초고속 광도 스테레오 비전

MSTVision이 개발한 광도 스테레오 라인 스캔 카메라 솔루션은 JAI Sweep SW-16000M-CXP4A 라인 스캔 카메라와 FPGA 기반 연산을 통해 이전에는 달성할 수 없었던 처리 속도를 실현합니다.

과제

광도 스테레오 방식은 서로 다른 조명 방향에서 촬영된 동일한 물체나 장면의 여러 장의 이미지를 사용합니다. 개별 이미지에서 표면 형상은 특징적인 밝기 변화를 만들어 냅니다. 캡처된 이미지에 대한 고도의 연산 처리를 통해 추가적인 정보 내용을 포함한 이미지 데이터를 생성할 수 있습니다. 특히, 지형(표면 방향)과 질감 특성(반사율)을 별도로 분석할 수 있습니다. 이를 통해 기존 이미지에서는 종종 감지되지 않던 흠집, 움푹 들어간 자국, 또는 엠보싱 오류와 같은 미세한 결함도 높은 대비로 시각화할 수 있습니다.

이미지 촬영 시 검사 대상물이 움직이지 않을 때 서로 다른 이미지 캡처 간의 정확한 동기화를 달성하기가 가장 쉽습니다. 따라서 기존의 광도 스테레오 시스템은 속도가 제한적이거나, 예를 들어 다중 카메라나 외부 연산 장치를 사용하는 등 설계가 매우 복잡한 경우가 많습니다. 이로 인해 고속 생산 공정에 통합하는 것이 상당히 어려워집니다. 이러한 이유로, 정확도와 안정성을 저해하지 않으면서 하나 이상의 라인 스캔 카메라를 사용하여 고속으로 광도 스테레오를 구현하고 실시간 결과를 제공하는, 소형화되고 확장 가능한 솔루션에 대한 명확한 필요성이 있었습니다.

라인 스캔 카메라를 사용하여 이 방법을 고속으로 효율적으로 활용하려면, 서로 다른 조명 방향의 이미지를 단일 스캔 동작 내에서 캡처해야 합니다. 광도 스테레오 시스템의 경우, 조명 채널 간의 아주 미세한 타이밍 편차조차도 치명적이며, 계산된 표면 정보의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 동시에 시스템은 매우 높은 데이터 전송 속도를 실시간으로 처리할 수 있어야 하며, 경제성을 유지하고 다양한 애플리케이션에 유연하게 적용될 수 있어야 합니다. 이를 위해서는 카메라 제어, 조명 제어, FPGA 기반 이미지 처리 간의 긴밀한 통합이 필요합니다.

비전 시스템 설명

독일의 시스템 통합업체 MSTVision은 자체 개발한 MultiChannel 기술을 활용하여 시간 다중화(time multiplexing)를 통해 이러한 과제를 해결하는 광도 스테레오 라인 스캔 카메라 솔루션을 개발했습니다. 이 솔루션은 MultiChannel 획득, FPGA 기반 광도 스테레오 처리, 그리고 JAI의 고속 카메라 Sweep SW-16000M-CXP4A를 결합하여, 이전에는 달성할 수 없었던 공정 속도에서도 자재 흐름의 연속 공정에서의 검사를 가능하게 합니다.

속도와 광도 측면에서 높은 요구 사항을 충족하기 위해, 이 회사는 광도 스테레오 전용 고성능 라인 라이트를 자체 개발했습니다. Photometric Stereo Line Light MST-PSL이라 불리는 이 라인 조명 모듈은 통합 LED 드라이버와 4개의 방향 채널을 갖추고 있으며, 이를 통해 정의된 사선 각도로 빛을 조사합니다. 이 조명 개념은 4개의 조명 방향을 가진 통합 조명 유닛을 기반으로 합니다. 응용 분야에 따라 MST-PSL은 백라이트나 프론트라이트 조명과 같은 표준 조명 유형 이외의 조명과도 유연하게 결합할 수 있습니다.

솔루션

MSTVision의 광도 스테레오 솔루션의 핵심 요소는 JAI Sweep SW-16000M-CXP4A 라인 스캔 카메라의 사용입니다. 이 카메라의 높은 라인 스캔 속도와 데이터 전송 속도는 시스템이 고속 애플리케이션에서 잠재력을 최대한 발휘할 수 있게 해줍니다. JAI 카메라는 뛰어난 센서 품질, 산업용 신뢰성, 그리고 고속 라인 스캔 카메라 시스템에 대한 탁월한 지원으로 MSTVision에 깊은 인상을 남겼습니다. MSTVision의 광도 스테레오 솔루션의 경우, 안정적인 시간적 특성과 FPGA 기반 처리 파이프라인에 대한 뛰어난 통합 능력이 특히 결정적인 요인이었습니다. JAI Sweep SW-16000M-CXP4A 라인 스캔 카메라는 동기화된 다중 채널 조명 및 광도 스테레오 방식을 사용하는 시스템에 필요한 성능과 제어 기능을 정확히 제공합니다.

MSTVision 시스템에서 이 카메라를 선택한 또 다른 결정적인 요인은 16k 해상도에서 최대 277kHz에 달하는 매우 높은 라인 속도였습니다. MSTVision에 따르면, 이를 통해 최대 4.5 GB/s의 데이터 전송 속도를 구현할 수 있으며, 기존에는 달성하기 어려웠던 속도 영역으로 광도 스테레오 시스템을 끌어올릴 수 있습니다. JAI Sweep SW-16000M-CXP4A를 선택한 추가적인 이유로는 뛰어난 신호 대 잡음비, 안정적인 시간적 특성, 그리고 최대 처리량으로 신뢰할 수 있는 실시간 처리를 가능하게 하는 CoaXPress 인터페이스가 있습니다. JAI Sweep SW-16000M-CXP4A 라인 스캔 카메라를 기반으로 한 MSTVision의 광도 스테레오 솔루션은 원본 이미지와 계산된 광도 스테레오 결과를 실시간으로 제공합니다.

원칙적으로 이 시스템은 지속적으로 이동하는 물체의 상세한 표면 정보가 필요한 고속 인라인 검사 애플리케이션을 위해 개발되었습니다. 대표적인 적용 분야로는 금속 스트립, 필름, 종이 또는 이와 유사한 제품의 웹 소재 품질 검사가 있습니다. 이 시스템은 매우 높은 라인 속도에서도 미세한 표면 구조, 결함 또는 형상 편차를 안정적으로 감지해야 하는 애플리케이션에 특히 적합합니다. 기존의 라인 스캔 카메라 시스템이나 2D 이미지 처리와 비교할 때, 사용자는 MSTVision의 시스템을 통해 표면 형상과 질감을 훨씬 더 정밀하게 분석할 수 있습니다.

올리버 그레프: “JAI와 MSTVision의 이번 협력을 통해 탄생한 결과물은 광도계 스테레오 라인 스캔 솔루션을 위한 소형이며 확장성이 뛰어난 시스템으로, 극도로 높은 데이터 처리 속도를 감당하면서도 뛰어난 수준의 디테일을 갖춘 즉시 활용 가능한 결과를 동시에 제공합니다.”

JAI 카메라 소개

흑백 라인 스캔 카메라인 JAI Sweep SW-16000M-CXP4A는 여러 가지 이유로 이 작업에 완벽한 선택입니다. 우선, 1 x 16,384개의 흑백 픽셀을 갖춘 16K 라인 스캔 해상도에서 최대 277kHz의 뛰어난 스캔 속도를 자랑하는 이 카메라는 광범위한 애플리케이션에 충분한 성능을 제공하여, 최고 속도에서도 물체의 특징을 선명하게 포착할 수 있습니다. 또한, CXP-12를 지원하는 CoaXPress 2.0 표준 인터페이스는 고속 데이터 전송을 가능하게 하여, 고속 애플리케이션에서도 신뢰할 수 있는 시스템을 개발할 수 있도록 이미지 획득 및 데이터 흐름을 지원합니다. 5μm 정사각형 픽셀을 통한 높은 감도, 조명, 로터리 엔코더 및 기타 기계 주변 장치와의 유연한 동기화를 위한 다목적 GPIO 및 트리거 옵션, 뛰어난 충격(80G) 및 진동(10G) 내성을 포함한 다양한 다른 기능들 덕분에 Sweep SW-16000M-CXP4A는 다양한 산업 분야에서 사용하기에 강력한 기반이 됩니다.

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MSTVision 소개

MSTVision은 2016년에 설립되어 정교한 머신 비전 분야의 전문 파트너로 자리매김했습니다. 독일 긴스하임-구스타브스부르크에 본사를 둔 이 회사는 타당성 조사 및 광학 설계부터 CPU, GPU, FPGA 기반 시스템 개발에 이르는 포괄적인 개발 서비스 외에도, 자체 개발한 고도로 통합된 기술과 이미지 획득 모듈을 제공합니다. 특히 광도 스테레오(photometric stereo) 분야와 고성능 다중 채널 시스템 분야의 혁신적인 솔루션에 중점을 두고 있습니다. 또한 MSTVision은 머신 비전 프로젝트의 모든 단계에 걸쳐 심층적인 시장 조사와 실용적인 기술 교육을 통해 고객을 지원합니다.

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