산업 자동화를 위한 올바른 3D 비전 시스템 선택 가이드

확인해야 할 기본 파라미터

머신 비전은 산업 자동화의 원동력 중 하나입니다. 오랫동안 2D 이미지 센싱의 발전에 주로 의해 추진되어 왔으며, 일부 애플리케이션에서는 2D 방식이 여전히 최적의 선택입니다.

그러나 오늘날 머신 비전이 직면한 대부분의 과제는 3D적 성격을 띠고 있습니다. 따라서 이 기사는 3D 표면 캡처를 가능하게 하는 3D 비전 시스템을 구동하는 방법들을 다룹니다.

시장에는 다양한 3D 센서 솔루션이 제공되지만, 그들 간의 차이와 특정 애플리케이션에 대한 적합성을 이해해야 합니다. 궁극적으로 모든 니즈를 만족시키는 최적의 솔루션을 개발하는 것은 불가능하다는 것을 인식하는 것이 중요합니다.

이 기사는 특정 애플리케이션에 대한 솔루션 선택 시 고려해야 할 3D 비전 시스템의 가장 중요한 파라미터와 일부 파라미터가 높을 때의 트레이드오프에 초점을 맞춥니다. 각 파라미터는 개별 기술과 그들이 제공하는 가능성을 더 잘 비교하기 위해 5단계로 구분됩니다.

다음 기사에서는 3D 센싱 기술을 자세히 살펴보고 스캔 파라미터와 관련하여 그들의 장점과 한계를 논의할 것입니다.

3D 비전 시스템을 구동하는 기술은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다.

A. 비행 시간(Time-of-Flight)

• 에어리어 스캔(Area scan)
• 라이다(LiDAR)

B. 삼각 측량 기반 방식

• 레이저 삼각 측량(또는 프로필로메트리)
• 사진측량(Photogrammetry)
• 스테레오 비전(수동 및 능동)
• 구조광(단일 프레임, 다중 프레임)
• 새로운 "병렬 구조광(Parallel Structured Light)" 기술

파라미터

스캔 볼륨(Scanning Volume)

계측 애플리케이션에 사용되는 시스템의 일반적인 작동 볼륨은 약 100mm x 100mm x 20mm인 반면, 빈 피킹 솔루션의 표준 요구사항은 약 1m³입니다. 이는 단순한 파라미터 변경처럼 보일 수 있지만, 다른 기술이 서로 다른 작동 볼륨에서 탁월할 수 있습니다.

XY 방향의 범위 확장은 시스템의 FOV(시야각)와 더 관련이 있으며 더 넓은 렌즈를 사용하여 확장할 수 있습니다. 그러나 Z 방향의 확장은 물체를 초점에 유지하는 문제를 야기합니다. 이를 피사계 심도(Depth of Field)라고 합니다. 피사계 심도가 깊을수록 카메라(또는 프로젝터)의 조리개가 작아져야 합니다. 이는 센서에 도달하는 광자 수를 크게 제한하여 일부 기술의 높은 깊이 범위에서의 사용을 강력히 제한합니다.

카메라의 깊이 범위를 조리개 축소로 확장할 수 있지만, 포착되는 빛의 양이 제한됩니다 (능동 시스템의 광원과 주변 조명 모두). 능동 투영 시스템의 깊이 범위 확장은 더 복잡한 문제입니다. 조리개 축소가 신호만 제한하고 주변 조명은 제한하지 않기 때문입니다. 여기서 레이저 기반 투영 시스템(Photoneo의 3D 센서와 같은)이 로봇 애플리케이션에 적합한 크고 실용적인 볼륨을 달성하는 데 탁월합니다.

우리는 피사계 심도 범위를 기준으로 5가지 범주를 정의할 수 있습니다:

1. 매우 작음: 최대 50mm

2. 작음: 최대 500mm

3. 중간: 최대 1500mm

4. 큼: 최대 4m

5. 매우 큼: 최대 100m

데이터 획득 및 처리 시간(Data Acquisition & Processing Time)

3D 스캔에서 가장 가치 있는 자원 중 하나는 빛입니다. 올바른 광원에서 최대한 많은 광자를 픽셀로 가져와 측정의 좋은 신호 대 잡음비를 확보하는 것이 필수적입니다. 이는 획득 시간이 제한된 애플리케이션에서는 도전이 될 수 있습니다.

시간에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 기술이 정지 없이 움직이는 객체를 캡처할 수 있는 능력입니다(컨베이어 벨트 위 객체, 움직이는 로봇에 부착된 센서 등). 동적 장면을 고려할 때 "원샷(one-shot) 접근 방식"만 적용 가능합니다(데이터 획득 시간 파라미터에서 점수 5로 표시). 다른 접근 방식은 3D 표면을 캡처하기 위해 여러 프레임이 필요하므로, 스캔 대상이 움직이거나 센서가 움직이면 출력이 왜곡되기 때문입니다.

사이클 타임과 관련된 또 다른 측면은 애플리케이션이 반응형이어서 즉각적인 결과를 요구하는지(예: 스마트 로보틱스, 분류 등) 나중에 결과를 제공해도 충분한지(예: 오프라인 계측, 공장 평면도 재구성, 범죄 현장 디지털화 등)입니다.

일반적으로 획득 시간이 길수록 품질이 높고, 그 반대도 마찬가지입니다. 고객이 짧은 시간과 높은 품질을 모두 요구한다면 "병렬 구조광" 방식이 최적의 솔루션입니다.

데이터 획득 시간:

1. 매우 높음: 수 분 이상

2. 높음: ~5초

3. 중간: ~2초

4. 짧음: ~500ms

5. 매우 짧음: ~50ms

데이터 처리 시간:

1. 매우 높음: 수 시간 이상

2. 높음: ~5초

3. 중간: ~2초

4. 짧음: ~500ms

5. 매우 짧음: ~50ms

해상도(Resolution)

해상도는 시스템의 세부 사항 인식 능력입니다. 큰 작동 볼륨 내에 작은 3D 특징이 있는 애플리케이션에서는 높은 해상도가 필요합니다.

모든 카메라 기반 시스템에서 해상도 향상의 가장 큰 과제는 개별 픽셀에 도달하는 빛의 양이 감소한다는 점입니다. 컨베이어 벨트에서 사과를 선별하는 애플리케이션을 상상해 보세요. 처음엔 사과 크기만 선별 파라미터였습니다. 그러나 고객이 꼭지 유무도 확인해야 할 수 있습니다. 데이터 분석 결과 객체 샘플링 해상도를 2배 확장해야 필요한 데이터를 얻을 수 있음을 보여줍니다.

객체 샘플링 해상도를 2배 높이려면 이미지 센서 해상도를 4배 늘려야 합니다. 이는 빛의 양을 4배 제한합니다(같은 빛이 4개 픽셀로 분산). 까다로운 점은 원래 시스템의 피사계 심도를 유지해야 한다는 것입니다. 이를 위해 조리개를 줄여야 하는데, 이는 빛을 또 다른 4배 제한합니다. 즉, 같은 품질로 객체를 캡처하려면 16배 더 긴 노출 시간이나 16배 더 강한 광원이 필요합니다. 이는 실시간 시스템의 최대 해상도를 강력히 제한합니다.

경험상 애플리케이션에 필요한 최소 해상도를 사용하여 스캔 대상을 빠르게 캡처하세요. 처리 시간 단축으로 시간도 절약할 수 있습니다. 대안으로 일부 장치(예: Photoneo PhoXi 3D 스캐너)는 중간 및 고해상도 간 전환이 가능하여 애플리케이션 니즈에 맞출 수 있습니다.

측정당 평균 3D 포인트 수 또는 XY 해상도 기준 5개 범주:

1. 매우 작음: ~10만 포인트

2. 작음: ~30만 포인트 (VGA)

3. 중간: ~100만 포인트

4. 높음: ~400만 포인트

5. 확장: ~1억 포인트

정확도 및 정밀도(Accuracy & Precision)

정확도는 시스템의 깊이 정보 검색 능력입니다. 일부 기술은 정밀 측정을 위해 확장 가능합니다(대부분의 삼각 측량 시스템처럼), 하지만 물리적 한계(비행 시간 시스템 등) 때문에 그렇지 못한 기술도 있습니다.

이를 깊이 해상도라고 합니다:

1. 매우 작음: >10cm

2. 작음: ~2cm

3. 중간: ~2mm

4. 높음: ~250μm

5. 매우 높음: ~50μm

강건성(Robustness)

강건성은 다양한 조명 조건에서 시스템이 고품질 데이터를 제공하는 능력을 의미합니다. 예를 들어 일부 시스템은 외부 조명(햇빛, 실내 조명 등)에 의존하거나 제한된 주변 조명 수준(시스템 작동에 포함되지 않는 조명)에서만 작동할 수 있습니다. 주변광은 내부 센서가 보고하는 강도 값을 증가시키고 측정 노이즈를 증가시킵니다.

많은 접근 방식이 수학(블랙 레벨 빼기 등)을 사용하여 더 높은 내성을 달성하려 하지만 이러한 기술은 다소 제한적입니다. 문제는 "샷 노이즈(shot noise)" 또는 "양자 노이즈(quantum noise)"라는 특정 노이즈에 있습니다. 이는 평균적으로 만 개의 광자가 픽셀에 도달하면 그 제곱근인 백 개가 불확실성의 표준 편차라는 뜻입니다.

문제는 주변 조명 수준에 있습니다. 주변 조명으로 인한 "샷 노이즈"가 시스템의 능동 조명에서 오는 신호 수준을 초과하면 겉보기 데이터 품질이 저하됩니다. 즉, 주변 조명은 불필요한 노이즈를 동반하며 이는 결국 유용한 신호를 압도하여 최종 3D 데이터 품질을 방해할 수 있습니다.

장치가 작동할 수 있는 외부 조건을 정의해 보겠습니다:

1. 실내, 어두운 방

2. 실내, 차폐된 작동 볼륨

3. 실내, 강한 할로겐 조명 및 유백색 창문

4. 실외, 간접 햇빛

5. 실외, 직사광선

다른 재질 스캔의 강건성 측면에서 결정적 요소는 상호 반사(interreflection) 처리 능력입니다:

1. 확산, 텍스처가 좋은 재질(바위 등)

2. 확산 재질(흰 벽)

3. 반광택 재질(양극 산화 알루미늄)

4. 광택 재질(연마강)

5. 거울 같은 표면(크롬)

설계 및 연결성(Design & Connectivity)

3D 비전 시스템의 물리적 강건성을 영향을 주고 열악한 산업 환경에서도 높은 성능을 보장하는 여러 요소가 있습니다. 여기에는 열 보정, PoE(Power over Ethernet) 및 24V 같은 전원 옵션, 적절한 IP 등급이 포함되며, 산업용 3D 스캐너는 최소 IP65를 목표로 해야 합니다.

또 다른 요소는 장치의 무게와 크기로, 일부 애플리케이션에서 사용을 제한합니다. 가볍고 콤팩트하면서 강력한 솔루션은 고객이 기본적으로 어디에든 장착할 수 있게 합니다. 이것이 PhoXi 3D 스캐너가 카본 파이버 바디를 채택한 이유입니다. 열 안정성과 함께 더 긴 기준선 시스템에서도 가벼운 무게를 제공합니다.

1. 매우 무거움: >20kg

2. 무거움: ~10kg

3. 중간: ~3kg

4. 가벼움: ~1kg

5. 매우 가벼움: ~300g

가격/성능 비율(Price/Performance Ratio)

3D 비전 시스템의 가격도 또 다른 중요한 파라미터입니다. 애플리케이션은 고객에게 가치를 제공해야 합니다. 중요한 문제 해결(예산이 큰 경우)이나 공정의 경제성 향상(예산 민감형) 중 하나일 수 있습니다.

일부 가격 측면은 특정 기술과 관련되고, 다른 측면은 생산량이나 제공되는 서비스 및 지원에 의해 결정됩니다. 최근 몇 년간 소비자 시장은 대량 생산을 활용해 저렴한 3D 센싱 기술을 제공해 왔습니다. 반면 이러한 기술은 커스터마이징 및 업그레이드 불가능, 강건성 부족, 제품 라인 가용성 제한, 제한된 지원 등의 단점이 있습니다.

3D 비전 기술의 가격 기준:

1. 매우 높음: ~10만 유로

2. 높음: ~2만 5천 유로

3. 중간: ~1만 유로

4. 낮음: ~1천 유로

5. 매우 낮음: ~200 유로

이제 3D 비전 시스템의 기본 파라미터와 각각이 특정 애플리케이션과 다양한 목적에서 수행하는 역할을 알게 되었습니다.

다음 기사에서는 개별 3D 센싱 기술이 이러한 파라미터와 관련하여 어떻게 수행되는지, 그들 간의 기본적 차이점, 한계 및 장점을 설명할 것입니다.