머신 비전은 다양한 산업 자동화 응용 분야에서 입증된 공정 제어 도구입니다. 전통적으로 이 기술은 상용 기성품(COTS) 이미징 센서, 조명 모듈, 프로세서를 통합하여 생산 라인을 따라 이동하는 부품을 안내, 검사, 식별합니다. 인간 작업자와 비교해 머신 비전 시스템은 빠르고 정확하며 반복 가능하여 빠르게 변화하는 제조 환경에서 제품 품질 향상, 스크랩 비율 감소, 생산성 증대에 기여합니다.
운영상 이점이 명확하지만, 고속 디지털 이미징은 머신 비전의 이점, 역량, 사용 사례를 훨씬 더 확장합니다. 높은 해상도, 빠른 프레임 레이트, 스트리밍 역량 덕분에 고속 카메라는 실시간 분석이나 긴 기록 시간이 필요한 까다로운 응용 분야에서 머신 비전을 가능하게 합니다. 반도체 제조, 우주왕복선 발사, 철도 검사 등이 그 예입니다. 이러한 이유로 고속 머신 비전 시스템은 전통적 비전 시스템이 포착할 수 없는 것을 포착하여, 육안으로 보기에는 너무 작거나 너무 빠른 공정에 빛을 비춥니다.
고속 머신 비전 카메라는 여러 면에서 전통적 머신 비전 카메라와 다릅니다. COTS나 전하결합소자(CCD) 센서 대신, 고속 카메라는 맞춤 설계된 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 센서를 통합합니다. 고속 응용 분야에 특화 설계된 CMOS 센서는 비교할 수 없는 속도와 감도를 제공하여 결함 감지, 부품 측정 등 머신 비전 응용에서 더 상세한 검사와 더 높은 수율을 이끕니다. 여러 메가픽셀 CMOS 센서를 탑재한 고속 머신 비전 카메라는 도전적인 프레임 레이트에서도 뛰어난 화질을 달성합니다.
고속 머신 비전 카메라는 생명과학 응용, 탄도 시험, 3D 프린팅 등에서 입지를 넓히고 있습니다.
단순히 더 빨라지는 것만으로는 부족합니다. 그것을 감당하도록 설계되어야 합니다. 67,000fps를 초과하는 빠른 프레임 레이트 외에도, 머신 비전 응용 분야용 고속 카메라 선택 시 염두에 두어야 할 중요한 특징들은 다음과 같습니다:
해상도: Phantom 머신 비전 카메라는 최대 9메가픽셀 CMOS 센서를 탑재합니다. 이 다중 메가픽셀 센서와 카메라의 작은 픽셀 크기가 결합되어 빠른 프레임 레이트에서도 더 상세한 이미지를 산출합니다.
감도: 일반적으로 픽셀 크기가 작을수록 이미징 디테일이 더 크며, 이는 현미경이 필요한 응용 분야에서 특히 중요합니다. CMOS 센서는 5.6마이크로미터까지 작은 픽셀 크기를 가지며, 높은 네이티브 ISO를 초래합니다. 결과적으로 이 카메라는 고속 머신 비전 응용에 필요한 낮은 노출 시간에도 뛰어난 화질을 달성합니다.
노출 시간: Phantom 카메라는 1마이크로초까지 낮은 노출 시간을 가집니다. 이 능력은 높은 감도와 작은 픽셀 크기와 결합되어 고속 모션을 충분히 정지시키면서 모션 블러를 제거합니다.
다이나믹 레인지: 이미지에 많은 음영이 있거나 피사체가 배경과 거의 같은 색상일 때 다이나믹 레인지가 중요합니다. 카메라의 다이나믹 레인지가 높을수록 센서가 더 많은 음영 정의를 감지할 수 있습니다. Phantom 머신 비전 카메라는 54.8~59.7데시벨의 다이나믹 레인지를 가지며, 반도체 검사 같은 어두운 응용 분야에 적합합니다.
고도로 맞춤화된 센서 외에도 고속 머신 비전 카메라는 구리 CoaXPress(CXP) 케이블 기술을 활용하여 방대한 데이터를 호환되는 산업 표준 백엔드 프레임 그래버로 실시간 전송합니다. 이 즉각적인 데이터 스트리밍 능력은 데이터를 카메라의 제한된 RAM에 저장한 후 컴퓨터로 다운로드하는 시간 소모적인 과정을 피합니다. 기성품 DVR 장치와 결합하면 이러한 스트리밍 카메라는 로켓 역학, 비행기 역학, 탄도학 등 항공우주 분야의 더 긴 기록 응용도 지원합니다.
CXP6 프로토콜은 현재 가장 빠른 표준 데이터 전송 방식입니다. 각 구리 케이블은 카메라에서 백엔드 수신기로 초당 6.25기가비트의 데이터 전송률을 달성합니다. 더 최근 CXP12 표준은 이 속도를 두 배로 높여, CXP6과 CXP12 모두 높은 처리량이 필요한 카메라에 이상적입니다.
고감도와 빠른 프레임 레이트 덕분에 고품질 스트리밍 카메라는 반도체 검사에 이상적입니다.
대부분 머신 비전 카메라가 초당 2기가픽셀까지 데이터 처리량을 제공하는 반면, 세계에서 가장 빠른 스트리밍 카메라는 초당 9기가픽셀까지 직접 데이터 전송 속도를 달성합니다. 이 카메라들은 이미지를 행 단위로 나누어 전송한 후 간단한 알고리즘으로 각 이미지를 다시 꿰매어, 더 높은 프레임 레이트와 해상도를 가능하게 합니다. 범용 프로그래밍 인터페이스인 GenICam을 활용하여 이 카메라들은 기존 시스템으로의 구성과 통합도 용이하게 합니다.
고속 머신 비전 시스템의 백엔드 구성은 필요한 프레임 레이트, 해상도, 기록 시간 등 여러 변수에 따라 달라집니다. 실시간 분석을 위해 사용자는 스트리밍 카메라에서 최대 16개 표준 CXP6 채널을 활용할 수 있습니다. CXP6 케이블은 68미터까지 통신 가능하지만, 광파이버 커넥터는 200킬로미터까지 더 긴 거리를 달성합니다. 사용자는 카메라의 범용 입출력(GPIO)도 빠르고 유연한 신호 및 동기화에 활용할 수 있습니다.
기타 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소:
대부분 고속 응용이 수백 밀리초 내에 이루어지지만, 머신 비전 응용은 우주왕복선 발사 같은 이벤트를 수용하기 위해 수 분에서 30분까지 더 긴 기록 시간을 요구할 수 있습니다. 그러한 대량 데이터와 관련된 저장 과제를 극복하기 위해 고속 머신 비전 카메라는 데이터를 직접 DVR 장치로 스트리밍할 수 있습니다. 이 장치는 여러 테라바이트 공간을 제공합니다. 이 플러그앤플레이 설정으로 사용자는 들어오는 데이터를 쉽게 저장하여 나중에 분석할 수 있습니다.
고속 머신 비전 카메라 덕분에 제조업체는 더 높은 해상도와 기록 정확도로 이미징을 달성할 수 있습니다. 이 특징들은 라인 속도와 생산량을 늘리고, 병목현상을 줄이며, 단위당 비용을 절감합니다. 동시에 이 스트리밍 카메라는 전통적 머신 비전 카메라로는 보기 어렵고 분석하기조차 어려운 나노미터 규모 타겟을 포착할 수 있어, 머신 비전을 공정 제어 도구에서 진단 도구로 변모시킵니다. 그 결과 머신 비전은 생명과학, 반도체 제조, 제약 등 산업에서 입지를 넓히고 있습니다.
반도체 검사: 고속 머신 비전 카메라는 처리량에 의해 주도되는 반도체 제조에서 점점 더 중요한 역할을 합니다. 구체적으로, 부품 결함이 발생하는 즉시 신속하게 식별하고 플래그하여 결함 관련 비용과 다운타임을 줄이고, 처리량을 개선하며, 검사 시간을 최소화합니다.
고품질 머신 비전 카메라는 반도체 응용에 필요한 감도, 신호대잡음비, 빠른 프레임 레이트 사이의 필수적 균형을 이룹니다. 이 응용들은 일반적으로 서브미크론 크기 스케일을 포함합니다. 풀 4,096×2,304 해상도에서 Phantom S990 스트리밍 카메라는 6.75μm 픽셀 크기, 9.6e- 노이즈, 938fps 기록 속도를 특징으로 하여, 결함을 나타내는 밝은 영역과 어두운 영역 사이의 미세한 변화를 감지할 수 있는 고품질 이미지를 생성합니다.
고속 분광기: 많은 식음료, 제약, 농업 응용에서 사용되는 고속 분광기는 백색광을 다양한 파장으로 회절시켜 흡수 스펙트럼을 생성하여 특정 물질의 존재를 감지할 수 있게 합니다. 이 프로세스의 새로운 응용 중 하나는 고속 머신 비전 카메라를 사용하여 제약 정제의 화학적 조성을 검증하는 것입니다. 카메라는 컨베이어를 따라 움직이는 정제를 기록합니다. 그런 다음 회절, 흡수, 투과된 빛이 렌즈에 도달하는 것을 기반으로 카메라가 결함 정제를 플래그할 수 있으며, 생산 라인을 계속 가동시킵니다.
빠른 기록 속도와 감도 덕분에 고속 스트리밍 카메라는 이 새로운 응용에 이상적입니다. 비접촉 검사 방법을 제공하는 것 외에도, 이 카메라는 동일한 시야 내에서 수십 개의 정제를 동시에 쉽게 검사할 수 있어 중요한 제약 작업의 처리량을 개선합니다.
머신 비전 스트리밍 응용에서 이미지 데이터는 CXP 케이블 기술을 통해 프레임 그래버와 PC 또는 장시간 기록용 DVR로 직접 흐릅니다. 사용자는 실시간 응용 또는 장시간 기록을 위해 이 데이터에 즉시 접근할 수 있으며, PC나 DVR의 저장 용량만으로 제한됩니다.
철도 검사: 고속 머신 비전 카메라는 철도 시스템 검사 방식을 바꿀 잠재력을 가집니다. 전통적 머신 비전 카메라가 비, 눈, 먼지 폭풍으로 인해 매년 소중한 시간을 잃는 것과 달리, 스트리밍 카메라는 어려운 기상 조건을 꿰뚫어 보는 데 필요한 높은 프레임 레이트, 해상도, 감도를 제공합니다. 대부분의 카메라와 달리 추가 렌즈 필터 없이 백색광도 처리합니다.
스트리밍 카메라의 기타 새로운 응용 분야에는 생명과학(세포 진단, 바이알 식별, 용혈), 탄도 시험, 레이저 용접, 3D 프린팅이 포함됩니다.
이 기사는 Uma Gobena, 비전 응용 엔지니어, Vision Research(웨인, NJ)가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.
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