머신 비전 시스템은 품질 검사를 위한 신속하고 신뢰할 수 있는 도구로 진화하고 있습니다. 대부분의 경우, 머신 비전 광학 검사 시스템은 사람보다 더 낮은 비용으로 신속하고 정확하게 품질 검사를 수행할 수 있습니다. 하지만, 머신 비전은 "컬러"를 볼 수 있을까요? 그리고 컬러를 도입하면 품질 검사에 도움이 될까요? 머신 비전 시스템은 카메라로 물체의 이미지를 획득하고, 컴퓨터를 사용하여 개체의 다양한 특성을 분석 및 측정한 다음, 의사 결정을 할 수 있습니다. 분석하는 특성 중 하나는 개체의 색상일 수 있습니다.

과거에는 비용과 처리 능력의 필요 때문에 광학 검사에서 색상을 사용하지 않았습니다. 하지만, 현재 비용이 감소하고 처리 능력이 문제가 되지 않기 때문에 솔루션 공급자는 머신 비전 시스템에 색상을 통합하여 보다 좋은 품질을 얻을 수 있습니다.

여기서는 컬러 머신 비전 작동 방법과 머신 비전 애플리케이션에서 컬러가 도움이 될 수 있는 이유에 대해서 설명하도록 하겠습니다.

 

 

컬러 머신 비전 시스템이 더 낫습니다. 그렇죠?

기본적인 가정은 컬러 머신 비전 시스템이 흑백 머신 비전 시스템보다 더 고급이므로 더 나아야만 합니다. 하지만, 이 가정은 머신 비전 분야에서 항상 사실만은 아닙니다. 균열 또는 스크래치와 같은 결함을 발견하는 일반적인 검사 애플리케이션에서의 목표는 개체 표면의 밝기 차이를 분별하는 것이기 때문에 컬러의 사용이 꼭 필요하지는 않습니다.

또한, 흑백 카메라가 컬러 카메라보다 더 좋을 수 있는 일부 요소가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 해상도와 속도를 선택할 때 컬러 카메라보다 흑백 카메라의 선택의 폭이 더 넓습니다. 뿐만 아니라, 컬러 이미지들은 고해상도 공간 정보에 의존하는 광학 문자 인식(OCR), 광학 문자 확인(OCV), 바코드 판독, 계측 및 기타 애플리케이션 등에서 흑백 이미지보다 더 나은 이점을 제공하지 않습니다.

 

 

어떻게 머신 비전이 컬러를 볼 수 있나요?

물론 컴퓨터가 실제로 컬러를 볼 수 없습니다. 컴퓨터는 수학적 모델을 사용하여 사람이 직접 하는 컬러 검사와 비슷합니다. 컴퓨터는 사람들의 응답 평균을 내는 것과 대조적으로 색상에 대한 보정을 할 수 있습니다. 따라서, 컴퓨터의 관리 설정에서 관찰되는 색상에 대해 일관성있는 응답을 제공합니다. 이 "보정된 컬러 비전"은 측정에 유용하고 페인트, 플라스틱, 직물 등의 염색제 매칭에 사용할 수 있습니다. 우리는 철학적인 경험을 바탕으로 하는 사람들이 보는 것과 이것이 같다고 생각하지 않습니다. photospectomer과 같은 장치로만 할 수 있는 절대 측정과 머신 비전 시스템으로 만들 수 있는 상대적인 측정 간의 차이를 아는 것은 중요합니다.

사람이 하는 컬러 비전 검사는 조명의 거대한 변화와 시야로 볼 수 있는 개체의 "재료 특성"에 대한 안정적이고 정확한 정보를 추출할 수 있도록 진화하고 있습니다. 예를 들어, 과일 색상은 조명 변화에도 불구하고 안정적으로 결정하여 익지 않거나 질이 좋지 않은 열매들 중에서 질이 좋은 열매를 선택해야 합니다. 따라서, 사람이 하는 컬러 비전 검사는 메커니즘을 가지고 조명이 변화하는 상황에서 요소들 중 일부를 뽑아내고 우리가 어떻게 하는 지 모르는 것을 보거나 컬러 머신 비전 시스템에 넣어 방해하지 않습니다.

사람이 하는 컬러 비전 검사는 상대적입니다. 사람이 하는 컬러 비전 검사는 주변의 색상은 색상 인식에 영향을 주고, 낮은 해상도를 가지며(텔레비젼에서 컬러를 전송할 때 매우 작은 대역폭을 사용합니다.), 각 개인별 다양한 치이가 있으므로 좋은 측정 도구가 아닙니다. 컬러 머신 비전 시스템은 주변 색상에 영향을 받지 않고 높은 해상도를 가지고 있으며 시스템 간 차이가 없기 때문에 좋은 측정도구가 될 수 있습니다.

 

 

컬러 머신 비전 시스템의 종류

대부분의 컬러 머신 비전 시스템은 하드웨어와 소프트웨어로 구성되어 색상을 감지합니다. 지점 또는 "장소"의 색상 측정은 대부분의 하드웨어 솔루션으로도 좋습니다. 하지만, 정교한 검출 시스템은 소프트웨어에 더 많이 의존하여 설계자와 사용자에게 유연성을 제공합니다.

머신 비전 애플리케이션에 사용되는 컬러 카메라의 주요 유형은 3CCD, tri-linear, Bayer pattern 등의 카메라입니다. 3CCD는 우수한 색의 위치 맞춤(color registration)을 보유하고 대부분의 애플리케이션에 적용할 수 있습니다. 하지만, 설계에 비용이 많이 들어갑니다.

Trilinear는 높은 성능을 제공하고 저렴한 비용 측면에서 장점이 있습니다. 이 유형은 평면 검사와 같은 많은 애플리케이션에서 사용되고 있습니다. 하지만, 공간 조정은 개체를 회전하거나 무작위로 이동하는 방식의 특정 애플리케이션에서는 제대로 동작하지 않습니다.

마지막으로 Bayer pattern 카메라는 위의 2개 유형을 혼합하여 최저비용 솔루션을 제공합니다. 애플리케이션의 가장 중요한 요소가 색상 정밀도라면 이 유형의 카메라는 추천하지 않습니다.

 

 

컬러를 언제 사용하나요?

균열 또는 스크래치와 같은 결함을 발견하는 일반적인 검사 애플리케이션에서의 목표는 개체 표면의 밝기 차이를 분별하는 것이기 때문에 컬러의 사용은 필요하지 않습니다.

개체의 색상을 어떠한 방법으로든 평가해야만 하는 애플리케이션이외에서도 색상은 자동차 퓨즈 박스에서 퓨즈 값의 검증과 같이 때로는 개체의 식별을 촉진하여 검사 상황을 쉽게 하는데 도움이 될 수 있습니다.

색상이 결국 모든 머신 비전 애플리케이션에 사용되어야 할까요? 아닙니다. 왜냐하면 흑백 카메라가 컬러 카메라보다 더 좋을 수 있는 일부 요소가 있을 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 해상도와 속도를 선택할 때 컬러 카메라보다 흑백 카메라의 선택의 폭이 더 넓습니다. 또한, 칼라 이미지는 머신 비전 시스템이 해결하는 문제에 대해 흑백 이미지보다 어떠한 이점을 제공하지 않는 경우가 많이 있습니다.

만약 애플리케이션에 컬러 또는 흑백, 어떠한 유형을 선택해야 할지 잘 모르겠다면 다음과 같은 질문에 답해보세요.

제품의 전반적인 품질에서 개체의 색상 품질과 일관성이 핵심 요소인가요?

개체의 색상은 제품의 상대적인 품질을 확인하는 데 도움이 되나요?

색상이 개체의 검색을 용이하게 하나요?

이러한 질문 중 하나에 대한 대답이 "녜"라면 컬러 머신 비전을 심각하게 고려하여야 합니다.

 

 

애플리케이션

색상이 애플리케이션의 일부가 되어야 하는지 여부를 쉽게 결정하게 하는 현실의 애플리케이션을 둘러봅시다.

음식은 아마도 모두가 본질적으로 가장 이해하기 쉬운 애플리케이션 중 한 영역일 것입니다. 왜냐하면 우리는 음식의 일일 소비자로서 매일 끊임없이 사려고 하는 음식의 품질과 일관성을 판단하고 있습니다. 과일의 경우, 과일의 색상으로 인해 숙성도 및 제품의 품질을 알 수 있습니다. (아무도 얼룩 투성이의 오렌지 또는 반만 익은 라임을 사려고 하지 않습니다.) 곡물과 콩류의 경우, 색상은 제품의 품질 등급을 판별하는데 큰 도움이 되고 질을 구분할 수 있습니다.

육류 가공에서는 색상이 변질을 감지하고 지방, 뼈, 연골 등의 영역을 구별하는 데 사용할 수 있습니다. 왜 컬러 머신 비전 시스템이 냉동 피자의 품질을 검사하는데 사용되나요? 한번 생각해 보세요. 흑백 이미지로 재료의 밀도가 정확한 지 알 수 있을 것입니다. (예를 들어, 충분히 제대로 펼쳐져 있는 경우) 하지만 다진 재료 중 일부의 차이를 발견해야만 하는 큰 문제를 가집니다. 예를 들면, 오렌지, 빨간 피망과 녹색 피망 등이 있습니다. 색상으로 이들을 구별하기 쉽지만, 흑백에서는 구별하기가 쉽지 않습니다.

색상을 사용하는 머신 비전의 다른 영역으로는 자동차 검사가 있습니다. 당신은 머신 비전을 사용하는 곳이 자동차의 페인트가 될 것이라고 생각할 수 있지만, 대량의 노력으로 사용자 인터페이스를 구성하는 시각적 세부 정보 검사를 시작하고 있습니다. 예를 들어, 차량 계기판의 일관성 및 균등성을 확실히 할 수 있습니다. 이것은 자동차 계기판의 모양과 전체적인 품질은 운전자가 전반적인 자동차 품질을 가늠하기 때문에 중요합니다.

분명히, 인쇄 검사(품질, 우편), 의약품 검사(라벨 확인), 부품 감지, PCB조립(부품 감지, 검증 및 배치) 등과 같이 색상을 요구할 수 있는 애플리케이션들이 있습니다. 또한, 나무, 섬유, 세라믹 타일과 같이 색상과 텍스쳐 분류를 포함하는 품질과 등급 분류에 대한 다수의 애플리케이션이 있습니다.

 

 

컬러 머신 비전 카메라의 어떠한 종류가 존재하고 그들은 어떻게 다른가요?

머신 비전 애플리케이션에 사용되는 컬러 카메라의 주요 유형은 3CCD, tri-linear, Bayer pattern 등의 카메라입니다. 포함된 색상의 유형에 따라 Area scan 카메라 또는 Line scan 카메라 중 하나일 수 있습니다.

 

 

Area Scan 카메라 유형과 Line Scan 카메라 유형

3CCD는 우수한 색의 위치 맞춤(color registration)을 보유하고 대부분의 애플리케이션에 적용할 수 있습니다. 하지만, 설계에 비용이 많이 들어갑니다. 3CCD 컬러 카메라에서는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 등의 기본 구성 요소로 들어오는 빛을 나누는 프리즘 기반 간섭 필터를 사용하여 색상을 선택합니다. 3 종류의 기본 색상을 각각의 CCD에 의해 감지하고 최종 컬러 이미지는 3개의 CCD에서의 출력을 결합하여 복원합니다. 3 종류의 색상 이미지들은 동일 개체 지점에서 동시에 캡처됩니다.

Trilinear는 높은 성능을 제공하고 저렴한 비용 측면에서 장점이 있습니다. 이 유형은 100% 인쇄 검사와 같은 많은 애플리케이션에서 사용되고 있습니다. 하지만, 공간 조정은 개체를 회전하거나 무작위로 이동하는 방식의 특정 애플리케이션에서는 제대로 동작하지 않습니다. trilinear 컬러 카메라에서 3개의 선형 뱅ㄹ은 하나의 단일 다이에서 가공되어 각 RGB 색상 필터로 코팅됩니다. 이들은 염료 또는 색소를 사용하여 필터를 흡수합니다. tri-linear 카메라에서는 3개의 선형 배열이 각기 다른 시야(FOV)를 감지하고 공간적 보정이 컬러 이미지 재구성에서 필요합니다.

마지막으로 Bayer pattern 카메라는 위의 2개 유형을 혼합하여 최저비용 솔루션을 제공합니다. 이 유형의 카메라들은 색상 정밀도가 3CCD 또는 tri-linear 카메라에 비해 낮기 때문에 저급 성능의 애플리케이션에서 사용되는 경향이 있습니다. 하지만, Bayer pattern의 광범위한 이해와 많은 알고리즘들이 존재하여 컬러 성능에 최적화되어 있습니다.

앤비젼이 국내 독점 공급하고 있는 Teledyne DALSA는 서로 다른 컬러 이미징 기술 기반으로 Genie, Trillium, Piranha color 등의 카메라 시리즈들을 제공합니다. Bayer 컬러 필터 배열, 빔 스플리터 프리즘, tri-linear sensor을 포함합니다.

 

 

어떻게 하드웨어 측면(카메라)에서 색상을 감지할 수 있나요?

3CCD 컬러 카메라에서는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 등의 기본 구성 요소로 들어오는 빛을 나누는 프리즘 기반 간섭 필터를 사용하여 색상을 선택합니다. 3 종류의 기본 색상을 각각의 CCD에 의해 감지하고 최종 컬러 이미지는 3개의 CCD에서의 출력을 결합하여 복원합니다. 3 종류의 색상 이미지들은 동일 개체 지점에서 동시에 캡처됩니다. trilinear 컬러 카메라에서 3개의 선형 뱅ㄹ은 하나의 단일 다이에서 가공되어 각 RGB 색상 필터로 코팅됩니다. 이들은 염료 또는 색소를 사용하여 필터를 흡수합니다. tri-linear 카메라에서는 3개의 선형 배열이 각기 다른 시야(FOV)를 감지하고 공간적 보정이 컬러 이미지 재구성에서 필요합니다.

 

 

소프트웨어는 색상 감지에 어떤 역할을 하나요?

대부분의 컬러 머신 비전 시스템은 하드웨어(카메라, 색상 공간 변환 등)와 소프트웨어로 구성되어 색상을 감지합니다. 지점 또는 "장소"의 색상 측정은 대부분의 하드웨어 솔루션으로도 좋습니다. 하지만, 정교한 검출 시스템은 소프트웨어에 더 많이 의존하여 설계자와 사용자에게 유연성을 제공합니다. 접근 방식의 주요 차이점은 컬러 픽셀을 할당하여 등급화하는 색상을 감지하는 색상 분류기에 있습니다. 좋은 분류기는 조명 변화에 일부 허용 오차가 존재하며 빠르게 실행하고 안정적으로 정확한 등급에 픽셀을 할당합니다. 분류기는 공급 업체 간의 지속적인 개발과 경쟁 영역입니다.

 

 

컬러 머신 비전의 미래

Automated Imaging Association (AIA)에 의한 시장 연구에서 2005년과 2006년에 이미징 애플리케이션을 위해 판매된 흑백 카메라는 75%, 컬러 카메라는 25% 정도였지만, 컬러 카메라의 판매는 점점 늘어나고 있습니다.

대부분의 머신비전 전문가들은 머신 비전에서 컬러 사용이 늘어날 것이라고 믿고 있습니다. 컬러는 흑백(그레이 스케일)보다 시각적인 세부 정보를 더 많이 제공하고 현실 세계에서 분석 데이터에 새로운 데이터를 추가할 수 있습니다.

예를 들어, 컬러는 스캐닝 및 처리를 위한 은행권 검사 애플리케이션에 점점 채택되고 있습니다. 일부 아시아 국가에서는 개인 수표를 발행할 때 서명보다는 개인 인감 도장을 사용하기 때문에 정부에 의해 컬러 검사가 필요합니다. 인감 도장은 보통 낮은 콘트라스트를 가진 빨간 잉크를 사용합니다.

은행이 진위를 확인하기 위해 컬러 레포트를 필요로 하는 것은 정상적인 일입니다.

또 다른 예로는, 흑백 카메라에서는 보기 여려운 산화 구리 전선을 식별하는 데 사용되는 컬러 카메라를 적용한 PCB 검사 애플리케이션이 있습니다.

새로운 기술의 측면에서 Teledyne DALSA는 3CCD와 trilinear 기술을 개발했고 다양한 산업계에 고성능 컬러 카메라를 공급하고 있습니다. 더 나은 채색 보전도, 저렴한 비용, 사용의 용이함 등은 시장의 주요 동인이고 이러한 요구를 충족하는 새로운 기술은 가까운 미래에 개발될 것입니다.

 

 

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