앞서 설명한 모든 특성은 조명이 반사되는 방법에 영향을 미치며, 양호한 영상을 생성하는 과정에서 여러 과제를 낳는다. 올바른 조명원은 어려운 응용사례를 처리하고 이를 간소화할 수 있도록 돕는다.
 

조명은 컴퓨터 분석에 이용할 수 있는 영상을 쉽게 만들 수 있는 여부 및 방법에도 영향을 미친다. 적절한 초점과 조도를 통해 양호한 영상을 만들 수 있는 것. 반대로 선명도가 떨어지거나 조도가 고르지 못한 영상은 더 많은 영상분석작업이 필요하며, 결과적으로 공정시간을 늘림은 물론 올바르지 못한 영상분석을 초래하기도 한다. 
 

일반적으로 선명도가 높은 영상은 처리가 용이하다. 그림 1을 참조하면, 양호한 영상처리 시스템을 활용하면 두 영상 모두에서 플러스(+) 표시를 인지할 수 있지만, 상단 영상의 인식 안정성은 아래쪽 영상에 비해 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 선명도가 낮기 때문이다. 

만약 이 영상의 조도를 적절히 제어할 수 있다면, 머신비전 시스템을 통해 보다 쉽게 처리할 수 있게 된다.

영상은 조명이 대상물에서 반사되면서 생성된다. 조명이 대상물을 비추고 카메라로 다시 반사되면서 밝게 보이는 구조다. 만약 조명이 카메라와 먼 곳으로 반사되면(혹은 대상물에 흡수되면) 대상물은 어둡게 보이게 된다. 머신비전 시스템은 일반적으로 검사 작업의 중요한 요소인 가장자리나 텍스처 혹은 마킹을 확인하기 위해 밝고 어두운 영역 간의 차이에 초점을 둔다.
 

머신비전 응용사례에 사용하는 조명의 파장 또한 검사 공정에서 중요한 변수이다. 특정 색상 및 대조색을 이용한 조명은 영상 내에서 어둡게 보이기 때문에 구분하기가 용이하다. 이러한 기법은 병뚜껑의 날짜코드 인식율을 높이는 등 다양한 분야에 사용할 수 있다. 

제품의 흠집을 강조하기 위해 적외선 조명을 사용할 수 있다. 자외선 조명은 잉크나 접착제가 형광색으로 보이도록 만든다(형광물을 가진 대상을 명확히 확인할 수 있도록 적외선이나 자외선 조명을 사용하려면 카메라에 필터를 사용해야 한다).

광선이 항상 평행을 이루도록 정렬하는 평행 조명은 선명한 영상을 만드는데 유용하다(그림 3 참조).

  평행 광을 이용하고 불투명 유리를 관통해 빛이 나도록 만드는 확산 조명은 조명 강도를 줄였을 때 휘광이나 그림자 유발을 방지하는 보다 부드러운 조도를 제공한다.

부품을 검사할 때 고려해야 할 또 다른 사항으로는 촬영할 때 부품이 움직이는 속도와 카메라의 노출 시간이 있다. 이러한 요소는 조명원을 선택하는 과정에 영향을 미치게 된다.

해당 검사에서 무엇이 중요한지에 초점을 두고 목표를 정함으로써 응용사례를 간소화할 수 있다. 목표를 결정하고 나면 원치 않는 요소들을 상쇄시키고 찾아야 할 특성과 결함을 강조할 수 있는 조명원을 선택하는 작업에 주력할 수 있다.

조명 기법

올바른 조명 기법의 선택은 특정 응용사례의 특수한 문제를 처리하는 데에 도움이 된다. 주요 업체들은 현재 다양한 선택사항을 제공하고 있다. 각각의 사항은 용도에 따라 장단점을 가지고 있다. 부품을 검사하기 위한 조명에는 백라이팅·직접 조명·구조화 조명·온/오프 축 확산조명 등 5가지의 기법이 있다.

1. 백라이팅(배면조명)은 부품의 모양을 강조하기 위한 실루엣을 만든다. 이를 통해 모양 측정은 가능하지만, 전반적으로 표면의 모든 세부사항들을 판단하기는 어렵다. 대부분 영상을 흑백으로 만듦으로써 높은 선명도를 유지한다.

검사 응용사례에서는 치수 측정 분야에 이러한 기법을 사용할 수 있다. 하지만 표면 검사에는 유용하지 않다. 

이 기법의 과제는 고정이 어렵다는 것이다. 검사되는 부품을 받치고 있는 모든 기계적 고정 장치들이 백라이트를 방해하기 때문이다. 그림 4와 5를 살펴보자.

  2. 두 번째 조명 기법은 전면 직접 조명이다. 일반적으로 이 조명은 중앙에서 약간 벗어난 각도로 빛을 비춘다. 이러한 조명원은 설정이 쉽고 높은 선명도를 자랑한다. 하지만 그림자가 생긴다는 단점이 있다. 또한 검사 부품의 표면에 따라 휘광이 발생하기도 한다. 그림자는 영상의 낮은 명암이 문제가 되는 경우 명암을 높이는 데에 유의미한 변수일 수 있다.
 

직접 조명에 점멸식 조명등을 사용하면 움직임이 멈추는 것과 같은 효과를 낼 수 있다. 조명원의 이동 효과에 대한 사례로, 그림 6과 7을 살펴보자.
 

그림자를 최소화할 수 있다면, 하나 이상의 직접 조명을 사용할 수 있다. 이를 위해 일부 시스템은 링 조명을 사용하고 있다. 링 조명은 검사 대상의 주변을 완전히 둘러싸고 있다.

3. 구조화 조명은 치수 정보를 얻기 위해 사용되는 잘 알려진 조명 패턴(일반적으로 일직선으로 만들어진 평면 조명)을 사용한다. 

구조화 조명에는 일반적으로 레이저나 광섬유 라인 광과 같은 고도의 평행 광원을 사용한다. 

이 기법은 반복적인 표면의 깊이 및 높이를 측정하는 데에 적합한 비용 효율적인 방법이다. 조명원이 움직이거나 검체 표면이 움직이는 경우에도 사용되며, 명암이 낮은 검체의 표면을 상세하게 볼 수도 있다. 

하지만 이 조명은 측정 대상이 조명 반사 효과를 낼 수 있어야 한다. 따라서 대상이 조명을 흡수하지 않아야 한다. 선형 조명원의 효과는 제품을 완벽하게 평탄하게 비춘다. 비연속 표면에 대한 예시는 그림 8 및 그림 9를 참조하면 된다.

  4. DOAL(Diffuse On-Axis Lighting)로도 알려진 확산 온 축 조명은 조명원이 카메라에 방해되지 않도록 조명을 카메라와 일직선으로 부품에 직접 비출 수 있다. 이 조명은 부품에서 조명을 직접 반사시키기 위해 50% 은도금 거울을 사용한다. 카메라는 이 거울을 통해 검체를 확인함으로써 조명이 비치는 영상을 획득한다. 
 

확산 온 축 조명 응용사례로는 광택이 있고 평편한 표면상의 오류 검출 및 작은 구멍의 내부 검사 등이 있다. 확산 온 축 조명은 은도금 거울을 통과하면서 휘도가 줄어들기 때문에 대상물에 일관적으로 조명을 비추거나 조명을 개선하기 위해 조명원을 추가로 사용하는 경우에 적합하다. 그림 10과 그림 11은 확산 온 축 조명을 사용해 반사광을 제거하고 일부 응용사례에서 표면의 특성을 보다 쉽게 검사할 수 있는 방법에 대해 나타낸다.
  5. 확산 오프 축 조명은 흐린 날 조명이나 돔 라이트 조명으로도 알려져 있다. 이 기법을 사용하면 조명이 부품에서 직접 반사되지 않고, 표면에 확산된 다음 부품에서 튕겨(Bounced) 나온다. 

확산 오프 축 기법은 흐린 날에 물체를 관찰하는 것처럼 그림자가 나타나지 않는다. 또한 부품 검사 응용사례에서 문제를 유발하는 핫스팟이나 휘광의 발생을 방지한다. 

돔 조명을 사용할 경우에는 카메라가 돔의 반사경에 있는 홀을 통해 촬영하는 영상 중앙에 데드 스팟이 생길 수 있다. 따라서 반사경을 사용할 때에는 데드 스팟을 막기 위해 DOAL 소스를 추가하는 것이 좋다.

공간이 제한적인 응용사례에서는 평판 돔 조명을 카메라와 부품 사이에 배치할 수 있으며, 곡면에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있다.

상시 동작 Vs. 점멸식

머신비전 응용사례에서 조명은 상시 동작하는 조명 혹은 점멸등 중 하나의 형태를 취한다. 

점멸식 조명은 휘도를 높일 수 있으며, 조명원을 보다 오래 유지할 수 있다. 움직임을 멈출 수 있다는 점 역시 유용한 장점이다.
 

하지만 점멸식 조명은 제어가 필요하다. 영상수집 공정 및 타이밍을 정밀하게 조정해야 하는 것. 인적 요소 또한 고려해야 한다. 플래시 조명은 일부 사람들에게서 발작이나 두통을 유발할 수 있다. 

머신비전 시스템을 설계할 때에는 장비 설치영역의 주변광의 영향을 고려하는 것이 중요하다. 부품을 비추기 위해 사용하는 조명은 검사 시스템의 특수 조명의 목표를 실현할 수 있어야 한다. 따라서 주변광을 제압할 수 있을 만큼 밝아야 한다.

주변광은 부품에 부가적인 휘광을 유발할 수 있다. 또한 작업자가 서있는 위치·일과시간·날씨·계절에 따라 달라질 수 있다. 이러한 요인들은 검사 시스템의 조명원을 선택하고 장비의 물리적인 배치에 대해 설계할 때 고려해야 한다.
 

조명원의 종류는 다양하다. 
 

1. 할로겐 등은 매우 밝은 조명이 필요한 응용사례(최근 출시되는 자동차의 헤드라이트는 대부분 할로겐이다)에는 효과적이지만 ▲점멸식으로는 사용할 수 없다는 한계가 있고 ▲온도가 매우 높아지며 ▲시간이 갈수록 휘도가 낮아지는 것이 단점이다. 
 

할로겐 조명을 검사 응용사례에 사용한다면 ▲제품 수명을 늘리기 위해 최대 전력의 80% 가량으로 구동하고 ▲색상이 변하지 않도록 전압 한도를 유지해야 하며 ▲응용사례가 할로겐에서 발생하는 열에 민감하다면 램프를 원격 장착할 수 있도록 광섬유를 이용하는 것이 좋다. 

2. 백열등 조명은 저렴하고 손쉽게 이용할 수 있는 것이 장점이다. 하지만 점멸식으로 구성할 수 없고, 열이 발생하며, 시간이 지남에 따라 휘도가 조금씩 낮아진다.

3. 형광등 조명원은 상대적으로 가격이 저렴하다. 이 조명은 여러 형태와 크기로 이용할 수 있고, 확산조명을 제공하며, 휘광을 최소화한다. 

형광등 조명원의 제한 요소로는 ▲점멸식으로 사용할 수 없고 ▲시간이 지날수록 성능이 낮아지며 ▲밝기를 낮추기가 어렵다는 점 등이 있다. 또한 형광등은 AC 전원의 주파수로 인해 깜박거리게 되며, 이는 영상 품질에 영향을 미칠 수 있다. 고주파 밸러스트 사용은 깜박임을 줄이는데 도움이 되지만, 깜빡임 현상을 완전히 제거할 수는 없다. 

4. 레이저는 고도의 평행 광원이다. 높은 휘도를 가지고 있으며, 검사 대상에서 멀리 떨어진 곳에 장착할 수 있다. 다이오드 레이저라 불리는 특수 레이저는 점멸식으로 사용할 수 있다. 

레이저는 거리 측정 및 3차원 측정에 사용되곤 하지만, ▲높은 정확도를 달성하기는 어려우며 ▲일반적으로 매우 고가인데다 ▲안전상의 위험이 있어 안전대책이 필요하다. 

5. 기존의 많은 점멸식 조명 시스템은 크세논(Xenon) 조명을 적용하고 있다. 크세논은 짧은 기간에 걸쳐 매우 높은 휘도를 제공하기 때문에 움직임이 멈춘 것과 같은 효과를 줄 수 있어 점멸식 조명에 이상적이다. 하지만 크세논 점멸등은 휘도가 시간이 지날수록 감퇴하므로 오늘날에는 거의 사용하지 않는다.

6. 보다 탁월한 대안은 LED(Light Emitting Diodes)를 사용하는 것이다. LED 광원은 오늘날 머신비전 응용사례에서 가장 보편적으로 사용되고 있다. LED는 1만 시간을 넘는 오랜 기간 동안 작업을 보장하며, 점멸식으로 사용하거나 열 문제에 구애받지 않고 지속적으로 켜둘 수 있다.
 

LED는 사용하기 안전하며, 효율적이고, 거의 모든 색상 혹은 특정 파장에 맞게 사용할 수 있다. 초기 LED는 휘도의 한계가 있었지만, 최신 LED는 매우 밝다(많은 신차들이 외부 조명으로 LED를 사용하고 있음을 생각해보자). 다음 표는 여러 애플리케이션 적합성을 고려하기 위해 서로 다른 조명원을 비교한 것이다.

  통합 조명

머신비전 사용자는 통합 조명을 포함하고 있는 시스템을 사용할 수 있다. 통합 조명은 부가적인 조명을 확보하거나 설치 및 전원을 구축할 필요 없이 특정 부품이나 특징을 강조하기 위한 설정을 간소화한다.

통합 조명을 갖추고 있는 일부 비전시스템은 추가 장비를 사용하지 않고 소프트웨어를 사용해 휘도 및 점멸식 조명을 제어함으로써 부가적인 혜택을 제공한다. 외부 조명이나 전원이 필요하지 않기 때문에 설치가 간편하고, 생산라인 상의 접근이 어려운 공간에서도 사용이 가능하며, 보다 비용효율적이다. 

결론

다양한 비전시스템에 적합하게 조정하거나 구성할 수 있는 많은 조명 선택사항 및 방법들이 존재한다. 올바른 조명 선택은 장치 및 장비의 생산성을 획기적으로 차별화할 수 있다. 
 

새로운 자동 검사 시스템을 기획할 때 해야 할 첫 번째 일은 검사를 통해 취득해야 할 것이 무엇인지 파악하고, 표면의 마감상태나 색상 등 검사해야 할 부품에 대해 이해하는 것이다. 생산 환경을 이해하는 것도 중요하다.

다양한 조명원의 장단점을 살펴봐야 한다. 또한 올바른 조명을 선택한 후에는 효과를 극대화하기 위해 조명원의 위치를 결정해야 한다. 조명원을 어떻게 조합할지, 각 검사위치에 어떻게 배치할 것인지 등을 고려해야 한다. 카메라가 적절하게 특성을 강조하고 무효화할 수 있는지의 여부는 응용사례의 검사 요건에 적합한 양호하고 일관적인 영상을 만드는 데에 있어 중요하다. 
 

머신비전 전문가들은 해당 응용사례를 위한 최상의 조명과 조명 위치 옵션을 결정하는 과정에 도움을 줄 수 있다.