카메라 선택 - 화상 처리 시스템에 적합한 카메라를 찾으려면 어떻게 해야 할까요?
너무 많은 옵션때문에 혼란스러운가요?
화상 처리 시스템을 설계해야 하는 과제에 직면했을 때 .현기증을 느낄 정도로 다양한 카메라 모델, 관련 특성, 유용한 기능 및 잠재적 애플리케이션과 같은 다양하고 수많은 옵션들 앞에 서 있는 자신을 발견하게 됩니다.
이제 필요한 것은 바로 가이드입니다.비전 애플리케이션에 적합한 카메라를 선택하는 의사 결정 과정에서 새로운 길을 찾고 답을 찾는 데 도움을 주는 사람이 필요합니다.
모든 관련 기준에 대한 단계별 탐색에 함께 하십시오. 이것은 귀하의 요구 사항에 맞는 장비를 선택하기 위해 한 번에 하나씩 올바른 결정을 하는 데 도움을 드릴 것입니다.
객관적인 자체 평가부터 시작하십시오. 다음 두 가지 질문에 답해보세요.
카메라로 촬영할 대상은 무엇인가요?
정확한 촬영을 위해 내 카메라에 필요한 특성은 무엇일까요?
이에 대한 답변은 대개 최초 지침을 제공하고 다음 두 가지 지침 중 하나를 제시할 것입니다.
결정 #1: 네트워크 카메라 또는 산업용 카메라
화상 처리 시스템용 카메라는 산업용/머신 비전(MV) 또는 네트워크/IP (Internet Protocol) 카메라로 분류됩니다.
네트워크 카메라는 비디오를 녹화합니다. 이 카메라는 산업용 카메라와 함께 전통적인 감시 애플리케이션에 자주 사용됩니다. 일반적인 특성에는 다음과 같은 것들이 포함되어 있습니다.
주로 충격 및 거친 날씨에 견디도록 설계된 튼튼한 케이스에 들어 있어 실내외 어디에서의 사용에도 적합합니다
주간/야간 모드 및 특수 적외선 필터와 같은 다양한 기능을 통해 아주 나쁜 조명과 날씨 조건에서조차 뛰어난 이미지 품질을 제공합니다.
촬영한 이미지를 압축합니다. 이로 인해 데이터 양이 카메라 안에 저장할 수 있을 정도로 아주 작아집니다. 네트워크 연결로 이론적으로 보면 무제한의 사용자들이 카메라에 액세스할 수 있습니다.
산업용 카메라는 이와 대조적으로
이미지를 압축되지 않은('원시') 데이터로 PC에 직접 전송하면 PC가 상대적으로 큰 용량의 데이터를 처리합니다. 이 방법의 장점은 이미지 정보가 손실되지 않는다는 것입니다.
산업용 카메라는 에어리어 스캔 및 라인 스캔 카메라의 두 가지 기술로 구성되어 있습니다. 두 가지 기술의 이미지 캡처 방식에는 차이가 있으며 비전 애플리케이션 종류와 관련되어 있습니다.
학습: 에어리어 스캔 및 라인 스캔 카메라의 이미지 캡처 방식
에어리어 스캔 카메라
에어리어 스캔 카메라에는 동시에 노출되는 수많은 픽셀 라인으로 구성된 사각 센서가 장착됩니다. 따라서 이미지 데이터가 한 번에 기록되며 같은 방식으로 처리됩니다.
에어리어 스캔 카메라는 보통 의료 및 생명 과학, 교통 및 운송 또는 보안 및 감시와 같은 다양한 산업용 애플리케이션에 사용되며 네트워크 카메라의 보완 카메라로 사용되는 경우가 많습니다.
라인 스캔 카메라
이와 달리 라인 스캔 카메라는 1, 2 또는 3줄의 픽셀로 구성된 하나의 센서를 사용합니다. 이미지 데이터는 한 줄씩 캡처된 뒤 처리 단계에서 개별 라인들을 전체 이미지로 재구성합니다. 에어리어 스캔 카메라를 사용해야 하는지, 라인 스캔 카메라를 사용해야 하는지는 애플리케이션 및 애플리케이션 요구 사항에 따라 결정됩니다.
라인 스캔 카메라는 제품이 컨베이어 벨트에서 빠른 속도로, 때로는 아주 빠른 속도로 지나갈 때 검사해야 할 경우 널리 사용됩니다. 일반적인 업종으로는 인쇄, 분류 및 포장, 식품 및 음료 그리고 모든 종류의 표면 검사 애플리케이션이 포함됩니다.
네트워크 카메라
선적 라인 및 포장 시스템부터 건축 및 교통 감시 시스템에 이르는 다양한 분야의 공정 제어에서 감시 작업용으로 사용됩니다.
항만 또는 운송 센터와 같은 물류 및 수송 센터와 함께 대개 은행, 카지노, 기업 캠퍼스 그리고 공공 건물에 사용됩니다.
결정 #2: 모노크롬이 좋을까요, 아니면 컬러 카메라가 좋을까요?
비교적 간단한 결정이며 일반적으로 어플리케이션의 내용, 즉 필요한 이미지에 따라 답을 찾을 수 있습니다. 결과물을 평가하기 위해 컬러가 필요한가요, 아니면 흑백으로 충분한가요? 컬러가 필수가 아니라면 일반적으로 흑백 카메라가 더 민감하고 더 세밀한 이미지를 제공하기 때문에 더 나은 선택이 되어줍니다. 지능형 교통 시스템과 같은 많은 어플리케이션의 경우, 증거용 이미지에 대한 특정 국가의 법적 요건을 충족하기 위해 흑백 카메라와 컬러 카메라를 함께 사용하는 경우도 많습니다.
결정 #3: 센서 종류, 셔터 기술, 프레임 속도
이 단계는 CMOS 또는 CCD 센서 기술을 기반으로 구축된 적절한 센서를 고르고 글로벌 셔터와 롤링 셔터 중에서 셔터 기술을 선택하는 것입니다. 다음으로 고려해야 할 사항은 프레임 속도인데 이는 카메라가 작업을 끊김 없이 처리하기 위해 매 초 전송해야 할 이미지 개수를 의미합니다.
학습: CCD, 아니면 CMOS?
두 가지 센서 기술 간 근본적 차이점은 해당 센서의 기술적 구조에 있습니다.
CMOS 칩에는 빛(구체적으로 광자)을 전자 신호(전자)로 변환하는 전자 회로가 센서 표면에 직접 결합되어 있습니다. 이로 인해 이미지 데이터를 보다 신속히 읽을 수 있고 사용자가 이미지 범위를 융통성 있게 호출할 수 있어 속도가 매우 빨라집니다. CMOS 센서는 SLR 카메라와 같은 소비 시장에서 폭 넓게 사용되고 있습니다.
CCD 센서는 센서 표면에 변환 전자 장치를 배치하지 않고 센서 표면 전체를 사용하여 빛을 캡처합니다. 따라서 표면에 픽셀을 위한 공간이 더 넓어져 더 많은 빛을 포착할 수 있습니다. 따라서 이 유형의 센서는 빛에 더 민감하므로 천문학과 같은 저조도 어플리케이션에서 큰 이점이 있습니다. CCD 센서는 느린 어플리케이션에서도 뛰어난 이미지 품질을 제공하지만, 아키텍처와 이미지 데이터를 전송하고 처리하는 방식으로 인해 점점 더 속도의 한계에 부딪히고 있습니다.
지금까지 여러 해 동안 CMOS 기술이 발전되어 거의 어떤 화상 처리 애플리케이션용으로든 적합한 수준이 되었습니다. CMOS 센서의 장점은 다음과 같습니다.
뛰어난 가격 대비 성능
높은 프레임 속도
높은 해상도
낮은 소모 전력
탁월한 양자 효율
이러한 장점은 과거에 CCD 센서가 장악했던 영역에 CMOS 센서가 진출하는 데 도움이 되었습니다. 최신 CMOS 센서를 판매할 때 특히 강조할 부분은 이미지 품질 손상 없이 높은 프레임 속도를 얻을 수 있다는 점입니다.
글로벌 셔터는 한 번에 센서 표면 전체에 빛이 들어오도록 합니다. 프레임 속도에 따라 이동하는 물체가 빠르게 연속 노출됩니다. 글로벌 셔터는 교통 및 수송 분야, 물류 및 인쇄 매체 검사와 같이 고속으로 이동하는 물체를 촬영해야 하는 애플리케이션에 최적의 선택이 될 수 있습니다.
여기서 간단하지만 중요한 한 가지 요건은 셔터가 어플리케이션과 일치해야 한다는 것입니다. 셔터는 들어오는 빛으로부터 카메라 내부의 센서를 보호하며 노출 순간에만 열립니다. 선택한 노출 시간에 따라 적절한 빛의 '양'이 결정되고 셔터가 열려 있는 시간이 결정됩니다. 글로벌 셔터와 롤링 셔터 방식의 차이점은 빛에 대한 노출을 처리하는 방식에 있습니다.
학습: 글로벌 셔터와 롤링 셔터의 작동 방식
글로벌 셔터는 한 번에 센서 표면 전체에 빛이 들어오도록 합니다. 프레임 속도에 따라 이동하는 물체가 빠르게 연속 노출됩니다. 글로벌 셔터는 교통 및 수송 분야, 물류 및 인쇄 매체 검사와 같이 고속으로 이동하는 물체를 촬영해야 하는 애플리케이션에 최적의 선택이 될 수 있습니다.
롤링 셔터는 이미지를 한 줄씩 노출합니다. 선택한 노출 시간에 따라 노출 과정에서 피사체가 움직일 때 왜곡이 발생할 수 있는데, 이를 롤링 셔터 효과라고 합니다. 그러나 움직이는 물체가 포함된 어플리케이션이라고 해서 롤링 셔터의 가능성을 포기할 필요는 없습니다. 대부분의 경우 노출 시간을 적절히 설정하고 외부 플래시를 사용하면 이 효과를 피할 수 있습니다.
백서(Whitepaper)에서 이 두 가지 폐쇄 기술에 대해 자세히 알아보세요.
백서 읽기프레임 속도
라인 스캔 카메라의 경우 각각 '초당 프레임 수' 또는 'fps' 또는 '라인 속도' 또는 '라인 주파수'와 동의어로 사용됩니다. 프레임 속도는 센서가 초당 캡처하고 전송할 수 있는 이미지의 수를 나타냅니다.
프레임 속도가 높을수록 센서가 빠릅니다. => 센서가 빠를수록 초당 캡처하는 이미지 수가 많아집니다. => 이미지 수가 많을수록 데이터 용량이 커집니다.
해상도=(피사체 크기)/(검사 대상 세부 정보의 크기)
결정 #4: 해상도, 센서 및 픽셀 크기
해상도
카메라 사양을 조회해보니 2048x1088이 표시되어 있습니다. 이것이 정확히 무엇을 의미할까요? 이 경우 가로줄은 2048픽셀, 세로줄은 1088픽셀로 한 줄당 픽셀 수를 나타냅니다. 이 숫자를 모두 곱하면 2,228,224픽셀, 즉 2.2메가픽셀(백만 픽셀 또는 줄여서 'MP')의 해상도를 나타냅니다. 어플리케이션에 필요한 해상도를 확인하려면 간단한 계산을 사용하면 도움이 됩니다: 해상도 = (개체 크기) / (검사할 디테일의 크기)
학습: 필요한 해상도를 결정하는 방법
특정 지점에 서 있는 키가 약 2m인 사람의 눈 색상 이미지를 정밀 촬영하려 합니다.
해상도= 키/(눈 세부 정보) =(2,000mm m /1mm) = x와 y 방향으로 각 2,000 픽셀 = 4 MP
> 1mm의 큰 디테일을 선명하게 인식하려면 4메가픽셀의 해상도가 필요합니다.
센서 및 픽셀 크기
사실 #1:
먼저 쉬운 부분: 센서가 크고 픽셀 표면이 넓으면 더 많은 빛을 포착할 수 있습니다. 빛은 센서가 이미지 데이터를 생성하고 처리하는 데 사용하는 신호입니다. 지금까지는 간단합니다. 이제 더 자세히 알아보겠습니다. 사용할 수 있는 표면이 넓을수록, 특히 3.5µm 이상의 대형 픽셀의 경우 신호 대 잡음비(SNR)가 더 좋아집니다. SNR이 높을수록 이미지 품질이 좋아집니다. 42dB의 SNR은 견고한 결과로 볼 수 있습니다.
사실 #2:
센서가 크고 대형 픽셀의 개수가 많다 하더라도 적절한 광학 부품을 사용하지 않으면 좋은 결과를 얻을 수 없습니다. 높은 수준의 해상도를 표현할 수 있는 적당한 렌즈와 결합될 때만 최대한의 성능을 발휘할 수 있습니다.
사실 #3:
그러나 올바른 광학 장치가 없으면 대형 센서와 많은 수의 대형 픽셀이라 하더라도 많은 것을 얻을 수 없습니다. 높은 수준의 해상도를 표현할 수 있는 적절한 렌즈와 함께 사용할 때만 그 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.
사실 #4:
또한 대형 센서는 더 많은 실리콘을 사용하게 되어 결국 가격이 비싸집니다.
결정 #5: 인터페이스와 카메라 하우징 크기
인터페이스
인터페이스는 하드웨어(카메라 센서)에서 소프트웨어(이미지를 처리하는 구성 요소)로 이미지 데이터를 전송하는 카메라와 PC 사이의 통신 수단 역할을 합니다. 애플리케이션에 가장 적합한 인터페이스를 찾는다는 것은 성능,비용 및 신뢰성의 최적 균형점을 찾기 위해 서로 다른 요소들 사이의 비중을 계산하는 것을 의미합니다.
GigE Vision, USB3 Vision 및 Camera Link는 표준을 따른 구성 요소와 액세서리로 카메라 인터페이스의 호환성을 보장하는 폭 넓게 이용할 수 있는 최신 기술 표준입니다. 각각의 기술은 대역폭, 멀티 카메라 구성, 케이블 길이와 관련된 구체적인 요구 사항 세트를 만족시키도록 설계되어 있습니다. FireWire와 USB 2.0은 오래된 기술들로 성능 상의 한계로 인해 최신 화상 처리 시스템용으로는 권장하지 않습니다.
GigE Vision, USB3 Vision 및 Camera Link는 표준을 따른 구성 요소와 액세서리로 카메라 인터페이스의 호환성을 보장하는 폭 넓게 이용할 수 있는 최신 기술 표준입니다. 각각의 기술은 대역폭, 멀티 카메라 구성, 케이블 길이와 관련된 구체적인 요구 사항 세트를 만족시키도록 설계되어 있습니다.
FireWire와 USB 2.0은 오래된 기술들로 성능 상의 한계로 인해 최신 화상 처리 시스템용으로는 권장하지 않습니다.
하우징
카메라 하우징의 크기는 인터페이스 선택에 직접적인 관련이 있습니다. 하우징은 비전 시스템에 대한 전반적인 통합의 관점에서 중요합니다. 전체 직물 너비를 더 잘 기록하기 위해 카메라를 연달아 설치하는 애플리케이션(멀티 카메라 구성)에서는 1밀리미터의 공간조차 문제가 될 수 있습니다.
Basler 제품을 예로 들면 사용 가능 모델 포트폴리오가 Basler ace의 29 mm x 29 mm부터 Basler sprint 시리즈와 같이 매우 큰 (라인 스캔) 센서가 장착된 훨씬 큰 규격의 개별 카메라까지 매우 다양합니다.
결정 #6: 유용한 카메라 기능
모든 Basler 카메라에는 이미지 품질을 개선하고 이미지 데이터를 보다 효과적으로 평가하거나 공정을 보다 정밀하게 제어하는 데 도움이 되는 핵심 기능들이 내장되어 있습니다. 각 카메라 모델의 모든 기능에 대한 종합 목록은 저희의 Features Check List를 참조하십시오.
화상 처리 시스템을 설계할 때 부딪히게 될 가능성이 가장 높은 세 가지 특성은 다음과 같습니다.
AOI(관심 영역)
프레임 내에서 특정 개별 관심 영역 또는 여러 개의 서로 다른 AOI를 한 번에 선택할 수 있습니다. 이 기능의 장점은 프레임에서 이미지 평가와 관련이 있는 부분만 처리되므로 카메라 데이터 판독 속도가 빨라진다는 점입니다.
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최신 CMOS 카메라를 비교하는 가장 좋은 방법은 무엇인가요?
거의 모든 센서 모델에는 다양한 제조업체의 카메라가 사용되고 있습니다. 센서만 동일하다면 이 카메라들은 모두 동등한 성능일까요? 사용자, 개발자 및 프로젝트 팀이 올바른 카메라를 선택하는 데 있어 어떤 측면이 중요할까요? 이 결정은 애플리케이션과 요구 사항에 따라 달라집니다.
깜박이는 픽셀: 눈으로 바로 확인되는 허상(이미지)의 예입니다.
특정 애플리케이션용 카메라를 선택할 때 어떤 기준을 적용할 것인지에 대한 질문은 분명 새로운 것이 아니며 EMVA(유럽머신비전협회, European Machine Vision Association)에서도 검토했던 것입니다. 그 결과가 바로 EMVA 1288 표준입니다. 이 표준은 산업용 카메라나 산업용 카메라용 센서의 이미지 품질 및 감도를 결정하는 데이터를 확인하기 위한 방법을 규정합니다.
적합한 모델 선택에 있어서 카메라의 EMVA 데이터 비교는 매우 중요합니다. 카메라의 기능이나 적합성을 입증할 수 있는 것은 EMVA 데이터뿐입니다.
하지만, EMVA 데이터가 센서 설계와 관련된 문제를 파악하지 못할 때도 있습니다. 이러한 예 중 하나가 소위 셔터 라인(shutter line)이라 부르는 허상(이미지)입니다. 이런 유형의 오류는 육안으로 바로 확인되지만 EMVA 값에는 영향을 주지 않습니다. 또 다른 예는 간헐적으로 발생하는 오류인데 결함이 있거나 깜박이는 픽셀을 들 수 있습니다.
샘플 카메라에 대한 철저한 테스트가 사용자에게 훨씬 큰 도움이 될 것입니다. 이런 테스트에서 중요한 것은 카메라를 가능한 애플리케이션 환경/작업에 맞춰 세심히 검토하는 것입니다. 이미지 품질 문제에 모든 알고리즘이 동일한 감도로 반응하는 것은 아닙니다. 각각의 케이스별로 유명한 브랜드의 제조업체들만이 제공하는 확인된 이미지 품질 기준에 의지하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 테스트 시간을 절약할 수 있으며 사용하는 애플리케이션의 지루한 최적화에 들이는 노력을 줄일 수 있습니다.
보너스: 펌웨어 기능 및 높은 데이터 전송 안정성 같은 센서를 탑재한 카메라일 경우에도 펌웨어 및 소프트웨어 차이로 인해
카메라의 펌웨어와 소프트웨어가 다양하기 때문에 동일한 센서를 장착한 카메라도 매우 다르게 작동할 수 있습니다. 여기서는 GenICam과 같은 표준 준수(카메라 "주소 지정")와 GigEVision 및 USB3 Vision 인터페이스 표준과의 호환성이 중요할 수 있습니다. 이러한 표준은 카메라의 통신 채널과 인터페이스를 규제하고 정의하며, 데이터 전송 중에 안정적인 품질을 제공하면서 통합에 대한 노력을 줄여줍니다.
펌웨어 및 관련 소프트웨어의 효율에도 다양한 차이가 있을 수 있습니다. 펌웨어는 카메라 통합에 필요한 작업과 관련됩니다: 모든 카메라 제조업체가 카메라나 확립된 프로그래밍 환경의 제어를 위해 성숙한 소프트웨어와 드라이버 환경(다양한 운영 체제 및 프로그래밍 언어와 호환)을 제공할 수 있는 것은 아닙니다. 하지만 이것들은 모든 주요 디자인에 절대적으로 필요합니다.
데이터 안정성은 또 다른 차이를 보여 줄 수 있습니다. 예를 들어 프레임 버퍼를 지원하도록 카메라 펌웨어를 설정하면 데이터 안정성이 크게 향상되며 특히 높은 대역폭/프레임 속도로 동작할 때 더욱 그러합니다.
몇몇은 같은 센서에서 더욱 더 나은 결과를 달성하기도 하지만 대부분의 경우에는 비전 시스템의 성능을 향상 시킬 수 있는 표준화 된 기능 혹은 전용 기능 입니다.
무엇부터 확인해야 할까요? 그 다음에 필요한 작업은 무엇일까요?
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