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머신비전 산업에 깊숙이 들어와 있는 ‘스마트 카메라’

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2018 산업용 카메라에 주목하라


오늘날 스마트 카메라는 빌딩관리나 빌딩제어 분야 애플리케이션의 핵심 디바이스가 되었으며, 향후에는 우리 주변 곳곳에 스며들어 주변 환경에 따라 지능적으로 대처할 수 있는 유비쿼터스 환경의 핵심 기술로 자리매김하게 될 것이다.


검사장비의 기본은 머신비전시스템


머신비전이란 기계에 인간의 시각과 판단 능력을 부여한 것을 의미한다. 사람이 눈을 통해 인지하고 판단하는 기능을 소프트웨어와 하드웨어 시스템을 통해 구현하는 기술로 제품의 외관에 대한 검사나 측정을 카메라와 영상 보드, 소프트웨어 등의 처리를 통해 수행한다. 따라서 머신비전은 하드웨어, 광학계 및 소프트웨어의 기능이 통합되기 때문에 전문성 및 높은 기술력을 요구한다. 특히 최근의 머신비전시스템은 단순한 측정에서 영상의 처리, 판단의 과정 등 사용처의 상황 및 용도에 맞게 진화하고 있다.


머신비전의 소프트웨어는 하드웨어를 통해 데이터를 측정하고, 판단하는 역할을 종합적으로 수행한다. 정량적으로 측정된 개별 데이터 값들을 통합하고, 분석을 통해 판단을 내리는 두뇌의 역할이다. 특히 소프트웨어의 경우, 고객의 요구 사양에 맞춰 주문 제작이 가능하기 때문에 최종 사용자의 사용 용도에 맞춤형 서비스 제공이 가능하다. 소프트웨어는 원데이터(Raw-Data)에서 알고리즘을 통해 분석을 하고, 전체 기계를 제어하는 중요한 역할을 하기 때문에 기술적인 장벽도 높다.


카메라모듈 산업의 현황


듀얼카메라의 출시에 따라 검사장비는 하나의 기기에서 더 많은 카메라모듈에 대한 검사가 필요해졌고, 3D 카메라라는 신규 기술이 적용됨에 따라 관련 검사장비의 고기능화도 지속되고 있다. 카메라 모듈을 활용한 다양한 기능이 확대되면서 관련 검사장비 시장도 확대될 것으로 판단한다. 카메라모듈 시장은 국내 기업들이 시장을 주도해왔다. 그러나 최근에는 중국 업체들의 시장 진입으로 경쟁이 가속화됨에 따라 시장을 선도하는 업체들은 차세대 카메라모듈 개발이 필수적이다. 글로벌 스마트폰 업체인 삼성전자 및 애플도 카메라 화소 경쟁에서 듀얼카메라, 3D 카메라 등 카메라모듈 관련 최신 기술을 탑재되면서 관련검사장비 시장도 확대되고 있다(그림 1 참조). 


▲ 그림1. 카 메라모듈 진영 기술 로드맵(출처: 하이비전시스템)


머신 비전산업의 스마트 카메라


스마트 카메라가 널리 대중화되면서 비디오 감시 분야와 머신 비전 분야의 산업에서 스마트 카메라가 사용되기 시작했다. 스마트 카메라는 단순히 영상정보를 획득하고 획득한 영상정보를 저장하는 기존의 카메라 기능에서 벗어나, 미리 정해진 여러 가지 필요한 작업을 수행하는 비전시스템으로 정의할 수 있다. 특히, 최근 들어 마이크로프로세서의 기능이 확대되면서 카메라 내부에서 지능형 영상처리나 패턴인식 알고리즘을 수행할 수 있게 되었으며, 이러한 기술을 이용해서 스마트 카메라는 움직임 감지, 오브젝트 측정, 차량의 번호판인식뿐만 아니라 인간의 행동까지도 인식할 수 있게 되었다.


스마트 카메라 정의


스마트 카메라는 영상정보를 획득하는 기능만을 갖고 있는 것이 아니라, 영상에 나타난 의미를 찾고 경우에 따라서는 카메라 사용자를 위한 일련의 작업까지도 수행하는 기능을 갖고 있는 카메라를 말한다. 미디어나 인터넷 또는 카메라 제조업자나 개발자들이 스마트 카메라에 대하여 다양한 정의를 내리고 있지만 스마트카메라의 명확한 정의로 보기는 어렵다. 스마트 카메라의 정의에 있어 대부분의 경우 스마트 카메라가 이미지 처리 기능을 갖고 있다는 것을 강조하고 있다. 그러나, (그림 2)에서 볼 수 있듯이, 디지털카메라나 소비자용 카메라, 산업용 카메라에도 모두 이미지 처리 기능을 갖고 있기 때문에 이러한 정의는 정확한 기술적인 표현으로 볼 수 없다. 


스마트 카메라와 다른 카메라를 구분하는 가장 정확한 방법은 카메라에 내장된 프로세서가 어떤 작업을수행하며, 스마트카메라의 출력이 어떤 값을 가지는가를 기준으로 구별해야 한다. 따라서 이러한 기준을 기반으로 스마트 카메라를 정의하면, (그림 2)와같이, 입력되는 이미지로부터 특정한 이벤트를 검출하거나, 지능형 시스템이나 자동화 시스템에서 사용할 수 있는 의사결정 정보의 생성 또는 애플리케이션에 적용할 수 있는 정보를 추출할 수 있는 ‘임베디드 비전시스템’으로 정의 할 수 있다.


▲ 그림2. 스 마트 카메라의 기본 개념(출처:ETRI)


스마트 카메라의 특징 및 장점


스마트 카메라를 일반 CCTV 카메라, 웹 및 IP 카메라, 산업용비디오카메라, 일반목적카메라와 비교 하면 외형은 서로 비슷하겠지만, 스마트 카메라는 아래와 같이 구별되는 특징을 가진다. 스마트 카메라를 분명하게 구분할 수 있는 요소는 데이터 처리 부문, 즉 ASIP이다. ASIP에는 하나 이상의 마이크로프로세서가 내장되어 해당 애플리케이션에 대해 이미지를 실시간으로 처리하고, 특정 이벤트의 검출을 위한 알고리즘을 구동한다. 예를 들어, 차량번호 인식의 경우 ASIP는 자동차번호판을 인식하고, 번호판에 있는 숫자와 글자를 인식하기 위한 알고리즘을 DSP나 프로세서 또는 코-프로세서 형태의 FPGA를 이용하여 실시간 수행한다.


스마트 카메라의 주요 기능은 사람들이 볼 수 있는 이미지와 비디오 품질을 향상시키는 데 있는 것이 아니라, 이미지에서 정보를 추출하여 의사 결정을 할 수 있도록 하는 데 있으며, 이로 인해 스마트 카메라의 출력에 사용하는 데이터대역은 대체로 작다. 예를 들어, 자동차 번호판을 인식하게 되면 스마트 카메라의 출력은 단지 숫자와 글자를 표현하는 몇 바이트 정보로 수 초 동안만 표시되면 충분하다. 이처럼 낮은 출력 대역폭은 영상 센서로 사용되는 무선 스마트 카메라의 경우에 아주 중요한 특성이 된다. 일부스마트카메라는 재프로그램 가능한 구조를 갖고 있어, 특수한 애플리케이션에서는 필요에 따라 프로그램을 바꿔 다른 작업을 수행하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 비디오 감시 애플리케이션에서 사용하는 스마트 카메라의 프로그램을 변경하여 침입 탐지, 도난물체 탐지 등으로 사용할 수 있다. 이와 같은 재프로그램 기능은 ASIP 부문에 있는 마이크로프로세서의 기능을 이용하기 때문이다. 스마트 카메라는 신호를 획득하고 신호의 품질이 최고인 상태에서 신호 처리와 이미지 처리를 수행한다. 이렇게 함으로 A/D 변환, D/A 변환을 거치는 과정에서의 감쇄현상, 네트워크 에러, 비디오압축으로 인한 손실 등을 피할 수 있다. 


스마트 카메라는 데이터집중 신호처리, 이미지처리를 수행 하는데 실시간 요구를 충족시키기 위해 대용량 병렬 프로세스 기능을 제공하는 고성능 마이크로프로세서(DSP, FPGA 등)를 사용할 수 있다. 마이크로프로세서가 내장되어 있고 자율적으로 동작하기 때문에 스마트 카메라는 특히 지능형네트워크 애플리케이션이나 분산 비전 애플리케이션 분야에 적합하다. 


스마트 카메라를 사용해서 분산프로세스를 수행하게 되면 대량의 정보를 전송할 필요가 없기 때문에 중앙처리시스템에서는 매우 큰 장점을 갖게 된다. 이러한 이유로 최근 학계나 산업계에서는 분산 스마트 카메라 네트워크에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 이러한 장점으로 스마트 카메라는 앞으로 더 많은 분야에 활용되는 정보시스템의 핵심 컴포넌트가 될 것으로 기대되며, 입력 디바이스나 추적 디바이스 또는 통신용 서브시스템 등으로 널리 활용 될 것이다.



스마트 카메라 기술 동향


스마트 카메라에 대한 인기가 지속적으로 높아지고 있으며, 시장에서의 요구도 증가 하고있다. 저렴한 PC, 아날로그 CCTV 카메라, 비디오 프레임 등을 이용할 수 있게 됨에 따라 연구나 개발에 종사하는 사람들은 이들 디바이스와 컴포넌트에 컴퓨터 비전 방식과 기술을 개발하고 시험하고 적용한 스마트 카메라 개발 플랫폼을 손쉽게 확보할 수 있게 되었다. 스마트 카메라가 기술적으로나 시장에서 최근에 성장할 수 있었던 기술 외적인 사항을 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.


1. VLSI 기술과 임베디드 시스템 기술의 발전: 무어의법칙에 따르면 이미지센서와 마이크로프로세서의 성능은 지속적으로 개선되며 크기와 가격은 계속 떨어지게 될 것이다. 임베디드 시스템을 특수한 목적의 애플리케이션에 적용 하려고 하는 경우에라도 임베디드 시스템을 설계하는 기술은 날이 갈수록 발전해 가고 있다. 


2. 컴퓨터비전 분야의 발전: 인텔에서 제공하는 OpenCV 라이브러리와 같은 컴퓨터비전 분야의 공개 프로그램은 광범위한 분야에서 스마트 카메라 개발을 지원할 수 있으며 또 활용되고 있다. 


3. 산업계나 학계의 관심 고조: 컴퓨터 비전과 비디오 감시 분야에 대하여 스마트 카메라, 임베디드 컴퓨터 비전, 영상 감시시스템에 관해 다양한 워크숍이나 학술대회 등이 개최되고 있다.



스마트 카메라 기술의 결론은?


비디오 감시 분야와 머신 비전 분야의 산업을 중심으로 사용되기 시작한 스마트 카메라는 단순히 영상정보를 획득하고 획득한 영상정보를 저장하는 기존의 카메라 기능에서 벗어나, 미리 정해진 여러 가지 필요한 작업을 수행하는 비전시스템이다. 


최근 들어 스마트 카메라에 적용할 수 있는 마이크로프로세서의 기능이 확대되면서 카메라 내부에서 지능형 영상처리나 패턴인식 알고리즘을 수행할 수 있게 되었으며, 이러한 기술을 이용해서 스마트 카메라는 아직까지는 제한적이지만 움직임 감지, 오브젝트측정, 차량번호판 인식뿐만 아니라 인간의 행동까지도 인식할 수 있게 되었다. 


해외에서는 상당수의 연구 그룹과 산업체에서 스마트 카메라 기술을 개발 하였고 일부는 상용화 단계에 진입하였다. 그러나 국내에서는 아직도 기존의 CCTV나 IP 카메라에 일부 제한적인 리소스를 활용하여 스마트 카메라의 일부기능만 제공하거나, 일부 핵심 기능들이 연구소나 대학 연구실에서 개발되고 있는 실정이다. 따라서 앞으로 다가올 다양한 응용들과 시장의 요구에 대응하기 위하여 스마트 카메라 시스템의 체계적인 연구와 핵심 기술들의 연구개발이 필요하다. 










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