화상 처리 시스템 기본 요소
식품을 좋은 형태로 유지하는 데 화상 처리 시스템이 어떤 관계가 있을까요?
누구나 신선하고 외관이 깨끗한 식품을 선호합니다. 이러한 제품들의 품질 보장 과정에서 이를 위해 화상 처리 시스템이 사용되는 경우가 많습니다. 이미지 데이터는 이미지 데이터 없이 생산자가 불가능했을 결정을 충분한 정보에 근거하여 결정을 내릴 수 있도록 도와줍니다.
그런데, 이런 종류의 시스템을 설계하려면 어떻게 해야 할까요? 필요한 절차는 무엇이고, 고려해야 할 요소들은 무엇이 있으며 이용 가능한 옵션은 무엇이 있을까요?
사과 농장 주인이 사과 검사용 머신 비전 시스템 설계를 요청해왔다고 가정해 보겠습니다. 그는 균일한 품질을 제공하고 싶어 합니다. 이는 빠른 속도로 작동하며 불량 사과를 분류해 내는 것을 의미합니다. 그가 할 질문은 다음과 같습니다.
정확한 시스템 요구 사항은 무엇인가요?
필요한 해상도와 센서는 무엇일까요?
컬러를 사용해야 할까요, 아니면 모노크롬 카메라를 사용해야 할까요?
필요한 카메라 기능은 무엇이고 어느 정도의 이미지 품질이면 충분할까요?
카메라의 눈: 배율 및 렌즈 성능
어떤 조명을 사용해야 할까요?
어떤 소프트웨어가 필요할까요?
어떤 소프트웨어가 필요할까요?
필요한 요소에 대한 이해: 요구 사항 정의
시스템이 제공해야 할 기능과 환경은 무엇인가요?
이 질문은 너무 당연한 것 같아서 대부분 간과하며, 제대로 된 답변을 찾기가 어려운 경우가 많습니다. 하지만 사실은 변하지 않습니다. 원하는 것이 무엇인지 미리 명확히 알고 있으면 나중에 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
귀하의 시스템은
사람의 눈으로는 감지할 수 없는 제품 특징을 드러내는 데 사용되는 확대경 또는 특수 조명과 같은 툴을 이용해 검사 대상 물체의 이미지만 표시하면 되나요?
대상 제품의 크기 및 규격 일관성과 같은 특징을 계산해야 하나요?
이송 및 분류 시스템에서와 같이 올바른 위치 지정 검토에 사용되나요?
제품을 구체적인 제품 등급으로 분류하기 위한 특성 파악에 사용되나요?
해상도 및 센서
애플리케이션별로 사용되는 카메라는 무엇일까요? 요구 사항 정의는 카메라의 해상도 및 센서 크기를 도출하는 데 사용됩니다.
하지만 먼저 다음 사항을 정의해야 합니다. 정확히 해상도란 무엇일까요? 클래식 사진에서 해상도란 이미지 속에서 고유하게 식별할 수 있는 두 점 또는 두 선 사이의 최소 거리를 의미합니다.
디지털카메라에서는 "2메가픽셀 해상도"와 같은 용어가 자주 사용됩니다. 이는 센서의 총 픽셀 수를 의미하는 것이지 엄밀히 말해 해상도를 의미하는 것은 아닙니다. 적절한 해상도는 카메라, 렌즈 및 지오메트리의 전체 패키지, 즉 설정에 필요한 거리가 갖추어진 후에야 결정할 수 있습니다. 픽셀 수가 중요하지 않다는 것은 아닙니다. 고해상도를 구현하려면 정말 많은 수의 픽셀이 필요합니다. 본질적으로 픽셀 수는 최적의 조건에서의 최대 해상도를 나타냅니다.
높은 해상도 또는 넓은 검사 범위 - 이들 요구 사항을 만족시키려면 모두 최대한의 카메라 픽셀 개수가 필요합니다. 고해상도로 넓은 영역을 검사해야 한다면 사실 여러 대의 카메라가 필요할 수 있습니다. 사실, 전체 영역을 커버할 수 있는 값비싼 특수 렌즈가 부착된 카메라 한 대보다는 표준 렌즈가 부착된 카메라 여러 대를 사용하는 편이 저렴한 경우가 많습니다.
센서 크기와 FOV는 기본 배율(depiction scale)을 나타내며 이는 나중에 렌즈를 선택하는 데 중요한 역할을 합니다.
컬러 또는 모노크롬?
일반적으로 말해 대부분의 애플리케이션은 실제로는 컬러 카메라가 필요 없습니다. 컬러 이미지는 많은 관찰자들에게 그저 눈을 편케 해 줄 뿐인 경우가 많습니다. 컬러 카메라를 이용해 사실적으로 컬러를 재현하려면 백색 조명도 사용해야 합니다. 색상으로 특성을 감지할 수 있다면(예: 사과의 붉은 색 흠), 항상은 아니더라도 종종 컬러가 필요합니다. 하지만 대부분의 경우 이러한 특징들은 컬러 조명을 사용하면 모노크롬 카메라의 흑백 이미지에서도 찾아낼 수 있습니다. 여기에서 완벽한 샘플을 대상으로 한 실험이 도움이 될 수 있습니다. 컬러 카메라의 감도는 본질적으로 흑백 카메라에 비해 낮으므로 컬러가 관련이 없다면 모노크롬 카메라를 선택하는 편이 좋습니다.
고도로 복잡한 작업을 수행 중인가요? 그렇다면 여러 대의 카메라 사용을 검토할 필요가 있으며 특히 서로 다른 특징들을 녹화해야 하고 각각 서로 다른 조명이나 광학 구성 요소가 필요한 경우라면 더욱 그렇습니다.
카메라 기능 및 이미지 품질
좋은 카메라에는 단순한 픽셀 개수 이상의 것이 존재합니다. 이미지 품질과 카메라 기능 역시 감안해야 합니다.
디지털 카메라의 이미지 품질을 평가할 때는 다음 요소들과 함께 해상도 역시 중요한 한 가지 요소입니다.
광 민감도
다이내믹레인지
신호대잡음비
카메라 기능 중 가장 중요한 것은 대개 fps 단위로 명시되는 속도입니다. 이것은 초당 촬영 가능한 최대 프레임 개수를 나타냅니다.
카메라의 눈: 배율 및 렌즈 성능
우수한 광학 시스템은 비쌉니다. 대부분의 경우 표준 렌즈도 작업을 처리하기에 충분한 성능을 갖고 있습니다. 필요한 것이 무엇인지 파악하려면 다음과 같은 변수에 대한 정보가 필요합니다.
렌즈 인터페이스
픽셀 크기
센서 크기
이미지와 피사체 크기 사이의 비율을 나타내는 이미지 스케일. 이는 개별 픽셀 크기를 픽셀 해상도로 나눈 비율에 해당됩니다(픽셀 해상도는 카메라 센서의 픽셀 한 개를 정교하게 채우도록 했을 때 검사 대상 물체의 사각형 가장자리 길이를 나타냅니다).
이미지 스케일 그리고 카메라와 피사체 간 거리를 결정하는 렌즈의 초점 거리
조명
이 정보를 확보할 수 있다면 렌즈 제조업체의 사양 명세서를 확인해 저렴한 표준 렌즈로 충분한지, 아니면 고가의 렌즈가 필요한지 검토하기가 쉬워집니다.
왜곡, 해상도(MTF 곡선으로 표현), 색수차 및 렌즈의 최적 스펙트럼 범위와 같은 렌즈의 특성은 추가 선택 기준 역할을 합니다.
예를 들어 근적외선용 특수 렌즈, 극 광각 렌즈('어안(fisheye)'), 길이 측정에 특별히 적합한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈 등이 있습니다. 하지만 이러한 렌즈는 일반적으로 높은 가격에 판매됩니다.
여기에도 규칙이 하나 있습니다: 미해결 질문에 답하기 위한 가장 좋은 방법은 테스트 및 샘플 샷입니다.
조명
어두운 조명에서는 어떤 것도 잘 보이지 않습니다: 뻔한 말같지만 화상 처리 시스템에서도 이는 사실입니다.
빠른 속도의 검사를 위해서는 민감한 카메라와 강력한 렌즈가 필요합니다. 대부분의 경우 보다 쉬운 옵션은 조명 여건을 조정하거나 향상시켜 이미지 밝기를 높이는 것입니다. 보다 높은 이미지 밝기를 얻기 위한 옵션은 다양합니다. 렌즈나 플래시를 이용한 주변광 증가 그리고 빛 조정이 적합한 광원을 만드는 두 가지 예입니다. 하지만 단지 조명 강도만이 중요한 것은 아닙니다. 빛이 렌즈를 통과해 카메라에 들어오는 경로 역시 중요합니다.
사진 촬영에서의 한 가지 흔한 예가 바로 플래시 사용입니다. 주변광이 너무 산란되면 플래시를 사용해 원하는 방식으로 빛의 방향을 조절합니다. 물론 이럴 경우 이미지에서 포착하고자 하는 세부 정보를 가리는 매끄러운 표면에서 일어나는 원치 않는 반사광을 해결해야 합니다. 화상 처리에서 이러한 종류의 효과는 반사가 잘 일어나지 않는 똑바른 표면에 강한 빛을 비추는 경우에는 바람직할 수 있습니다. 여러 방향으로 반사를 일으키는 표면이 많은 대상에는 확산광이 더 좋습니다.
PC-하드웨어
필요한 하드웨어는 작업과 필요한 처리 속도에 따라 다르며, 간단한 작업은 PC 하드웨어와 표준 이미지 처리 패키지로 수행할 수 있지만 복잡하고 빠른 이미지 처리 작업에는 특수 하드웨어가 필요할 수 있습니다.
소프트웨어
소프트웨어는 이미지를 평가하는 데 필요합니다. 대부분의 카메라에는 이미지를 표시하고 카메라를 구성하는 데 사용되는 소프트웨어가 함께 제공됩니다. 카메라를 켜 실행하는 데는 이 정도면 충분합니다. 특수한 애플리케이션과 화상 처리 작업에는 구매 또는 맞춤형으로 개발한 특수한 소프트웨어가 필요합니다.
요약
화상 처리 시스템 설계를 시작하기 전에 카메라와 카메라 광학 부품부터 조명 및 PC 하드웨어와 시스템을 지원하는 소프트웨어에 이르기까지 사용할 모든 구성 요소에 대해 고려해야 할 부분이 많습니다.
이러한 작업들은 사전에 작업 및 기본 조건을 명확히 하기 위한 시간만 갖는다면 한 단계씩 해결해 완전하게 처리할 수 있습니다. 이 주제에 대한 자세한 내용을 알아보려면 이 주제에 대해 보다 포괄적으로 다루고 있는 저희의 백서를 참조하시기 바랍니다. 백서
비전 시스템 조립
카메라, 렌즈, 조명만 있으면 비전 시스템을 구축할 수 있습니다. 비전 시스템 구성 도구(Vision System Configurator)를 사용하여 시스템을 쉽게 조립하세요.
