생산 품질 향상:고속 디지털 이미징으로 기존 머신 비전 향상

머신 비전은 다양한 산업 자동화 애플리케이션을 위한 검증된 프로세스 제어 도구입니다. 전통적으로 이 기술은 상용 기성품(COTS) 이미징 센서, 조명 모듈 및 프로세서를 통합하여 생산 라인을 따라 이동하는 부품을 안내, 검사 또는 식별합니다. 인간 작업자에 비해 머신 비전 시스템은 빠르고 정확하며 반복 가능하므로 빠르게 진행되는 제조 환경에서 제품 품질을 개선하고 폐기율을 낮추며 생산성을 높일 수 있습니다.

운영상의 이점은 분명하지만 고속 디지털 이미징은 머신 비전의 이점, 기능 및 사용 사례를 더욱 확장합니다. 고해상도, 빠른 프레임 속도 및 스트리밍 기능 덕분에 고속 카메라는 반도체 제조, 우주 왕복선 발사, 철도 검사 등과 같이 실시간 분석이나 긴 기록 시간이 필요한 까다로운 응용 분야에서 머신 비전을 지원합니다. 이러한 이유로 고속 머신 비전 시스템은 기존 비전 시스템이 포착할 수 없는 것을 포착하여 사람의 눈으로 볼 수 없을 정도로 작거나 너무 빠른 프로세스를 밝혀줍니다.

고속 머신 비전 카메라의 주요 기능

고속 머신 비전 카메라는 여러 면에서 기존 머신 비전 카메라와 다릅니다. COTS 또는 CCD(전하결합소자) 센서 대신 고속 카메라에는 맞춤형으로 설계된 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 센서가 통합되어 있습니다. 고속 애플리케이션용으로 특별히 설계된 CMOS 센서는 비교할 수 없는 속도와 감도를 제공하여 결함 감지, 부품 측정 등과 같은 머신 비전 애플리케이션에서 보다 상세한 검사와 더 높은 수율을 제공합니다. 여러 메가픽셀의 CMOS 센서를 통합한 고속 머신 비전 카메라는 까다로운 프레임 속도에서도 뛰어난 이미지 품질을 달성합니다.

바람직한 기능

고속 머신 비전 카메라는 생명 과학 응용 분야, 탄도학 테스트, 3D 프린팅 등에서 입지를 굳히고 있습니다.

머신 비전 카메라가 단순히 더 빠르게 작동하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이를 처리하도록 설계되어야 합니다. 67,000fps를 초과하는 빠른 프레임 속도 외에도 머신 비전 애플리케이션용 고속 카메라를 선택할 때 다음 기능을 염두에 두는 것이 중요합니다.

해상도: 팬텀 머신 비전 카메라에는 최대 9메가픽셀의 CMOS 센서가 통합되어 있습니다. 이러한 멀티 메가픽셀 센서는 카메라의 작은 픽셀 크기와 결합되어 빠른 프레임 속도로 더욱 상세한 이미지를 생성합니다.

빛 민감도: 일반적으로 픽셀 크기가 작을수록 이미징 세부 사항이 커집니다. 이는 현미경이 필요한 응용 분야에서 특히 중요합니다. CMOS 센서는 픽셀 크기가 5.6마이크로미터에 불과해 높은 기본 ISO를 제공합니다. 결과적으로 이 카메라는 고속 머신 비전 애플리케이션에 필요한 낮은 노출 시간에도 불구하고 뛰어난 이미지 품질을 달성합니다.

노출 시간: 팬텀 카메라의 노출 시간은 1마이크로초 정도로 낮습니다. 높은 감광도 및 작은 픽셀 크기와 함께 이 기능은 모션 블러를 제거하면서 고속 모션을 충분히 정지시킵니다.

동적 범위: 이미지에 음영이 많거나 피사체의 색상이 배경과 거의 같은 경우 다이내믹 레인지가 작동합니다. 카메라의 다이내믹 레인지가 높을수록 센서가 감지할 수 있는 셰이딩 정의가 더 많아집니다. 팬텀 머신 비전 카메라의 동적 범위는 54.8~59.7데시벨이므로 반도체 검사와 같은 어두운 분야에 적합합니다.

고도로 맞춤화된 센서 외에도 고속 머신 비전 카메라는 구리 CoaXPress(CXP) 케이블 기술을 활용하여 방대한 양의 데이터를 호환 가능한 업계 표준 백엔드 프레임 그래버에 실시간으로 전송할 수 있습니다. 데이터를 즉시 스트리밍하는 이 기능은 데이터를 컴퓨터에 다운로드하기 전에 카메라의 제한된 RAM에 데이터를 저장하는 시간 소모적인 프로세스를 방지합니다. 기성 DVR 장치와 결합하면 이러한 스트리밍 카메라는 로켓 역학, 비행기 역학, 탄도학 등 항공우주 분야의 장시간 녹화 애플리케이션도 지원합니다.

CXP6 프로토콜은 현재 가장 빠른 표준 데이터 전송 방법입니다. 각 구리 케이블은 카메라에서 백엔드 수신기 시스템까지 초당 6.25기가비트의 데이터 전송 속도를 달성합니다. 최신 CXP12 표준은 이 속도를 두 배로 높여 CXP6과 CXP12 모두 높은 처리량이 필요한 카메라에 이상적입니다.

감광도와 빠른 프레임 속도 덕분에 고품질 스트리밍 카메라는 반도체 검사에 이상적입니다.

대부분의 머신 비전 카메라는 초당 최대 2기가픽셀의 데이터 처리량을 제공하는 반면, 세계에서 가장 빠른 스트리밍 카메라는 초당 최대 9기가픽셀의 직접 데이터 전송 속도를 달성합니다. 이 카메라는 이미지를 행별로 나누어 전송한 다음 간단한 알고리즘을 사용하여 각 이미지를 다시 연결하여 더 높은 프레임 속도와 해상도를 가능하게 합니다. 일반 프로그래밍 인터페이스인 GenICam을 사용하여 이 카메라는 기존 시스템에 대한 구성 및 통합도 용이하게 합니다.

실시간 및 장기 기록 구성

고속 머신 비전 시스템의 백엔드 구성은 필요한 프레임 속도, 해상도 및 녹화 시간을 포함한 다양한 변수에 따라 달라집니다. 실시간 분석을 위해 사용자는 스트리밍 카메라에서 최대 16개의 표준 CXP6 채널을 활용할 수 있습니다. CXP6 케이블은 최대 68미터까지 통신이 가능하지만, 광섬유 커넥터는 최대 200킬로미터까지 더 먼 거리를 통신할 수 있습니다. 사용자는 빠르고 유연한 신호 및 동기화를 위해 카메라의 범용 입력/출력(GPIO)을 활용할 수도 있습니다.

기타 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소는 다음과 같습니다:

• 앱별 프레임 그래버 및 CXP6 프레임 그래버 카드;

• 프레임 그래버 API, Matlab®, LABVIEW 또는 기타 후처리 비전 도구를 포함한 소프트웨어

• 이미지 처리 하드웨어(일반적으로 GPU 마이크로프로세서 또는 FPGA)

• PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) Gen3 슬롯이 있는 컴퓨터.

대부분의 고속 애플리케이션은 수백 밀리초 내에 발생하지만 머신 비전 애플리케이션은 우주 왕복선 발사와 같은 이벤트를 수용하기 위해 더 긴 녹화 시간(예:몇 분에서 30분)이 필요할 수 있습니다. 이러한 대용량 데이터와 관련된 저장 문제를 극복하기 위해 고속 머신 비전 카메라는 수 테라바이트의 공간을 갖춘 DVR 장치로 데이터를 직접 스트리밍할 수 있습니다. 이 플러그 앤 플레이 설정을 통해 사용자는 나중에 분석할 수 있도록 수신 데이터를 쉽게 저장할 수 있습니다.

기존 머신 비전 애플리케이션 확장

고속 머신 비전 카메라 덕분에 제조업체는 더 높은 해상도와 기록 정확도로 이미징을 달성할 수 있습니다. 이러한 기능은 라인 속도와 생산량을 높이고 병목 현상을 줄이며 단위당 비용을 절감합니다. 동시에 이러한 스트리밍 카메라는 기존 머신 비전 카메라를 사용하여 분석은 물론 보기 어려운 나노미터 규모의 대상을 캡처할 수 있어 머신 비전을 프로세스 제어 도구에서 진단 도구로 전환할 수 있습니다. 결과적으로 머신 비전은 생명 과학, 반도체 제조, 제약 등과 같은 산업에서 주목을 받고 있습니다.

고속 머신 비전의 최신 응용 분야는 다음과 같습니다.

반도체 검사: 고속 머신 비전 카메라는 처리량 중심 산업인 반도체 제조에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히 부품 결함이 발생하는 즉시 이를 신속하게 식별하고 표시하여 결함 관련 비용과 가동 중지 시간을 줄이고 처리량을 개선하며 검사 시간을 최소로 유지합니다.

고품질 머신 비전 카메라는 일반적으로 서브미크론 크기 스케일이 포함되는 반도체 응용 분야에 필요한 감광도, 신호 대 잡음비 및 빠른 프레임 속도 간에 필요한 균형을 유지합니다. 예를 들어 전체 4,096 × 2,304 해상도의 Phantom S990 스트리밍 카메라는 6.75μm 픽셀 크기, 9.6e-노이즈 및 938fps 기록 속도를 갖추고 있어 이미징 소프트웨어가 결함을 나타내는 밝은 영역과 어두운 영역 사이의 미묘한 변화를 감지할 수 있는 고품질 이미지를 생성합니다.

고속 분광계: 많은 식품 및 음료, 제약 및 농업 응용 분야에 사용되는 고속 분광계는 백색광을 다양한 파장으로 회절시켜 흡수 스펙트럼을 생성함으로써 특정 물질의 존재를 감지할 수 있습니다. 이 프로세스의 새로운 응용 분야 중 하나는 고속 머신 비전 카메라를 사용하여 약품 정제의 화학적 구성을 확인하는 것입니다. 카메라는 태블릿이 컨베이어를 따라 움직이는 동안 태블릿을 녹화합니다. 그런 다음 렌즈에 도달하는 회절, 흡수 및 투과된 빛을 기반으로 카메라는 생산 라인을 계속 가동시키면서 결함이 있는 태블릿을 표시할 수 있습니다.

빠른 녹화 속도와 감광도 덕분에 고속 스트리밍 카메라는 이 새로운 애플리케이션에 이상적입니다. 비접촉식 검사 방법을 제공하는 것 외에도 이 카메라는 동일한 시야 내에서 수십 개의 정제를 동시에 쉽게 검사할 수 있어 중요한 제약 작업의 처리량을 향상시킵니다.

스트리밍 카메라 기능

머신 비전 스트리밍 애플리케이션에서 이미지 데이터는 CXP 케이블 기술을 통해 프레임 그래버와 PC 또는 장시간 기록 DVR로 직접 전달됩니다. 사용자는 실시간 애플리케이션이나 장기 기록을 위해 이 데이터에 즉시 액세스할 수 있으며 PC나 DVR의 저장 용량에 의해서만 제한됩니다.

• 고속 스트리밍 카메라의 다른 기능은 다음과 같습니다:

• 구성 가능한 비트 깊이 - 8/12비트, 8/10비트

• 27V 미만을 소비하는 일부 스트리머를 위한 CXP6 기술로 구동

• 쉬운 통합을 위한 GenICam 규정 준수

• PCIe3 CXP6 프레임 그래버와의 호환성

• GPIO는 일반 및 고급 신호 기능을 제공합니다

• 데이터 요구량 감소를 위한 확장 가능한 데이터 전송

철도 검사: 고속 머신 비전 카메라는 철도 시스템 검사 방법을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 비, 눈 또는 먼지 폭풍으로 인해 연중 귀중한 시간을 허비하는 기존 머신 비전 카메라와 달리 스트리밍 카메라는 어려운 기상 조건을 통과하는 데 필요한 높은 프레임 속도, 해상도 및 감광도를 제공합니다. 대부분의 카메라와는 달리 추가 렌즈 필터를 사용하지 않고도 백색광도 처리합니다.

스트리밍 카메라의 다른 새로운 응용 분야로는 세포 진단과 같은 생명 과학; 바이알 식별 및 용혈; 탄도 테스트; 레이저 용접; 그리고 3D 프린팅.

이 기사는 Vision Research(뉴저지주 웨인)의 비전 애플리케이션 엔지니어인 Uma Gobena가 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .