열악한 조명 조건에서도 결함을 놓치지 않는 HDR 이미징 및 톤 매핑 기술
산업 및 전자 제조 공정에서는 밝게 반사되는 표면과 어두운 음영 영역이 인접한 고명암비 장면이 자주 발생합니다. 표준 이미징 시스템은 이러한 극단적인 조명 조건에서, 특히 처리 속도 제약이 있을 경우 전체 디테일을 정확히 캡처하는 데 어려움을 겪습니다. Basler는 모션, 명암비, 처리 속도 요구사항에 맞춘 HDR 대응 솔루션 포트폴리오를 제공합니다. 이 사용 사례에서는 IMX676 센서를 기반으로 한 DOL HDR 옵션이 실제로 어떻게 작동하는지를 보여줍니다.
반사·투명·음영 표면에서도 안정적인 결함 검사
저명암비 환경에서 마이크로 결함을 검출해야 하는 검사 공정은 극단적인 명암 대비와 복잡한 반사 조건으로 인해 높은 이미징 난이도를 보입니다. 이러한 환경이 대표적으로 발생하는 어플리케이션은 다음과 같습니다.
이러한 까다로운 환경에서는 조명이 최적으로 설계되었다 하더라도, 밝은 반사 영역을 과노출 없이 제대로 표현하는 동시에 어두운 영역의 디테일을 충분히 확보하려는 기본적인 광학적 충돌을 완전히 해결할 수는 없습니다.
기존 이미지 처리 기술은 이러한 고대비 장면의 전체 다이내믹 레인지에서 중요한 디테일을 동시에 포착하는 데 한계를 보입니다. 이로 인해 밝은 영역 또는 어두운 영역 중 한쪽의 주요 정보가 손실되기 쉬우며, 이 같은 정보 손실은 정밀 검사가 요구되는 어플리케이션에서 결함 검출의 정확도와 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있습니다.
어플리케이션 적용 예시: Basler의 카메라 내 톤 매핑을 적용한 IMX676 기반 HDR
Sony IMX676 센서를 탑재한 Basler ace 2는 DOL HDR을 통해 90 dB 이상의 다이내믹 레인지를 제공합니다. 카메라 내부에 톤 매핑이 구현되어 있어, 호스트 측 추가 처리 없이도 균형 잡힌 이미지를 직접 출력합니다. 출력 포맷은 Bayer8, Bayer16, RGB8, YCbCr를 지원하며, 디스플레이 및 알고리즘 처리 모두에 사용할 수 있습니다.
DOL HDR 기술로 밝은 영역과 어두운 영역을 선명하게 포착
Digital Overlap(DOL) HDR은 각 라인이 순차적으로 노출되는 롤링셔터 센서를 위해 설계된 HDR 방식입니다.
전체 프레임의 노출이 끝날 때까지 기다리는 대신, 첫 번째 노출이 진행 중인 동안 다음 노출을 바로 시작하여 두 노출이 시간적으로 겹치도록(overlap) 동작합니다. 이러한 구조 덕분에, 여러 장의 전체 프레임을 촬영해 합성할 필요 없이 단일 프레임 기간 안에서 HDR을 구현할 수 있습니다.
Basler는 DOL HDR 기능을 ace 2 IMX676 카메라에 펌웨어 최적화와 내장 톤 매핑 형태로 직접 통합했습니다. 이로써 복잡한 노출 제어나 외부 동기화 없이도 HDR 이미지를 실시간으로 출력할 수 있어, 시각화 및 알고리즘 처리를 즉시 수행할 수 있습니다.
그 결과, 단일 프레임 안에서 밝은 영역과 어두운 영역을 끊김 없이 동시에 캡처할 수 있으며, 고반사 또는 고대비 환경에서도 미세 균열, 흠집, 오염과 같은 결함을 안정적으로 검출할 수 있습니다.
Raw 데이터부터 디스플레이까지: 톤 매핑의 역할
IMX676과 같은 HDR 센서는 16비트 Bayer 형식의 고비트 데이터를 출력하여 섀도우 및 하이라이트 영역에서 전체 다이나믹 레인지를 보존할 수 있습니다. 톤 매핑은 이 다이내믹 레인지를 비선형적으로 압축하여 Bayer8, RGB, YCbCr 등의 8비트 포맷으로 변환함으로써, 표준 모니터에서도 이미지가 제대로 표현될 수 있도록 합니다.
ace 2 IMX676에는 톤 매핑이 카메라 펌웨어에 내장되어 있어, 추가적인 호스트 프로세싱 없이도 실시간으로 자연스러운 이미지를 구현할 수 있습니다. 이는 특히 작업자가 직접 모니터링하는 환경에서 효과적입니다.
하지만 이미지가 알고리즘에 의해 처리되는 머신비전 어플리케이션에서는 톤 매핑이 필수가 아닙니다. 이 경우 알고리즘은 고비트 원본 데이터를 직접 처리할 수 있어, 전체 다이내믹 레인지와 정밀도를 그대로 유지할 수 있습니다.
인카메라 DOL-HDR 및 톤 매핑 vs. 소프트웨어 기반 솔루션
인카메라 DOL-HDR과 톤 매핑은 OpenCV와 같은 소프트웨어 기반 HDR 방식에 비해 뚜렷한 이점을 제공합니다. DDOL-HDR은 노출 구간이 서로 겹쳐 수행되기 때문에, 롱 노출과 쇼트 노출 사이의 시간차를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 소프트웨어 방식으로는 구현하기 어려운 부분입니다. 이로 인해 실시간 처리나 움직임이 있는 대상에도 빠르고 노이즈가 적은 HDR 결과를 제공할 수 있습니다. 아래 표는 두 방식 간의 주요 차이점을 정리한 것입니다:
특징 | ace 2 IMX676 (DOL-HDR + 톤 매핑 적용) | 소프트웨어 기반 HDR(예: OpenCV) |
처리 속도 | 실시간 인카메라 | 느림, CPU/GPU 처리 필요 |
|---|---|---|
지연 | 매우 낮음 | 높음 |
모션 아티팩트 | 최소화 | 고스트 발생 위험 증가 |
대역폭 효율성 | 최적화된 단일 이미지 출력 | 다중 이미지 전송 필요 |
사용 사례 적합성 | 산업 비전 | 사진; 후처리 시나리오 |
HDR 방식 비교: 어플리케이션에 적합한 솔루션 선택
IMX676의 DOL HDR 및 톤 매핑은 다양한 일반 어플리케이션에 이상적인 솔루션이지만, Basler는 용도에 따라 최적화된 여러 가지 HDR 방식을 지원합니다.
HDR 방식 | 기술 | FPS 영향 | 모션 안정성 | 해상도 | 이미지 품질(SNR) | 다이나믹 레인지2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
서로 다른 노출 시간의 다중 이미지 캡처 | ||||||
다중 노출 | 호스트 시스템에서 다중(N) 프레임, 조합 및 톤 매핑 수행 | 1/N | 낮음 | Full | ♦♦♦ | +(N-1) x ■■ |
DOL HDR1 (예: IMX 676) | 두 가지 노출을 카메라 내부에서 처리(결합 및 톤 매핑) | 보통 | 보통 | Full | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
쿼드 HDR1(예: IMX900) | 다중 노출 시간 단일 장면에서 사용 픽셀 단위 제어 | 없음 | 우수함 | 1/4 | ♦♦♦♦ | +■■■■ |
인터리브 HDR (예: GMAX 센서) | 단일 이미지 캡처 내에서 라인별로 서로 다른 두 가지 노출 시간 적용 | 없음 | 우수함 | 1/2 | ♦♦♦ | +■■⧠⧠ |
단일 이미지 캡처, 다중 게인 | ||||||
듀얼 게인 | 단일 노출에서 동일한 픽셀을 두 가지 서로 다른 게인으로 읽어내는 방식 | 센서에 따라 1/2~보통 | 좋음 | Full | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
듀얼 컨버전 게인 (DCG)1 (예: IMX53X 시리즈) | 단일 노출, 동일한 픽셀을 두 가지 서로 다른 게인으로 읽는 방식 | 없음 | 좋음 | Full | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
클리어 HDR1 (예: IMX676) | 단일 노출, 동일한 픽셀을 두 가지 서로 다른 게인으로 읽는 방식 | 없음 | 좋음 | Full | ♦ | +◪⧠⧠⧠ |
단일 이미지 캡처, 기타 기법 | ||||||
비닝 퓨전 | 한 프레임 내에서 인접 픽셀(N)을 결합하기 | 없음 | 좋음 | 1/N | ♦♦♦ | +◪⧠⧠⧠ |
IMX490 | 각 픽셀에 두 개의 감도 영역 보유 | 없음 | 우수함 | Full | ♦♦♦ | +■■■■ |
각주:
1. Sony 제공 기능
2. 실제 다이내믹 레인지 향상 정도는 센서 아키텍처, 장면 특성, 구현 방식에 따라 달라질 수 있습니다. 표기된 기호는 상대적인 성능 수준을 나타내며, 고정되거나 보장된 성능을 의미하지 않습니다.
HDR을 제대로 적용하려면, 어플리케이션의 검사 조건을 정확히 이해하는 것이 가장 중요합니다. Basler는 검사 속도, 물체의 움직임, 품질 기준 등 다양한 요소를 고려해, 가장 적합한 HDR 솔루션을 제안합니다. 당사의 R&D 팀은 모션, 해상도, 시스템 통합 요건 등 다양한 조건에 맞춰 사용할 수 있도록 여러 가지 HDR 방식을 개발해왔습니다.
요약: 왜 Basler HDR 이미징을 선택해야 할까요?
고속 라인이나 디테일 중심의 검사 환경에서는, 하나의 HDR 방식으로는 모든 요구를 충족시키기 어렵습니다. 그래서 Basler는 다양한 움직임 환경과 이미지 품질 요구에 대응할 수 있도록 더 유연한 HDR 솔루션을 제공합니다.
폭 넓은 옵션 제공: 멀티·싱글 노출 방식, 센서 기반 HDR 기능, FPGA 기반 처리 등 여러 검사 조건에 맞춘 다양한 HDR 방식을 지원
손 쉬운 시스템 통합: 실시간 HDR 처리와 카메라 내장 톤 매핑 기능을 통해, 호스트의 처리 부담을 줄이고 통합 과정을 단순화
확장성과 미래 대응성: 최신 센서 기술을 지원하여, 앞으로 더욱 정교해지는 검사 요구사항에도 대응 가능
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당사의 엔지니어가 DOL HDR, Dual ADC, Quad HDR 중 검사 요구사항에 가장 적합한 HDR 솔루션을 선택할 수 있도록 도와드립니다.
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