라온피플에서 새로운 아키텍쳐 기술(VisionGuideTM, ImageGenTM)을 적용한 새로운 비전 검사 소프트웨어인 NAVI(New Architecture for Vision Inspection)를 발표했다.
이 소프트웨어는 실제 비전 검사를 적용하면서 생길 수 있는 변수들을 미리 고려하여 최종 검사 가능 여부를 개발 초기에 미리 판단하거나, 비전 검사를 적용했을 때 fail이 나올 수 있는 경우를 미리 파악하고 준비할 수 있도록 하여, 비전 검사의 개발 사이클을 줄여준다. 튜도리얼 기반으로 비전 검사 프로그램 개발이 쉬운 것은 덤이다. 결과적으로 디자인 사이클을 줄여줌으로써 고객의 소중한 시간과 돈을 아껴주고, 고통으로부터 해방을 가져다준다.
머신비전이 줄 수 있는 효과는 반복성, 정확성 및 항상성을 꼽을 수 있다. 하지만 기대감에 들떠 개발했던 비전 검사 프로그램이 애매한 검사 성공률로 인해 끝내 적용할 수 없는 것으로 판명이 나거나, 어떤 경우는 검사 성공률을 높이기 위해 많은 시간과 비용을 써야 하고, 검사 환경이나 장비의 구조를 변경하기 위해 많은 밤을 지새워야 하는 경우가 종종 있다. 이런 경험을 했다면, ‘비전 검사는 어렵고 힘들며 제한적이다’는 부정적인 선입관을 가질 수도 있게 된다.
만약 비전 검사 프로그램의 개발 초기에 검사 가능성 여부를 미리 알 수 있거나, 불량이 발생할 수 있는 상황을 미리 파악할 수 있다면, 얼마나 좋을까?
비전 솔루션이 적용되는 실제 환경은 설치 거리, 진동, 포커스, 기울어짐, 이물, 훼손 등 예기치 못한 변수가 수없이 많다. 검사 프로그램 개발 초기에 획득한 몇 장의 영상이나 제한적인 상황만을 고려해 검사 프로그램을 개발했다면, 앞서 살핀 여러 요인으로 인해 검사 결과가 만족스럽지 못할 수 있다. 비전 검사가 정확히 수행될 수 있을 때까지 셋업이 끊임없이 반복되고 셋업 기간이 길어지게 되면 고객의 돈은 더욱 많이 낭비된다.
최근 라온피플이 새로운 비전 검사 소프트웨어를 ‘NAVI’를 발표했다. 이 소프트웨어는 실제 비전 검사를 적용하면서 생길 수 있는 변수들을 미리 고려하여 최종 검사 가능 여부를 개발 초기에 미리 판단을 하거나, 비전 검사를 적용했을 때 실제 환경에서 fail이 나올 수 있는 경우를 미리 파악하고 준비할 수 있도록 하여, 비전 검사의 개발 사이클을 줄여준다. 튜도리얼 기반으로 비전 검사 프로그램 개발이 쉬운 것은 덤이다. 결과적으로 디자인 사이클을 줄여줌으로써 고객의 소중한 시간과 돈을 아껴주고, 고통으로부터 해방을 가져다준다.
난제(難題) : 비전 검사의 디자인 사이클을 줄이는 방안?
익숙한 비전 검사 소프트웨어를 사용하게 되면, 며칠의 기간을 단축시킬 수는 있지만, 비전 검사의 디자인 사이클을 획기적으로 줄이기는 어렵다. 비전 검사 솔루션 구축에 드는 대부분의 시간이 비전 컴포넌트를 어떻게 구성할 것인지에 대한 콘셉트 검토 과정과, 실제 필드에서의 검증 과정에 소요되기 때문이다.
1~2주 안에 정리될 것 같았던 비전 컴포넌트 콘셉트 검토 과정은 비전 컴포넌트의 복잡성으로 인해 1개월 이상의 기간이 소모되기도 하고, 1달 안에 끝날 것 같았던 필드 검증은 심각하게는 1년 이상의 기간이 걸리기도 한다. 이러한 이유로 비전 검사 솔루션 디자인 사이클을 줄이기 위해서는 다음의 문제를 해결해야 한다.
· 난제 1(비전에 대한 전문지식이 부족한 담당자를 위한 비전 가이드) : 담당자의 간단한 요구사항 입력만으로 비전 컴포넌트가 추출될 수 있다면 ?
· 난제 2(실제 환경에서 발생하는 다양한 문제 케이스를 사전에 시뮬레이션하는 방법) : 하나의 시료만으로 다양한 실제 검사 환경의 시료를 추출할 수 있다면 ?
그림 1. 비전 컴포넌트 선정 과정과 라온피플 VisionGuiderTM
<난제 1> 간단한 요구사항으로부터 비전 컴포넌트 추출?
실제 비전 검사 솔루션을 구축하려면 카메라, 렌즈, 조명 등 비전 컴포넌트들을 선정해야 한다. 종류도 다양하고 제품 개별 특성도 다르다. 비전 검사 솔루션 담당자 입장에서는 전체 비전 컴포넌트들을 어떻게 선정해야 하는지 막막함이 몰려오게 된다.
제일 먼저 부딪치게 되는 난관은 카메라 선정 부분이다. 카메라를 선정한 이후에도 그에 따라 렌즈, 조명, 비전 소프트웨어 등이 달라지므로 혼란의 연속이다. 컴포넌트 하나의 특성이 달라지면 전체 솔루션의 성능이 달라지고, 솔루션을 구성하는 가격도 달라진다. 콘셉트가 달라지면 최초부터 다시 기획해야 하는 최악의 케이스를 맞이할 수도 있다.
(1) 카메라 선택
카메라에 적용된 이미지 센서에 따라서, Line Scan Camera, Area Scan Camera 같은 영상 입력 방식으로 나누어지고, 이미지 센서의 영상 획득 시간 차이에 따라 Global Shutter 또는 Rolling Shutter로 나누어진다. 그 이외에도 이미지 센서의 해상도, 픽셀 사이즈, 감도 등등 다양한 고려 사항들에 직면하게 된다. 이미지 센서의 이러한 각 특성은 비전 검사를 위한 최적의 용도에 맞게 선택되어야 한다. 카메라 인터페이스 또한 카메라 선정에 중요한 요소이다. 인터페이스 종류에는 GigE, Camera Link, USB, CXP 방식 등이 있다. 속도가 중요한 경우에는 고속의 빠른 인터페이스를 선정해야 하며, 성능보다 합리적 가격과 간편한 시스템 구성이 중요한 경우에는 GigE나 USB 등의 인터페이스를 선정해야 한다.
(2) 렌즈 선택
렌즈 선택은 카메라의 해상도에 따라서 선택을 해야 하고, 어느 정도의 영역을 얼마만큼의 정밀도로 검사할 것인지를 고려하여 선택해야 한다. 또 설치 가능한 거리에 따라 광각렌즈를 사용하거나 반사경을 이용해서 설치 거리를 조정하는 방식까지도 선택해야 하는 경우가 생기기도 한다.
(3) 조명 선택
조명 선택도 매우 중요한 요소이다. 검사 대상의 재질에 따라서 반사를 방지해야 하는 경우가 있고, 모든 영역에 고르게 비춰주어야 하는 검사도 있을 수 있다. 빠르게 움직이는 대상을 검사하기 위해 노출 시간을 매우 짧게 해야만 하는 경우도 존재하고, 순간적으로 매우 강한 빛을 발생시켜야만 하는 우도 있다. 즉, 제품이 설치되어야 하는 주변 환경에 따라서도 조명의 선택은 바뀌어야 한다.
이런 각 분야 하나하나가 전문성이 요구되면서 서로 유기적으로 영향을 주고받게 되기 때문에, 비전 솔루션 구성품을 선정한다는 것은 절대 쉽지 않다. 그렇다고 모든 경우의 수를 일일이 테스트해서 결정할 수도 없는 일이고, 비용과 시간, 인력 투입 등을 고려하면 더 힘든 일이 된다.
이와 같은 비전 컴포넌트를 쉽게 선택할 수 있는 비전 가이드가 제공된다면 시작부터 꽉 막혀 있던 비전 검사를 더욱 빠르게 도입할 수 있지 않을까?
<해결책> VisionGuiderTM : 요구사항 기반 비전 컴포넌트 선정 가이드
고객이 자신의 간단한 요구 사항을 입력하는 것만으로 비전 컴포넌트를 선정할 수 있게 된다면, 비전검사를 위한 디자인 사이클은 획기적으로 단축된다. 그렇다면 이것을 어떻게 가능하게 해야 할까?
머신비전 전문가들은 비전 컴포넌트별 고려사항과 각기 컴포넌트 간에 얽혀 있는 관계를 분석하여 비전 컴포넌트를 선정하는 노하우를 가지고 있다. 하지만 이런 노하우들은 전문가들의 머리속에만 존재할 뿐이며, 머신비전을 검토하는 담당자에게 전달되기가 어려웠고, 현재 세계 유수의 비전 소프트웨어도 이를 해결하고 있지 못하고 있는 것이 사실이다.
라온피플은 특허 출원한 VisionGuider 기술을 이용하여, 비전 검사 소프트웨어를 이용하는 누구나 쉽게 가이드 받을 수 있도록 요구사항 기반의 비전 컴포넌트 선정 가이드를 프로그래밍화 했다.
(1) 라온피플 ‘VisionGuiderTM’
VisionGuider는 각 컴포넌트 설정 단계에서 비전 검사에 요구되는 필수적인 조건사항들을 판단 인자로 입력받고, 앞서 언급한 단계들을 통하여 주요 비전 솔루션의 컴포넌트를 정확하게 선정할 수 있게 한다.
VisionGuider는 먼저 요구되는 검사 정밀도에 대한 분석을 수행한다. 이는 인식해야 할 최소 단위의 크기(예를 들어 10μm의 스크래치 검출), 허용 가능한 오차 한계에 대한 조건을 포함하고 있다. 이러한 정밀도 하에서 한 번에 검사해야 할 전체 검사 영역의 너비 조건을 같이 고려한다.
이러한 단계를 거치면 현재 응용 분야에서 필요로 하는 영상의 해상도 정보를 얻을 수 있게 된다. 그리고 추가 정보로 검사 속도, 검사 횟수 등의 요구 조건을 입력하면 최종적으로 카메라를 선정할 수 있는 정보가 추출된다.
마지막으로 설치 거리, 검사 심도를 분석하고, 카메라와의 결합 조건을 복합적으로 검토하여 렌즈를 선정하고, 마지막으로 검사가 수행될 공장 라인의 조건, 또는 색상을 구분해야 한다거나, 투명한 재질 등의 검사 대상이 갖는 물성 특징을 고려하여 조명을 선정할 수 있다.
이는 머신비전에 대한 깊은 지식이 없어도, 자신에게 주어진 검사 요구사항만으로도 비전 컴포넌트에 대한 선정이 가능할 수 있음을 의미한다.
그림 2. 공장 라인에서 발생할 수 있는 에러 상황과 상황별 모델 영상처리 알고리즘
<난제 2> 다양한 실제 검사 환경을 사전에 시뮬레이션 할 수 있는 방법?
비전 컴포넌트를 어떻게 구성해야 하는지를 잘 알고 있는 세계 유수의 전문가도 풀지 못하는 숙제가 있다. 실제 공정에서 바로 대응이 가능한 것인지에 대해 확신하기 어렵다는 것이다.
비전 전문가가 실제 공정에서 사용하는 시료를 기반으로 비전 컴포넌트를 구성한다고 해도 터프한 공정은 쉽게 비전 검사를 허락해 주지 않는다. 테스트 시료만으로 준비된 검사 알고리즘은 커버리지가 협소하며, 실제 고객 사이트에서 비전 검사를 수행하는 경우 다양한 문제에 대한 유연성이 떨어진다. 즉 시료 테스트에는 통과했지만, 실제 검사에는 실패하는 경우가 다반사이다.
머신비전 솔루션은 설치된 공장의 여러 조건에서도 정확하고 안정적으로 검사를 수행해야 한다. 그러므로 미리 발생 가능한 에러 상황을 대비할 수 있어야 하고, 그에 따른 안정적인 알고리즘 조건을 설정하는 것이 매우 중요하다. 필드에서 획득할 수 있는 시료 및 이미지들은 매우 제한적일 수밖에 없으며, 또한 이것들도 일부의 경우에 대하여만 조건을 만들 뿐 대다수 경우의 조건을 만족할 순 없기 때문이다.
그런데 다양한 실제 공정에서의 변수를 사전에 예측한다는 것이 가능한 것일까요? 이는 세계 어느 비전 소프트웨어가 시도조차 하지 못했던 문제이기도 하다. 하지만 라온피플에서는 사전 예측이 가능한 방법을 찾아냈다.
<해결책> ImageGenTM : 실 환경 모델 기반 테스트 이미지 생성 기술
라온피플은 먼저 실제 환경에서 발생할 수 있는 여러 가지 상황들에 대한 DB를 만들었다. 이는 라온피플이 머신비전 업체의 후발 주자로서 해외 유수 업체들이 해결하지 못한 가장 어려운 난이도의 비전 검사 솔루션을 고민하는 과정에서 자연스럽게 획득된 정보가 있었기에 가능했다.
라온피플은 필드에서 발생되는 다양한 사례들을 분류하였고, 자체 보유한 다양한 이미지 처리 기술을 복합적으로 적용하면서 다양한 사례와 매칭시켰다. 그리고 특허 출원한 ImageGen을 이용하여 실 환경 모델 기반의 테스트 이미지 생성 기술을 개발했다.
ImageGen을 이용하면 필드에서 가장 빈번하게 발생되는 소수개의 가상 이미지를 자동으로 생성하는 것도 가능하고, 수십 종의 이미지 필터를 조합하여 수만 가지의 테스트 이미지를 생성하는 것도 가능하다.
(1) 실 환경 모델 기반
예를 들면, 비전 솔루션 설치 시 동일한 조건으로 설치한다 하더라도 미세한 설치 거리의 오차가 발생할 수 있으며, 렌즈의 포커스 조절에 편차가 존재할 수밖에 없다. 따라서 각 라인에서 취득된 이미지는 그 시료의 크기나, 포커스 상태, 혹은 기울어짐에 따라 모두 달라진다. 즉, 비전 컴포넌트에 대한 고려뿐만 아니라, 실제 환경에서의 변수가 선행적으로 정리되어야 예측할 수 있다.
라온피플은 다양한 실제 사례들을 1) 카메라의 위치 편차, 2) 진동 혹은 포커스 편차, 3) 조명 상태의 불균일함, 4) 노이즈 편차 및 이물이나 훼손으로 구분했다. 그리고 라온피플의 ImageGen 기술은 이러한 에러 상황별 모델을 영상처리 알고리즘과 결합하여, 실 환경 모델을 기반으로 한 가상 테스트 이미지 생성을 가능하게 한다.
(2) 가상 이미지 생성
실제 이미지를 취득할 수 없는 상황에서, 발생 가능한 시나리오를 예상하여 인위적으로 이미지를 생성한다면 검사 커버리지를 높일 수 있다. 이러한 차이들은 이미지의 크기 변경, 회전, 시점 변환 영상처리 알고리즘을 통하여 정밀한 모델링이 가능하고 실제 환경과 유사한 에러 이미지를 생성할 수 있게 된다.
그림 3. 라온피플 NAVI의 ImageGenTM기술을 이용하여 설치 편차를 모델링하여 생성한 다양한 에러 이미지들
Vision Inspection 소프트웨어 ‘NAVI’
라온피플의 NAVI(New Architecture for Vision Inspection)는 비전 검사를 위한 새로운 아키텍처로 비전 솔루션의 디자인 사이클을 줄이기 위한 혁신적 기술이 적용됐다. 특히, 비전 검사 기술인 V-InspectTM는 비전 검사를 위해 꼭 필요한 20여 가지의 핵심 INSPECTION TOOL을 편리하게 제공한다. 그리고 고객이 1분 안에 따라 할 수 있는 다양한 산업 분야의 예제를 편리한 사용 지침서 형태로 제공한다.
라온피플의 NAVI는 단순히 쉽고 편리한 툴이 아닌 디자인 사이클을 줄여 고객의 시간을 지킨다는 새로운 관점의 패러다임을 특허 출원된 VisionGuider와 ImageGen 기술로 적용했다. NAVI는 2016년 3월, ‘오토메이션 월드 2016’에서 만나볼 수 있다.
김형균·윤기욱 _ 라온피플 기술이사
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