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머신비전 카메라 선택할 때 고려해야 할 9가지

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검사 객체, 필요한 속도, 조명 및 온도 및 사용 가능한 공간, 시스템 비용 고려해야


머신비전 시스템을 설정할 때 카메라를 선택하는 것은 검사하려는 객체, 필요한 속도, 조명 및 온도 및 사용 가능한 공간에 따라 달라진다. 그리고 잊지 말아야 할 것이 시스템 비용이다. 


머신비전 카메라를 선택할 때 다양한 요소들을 고려해야 한다. 그 중에서도 핵심적인 고려 요소 9가지를 정리해봤다. 


1. 머신비전 vs. 감시(Surveillance)

공장 자동화 또는 의료 분야의 대부분의 응용 프로그램에는 머신비전 카메라가 필요하다. 머신비전 카메라는 이미지 데이터를 캡처하여 압축되지 않은 상태로 PC로 전송한다. 


이것이 사진이 휴대폰의 것보다 ‘예쁘게’보이지 않는 이유다. 소비자용 카메라에서는 이미지 데이터가 압축되어 부드럽게 보이지만 결함 탐지 및 코드 판독에 필요한 품질을 제공하지 못한다.


네트워크 카메라 또는 IP(인터넷 프로토콜) 카메라는 비디오를 녹화하고 압축한다. 그들의 장점은 진동과 온도에 대한 내구성이다. 또한 조명 상태가 좋지 않고 직사광선에 잘 견딘다. IP 카메라는 감시 및 지능형교통시스템(ITS) 애플리케이션에 주로 사용된다.


▲ 뷰웍스 카메라 제품군


2. 에어리어(Area) 스캔 vs. 라인(Line) 스캔

컨베이어 벨트가 있는 고속 애플리케이션을 사용하는 경우 라인 스캔 카메라가 필요하다. 이 카메라는 한 줄의 픽셀(때로는 두세 라인)을 사용하여 이미지 데이터를 캡처한다. 라인 스캔 카메라는 신문의 인쇄 품질을 최고 60mph의 속도로 확인하고, 물류에서 우편과 포장을 신속하게 분류하고, 음식의 이상유무를 조사할 수 있다. 또한 플라스틱 필름, 철강, 섬유, 웨이퍼 및 전자 제품의 품질을 제어한다.


심층 검사가 필요하면 에어리언 스캔 카메라를 선택해야 한다. 이 카메라는 몇 줄의 픽셀로 구성된 직사각형 센서를 가지고 있으며 동시에 전체 이미지를 캡처한다. 에어리어 스캔 카메라는 품질 보증 시스템, 코드 판독 및 로봇의 픽앤 플레이스(pick and place) 프로세스에 사용된다. 또한 현미경, 치과용 스캐너 및 기타 의료 기기에 통합된다.


3. 흑백(Monochrome) vs. 컬러

애플리케이션에서 색상 분석이 필요하지 않으면 흑백 카메라가 가장 적합하다. 컬러 필터가 필요없기 때문에 컬러 카메라보다 더 민감하고 보다 자세한 이미지를 제공한다.


대부분의 컬러 머신비전 카메라는 Bayer 매트릭스를 사용하여 컬러 데이터를 캡처한다. 각 픽셀에는 색상 필터가 있으며, 그 중 절반은 초록색이고, 나머지 절반은 빨간색과 파란색이다. 디베이어링(debayering) 알고리즘은 인접한 픽셀의 정보를 사용하여 각 픽셀의 색상을 결정한다. 그래서 2×2 디베이어링은 3개의 인접 픽셀로부터 정보를 판독하고 5×5디베이어링은 인접한 24개의 픽셀로부터 정보를 판독한다. 그래서 컬러 카메라가 필요하다면, 더 많은 디베이어링이 있을수록 좋다.


4. CMOS vs. CCD

CMOS 카메라에서 빛을 전자 신호로 변환하는 전자 장치가 센서 표면에 통합되어 있다. 이것은 특히 데이터 전송을 빠르게 한다. CMOS 센서는 가격이 저렴하고 블루밍이나 번짐이 없고 동적 범위가 더 크다. 이를 통해 예를 들어 높은 조명 번호판과 그림자가 있는 사람을 하나의 동일한 이미지로 캡처할 수 있다.


CCD 센서는 센서 표면에 변환 전자 부품이 없으므로 더 많은 빛을 캡처할 수 있으므로 노이즈 요인이 적고 채우기 비율이 높으며 색상 충실도가 높아진다. 이러한 특성으로 CCD 카메라는 천문학과 같은 저조도 및 저속 응용 분야에 적합한 선택이다.


5. 글로벌 vs. 롤링 셔터(Global vs. Rolling Shutter)

빠른 속도로 왜곡을 피하고 가격에 너무 신경쓰지 않으려면 글로벌 셔터가 최적의 선택이다. 글로벌 셔터를 사용하면 전체 센서 표면이 한 번에 빛에 노출된다. 교통, 운송, 물류와 같은 고속 애플리케이션에 적합하다.


롤링 셔터는 이미지를 라인 단위로 읽는다. 캡처된 선은 하나의 이미지로 재구성된다. 물체가 빠르게 움직이거나 조명 조건이 나쁜 경우 이미지가 왜곡된다. 그러나 노출 시간을 조정하고 플래시를 구현하면 왜곡을 최소화 할 수 있다. 롤링 셔터는 저렴하고 CMOS 기반 카메라에서만 사용할 수 있다.


6. 프레임 속도(Frame Rate)

프레임 속도는 센서가 초당 캡처하고 전송할 수 있는 이미지 수다. 인간의 뇌는 초당 약 14~16개의 이미지를 감지한다. 영화의 프레임 속도는 대개 24fps다. 신문 검사와 같이 빠르게 움직이는 애플리케이션의 경우 카메라는 밀리 초 단위로 ‘촬영’해야 한다. 다른 한편으로는 인간의 눈과 비슷한 낮은 프레임 속도를 필요로 하는 현미경 응용이 있다.


7. 해상도(Resolution)

간단한 수식은 응용 프로그램에 필요한 해상도를 결정하는 데 사용된다. 


해상도 = (개체 크기 / 세부 크기)².


키가 2m인 사람의 눈 색깔을 결정한다고 가정해 보자.


(2 m ÷1 mm)²= 4,000,000 픽셀 = 4MP


위의 예에서 확인할 수 있는 해상도는 2048px x 2048px다.


8. 인터페이스(Interface)

카메라가 PC와 멀리 떨어져 있거나 한 대의 시스템에 여러 개의 카메라가 필요한 경우 GigE가 필요하다. 케이블 길이를 최대 100m까지 가능하게 하여 멀티 카메라 통합을 용이하게 한다. 그러나 USB 3.0은 3배 이상의 대역폭(350MB/s vs 100MB/s)을 제공하며 플러그 앤 플레이 방식으로 작동하며 케이블 하나로 데이터 및 데이터를 전송한다. 


케이블 길이가 최대 8m인 경우에만 작동한다. 최대 850MB/s의 대역폭을 필요로 한다면 Camera Link가 최상의 선택이다. Camera Link는 프레임 그래버가 필요하므로 시스템 비용이 더 많이 들어간다.


9. 크기(Size)

오늘날 가장 보편적인 소형 카메라 크기는 각면에서 약 30mm다. 소형화가 계속되고 하우징이 없으며 두께가 6mm 밖에 되지 않는 새로운 종류의 베어 보드 카메라가 있다. 이 카메라는 임베디드 분야에서 크기가 제한되고 비용 효율적인 응용 분야에 적합하다. 이들은 다른 인프라가 필요하다. PC 대신 칩에 컴퓨터, x86 대신 ARM 프로세서 아키텍처, Linux, Windows IoT 또는 Windows 대신 Android로 말이다. 


일부 설정은 USB 3.0 인터페이스를 사용할 수 있지만 MIPI 및 LVDS 기반 인터페이스는 더 많은 유연성과 소형화를 허용한다. 










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