폭넓은 머신비전 어플리케이션 위한 카메라 디자인
게재:2009년04월01일
By Venkata Raghavan
Product Applications Manager
Cypress Semiconductor Corporation
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| 그림 1: (A) 머신비전 시스템의 요소들 (B) 오프라인 프로세싱 카메라 |
머신 비전에 필요한 것은?
머신비전 시스템은 Firewire나 USB또는 이더넷 같은 전기적 인터페이스를 통해 컴퓨터에 연결되어 있는 이미지 센서와 렌즈 시스템(카메라)으로 실현할 수 있다. 이 경우 컴퓨터는 제어 기기에 연결되어 있다.
머신비전 어플리케이션들을 성공적으로 구현하기 위해서는 다음과 같은 하드웨어와 소프트웨어의 조합이 필요하다:
· 카메라
· 컴퓨터 (호스트)
· 프레임 포착기
· 어플리케이션 소프트웨어
적합한 하드웨어의 선택이 중요하긴 하지만 모든 머신비전 시스템의 핵심을 이루고 있는 것은 시각검사 소프트웨어다.
일반적으로 픽셀 클럭에 의해 구동되는 센서들은 해상도, 동작 속도, 이득 제어, 노출 시간 그리고 SPI나 I2C 인터페이스를 통한 사용자의 통합 시간을 구성하기 위해 레지스터 세트를 갖게 된다. 센서는 처리될 디지털 데이터와 함께 프레임 싱크 및 라인 싱크 펄스들을 출력한다.
센서로부터의 전기적 인터페이스는 최고 200 MHz의 속도까지 CMOS를 사용한다. 보다 높은 속도에서의 신호 무결성을 위해서는 LVDS 인터페이스가 필요하다.
오프라인 프로세싱 카메라
이 같은 구성의 머신비전 시스템은 Firewire, USB 또는 GigE와 같은 업계 표준의 전기적 인터페이스를 사용하는 독립형 카메라에서 동작한다.
카메라는 별도로 전원을 공급 받으며, 미처리 데이터는 전기적 인터페이스를 통해 호스트로 전송된다. 비디오 전송은 어플리케이션의 필요에 따라 연속 프레임일 수도 있고 하나의 데이터 프레임일 수도 있다. 단일 프레임 캡쳐 및 비디오 전송을 트리거 모드라고 하는데, 외부 시스템이 전기 펄스를 대개 CMOS 레벨에서 카메라 시스템에게 전송한다.
카메라 로직은 1 프레임 통합을 시작하여 스캔된 데이터를 전기적 인터페이스를 통해 호스트로 전송한다. 어떤 경우에는 미처리 데이터가 동기 신호, 클럭 및 데이터(프레임 포착기와 같은 최종 데이터 수집 시스템으로 가는)와 함께 버스를 통해 전송된다. 프레임 포착기는 데이터를 메모리에 저장하는데, 이어서 호스트 어플리케이션 소프트웨어가 프로세싱 및 제어를 위해 이를 액세스할 수 있다.
카메라와 호스트 간의 전기적 인터페이스에는 다음과 같은 것들이 있다:
1. Firewire IEEE 1394 인터페이스
2. USB 인터페이스
3. 미국 자동인식협회(AIAAutomated Imaging Association)에서 정의한 GigE Vision 인터페이스
4. 콤포지트 아날로그 비디오
5. LVDS
오프라인 프로세싱의 이점 가운데 하나는 하나의 호스트로 카메라와 시스템 제어를 모두 할 수 있다는 점이다. 반면에 카메라로부터 오는 비디오 데이터의 프레임별 전송에 지연이 발생하므로 컨베이어 벨트 상의 제품 검사와 같은 어플리케이션을 위한 실시간 프로세싱에는 적합치 않다.
온라인 프로세싱 카메라
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| 그림 2: 온라인 프로세싱 카메라는 패킷 프로세싱의 부담 없이 데이터 프로세싱을 수행할 수 있다. |
최근에는 복잡한 알고리즘들을 실시간으로 실행할 수 있을 정도의 연산능력을 지닌 DSP 프로세서들이 개발됨에 따라 온라인 프로세싱이 가능해졌다. 카메라에는 센서와 DSP 프로세서가 내장되어 있는데, 이들은 글루로직을 이용하거나 혹은 글루로직 없이 연결되어 있다.
센서로부터 스캔된 비디오는 DMA에 의해 DSP의 메모리로 직접 전송된 뒤 프레임 단위로 처리된다. 그리고는 최종 결과나 제어 기능이 프로세서에 의해 제어 대상 시스템에 대해 바로 시작되거나 혹은 호스트에 명령으로서 전달된다.
카메라 내에 비디오 프로세싱을 탑재할 경우의 이점은 데이터 프로세싱을 Firewire, USB 또는 GigE 인터페이스 상에서의 패킷 프로세싱 부담 없이 실시간으로 수행할 수 있다는 점이다. 300 MHz 이상의 클럭 주파수로 동작하는 DSP 프로세서들을 이용한 보다 빠른 실시간 프로세싱을 위해 바이트 수준에서 최적화된 어셈블리 코드를 이용할 수 있다.
이미지 알고리즘들의 실시간 프로세싱은 예컨대 컨베이어 상의 디바이스가 고속으로 움직이고 있는 검사 어플리케이션들에 있어서 극히 중요하다. 한 프레임의 이미징을 연산한 뒤 다른 이미지 프레임이 시스템으로 전송되기 전에 동작을 취해야 하기 때문이다.
중요 사양
머신비전 시스템에서 화질은 최종적인 이미지 프로세싱 결과에 직접적인 영향을 미치는 주된 요소이다. 특히 자연광 조건 하에서는 광원 상태가 변화함에 따라 화질이 크게 달라진다. "이득"과 "노출 시간" 같은 카메라 설정을 조정하면 불안정한 주변조명 상태를 보상하고 화질을 개선할 수 있다.
최종 어플리케이션과 스캔되는 피사체에 대한 센서의 인접성에 따라 광원은 별도의 장치가 될 수도 있고 렌즈 주변에 있는 카메라 헤드의 일부가 될 수도 있다. 광원이 카메라 헤드 주변에 있을 경우에는 카메라를 광원과 함께 이동시킬 수 있다. 일반적으로 사용되는 광원은 할로겐 등과 형광등, LED(light emitting diode)이다.
화질에 영향을 미치는 요소들:
1. 빛의 강도
2. 빛의 방향
3. 피사체와의 거리
4. 초점거리
5. 샘플링 속도
6. 노출 시간 및 이득
7. 암누설 전류(dark leakage current)
8. 해상도 (픽셀 수)
렌즈의 선택 및 요건─고품질의 렌즈도 센서의 품질 못지 않게 중요하다. 카메라는 전기광학 시스템이므로 광학부와 전자장치의 협력에 의해 이미지를 형성한다. 이미지가 흐려지는 현상은 렌즈 선택이 잘못될 경우 흔히 야기되는 현상이다.
사용할 렌즈의 최적 크기와 형태는 초점거리에 좌우되지만, 보다 작은 피사체 거리에 대해서는 "C" 마운트 렌즈들이 일반적으로 사용된다. 카메라가 반사가 심한 환경에서 동작해야 할 경우에는 무반사 코팅 렌즈가 선호된다. 전반적인 카메라 커버리지는 필요한 화각과 동작 거리 그리고 렌즈를 토대로 하게 된다.
정확성과 최종 피사체 해상도
렌즈 설계/선택에 있어서 중요한 또 다른 파라미터는 밀리미터(1,000분의 1 인치) 단위로 표시되는, 필요한 최종 피사체 해상도이다.
생산 현장에서 카메라를 피사체 치수의 측정에 사용할 경우에는 다음과 같은 여러 가지 중요 파라미터들을 고려해야 한다:
1. 시야
2. 센서 해상도(픽셀 수)
3. 화질
4. 비전 툴의 정확성
예를 들어, 툴의 픽셀 정확도가 1/10이고 피사체 크기가 폭 5인치에 높이 4인치이며 수평시야가 6인치인 IBIS5-1300 센서(1.3Mpixel 1280(h) X 1024 (v))의 경우, 정확도는 0.0004 인치이다.
해상도: 스캔되는 최종 피사체에 필요한 이미지의 시야와 입도(粒度)를 토대로 VGA내지는 메가픽셀급 어레이가 일반적으로 사용된다.
감도
흑백 또는 컬러: 대부분의 검사 어플리케이션들은 흑백 센서를 채택하여 회색 계조를 생성할 수 있다. 그 전형적인 어플리케이션들은 바코드 판독기, 지문 스캐너, 생산 장비용의 치수 측정 등이다.
컬러 디바이스들은 피사체의 색상이 품질이나 생산제어와 관련이 있을 경우 사용된다. 그 한 예가 후추나 사과의 등급 결정 및 분류이다. 센서로부터 오는 24비트 색상 데이터는 1,740만 가지의 서로 다른 색조들을 캡쳐할 수 있다.
센서 파라미터와 선택
머신비전 어플리케이션에서 센서와 카메라는 여러 가지 해상도와 프레임 속도를 지원해야 한다. 이를 프로그램 가능한 피처로서 구현하면 보다 다양한 머신비전 어플리케이션들에 걸쳐 보다 융통성 있는 카메라 디자인이 가능해진다. 일반적으로 지원되는 피처들 가운데 일부는 다음과 같다:
· 윈도윙 및 해상도 선택
· 사용자가 프로그램할 수 있는 높은 프레임 속도
· 표준적인 전기적 CMOS 인터페이스
· 낮은 센서 암누설 전류
· 넓은 동적 범위
신뢰성과 센서 성능은 업계의 동작환경 내에서 견딜 수 있어야만 한다. 장치들은 산업용 등급을 갖춰야 하며 일반적으로 섭씨 0~80도의 온도 범위에서 동작해야 한다.
어플리케이션:
· 지침: 로봇형 자동배치 기기의 시스템
· 검사: 텍스처, 표면, 라벨, 조립
· 측정: 생산 부품의 물리적 치수, 조립 부품의 치수
· 식별: 자동배치 기기, 로봇공학, 판독문자, 판독코드
<이번호 저널 2009년 4월>호에서 이 기사 및 다른 기사들도 찾아볼 수 있습니다.
본 기사는 에 있는 전자 엔지니어 기사에서 인쇄한 것입니다:
http://www.eetkorea.com/ART_8800568272_480503_NT_434fbeee.HTM
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