독자적 이미지 처리 엔진 응용

일본 에덱린세이시스템(Edec Linsey System)은 위치 결정용 이미지 처리 시스템 ‘WinMusic’을 비롯해 25M 고해상도 카메라 ‘VI-SAI’, 그리고 각종 프레임 그래버 보드 등을 설계 개발 및 판매하면서 여러 가지 이미지 처리에 대한 요구에 대응해 왔다. 특히, 오리지널 이미지 처리 엔진인 ‘MS 알고리즘’으로 고속·고정밀 위치 결정을 실현했으며, 독특한 에지 인식 수법을 위치 결정 용도 외 다른 용도로도 적용하면서 응용 사례를 넓히고 있다. 여기에서는 치수 측정이나 검사 분야에서의 사례를 중심으로 MS 알고리즘 응용 방법을 소개한다.

에덱린세이시스템의 이미지 처리는 실장기 및 가공기에 있어 워크 좌표의 검출 및 자세 제어를 위해 ‘위치 결정’의 분야를 중심으로 개발을 진행해 왔다. 이미지 처리에 대한 요구가 검사 및 계측이 많아 위치 결정이 가능한 것이 당연하다고 인식되고 있는 상황에서 독자적인 위치 결정 기술을 응용한 개발사례에 대해서 소개한다. 이와 더불어 앞으로 요구될 이미지 처리기술과 그 접근 방법에 대해서도 함께 기술한다.

위치 결정에 특화한 ‘MS 알고리즘’
에덱린세이시스템은 가지고 있는 독자적인 이미지 처리 엔진 ‘MS 알고리즘’을 이용해 위치 결정을 정확하게, 그리고 고속으로 실현할 수 있는 ‘WinMusic’ 시리즈를 판매해 왔다. 또, WinMusic의 응용 제품으로 컨트롤러 제품 등도 전개해 ‘WM 아라이너’ 및 ‘AI-CON’의 좌표정보 취득 및 계산 등에 채용하고 있다.

‘MS 알고리즘’이란 픽셀보다 작은 가상공간상에서 임의 좌표위치의 휘도 정보로부터 패턴 매칭을 하기 위한 에지를 검출하는 수법이다. 가상공간이란 카메라로부터의 픽셀 입력 이미지를 선형보간해 서브 픽셀 단위로 휘도 정보를 취득하기 위한 공간으로, 좌표를 픽셀이 아니라 거리로 지정함으로써 픽셀에 구속되지 않는 임의의 좌표를 다룰 수 있다. 에지 검출은 시크 라인이라고 불리는 직선선분 상에서 휘도 미분을 반복하면서 휘도 차이의 피크가 되는 좌표를 검출함으로써 복수의 시크 라인에서 같은 연산처리를 하는 것으로 대상이 되는 워크를 검출한다.

여기서 시크 라인의 집합체를 템플릿이라고 부르며, 패턴 매칭 대상이 되는 워크를 등록한다. 이것이 MS 알고리즘의 실행 단위가 된다. 시크 라인은 자동 생성 혹은 사용자가 수동으로 설정한다. 필요에 따라 워크의 특징적인 부분만을 설정함으로써 패턴을 매칭할 때 인식하고 싶은 특징 이외의 부분을 연산 대상에서 제외해 보다 고속으로 실행할 수 있다. 또, 크기나 형상의 변화 등에도 추종해서 검출할 수 있기 때문에 다소의 변형이 예상되는 워크에도 대응할 수 있는 알고리즘이다.

이 알고리즘을 사용자가 프로그래밍하지 않고 사용할 수 있는 패키지 애플리케이션이 ‘WinMusic’다. 가장 최신판은 색 정보도 에지 검출 요소에 도입시킨 ‘WinMusic4’다. WinMusic4는 스크립트에서의 연산기능과 외부 통신기능을 가지고 있어 직접 애플리케이션을 작성하지 않고 이미지 처리를 실현할 수 있다. 또, 사용자가 작성한 애플리케이션과 프로세스 간 통신을 실현하는 인터페이스도 제공하고 있기 때문에 사용자의 독자적인 시스템에도 실장하기 쉽다.

위치 결정의 대응 예는 많다. 칩마운터로 대표되는 전자부품 실장기, 액정 패널 제조공정(패널 붙임, 점등 검사), 태양전지 제조공정(정렬, 부품 배치) 등에서 채용되고 있다. 픽업한 부품의 자세 제어, 플레이스 위치와의 오차를 보정하기 위한 위치 정보를 이미지 처리의 결과로 장치에 출력한다. 전자부품은 비교적 인식하기 쉬운 구형 형상인 것이 많기 때문에 그 특징점도 축약하기 쉬워 고속으로 처리할 수 있다. 커넥터나 다른 모양의 부품이라도 자유롭게 특징점에 대해 시크 라인을 설정할 수 있기 때문에 어떠한 형상이라도 템플릿을 작성, 인식할 수 있다.

SMD 등 인식하고 싶은 부분이나 형상이 복수 조합돼 있는 경우 QF 등 리드 수가 많은 부품 등도 각각의 요소를 인식한 결과로부터 부품 전체의 중심 좌표를 산출할 수 있다. 그 외에도 용접할 때 발생하는 빛의 형상으로부터 위치를 피드백해서 자동 용접의 궤도 제어 및 대형 건설기기 암 이동 궤적의 확인 등 위치좌표 정보를 응용한 시스템에도 사용되고 있다.

위치 결정 이외에의 응용
WinMusic은 전자부품 등의 위치 결정 용도를 생각한 애플리케이션이지만, 패턴 매칭의 고속성 및 러버스트성으로부터 그 성능을 활용할 수 있는 공작기, 가공기, 각종 제조공정에도 채용돼 왔다. 그 중에서 위치 결정을 위한 아웃풋뿐만 아니라, 가공물의 치수 측정 및 형상 검사 등도 MS 알고리즘을 응용해 실현해 왔다. 구체적으로는 템플릿 패턴 매칭으로 에지를 검출하고 그 에지 간 거리를 산출해 치수를 구하거나 워크 가공 후 구멍 지름 및 중심 오차를 측정하거나 에지를 구한 선분의 조합에 의해 각도나 반경(R)을 계측하기도 한다.

검사 용도에서는 MS 알고리즘의 독자적인 검사 시크 라인을 이용해 워크의 유무, 크랙 및 파손 검출 등의 용도로 채용됐다. 그 외에도 공작기 공구 형상이나 가공선 및 절삭선을 MS 알고리즘으로 검사함으로써 공구의 수명관리나 가공 보정에도 사용하고 있다. 원래 위치 결정을 위한 알고리즘이지만, 시크 라인상의 에지를 검출하는 것으로 대응할 수 있는 응용 예다. 기본적으로는 대상물이나 에지를 어떻게 정확하게 인식할 수 있는가가 공통 열쇠이기 때문에 애플리케이션에 따라서는 다양한 이미지 처리에 대응이 가능하다.

에지를 정확하게 인식하기 위해서는 광학계의 선정도 중요하다. 파장이 짧은 조명, 텔레센트릭 렌즈를 조합하면 정밀도 향상을 기대할 수 있는데, 여기에 소프트웨어에서도 왜곡 보정을 해 더욱 정밀도를 향상시키고 있다. 독자적인 교정(Calibration) 처리에 의해 앞서 언급한 가상공간으로의 변환과정에서 임의의 좌표위치가 왜곡이 없는 위치로 변환돼 정확한 에지 좌표를 검출한다.

치수 계측
이미지 처리를 사용한 치수 계측 요구도 많다. 2차원의 에지 간 거리나 원 지름을 자동으로 여러 개를 계측함으로써 사람이 계측 툴을 사용해 계측하는 수고나 공수를 줄일 수 있는 애플리케이션을 제공해 왔다. 간이로 2점간 거리 등을 계측하는 것만으로는 접촉식 툴에 비해 정밀도가 떨어지기 때문에 이미지 처리에 의해 정밀도 높은 측정 위치 특정이 필요하다. 미세한 부품 등 사람의 손으로도 계측이 어렵고 정밀도가 요구되는 것들에 대한 계측 요구와 함께 장치 축의 부품이나 주조물 등과 같은 대형 워크의 고정밀 계측도 많아졌다. 이러한 케이스에서는 소프트웨어와 25M 고해상도 카메라 ‘VI-SAI’를 조합시킨 시스템으로 고정밀 계측을 실현한다.

공작기 및 전동공구에서 사용하는 칼날의 제품 검사에 대응한 예에서는 치수 측정이나 형상, 칼의 각도 등을 접촉식 수동 계측 툴 대신에 이미지 처리로 형상을 복사해 각종 계측을 실시했다. 각도 계산 등의 연산처리를 소프트웨어로 자동화해 수동 데이터 입력이나 계산의 수고를 줄일 수 있는 애플리케이션으로 제공하고 있다. 도면 데이터에서 계측을 하는 것과 같은 대규모 계측장치가 아니라, 어디까지나 사람이 임의로 선별해 번거로운 계측이나 연산처리를 하는 것을 자동화하는 시스템으로 설계했다. 기존에는 접촉식 전용 툴로 계측하고 육안으로 그 값을 확인하거나 투영기 등을 사용해 계측했다.

이미지 처리 시스템으로 바꾸면 시간과 수고가 들지 않게 되는 만큼 전수검사로 이행하거나 자동 가공 전후 공정으로 추가함으로써 공정 간 시간 단축 및 제품 정밀도 향상으로 이어지고 있다. 치수를 계측하는 것이 목적이기는 하지만, 많은 계측 개소를 자동으로 연속 계측하는 기능이나 결과 출력방법, 데이터의 축적 등 부가가치를 높인 시스템 제공이 필요하다는 판단이다.

검사 분야
이미지 처리를 사용한 검사도 그 요구가 다방면에 걸쳐 있으며, 난이도도 높아지고 있다. 2값화해서 특징량을 추출하는 정도의 간이처리로 끝나는 검사는 범용적인 툴로 충분하기 때문에 전용 검사 수법을 개발할 필요가 있다. 검사는 대상에 따라 그 판단 기준이나 포인트가 있어 알고리즘도 1제품당 1개가 있어야 하므로 결과적으로 사용자 커스텀의 애플리케이션을 개발하는 경우가 많다.

전자부품 검사
부품 표면에 인자돼 있는 형식이나 로트번호 등의 문자 해독, 리드의 피치 검사나 부러짐, 굽음 검출, BGA 부품 볼 피치, 형상 검사 등을 MS 알고리즘으로 대응했다. 기본적으로는 패턴 매칭을 사용하고 알고리즘 독자의 검사 수법을 부가했다.

절삭용 칼날
공작기에서 사용되는 칼날을 검사하는 경우도 있지만, 가공 동작 중 칼날을 실시간으로 감시해 변형이나 결손 검사, 마모 정도를 계측해 가공 동작을 보정하는 처리도 실시된 사례가 있다. 칼날의 마모나 열에 의해 생기는 빌트업 에지 등도 동일하게 검지한다. 절삭 좌표를 MS 알고리즘으로 인식해 가공선 및 절삭선을 산출, 장치에 보정 명령을 내린다. 이로 인해 콜드 스타트에서 시가공 등을 할 필요 없이 장치를 보정할 수 있다.

종이팩 제품 외관검사
종이팩 제품은 변형을 허용하면서 부착 부분의 이상 유무, 품종의 인쇄상태, 오염, 인자의 유무 등을 검사한다. 종이팩의 경우 다소의 오목한 변형은 내용물에 영향을 주지 않기 때문에 양품으로 판단할 수 있는 범위가 넓다. 완전히 일치하는 것을 판별하는 템플릿에서는 매칭되지 않아 모두 이상이 있는 것으로 판정해 버린다. 변형이나 형상 차이를 적절하게 판단하면서 확실한 불량을 판별할 수 있는 시스템을 MS알고리즘의 응용으로 실현했다.

용접 검사
레이저 용접의 접합상태를 검사하는 시스템에서 용접부의 색 변화나 차이를 양품과 불량품의 한도 견본으로부터 판별할 뿐만 아니라, 검사한 워크의 상태를 학습하면서 자동 판별하는 알고리즘도 개발했다. 용접기의 신구나 라인에 따라서도 용접의 상태에 차이가 있기 때문에 일정한 임계값만으로는 판단이 어렵다. 따라서 양품의 상태를 학습함으로써 정확하게 불량 판별을 할 수 있는 수법으로 범용 검사기로는 대응이 어려운 검사를 실현했다.

요구되는 이미지 처리 기술
색의 판별을 이미지 처리로 하고 싶을 경우 분명하게 정해진 색 정보를 판별할 수 있는 대상물이라면 비교적 간단하게 시스템을 구축할 수 있을 것이다. 그러나 사람이 눈으로 보아 양품이라고 판단하는 ‘파랑’은 RGB 등의 색 정보에서도 경계가 애매하기 때문에 ‘남색’이나 ‘하늘색’도 양품인 경우가 많다. 명확한 불량이나 하자를 찾는 것 외에 더욱 사람의 눈과 생각에 가까운 결과를 내주기를 요구하는 경우도 있다. 검사 작업자의 눈은 경험으로부터 직관적으로 불량품을 찾아 판별한다. 카메라로 촬영해 범위를 정해서 대상이 되는 포인트의 임계값이 어떠한가 등과 같은 처리단계를 사람은 한 순간에 경험 값으로부터 판단한다. 이미지 처리 시스템은 어디까지나 디지털적인 판단을 하기 때문에 그 ‘경험’을 쌓게 해서 사람의 경험에 근접하도록 해야 한다. 그것을 위한 판정 학습이나 뉴럴 네트워크(Neural Network)를 실장시켜 가면서 여러 가지 검사 시스템을 실현할 필요가 있다.

사람의 눈으로는 정확하게 판단할 수 없는 것이나 볼 수 없는 부분의 검사를 실현하는 것도 과제다. 용접의 접합상태에서 핀홀을 보고 싶다고 하는 요청에 대해 가능한 분해능을 높여 미세한 핀홀을 검출하도록 했다. 확대경 등으로는 못보고 지나칠 수 있는 이상을 검출할 수 있지만, 보다 정확성을 중시해 3차원 형상 검사도 함께 하는 사례도 있다. 3차원 계측도 더욱 정밀도가 요구되기 때문에 새로운 수법을 받아들이면서 빛 절단, 위상 시프트, 합초점법 등 그 때마다 최적 알고리즘을 채용하면서 사용자 요구에 대응해 갈 것이다.

소프트웨어 개발 필요
하드웨어는 제아무리 좋은 것이라도 한번 세상에 나가버리면 다음은 비용과의 싸움이다. 그만큼 소프트웨어에서 시스템 전체를 보다 가치 있는 것으로 넓혀 갈 필요가 있다. 위치 결정이나 검사를 하는 것뿐만 아니라, 이미지 처리 결과로부터 연산처리를 통해 다음 공정에 정보를 출력하는 기능이나 검사 후 트레이서빌리티 정보 축적이나 검사 표출력 등과 같은 데이터 관리, 반송 및 반출장치의 컨트롤까지도 전체적으로 이미지 처리 시스템으로 대응함으로써 검사 시스템 전체에 있어 중요한 역할을 담당할 수 있는 소프트웨어 개발이 앞으로도 요구될 것이다.

에덱린세이시스템은 이미지 처리를 위한 부품으로 제공하는 것이 아니라, 고속성과 정확성은 물론 소프트웨어로 설계 전체의 부하 분산이나 오퍼레이터의 작업 경감, 운용시 효율성 등 부가가치를 향상시킨 시스템을 제공해 나갈 계획이다. 또, 이미지 처리 시스템으로서의 솔루션을 전개해 감에 있어 25M 고해상도 카메라 ‘VI-SAI’를 사용해 차별화를 꾀하고자 한다. 앞으로 VI-SAI를 실장한 CNC 자동계측 현미경 시스템을 출시하는 한편, 전자부품 실장 정밀도 확인 등 스테이지 제어와 이미지 처리로 제조현장에 고정밀 계측이 가능한 시스템을 공급할 계획이다. 이와 더불어 3차원 계측을 간단하게 실현할 수 있는 소프트웨어와 광학 시스템을 현재 개발 중이며, 각각의 용도에 맞춰서 대응해 나가고자 한다.

<이타키 노리오(Itaki Norio), 에덱린세이 시스템기술부 제2설계과 과장>

FA Journal 편 집 국 (fa@infothe.com)

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