머신 비전의 인간적 측면

Plug and Play의 이점

USB가 편리성과 넓은 가용성을 기반으로 광범위한 소비자와 컴퓨팅 장치에서 유선 데이터 연결성의 근간을 이루게 되었음에도 하나의 예외가 생겨났는데, 이 예외적 사항이 바로 ‘머신 비전’이다.이렇게 머신 비전이 예외적인 요소로 탄생하게 된 현상은 이전 버전의 표준이 비압축 전송 지원과 실시간 이미지 분석의 원본 데이터가 필수적으로 요구되는 대역폭 전송에 실패한 결과로 발생하게 되었다.

이는 USB 2.0의 대역폭을 10배가량 제공하는 USB 3.0의 표준이나 Super Speed USB를 변화시켰는데, 머신 비전 산업이 원본 데이터와 GigE Vision을 토대로 개발된 콘셉트를 활용한 USB 3.0 케이블로 이미징 비디오와 데이터를 전송하는 기능을 2013년 2월에 출시된 USB 3 Vision과 함께 표준화시켰다.

이렇게 만들어진 USB 3 Vision으로 인해 비디오와 데이터가 카메라와 센서에서 직접적으로 기존 컴퓨터나 노트북 혹은 태블릿의 포트로 전송될 수 있게 되었으며, USB 3.0 버스의 경우 3Gbps 대역폭의 데이터양을 전송 가능하게 되었다.

이러한 기술이 Camera Link Base 구성을 능가할 뿐만 아니라, Medium 구성에 근접해 있음에도 멀티 케이블 또는 PCIe 프레임 그레버와 PC 장치에서 데이터 획득을 위해 활용되는 USB 3.0 인터페이스는 별도의 프레임 그레버 제품을 필요로 하지 않는다.

한편, 머신 비전에 필요한 대역폭은 USB 3 Vision 초기 채택에 주요한 영향을 미치는데, 제품을 직접 제조하는 장비 회사는 좀 더 유연한 케이블링과 Plug and Play 연결을 통해 이점을 얻길 원한다.이 같은 상황 속에서 <그림 1>의 ‘Bin-Picking 로봇’에 내장된 외부 프레임 그레버는 기존 Camera Link 카메라에 있는 이미지 정보를 USB 3 Vision에서도 호환 가능한 영상 데이터로 변환시킨다.

뿐만 아니라 영상 데이터, 전원, 컨트롤 데이터는 하나의 케이블을 통해 전송 가능하며, 무겁고 설치하기 어려운 케이블 대신 가벼운 케이블과 이전 인터페이스에서 활용됐던 커넥터들과도 연결 가능하다. 이러한 특성은 전체 비용과 시스템 복잡도를 낮추는 동시에 초기 설치와 향후 유지보수와 관련된 시간 측면에 있어서 사용자에게 이점을 제공한다.

한편, <그림 2>의 현미경 시스템은 검사 및 분석에 활용되는데, 디자이너는 이 현미경 시스템을 통해 비용 절감과 사용성을 향상시킬 수 있으며, Camera Link 카메라를 USB 3 Vision 카메라로 변환해 복잡성을 줄일 수 있다.

이 시스템은 컴퓨터로 현미경 이미지를 분석 및 관찰하기 위한 용도로서 전송용 Camera Link 카메라를 사용하는데, Camera Link 비디오 인터페이스의 경우 데스크톱 컴퓨터에서 이미지 캡처를 수행하기 위해서는 무겁고 특수한 케이블링과 PCIe 프레임 그레버가 반드시 필요하다.

이와 같은 점으로 인해 사용자는 더 복잡한 시스템과 높은 비용, 제한된 컴포넌트를 선택할 수밖에 없는 상황에 처하게 된다. 이를 종합적으로 비교 시 USB 3 Vision Pleora iPort CL-U3가 현미경 카메라로부터 USB 3.0 케이블을 통해 직접 노트북, 싱글 보드 컴퓨터나 태블릿으로 이미지를 전송한다는 것을 알 수 있다.

만약 사용자가 Camera Link 프레임 그레버를 PCIe 슬롯에서 제거하면 전체 시스템 복잡성이 줄어들게 되는데, 이와 동시에 Plug and Play USB 3.0 케이블이 검사 장치에서 설치와 해체를 신속하게 수행할 수 있게 된다.

변화하고 있는 이미징 시스템

최근 최종 고객들이 점차 휴대용 비전 시스템으로 이동하는 현상이 진행되고 있는데, 이들은 시스템을 주로 작업 현장에 있는 워크스테이션에서 활용한다. 더 작고 강력한 카메라와 이미지 소스들의 진화 현상은 솔루션 개발을 지원하며, 비전의 표준은 비용과 사용성 측면에서 중요한 역할을 수행한다.

이에 대한 예로 ‘바코드 검사’를 들 수 있는데, 이 애플리케이션의 비전 표준은 소형 탁상용 이미지 시스템 디자인을 간소화시키는 데 성공했다. 또한 바코드 프린트 검사 시스템은 낮은 비용과 생산성 향상에 긍정적인 영향을 미쳤으며, 자동화된 품질 검사와 창고 프로세스상에서 이루어지는 세밀한 품질 분석률을 통해 오류 발생률을 줄였다.

라벨링 또는 마킹 시스템의 경우 제조 프로세스상에서 이뤄지는 초기 품질 확인으로 인해 업그레이드되거나 읽을 수 없는 바코드가 생산되기 전에 교체되는데, 만약 프린팅 에러가 신속히 검출되지 않을 시에는 자동화된 리딩 시스템이 제품을 식별할 수 없게 되며, 이러한 현상은 제조 공정 중에 혼란과 추가 비용이 발생하는 결과를 만들어낸다. 휴대용 바코드 검사 시스템은 다음 <그림 3>에서 볼 수 있는 애플리케이션에서 CMOS 이미지 센서를 채택하며, 바코드의 고 해상도 이미지 캡처에 특화된 디자인 조명을 활용하게 된다.

임베디드 비디오 인터페이스는 이미지를 GigE Vision이나 USB 3 Vision에 호환될 수 있는 이미지 스트림으로 전환시키는데, 이 때 이미지는 USB 3.0 케이블을 통해 컴퓨팅 플랫폼의 포트로 전송되고 바로 여기서 바코드 판독성 검사가 이뤄진다.

PoE(Power over Ethernet) 또는 USB 전원은 사용자에게 좀 더 단순화된 케이블과 낮은 컴포넌트 비용을 제공하며, 휴대용 시스템은 PCIe 프레임 그레버 제거와 단일 케이블 설치라는 특성으로 인해 다양한 제조 현장에서 활용 가능하다. 한편, 무선 연결은 머신 비전에서도 많은 최종 고객들로부터 선호를 받고 있는데, 산업용 애플리케이션에서는 모바일 비파괴 테스팅, 검사와 유사한 기술이 사용되고 있다.

임베디드 비디오 인터페이스는 낮은 지연·대기로 인해 비압축 비디오를 IEEE 802.11n 무선 링크를 활용해 스트리밍하며, 비디오는 애플리케이션이 요구하는 조건에 따라 비디오 인터페이스 프레임 버퍼에 저장된다. 영상 데이터는 노트북 또는 태블릿, 단일 보드 컴퓨터로 전송되는데, 이 때 고가의 외부 프레임 그레버 카드가 내장된 데스크톱 PC가 없어도 무방하다.

산업용 X-ray 애플리케이션의 무선 솔루션은 FPD(Flat Panel Detector)에 탑재되며, 휴대용 X-ray 이미징 시스템으로 이동할 수 있다. 또한 임베디드 하드웨어는 무선으로 직접 FPD로부터 실시간 이미지를 컴퓨팅 플랫폼을 통해 분석, 녹화, 디스플레이용으로 전송한다.

최종 사용자를 위한 비디오

머신 비전 시스템은 고품질, 실시간 자동화 프로세싱, 분석에 필요한 비압축 이미지 피드를 만들어 내는데, 이러한 애플리케이션들은 다양한 요구 사항을 필요로 한다. 그러나 조립 라인의 실시간 모니터링이나 품질 보증 목적을 달성하기 위한 용도로 활용되는 높은 대역폭의 비디오 전송과 녹화는 비실용적인데다가 고비용이다.

이 때문에 제품 제조사들은 보통 범용 목적을 갖춘 모니터링과 녹화용 영상처리 시스템을 간단하게 설치하는 USB 3.0 인터페이스를 선호한다. 영상 압축은 제조사들에게 좀 더 경제적이고 사용하기 쉬운 이미징 시스템과 실시간 모니터링, 녹화 목적용 디자인에 관한 새로운 방법을 제시하는데, 이미징 애플리케이션에는 제품 제조사가 고려해야 할 두 가지 종류의 영상 압축 방법이 존재하고 있다.

첫 번째 방법은 복구가 불가능하다고 여겨지는 ‘Lossy 압축’으로, 몇 가지 정보와 원본 이미지의 선명도에 손상을 입힌다. Lossy 영상 압축의 대표적인 예로는 DVD와 인터넷 비디오 스트리밍으로 잘 알려져 있는 H.264를 들 수 있는데, Lossy 압축은 50:1의 비율 압축을 통해 데이터 크기를 줄일 수 있지만 긴 시간의 지연 및 대기 현상을 일으키기도 한다.

이런 유형의 압축은 다중 최종 사용자를 보유한 비전 애플리케이션에 적합한데, <그림 4>의 제조 라인에서 비압축 비디오가 GigE Vision 카메라로부터 프로세싱과 분석 플랫폼으로 전송된다.

동일 비디오는 트랜스 코더 게이트웨이로 멀티캐스트(한 번의 송신으로 메시지나 정보를 목표한 여러 컴퓨터로 동시에 전송하는 것)될 수 있으며, H.264를 통한 압축을 수행할 뿐만 아니라 유선 또는 무선 연결을 통해 비디오를 운영 센터로 전송한다.

이 때 운영자는 원격으로 시설을 모니터링할 수 있으며, 추가적으로 추후 분석을 위한 주요 이벤트들도 기록 가능하다. 한편, Lossy 압축과는 달리 회복이 가능한 JPEG-LS 무손실 압축 기술인 ‘JPEG 2000’은 특정 모드에서 낮은 압축 비율을 구현하는 동시에 원본 정보를 보존한다.

또한 JPEG 2000은 가벼운 압축을 수행하기 때문에 상대적으로 Lossy보다 지연·대기 시간이 짧다. 회복 가능한 압축 데이터의 경우 낮은 지연 및 대기가 필수적인 시스템에 적합하지만, 기존 케이블링이 지원하는 것보다 높은 데이터 레이트를 갖춰야 한다.

이와 관련된 대표적인 예로는 1080p 컬러 비디오 데이터가 GigE 케이블이나 Camera Link Full 데이터를 USB 3.0 케이블을 통해 전송하는 것을 들 수 있다. 디자이너는 이를 통해 고해상도 이미지를 저렴하고 사용하기 쉬운 케이블을 통해 전송할 수 있으며 시스템 기능도 향상시킬 수 있다.

머신 비전과 인간

머신 비전 기술 개발의 지향점이 점차 더욱 똑똑해지고, 작아지고, 빨라지는 방향을 향하고 있지만, 빠른 공정을 수행하는 제조용 로봇과 휴대용 이미징 애플리케이션의 뒤에서 구매, 설치, 시스템 유지보수, 사업 결정을 위한 비용 및 장점 평가와 같은 중요한 일을 수행하는 주체는 결국 인간이다. 누구도 부정할 수 없는 이 같은 요소는 USB 3.0 시스템이 다른 인터페이스 디자인인 ‘CameraLink’와 ‘Gigabit Ethernet’보다 비용 효율적이고 사용하기 쉽다는 것을 의미한다.

자료제공 | 다트비젼(www.datvision.co.kr)