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머신비전의 인간적 측면

입력 : 2017.04.20 16:48

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카메라, 센서, 비디오 인터페이스 테크놀러지의 진화는 제품 제조와 인간이 검사하는 능력을 훨씬 능가하는 품질 검사에 대한 지속적인 머신비전 성능을 발전시켰다. 


이미징 시스템은 인간의 눈으로 인지할 수 없는 현미경으로 보이는 결함을 찾을 수 있으며, 올림픽 스타 육상 선수보다 빠른 스피드로 이동할 수 있고, 인간의 근육으로 낼 수 있는 이상의 무게를 들어 올릴 수 있게 했다. 


간혹 새로운 기술 개발에서의 간과되는 것이 인간이란 요소다. 이것은 많은 부분의 기술 개발이 인간의 능력에 의문을 품거나 교체하는 것에 초점을 맞추고 있는 머신비전 애플리케이션을 발전시키고 있다. 


하지만 머신비전 시스템 제조사들은 구매 선택을 하고, 설치를 하고, 시스템 유지 보수를 하고, 모니터링과 사업 결정을 하는 데이터를 분석하는 것, 즉 머신비전을 발전시키는 것은 사람이란 것을 잊지 말아야 한다. 이 기사는 시스템의 사용과 유지 보수를 간소화하기 위한 인간의 니즈에 대해 고민하면서, 비전 스탠다드가 어떻게 새로운 머신비전 테크놀러지의 디자인을 진화시키는지에 대한 것을 다룬다. 


플러그 앤 플레이의 이점


USB는 특히 사용하기 쉬움과 넓은 가용성에서 넓은 범주의 소비자와 컴퓨팅 장치에서 유선 데이터 연결성의 근간을 이룬다. 하지만 단 하나의 예외가 머신비전이다. 왜냐하면 이전 버전의 표준은 비압축 전송의 지원과 실시간 이미지 분석의 Raw Data가 요구되는 대역폭 전송에 실패했기 때문이다. 이것이 USB2.0의 대역폭을 10배가량 제공하는 USB3.0 표준 또는 Super Speed USB가 바꿔놓았다. 이 Raw Data와 GigE Vision에 의해 개발된 컨셉을 이용하여 머신비전 산업이 USB3.0 케이블을 통해 이미징 비디오와 데이터 전송하는 것을 2013년 2월 USB3 Vision 출시와 함께 표준화했다. 


USB3 Vision으로 인해 비디오와 데이터는 카메라와 센서에서 직접적으로 기존 컴퓨터나 랩탑 또는 태블릿의 포트로 전송된다. USB3.0 버스는 3Gbps 대역폭의 데이터양을 전송한다. 이것은 Camera Link Base Configuration을 능가하고 Medium configuration에 근접하나 멀티 케이블 또는  PCIe 프레임그래버와 PC의 장치에서 데이터 획득을 위해 USB3.0 인터페이스는  별도의 프레임그래버 제품이 필요로 하지 않는다. 


머신비전에 필요로 하는 대역폭은 USB3 Vision의 초기 채택에 주요 요인이 되었다. 하지만 제품을 제조하는 장비회사는 좀더 유연한 케이블링과 플러그 앤 플레이 연결로 인한 사용 이점을 필요로 한다. 


Bin-Picking Robot(그림 1)에서 외부 프레임그래버는 이미지 정보를 기존 Camera Link 카메라에서 USB3 Vision에 호환 가능한 영상데이터로 변환한다. 영상데이터, 전원, 컨트롤 데이터는 하나의 케이블로 전송되며, 무겁고 설치하기 불편한 케이블 대신 가벼운 케이블링과 예전 인터페이스의 커넥터들과 연결된다. 이것은 전체 비용과 시스템의 복잡도를 낮추면서 초기 설치와 향후 유지보수에 대한 시간 이점을 제공한다. 


▲ 그림 1. Coverting the image feed into USB3 Vision-compliant

video provides design, cost, and maintenance advantages

in robotics applications. <출처: Pleora>


검사와 분석을 위한 현미경 시스템에서(그림 2), 디자이너는 비용을 절감하고 사용성을 향상시키며, Camera Link 카메라를 USB3 Vision 카메라로 변환함으로써 복잡성을 줄일 수 있다. 


▲ 그림 2. Computing platform options and plugand-play cabling

afforded by USB3 Vision helps lower the cost of microscopy systems

and allows faster setup and teardown of inspection stations. <출처: Pleora>


이런 시스템은 현미경 이미지를 컴퓨터로 분석과 관찰을 위한 용도로 전송하기 위해 Camera Link 카메라를 사용한다. 이 Camera Link 비디오 인터페이스는 데스크톱 컴퓨터에서 이미지 캡처를 위해 무겁고, 특수한 케이블링과 PCIe 프레임 그레버를 필요로 한다. 그 결과 좀더 복잡한 시스템과 높은 비용, 제한된 콤포넌트 선택으로 연결된다. 


비교해 보면, USB3 Vision Pleora iPort CL-U3는 현미경 카메라로부터 USB3.0 케이블을 통해 직접적으로 랩탑, 싱글 보드 컴퓨터, 또는 태블릿으로 이미지를 전송한다. 


Camera Link 프레임그래버를 PCIe 슬롯에서 제거하는 것은 전체 시스템 복잡성을 줄이고, Plug and Play USB3.0 케이블은 검사 장치에서 셋업과 해체를 신속하게 할 수 있게 한다. 


이미징 시스템의 전환


최종 고객들은 점점 휴대용 비전시스템으로 옮겨가는 추세이며, 작업 현장의 워크스테이션에서 사용한다. 더 작고, 더 강력한 카메라와 이미지 소스들의 진화는 이런 솔루션들의 개발을 지원하며, 비전 표준은 비용과 사용성이라는 장점에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 


하나의 예는 바코드 검사다. 이 애플리케이션에서 비전 표준은 소형의 탁상용 이미지 시스템 디자인을 간소화시켰다. 바코드 프린트 검사시스템은 낮은 비용과 생산성 향상에 도움을 줬으며, 자동화된 품질 검사와 창고 프로세스에서 자세한 품질 분석률을 제공하여 에러율을 줄였다. 


제조 프로세스 상에서 초기 품질 확인으로 라벨링 또는 마킹 시스템은 업그레이드 되거나 읽을 수 없는 바코드가 생산되기 전에 교체되었다. 만약 프린팅 에러가 신속히 검출되지 않는다면, 자동화된 리딩 시스템은 제품을 식별할 수 없으며, 이로 인해 바코드는 수동으로 공급 체인 시스템으로 들어가야 되거나, 식별되지 않은 제품은 제거되어야 한다. 그로 인해 제조 공정에 혼란이나 추가 비용 발생이 초래된다. 


이런 프린트 검사시스템은 머신비전 하드웨어와 소프트웨어에 의존하며, 바코드가 자동화된 공정에서 산업 표준을 충족시키는지 확인한다. 또한 소형의 임베디드 비디오 인터페이스는 비용과 크기 이점을 제공한다. 


그림 3에서 보여지는 애플리케이션에서, 휴대용 바코드 검사 시스템은 CMOS 이미지 센서를 채택하며, 바코드의 고 해상도 이미지 캡처를 위해 특화된 디자인의 조명을 사용한다. 


▲ 그림 3. Integrating GigE Vision connectivity enables portable barcode verification systems that can be easily moved to

various work cells across a manufacturing floor. <출처: Pleora>


임베디드 비디오 인터페이스는 이미지를 GigE Vision이나 USB3 Vision에 호환 가능한 이미지 스트림으로 전환시킨다. 이미지는 USB3.0 케이블을 통해 컴퓨팅 플랫폼의 포트로 전송된다. 여기서 바코드 판독성이 검사된다. POE 또는 USB 전원은 좀더 단순화된 케이블과 낮은 콤포넌트 비용을 제공한다. PCIe 프레임그래버를 제거하고, 단일 케이블 설치로 인해 휴대용 시스템은 다양한 제조현장으로 이동이 가능하다. 


무선 연결은 대부분의 최종 고객들에게 환영받는 기능이며, 머신비전이라고 예외는 아니다. 


의료 분야는 모바일 영상처리를 포용하는 첫번째 시장이 되었으며, 산업용 애플리케이션에서 모바일 비파괴 테스팅과 검사에 유사한 테크놀러지가 현재 사용 중이다. 


임베디드 비디오 인터페이스는 비압축 비디오를 낮은 지연대기로 IEEE 802.11n 무선 링크를 통해 스트리밍한다. 애플리케이션 요구 조건에 따라 비디오는 비디오 인터페이스 프레임 버퍼에 저장된다. 영상데이터는 랩탑 또는 태블릿, 단일 보드 컴퓨터로 전송되며, 값비싼 외부 프레임그래버 카드가 포함된 데스크톱 PC는 필요치 않다.  


산업용 X-Ray 애플리케이션에서 무선 솔루션은 Flat Panel Detector(FPD)에 임베디드되며, 휴대용 X-ray 이미징 시스템으로 이동할 수 있다. 임베디드 하드웨어는 무선으로 실시간 이미지를 FPD로부터 직접 컴퓨팅 플랫폼으로 분석, 녹화, 디스플레이용으로 전송한다. 


각 엔드 포인트에 이미지 데이터 캡처를 위해 PCIe 프레임그래버 또는 무선 네트워크에 이미징 장치를 연결을 위한 스탠드 얼론 802.11n 브리지는 불필요하며, 그로 인해 시스템의 복잡성을 현저하게 낮춰준다. 


최종 수요자를 위한 비디오


머신비전 시스템은 고품질, 실시간 자동화 프로세싱, 분석에 요구되는 비압축 이미지 피드를 만들어낸다. 많은 이런 애플리케이션들이 다양한 필요로 하는 요구사항을 가진 반면, 예를 들어 조립 라인의 실시간 모니터링 또는 품질 보증 목적 달성의 용도로- 높은 대역폭의 비디오 전송과 녹화는 비실용적이며, 비싼 방법이다. 대신에 제품 제조회사들은 범용 목적의 모니터링, 녹화용 영상처리 시스템을 간단하게 설치하는 USB3.0 인터페이스를 필요로 한다.  


영상 압축은 제조사들에게 좀더 경제적이고 머신비전용으로 사용하기 쉬운 이미징 시스템과 실시간 모니터링, 녹화 목적용으로 디자인하기 위해 새로운 방법을 제시한다. 이미징 애플리케이션에서 제품 제조 회사가 고려해야 할 두 가지 종류의 영상 압축 방법이 있다. 


‘unrecoverable’이라고 불리는 Lossy 압축은 몇 가지 정보와 원본 이미지의 선명도를 손실한다. DVD와 인터넷 비디오 스크리밍으로 유명한 H.264는 Lossy 영상 압축의 예이다. Lossy 압축은 50:1의 비율로 압축(또는 그 이상)하여 데이터 사이즈를 줄이는데 훌륭한 역할을 하나 높은 지연 대기를 초래한다. 이미지 품질의 손실은 인간의 눈으로 인지할 수 없으며, 몇 초간의 지연은 원격에서 모니터링하거나 이미지 스트림을 녹화할 때 영향을 주지 않는다. 


이런 타입의 압축은 다중 엔드유저를 가진 비전 애플리케이션에 적합하다. 예를 들어, 제조 라인에서 GigE Vision카메라로부터의 비압축 비디오는 프로세싱과 분석 플랫폼으로 전송된다(그림 4). 


▲ 그림 4. Machine vision video from a manufacturing line can be compressed and transmitted to an operations center

for live viewing and archiving. <출처: Pleora>


동일한 비디오는 트랜스 코더 게이트웨이로 멀티 캐스트 될 수 있으며, H.264를 이용하여 압축하고 비디오를 유선 또는 무선 연결로 운영 센터로 전송할 수 있다. 여기서 운영자는 원격으로 시설을 모니터하며 추후 분석을 위한 주요 이벤트들을 기록할 수 있다. 


회복 가능하거나 또는 JPEG-LS 같은 수학적으로 무손실 압축 기술, JPEG 2000의 특정 모드는 훨씬 낮은 압축 비율을 가지고 있다. 하지만 모든 원본 정보는 보존된다. 게다가 지연대기는 이 가벼운 압축으로 인하여 훨씬 낮아진다. 


회복 가능한 압축 데이터는 낮은 지연대기가 요구되는 시스템에 적합하나 데이터 레이트가 기존 케이블링에 의해 지원되는 것보다 높아야 한다. 예를 들어, 1080p 컬러 비디오 데이터는 GigE Cable 또는 Camera Link Full 데이터를 USB3.0 케이블을 통해 전송된다. 그 결과 디자이너는 고해상도 이미지를 저렴하고 사용하기 쉬운 케이블을 통해 전송하며 시스템 기능을 향상시킬 수 있다. 


머신비전의 인간의 이점


머신비전 기술의 개발이 더 똑똑하고, 작고, 빠름에 초점을 두는 동안 빠른 공정의 제조 로봇과 휴대용 이미징 애플리케이션의 뒤에는 구매, 설치, 시스템 유지 보수, 최종적으로 사업 결정을 위한 데이터 분석 전에 비용 장점을 평가한 것은 사람이다. 이런 USB3.0 시스템은 다른 인터페이스 디자인(CameraLink, Gigabit Ethernet) 보다 비용적으로 효율적이며, 사용하기 쉽다는 것을 확신시켜준다. 


/(주)다트비젼

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