적으로 전체 시야에서 일관된 조명을 제공하지 못한다. 따라서, 반사면이나 반짝거리는 표면의 핫스폿 및 정반사는 더 넓게 확산되는 광원이 있어야 명시야에서 균일한 조명을 제공할 수 있다.

확산형 돔 조명: 확산형 돔 조명은 검사 대상 기능에 가장 균일한 빛을 제공하며 검사 대상이 아니며 시야에 혼란을 줄 수 있는 이상현상을 감출 수 있다.

스트로브 조명: 스트로브 조명은 고속 애플리케이션에서 움직이는 물체를 정지시켜 조사할 때 사용된다. 스트로브 광을 사용하면 이미지가 흐릿해지는 것을 방지할 수 있다.

렌즈: 렌즈는 이미지를 포착하여 카메라의 이미지 센서에 전달한다. 렌즈는 광학 품질과 가격이 매우 다양하며 어떤 렌즈를 사용하느냐가 포착한 이미지의 품질과 해상도를 결정한다. 대부분의 비전시스템 카메라에는 두 가지 기본 패턴의 렌즈, 즉 상호교환형 렌즈와 고정형 렌즈가 있다. 

상호교환형 렌즈는 보통 C-마운트 또는 CS-마운트이다. 렌즈와 확장 렌즈를 적절히 조합하면 최상의 이미지를 획득할 수 있다. 독립형 비전시스템의 일부인 고정형 렌즈는 일반적으로 자동 초점을 사용하며, 부품에 자동으로 초점을 맞출 수 있는 액체 렌즈도 있고 기계적으로 조정되는 렌즈도 있다. 자동 초점 렌즈는 일반적으로 특정 거리에서 시야가 고정되어 있다.

이미지 센서: 검사 대상 물체에서 올바르게 빛이 비춰진 이미지를 포착하는 카메라의 기능에는 렌즈 뿐만 아니라, 카메라 내의 이미지 센서도 영향을 미친다. 이미지 센서는 일반적으로 전자 결합 소자(CCD) 또는 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 기술을 사용하여 빛(광자)을 전기 신호(전자)로 변환한다. 

기본적으로, 이미지 센서의 역할은 빛을 포착하여 노이즈, 감도 및 동적 범위가 균형을 이룬 디지털 이미지로 변환하는 것이다. 이미지는 픽셀이 모인 것으로 어두운 빛은 어두운 픽셀을, 밝은 빛은 밝은 픽셀을 생성한다. 

카메라의 센서 해상도가 애플리케이션에 적합한지 반드시 확인해야 한다. 해상도가 높을수록 이미지가 더 정교해지므로 더 정확하게 측정할 수 있다. 필요한 해상도는 부품 크기, 검사 허용값 그리고 그 외 매개변수에 의해 결정된다.

비전 프로세싱: 프로세싱은 디지털 이미지에서 정보를 추출하는 메커니즘으로 PC 기반 시스템 외부에서 수행되거나 독립형 비전 시스템 내부에서 수행될 수 있다. 프로세싱은 소프트웨어를 통해 수행되며 여러 단계로 구성된다. 먼저, 센서에서 이미지를 획득한다. 

경우에 따라 이미지를 최적화하고 필요한 모든 기능이 두드러지도록 만들기 위해 사전 프로세싱이 필요할 수 있다. 그 다음, 소프트웨어가 특정 기능의 위치를 찾고 측정을 실행하여 이를 사양과 비교한다. 마지막으로 결정이 이루어지고 결과가 전달된다.

머신비전시스템의 물리적 구성요소(예: 조명) 다수는 유사한 사양을 제공하나 비전시스템 알고리즘은 이들을 구분하며, 이는 솔루션을 비교할 때 평가해야 할 첫 번째 주요 구성요소다. 특정 시스템 또는 애플리케이션에 따라, 비전 소프트웨어는 카메라 매개변수를 구성하고 통과/실패 결정을 내리고 작업 현장과 통신하며 HMI 개발을 지원한다.

통신: 비전시스템에서는 다양한 기성 부품이 사용되는 경우가 많으며 이러한 품목은 조직화되어 다른 머신 요소와 쉽고 빠르게 연결되어야 한다. 일반적으로, 개별 I/O 신호나 데이터가 직렬 연결을 통해 장치(정보를 기록하거나 사용하는 장치)에 전송되어 이 작업이 이루어진다. 개별 I/O 접점은 Programmable Logic Controller(PLC)에 연결될 수 있으며 여기서 정보는 stack light와 같은 표시기나 작업 셀을 제어하는 데 사용되거나 솔레노이드에 바로 전달된다. 이 솔레노이드는 거부 장치를 작동하는 데 사용될 수 있다.

직렬 연결을 통한 데이터 통신은 기존의 RS-232 직렬 출력 또는 이더넷의 형태일 수 있다. 일부 시스템은 이더넷/IP와 같은 상위 수준의 산업 프로토콜을 사용하며, 이는 모니터 등의 장치나 기타 작업자 인터페이스에 연결되어 애플리케이션에서 공정의 모니터링과 제어를 간편하게 수행할 수 있는 작업자 인터페이스를 제공한다.

머신비전 시스템의 다양한 유형

대체로, 머신비전시스템에는 3가지 범주인 1D, 2D, 3D가 있다.

1D 비전시스템: 1D 비전은 가장 최근에 획득한 10개 라인 그룹과 이전 그룹 간의 차이를 평가하는 등, 한 번에 전체 그림을 보는 것이 아니라 한 번에 한 라인씩 디지털 신호를 분석한다. 이 기술은 그림 10에 표시된 것처럼 일반적으로 종이, 금속, 플라스틱, 기타 부직포 시트 또는 롤 제품과 같은 연속 공정에서 제조된 재료의 결함을 감지하고 분류한다.

▲ 그림 10. 1D 비전시스템은 공정이 진행되는 동안 한 번에 한 라인씩 스캔한다.

위의 예시에서는 시트의 결함이 감지되었다.

 

2D 비전시스템: 가장 일반적인 검사 카메라는 그림 11에 표시된 것처럼 영역을 스캔하며 다양한 해상도로 2D 스냅숏을 포착한다. 또 다른 유형의 2D 머신 비전인 라인 스캔은 그림 12에 표시된 것처럼 라인별로 2D 이미지를 생성한다.

▲ 그림 11. 2D 비전시스템은 다양한 해상도의 이미지를 생성할 수 있다.

▲ 그림 12. 라인 스캔 기술은 한 번에 한 라인씩 2D 이미지를 생성한다.

영역 스캔 vs 라인 스캔: 특정 애플리케이션에서 라인 스캔 시스템은 영역 스캔 시스템에 비해 특별한 이점을 제공한다. 예를 들어, 원형 또는 원통형 부품을 검사할 때 부품의 전체 표면을 다루기 위해 다중 영역 스캔 카메라가 필요할 수 있다. 

그러나, 단일 라인 스캔 카메라는 전면에서 부품을 회전시키면 이미지를 펼쳐서 표면 전체를 포착한다. 라인 스캔 시스템은 카메라가 부품의 바닥을 보기 위해 컨베이어의 롤러 사이를 들여다봐야 하는 경우와 같이 좁은 공간에 더 쉽게 맞춰지며 일반적으로 기존 카메라보다 훨씬 더 높은 고해상도를 제공할 수 있다. 라인 스캔 시스템은 움직이는 부품이 있어야 이미지를 생성할 수 있기 때문에 계속해서 움직이는 제품에 적합하다.

▲ 그림 13. 라인 스캔 카메라는 (a.) 검사를 위해 원통형 물체를 펼치고

(b.) 공간이 한정된 상황에서 시야를 넓히고 (c.) 고해상도 검사 요건을 충족

하며 (d.) 계속해서 움직이는 물체를 검사할 수 있다.

3D 시스템: 3D 머신비전시스템은 일반적으로 멀티 카메라 또는 하나 이상의 레이저 변위 센서를 포함한다. 로봇 가이드 애플리케이션에서 멀티 카메라 3D 비전은 부품 방향 정보를 로봇에 제공한다. 이 시스템에서는 멀티 카메라가 서로 다른 위치에 장착되고 3D 공간에서 객관적인 위치에 대한 '삼각측량'이 수행된다.

이에 비해, 3D 레이저 변위 센서 애플리케이션은 일반적으로 표면 검사 및 용적 측정을 포함하며 단일 카메라에서 3D 결과를 생성한다. height map은 물체에서 반사된 레이저의 위치 변위로부터 생성된다. 

▲ 그림 14. 3D 비전 시스템은 일반적으로 멀티 카메라를 사용

라인 스캔과 유사하게 제품 전체를 스캔하려면 물체 또는 카메라를 이동해야 한다. 보정된 오프셋 레이저를 사용하면, 변위 센서가 표면 높이 및 평면성과 같은 매개변수를 20μm 내의 정확성으로 측정할 수 있다. 그림 15는 브레이크 패드 표면의 결함을 검사하는 3D 레이저 변위 센서를 보여준다.

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머신비전 플랫폼

머신비전은 PC 기반 시스템, 3D 및 멀티 카메라 2D 애플리케이션을 위해 설계된 비전 컨트롤러, 독립형 비전시스템, 단순 비전 센서, 이미지 기반 바코드 판독기를 비롯한 여러 물리적 플랫폼에서 구현된다. 적합한 머신비전 플랫폼의 선택은 개발 환경, 기능, 아키텍처, 비용을 포함하여 애플리케이션의 요건에 좌우된다.

PC 기반 머신 비전: PC 기반 시스템은 직접 연결형 카메라 또는 이미지 획득 보드에 인터페이스를 통해 쉽게 접속되며 구성형 머신비전 애플리케이션 소프트웨어를 사용하면 완벽하게 지원할 수 있다. 

또한 PC에서는 Visual C/C++, Visual Basic, Java와 같이 친숙하고 완벽하게 지원되는 언어를 사용하여 사용자 지정 코드를 다양하게 개발할 수 있으며, 그래픽 프로그래밍 환경도 제공된다. 그러나 이러한 개발은 복잡하고 시간이 오래 걸리는 경향이 있기 때문에 일반적으로 대규모 설치에 국한되며, 주로 고급 머신비전 사용자와 프로그래머에게 매력적인 플랫폼이 된다.

비전 컨트롤러: 비전 컨트롤러는 PC 기반 시스템의 모든 기능과 유연성을 제공하는 동시에 혹독한 공장 환경을 더 잘 견뎌낸다. 비전 컨트롤러를 사용하면 3D 및 멀티 카메라 2D 애플리케이션을 더 쉽게 구성할 수 있으므로 개발을 위해 적당한 시간과 비용을 들일 수 있는 일회성 작업에서 유용하다. 따라서 더 정교한 애플리케이션을 비용 효과적인 방식으로 구성할 수 있다.

독립형 비전 시스템: 독립형 비전시스템은 비용 효과적이며 쉽고 빠르게 구성할 수 있다. 이 시스템에는 카메라 센서, 프로세서, 통신 기능이 갖춰져 있으며 조명과 자동 초점 광학 장치가 통합되어 있는 경우도 있다. 

많은 경우 이 시스템은 소형이라서 공장 전체에 설치해도 가격 부담이 없다. 주요 공정 지점에서 독립형 비전시스템을 사용하면 제조 공정 초기에 결함을 발견할 수 있으며 장비 문제를 더 빠르게 식별할 수 있다. 

대부분의 경우 이더넷 통신이 내장되어 있어 사용자가 공정 전체에 비전을 배포할 수 있으며, 완전히 관리하고 확장할 수 있는 비전 영역에서 둘 이상의 시스템을 함께 연결하여 데이터가 시스템 간에 교환되고 호스트에 의해 관리되도록 할 수 있다. 

비전시스템의 네트워크는 공장과 기업 네트워크에 쉽게 상향 연결할 수 있으며, 이러한 연결을 통해 TCP/IP 기능을 지원하는 공장의 모든 작업대에서 결과, 이미지, 통계 데이터 및 기타 정보를 원격으로 볼 수 있다. 

이러한 시스템에서는 환경을 구성하여 간편한 안내형 설정이나 고급 프로그래밍, 스크립팅을 수행할 수 있다. 일부 독립형 비전시스템은 두 가지 개발 환경을 모두 제공하며, 사용자는 이를 통해 향상된 기능으로 간편하게 설정하고 프로그래밍과 스크립팅의 유연성을 확보하여 시스템 구성을 더 면밀히 제어하고 비전 애플리케이션 데이터를 처리할 수 있다.

비전 센서 및 이미지 기반 바코드 판독기: 비전 센서 및 이미지 기반 바코드 판독기는 일반적으로 프로그래밍이 필요없으며 사용자 친화적인 인터페이스를 제공한다. 대부분은 모든 머신과 쉽게 통합되며 전용 프로세싱을 통한 단일 지점 검사를 지원하고 공장 전체의 네트워크 기능을 위해 내장된 이더넷 통신을 제공한다.

결론

머신비전이란 공정 또는 품질 관리를 위해 디지털 이미지에서 정보를 자동으로 추출하는 것이다. 대부분의 제조업체는 자동화된 머신비전을 사용하는데, 반복적인 검사 작업을 하는 데 있어 감독관보다 더 적합하기 때문이다. 

머신비전은 더 빠르고 객관적이며 지속적으로 작업한다. 머신비전은 1분에 수백 또는 수천 개의 부품을 검사할 수 있으며 하루 24시간, 일주일 7일 내내 더 일관적이고 신뢰할 수 있는 검사 결과를 제공한다.

측정, 계산, 위치 찾기, 디코딩은 오늘날 제조에 사용되는 머신비전의 가장 일반적인 애플리케이션이다. 머신비전을 통해 결함은 줄이고 수익은 늘리며, 규정을 준수하고 부품을 추적함으로써 제조업체는 비용을 절감하고 수익을 증대할 수 있다.

낭비를 줄이고 가동중지 시간을 최소화하며 공정을 향상하는 데 머신비전이 도움이 된다. 

코그넥스코리아