이미지 처리 시스템에 대한 기초 지식
카메라 선택, 렌즈 및 조명 공급업체 선택, 이미지 품질 평가, PC 하드웨어 및 소프트웨어 선택, 모든 구성 요소의 구성은 모두 효과적인 이미지 처리 시스템을 구축하기 위한 중요한 단계입니다.
비전 시스템 설계 시 고려해야 할 사항
사과 재배자가 사과를 검사하기 위한 머신 비전 시스템 설계를 의뢰했다고 상상해 보세요. 그의 주요 관심사는 균일한 품질 유지입니다. 즉, 작업 속도는 빠르면서도 품질이 낮은 사과를 정확하게 분류하는 능력이 중요합니다. 의뢰인은 다음과 같은 질문에 대한 답을 찾아야 합니다.
시스템에 대해 정확하게 정의된 요구 사항은 무엇인가요?
어떤 해상도와 센서가 필요하나요?
컬러 또는 모노크롬 카메라를 사용해야 하나요?
어떤 카메라 기능이 필요하며 어느 정도의 이미지 품질이면 충분할까요?
카메라의 눈: 배율 및 렌즈 성능
어떤 조명을 사용해야 하나요?
어떤 PC 하드웨어가 필요하나요?
어떤 소프트웨어가 필요하나요?
시스템은 정확히 어떤 조건에서 어떤 기능을 구현해야 하나요?
이 질문은 너무 당연하게 느껴져 자칫 간과되거나 충분히 검토되지 않는 경우가 많습니다. 하지만 실제로 원하는 기능을 미리 정확하게 파악하면, 이후에 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
해당 시스템이
인간의 눈으로 감지할 수 없는 제품 특성을 확인하기 위해 확대경이나 특수 조명 같은 도구를 사용해 검사 대상 오브젝트의 이미지만 보여줘야 할까요?
제품의 크기나 치수 안정성처럼 객관적인 특성을 계산해야 할까요?
산업용 로봇 작업 시스템처럼 올바른 배치 상태를 확인해야 하나요?
제품을 특정 등급에 할당하기 위한 기준이 되는 속성을 판단해야 할까요?
하지만 가장 먼저 해상도란 정확히 무엇을 의미하는지 확인할 필요가 있습니다. 전통적인 사진에서 해상도는 이미지에서 서로 구분이 가능한 두 개의 실제 점 또는 선 사이의 최소 거리를 말합니다.
디지털 카메라에서는 "2메가픽셀 해상도" 같은 용어가 자주 사용됩니다. 여기서 해상도는 전통적인 의미와는 다르게, 센서의 총 픽셀 수를 의미합니다. 엄밀히 말하면, 이는 전통적인 해상도와는 다릅니다. 적절한 해상도는 카메라, 렌즈, 그리고 기하학적 구조(설정된 거리 등) 모두가 조화를 이루어야 결정됩니다. 픽셀 수가 중요하지 않다는 의미는 아닙니다. 높은 해상도를 얻으려면 실제로 많은 픽셀이 필요하며, 픽셀 수는 기본적으로 최적의 조건에서 달성할 수 있는 최대 해상도를 나타냅니다."
특성을 색상(예: 사과의 붉은 얼룩)으로 감지할 수 있다면, 많은 경우에 색상 정보가 필요하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 이러한 특성은 컬러 조명을 사용하면 대부분 모노크롬 카메라의 흑백 이미지로도 파악할 수 있습니다. 이 경우에도 완벽한 샘플을 사용해 실험하는 것이 도움이 됩니다. 색상이 중요하지 않다면 모노크롬 카메라가 더 적합한 선택일 수 있습니다. 이는 컬러 카메라가 본질적으로 모노크롬 카메라보다 민감도가 낮기 때문입니다.
복잡한 검사 작업을 처리하고 계신가요? 그렇다면 여러 대의 카메라를 사용하는 방안을 고려해 보세요. 특히 다양한 특성을 기록해야 하거나, 각 특성에 따라 필요한 조명이나 광학 구성이 다를 때 여러 대의 카메라를 사용하는 것이 매우 효과적입니다.
카메라 기능 및 이미지 품질
디지털 카메라의 이미지 품질을 평가할 때 해상도는 다음 요소들과 함께 고려되는 중요한 요소 중 하나입니다.
광 민감도
다이내믹 레인지(Dinamic Range)
신호 대 잡음비 (Signal to Noise Ratio)
카메라 기능과 관련하여 가장 중요한 요소 중 하나는 속도이며, 이는 일반적으로 초당 프레임(fps)으로 표시됩니다. 이 수치는 초당 녹화할 수 있는 최대 프레임 수를 정의합니다.
카메라의 눈: 배율 및 렌즈 성능
좋은 광학 시스템은 가격이 비쌉니다. 많은 경우에는 표준 렌즈만으로도 작업을 충분히 효과적으로 처리할 수 있습니다. 필요한 구성 요소가 무엇인지 판단하려면 다음과 같은 변수들에 대한 정보가 필요합니다.
렌즈 인터페이스
픽셀 크기
센서 크기
이미지 배율이란 이미지와 오브젝트 크기 간의 비율을 의미합니다. 이는 개별 픽셀의 크기를 픽셀 해상도로 나눈 비율에 해당합니다(픽셀 해상도는 검사 대상 오브젝트 내의 사각형 모서리의 길이로, 이 길이는 카메라 센서의 픽셀 하나를 정확히 채워야 합니다).
카메라와 오브젝트 사이의 거리와 이미지 크기를 결정하는 렌즈의 초점 거리
조명 강도
조명 강도를 확인할 수 있다면, 렌즈 제조업체의 사양서를 검토하여 가격 부담이 적은 스탠다드 렌즈로도 충분한지, 아니면 고급 렌즈를 구매해야 할지 결정하는 과정이 훨씬 수월해집니다.
왜곡, 해상도(MTF 곡선을 사용하여 설명), 색수차 및 렌즈가 최적화된 스펙트럼 범위와 같은 렌즈 속성은 또 다른 선택 기준으로 사용됩니다.
근적외선용 특수 렌즈, 초광각 렌즈(어안 렌즈) 및 길이 측정에 특별히 적합한 텔레센트릭(Telecentric) 렌즈를 예로 들 수 있습니다. 하지만 이러한 렌즈는 일반적으로 고가의 제품들입니다.'
여기에도 테스트와 샘플 촬영은 질문에 대한 답을 찾을 수 있는 가장 좋은 방법입니다.
조명
빛이 어두우면 아무것도 보기 어렵습니다. 당연한 이야기처럼 들릴 수 있지만 이 원리는 이미지 처리 시스템에도 적용됩니다.
이미지 밝기 최적화
검사 속도가 빠르면 민감한 카메라와 밝은 렌즈가 필요한 경우가 많습니다. 그러나 경우에 따라 보다 간단하게 조명 구성을 수정하거나 최적화하여 이미지 밝기를 동일한 수준으로 높일 수 있습니다. 이미지 밝기를 높이는 방법에는 주변광 증가, 적절한 광원이 있는 렌즈나 플래시를 사용하여 빛을 형성하는 등 여러 가지가 있습니다. 하지만 빛의 강도뿐만 아니라 빛이 오브젝트를 통과하여 카메라에 도달하는 방식도 중요합니다.
우리는 모두 사진에서 이러한 예를 찾을 수 있습니다. 주변 광은 일반적으로 폭넓게 확산되지만, 주변 광으로 충분하지 않으면 특정 방향에 집중되는 플래시를 사용합니다. 하지만 플래시를 사용하면 일반적으로 이미지의 매끄러운 표면에서 불필요한 반사가 발생하여 세부 사항을 정확히 확인할 수 없게 됩니다. 그러나 머신 비전에서는 이러한 효과가 반사가 적고 직선적인 표면에서 높은 광 강도를 얻는 데 바람직할 수 있습니다. 산란광은 여러 표면에서 빛이 서로 다른 방향으로 반사되는 오브젝트에 더 적합합니다.
이미지 처리를 위한 PC 하드웨어 및 소프트웨어 요구 사항
PC 하드웨어
필요한 하드웨어는 작업의 복잡도와 요구되는 처리 속도에 따라 달라집니다. 간단한 작업은 PC 하드웨어와 표준 이미지 처리 소프트웨어로 수행할 수 있지만, 복잡하고 빠른 이미지 처리 작업에는 특수 하드웨어가 필요할 수 있습니다.
소프트웨어
이미지를 평가하려면 소프트웨어가 필요합니다. 대부분의 카메라에는 이미지를 표시하고 카메라를 구성하는 소프트웨어가 함께 제공되며, 이 소프트웨어만으로도 카메라를 충분히 작동시킬 수 있습니다. 그러나 특수한 어플리케이션이나 복잡한 이미지 처리 작업에는 구매하거나 맞춤 개발한 특수 소프트웨어가 필요합니다.
요약
이미지 처리 시스템 설계를 시작하기 전에는 카메라, 광학 장치, 조명, 시스템을 지원하는 PC 하드웨어와 소프트웨어 등 사용되는 모든 구성 요소에 대해 다양한 사항을 고려해야 합니다.
이러한 작업은 사전에 여유를 갖고 작업 및 기본 조건을 명확히 파악한다면 단계별로 완벽히 관리할 수 있습니다. 더 많은 정보가 필요하다면 이 주제에 대해 폭넓은 정보가 담긴 Basler 백서를 참조하세요.
비전 시스템 조립
카메라, 렌즈, 조명만 있으면 비전 시스템을 구축할 수 있습니다. Basler의 비전 시스템 구성 어드바이저를 사용하여 시스템을 쉽게 조립하세요.
