일반적으로 영어권에서는 화상 정보를 베이스로 동작하는 시스템을 머신비전이라 부르고 있지만, 일본에서는 화상처리 장치라 부르며 화상을 어떻게 처리하는가에 초점을 맞추고 있다.


‘머신비전’이란 그야말로 기계의 시각이라는 의미로 그 연원이 인공 지능적인 접근에 있다는 것을 의미하지만, 그 반면 일본에서는 컴퓨터로 실현하는 화상처리 그 자체에 스포트라이트를 맞추고 있다.

즉, 기계의 시각을 어떻게 실현하면 좋은지를 ‘화상처리’라는 하나의 부분에 집약한 것으로 판단된다. 그러나 머신비전 시스템을 실현함에 있어 화상처리 그 자체를 배제할 수 없는 것은 당연하지만, 무엇보다 어떻게 피검물의 특징 정보를 파악하고 그것을 어떻게 결론으로 결부시킬 것인지가 매우 중요하므로, 이제 대부분이 조명계의 설계에 집약된다는 점을 재인식해야만 할 때다.

인간의 시각 기능을 기계로 실현하는 데 있어, 최근 십수년간 일본에서는 이른바 화상처리에 있어 그 화상을 베이스로 한 화상처리 알고리듬이 모든 짐을 짊어지도록 시장 전체가 움직인 것으로 보인다. 이는 전후 영적인 사고를 받아들이지 않도록 세뇌교육을 받아온 일본인 특유의 사고형태에 의해, 시각 기능을 인간 마음의 기능으로 보고 그것을 인공지능이 모방하도록 접근해 왔던 그 원점을 그냥 지나치고, 마치 기계가 인간과 같은 시각 기능을 달성할 수 있을 것처럼 단락적으로 감지했기 때문일 것이다.

화상처리에 있어서는 당연히 그것을 실행함에 있어 일정 조건이 부과돼야만 한다. 그것은 화상처리라는 단순한 포맷 변환에 의해 입력된 화상의 농담 정보가 어떤 일정한 논리에 근거해 결론을 낼 수밖에 없기 때문이다.

여기서 일정 조건이란 예를 들어 피검물의 종류나 상태 및 형상일 수 있지만, 실제로는 그 피검물과 빛과의 상호작용, 즉 광물성에 의한 빛의 변화량이 화상의 농담 정보로 변환돼 입력된다는 점에서 그 빛의 변화를 만들어내는 조명계의 설계가 대단히 중요해진다. 이는 기계의 시각에 있어 그 조명계가 ‘피검물의 무엇을, 어떻게 볼 것인가’라는 것을 정하고 있기 때문이며, 이것이 인간의 시각에 있어서는 결코 조명이 결정하고 있는 사항이 아니라, 인간 측의 의지가 이를 결정하고 있다는 점에서 결정적인 차이가 있다.

일본의 머신비전라이팅은 바로 이러한 접근방식의 차이에 주목했다. 이러한 점을 머신비전이 이용되는 다양한 시장에 있어 우선 최초로 달성해야 할 기능의 하나로 제시하는 것이 머신비전 화상처리용 조명의 표준화의 가장 큰 역할일 것이다.
여기에서는 이러한 조명계의 역할을 구체화하고 실현해 나가기 위한 수법에 대해 조명 규격 JIIA LI-001-2013을 참고해 설명하고자 한다.

조명계 설계의 방법론
조명규격 ‘JIIA LI-001-2013’의 부속서 A.1.4에서는 사양 표시와 설계의 기초 사항으로 ‘(전략) 생활 조명에 관한 규정과는 별개로, (중략) 머신비전/화상처리 분야에 있어 조명계의 밝기에 관한 사양으로 규정을 마련하는 것으로 보고, 동시에 이를 이용할 때 필요한 조명계 설계에 관한 기초 사항을 규정한다’고 나와 있다.

이미 인간을 위한 조명과 기계를 위한 조명은 역할도 기능도 다르다는 것은 설명했다. 따라서 새로운 규격도 필요하다고 할 수 있는데, 무엇보다 물체에서 반환되는 물체광의 변화를 화상의 농담으로 변환시킬 때 필요한 설계의 기초 사항에 대해서는 기존의 ‘물체를 밝게 비추기 위한 조명’에 관한 방법론이 아니라, ‘물체광의 변화량을 어떻게 제어할 것인가’라는 방법론이 새롭게 필요하다는 것이다.


조명 설계를 위한 최적화 프로세스
조명 규격 JIIA LI-001-2013의 5.4항에서는 ‘빛의 4개 변화량의 최적화’로 다음과 같이 규정하고 있다.

‘빛 변화량의 최적화는 진동면, 진동수, 진폭, 전반 방향의 4개 변화 요소의 최적화로 분류되며, 각각을 편광에 관한 최적화, 파장에 관한 최적화, 밝기에 관한 최적화, 전반 방향에 관한 최적화를 말한다.’

여기서 말하는 ‘빛의 변화량’이란 화상의 농담 정보로 변환되는 물체광의 변화량을 말한다. 물체에서 발산되는 물체광에 대해 원하는 특징점에 있어서만 어떤 변화를 만들어내기 위해서는 어떻게 해야 할까. 그러한 사고방식의 이치에 대해 4개의 최적화를 들고 있다.

또한 여기서 말하는 ‘최적화’란 원하는 농담 차이를 만들어 내기 위한 조정을 말한다. 따라서 빛의 변화를 4개의 독립 변수로 나누어 생각하고 ‘어떻게 밝게 만들 것인가’가 아니라, 물체광의 변화량을 최적화하기 위한 방법론이 제시되고 있는 것이다.

그 제어 파라미터에 대해서는 여기서 설명을 부가한다. 그림 1에 빛의 4개 변화 요소와 그 제어 파라미터를 나타냈다. 또한 이와 동일한 표가 조명규격 JIIA LI-001-2013의 5.3항의 표 5.1에 인용 게재돼 있는데, 그림 1은 설명을 위해 문언에 약간의 변경을 했으므로 양해 바란다.

빛의 4개 변화 요소에 대한 제어 파라미터
기존의 ‘물체를 어떻게 밝게 할 것인가’라는 접근방식에서 ‘물체광의 변화량을 어떻게 제어할 것인가’라는 관점에서 각각의 제어 파라미터에 관해 그 대략과 요점을 간단히 설명한다.

전반 방향
물체의 표면 또는 투과시에 그 전반 방향에 대해 변화가 일어날 경우, 그 변화를 관찰 방향에 대해 최적화하기 위해서는 조사 방향과 관찰 방향을 조절하는 것 외에도 피사체 표면의 각 점에 대한 조사 입체각과 관찰 입체각을 최적화할 필요가 있다.
조사 입체각이란 물체 표면상의 어떤 점에 대해 어떤 범위에서 빛이 조사되고 있는지를 나타내는 입체각을 말하며, 완전한 평행광 외에는 통상적으로 물체 상의 점을 정점으로 하는 뿔꼴 모양을 한 임의 형상의 저면을 가진 가상 입체를 가리킨다.

또한, 관찰 입체각이란 그 물체 표면상의 어떤 점에 대해 그 점에서 발생하는 어떤 범위의 빛을 수집해 결상시키거나 그 임의 형상의 추체를 말한다. 그림 2에 명시야일 경우의 조사 입체각과 직접광의 입체각 및 관찰 입체각을 모식적으로 나타냈다. 여기에서는 원판 모양을 한 균등 확산면을 가진 원판 광원을 설치한 경우를 나타내고 있으며, 이 경우는 피사체면 위 점 P에서 보면 점 P에 조사되는 빛은 원판 광원을 저면으로 해 점 P를 정점으로 한 추체가 조사 입체각이 된다. 원판 광원 외에는 빛이 조사되지 않는다고 하면 이 점은 쉽게 이해할 수 있다.

또, 그림 2에서는 점 P에서 반사된 직접광은 조사 입체각과 같은 입체각을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 더 나아가서는 점 P에 초점을 맞춘 관찰광학계를 가정하면 이 광학계로 형성되는 점 P에 있어 관찰 입체각은 관찰 광학계의 입사동에 대해 점 P가 뻗어나가는 뿔꼴 모양을 하고 있다.

전반 방향의 변화를 보완하기 위해서는 통상적으로 명시야 조명법이 사용되며 그림 2에 나온 것처럼 각 입체각의 상대관계, 이를 입체각 요소라고 하는데, 이 입체각 요소를 최적화하는 것이 필수 불가결하다.

피사체 면에 있어 전방 방향의 변화로는 우선 물체광으로 직접광이 되거나 산란광이 되는 변화가 있다. 직접광이라면 조사광의 전반 방향이 어떤 일정한 법칙에 의해 보존되고 있으므로 조사 입체각과 관찰 입체각의 상대 관계에 의해 최적화가 가능하며, 산란광이라면 조사광의 피사체 면에 대한 조도에 의해 휘도 변화를 제어할 수 있다.

이것은 머신비전라이팅에 있어 조명법의 기초가 되고 있으며, 명시야와 암시야에 있어 화상제어의 근본이 되는 사고방식이다. 왜냐하면 빛의 변화를 보완하기 위해서는 빛 그 자체를 보완해 그 양적 변화를 보는 것 외에는 달리 방법이 없기 때문이며, 다른 변화량의 제어는 어떤 의미에서 전부 이것이 근원이 되고 있다.

진동수
빛은 전자파이기 때문에 진동수에 따라 광양자의 에너지가 하나로 정해진다. 조사된 빛이 피사체와의 상호작용에 의해 물체광에 있어 광양자 에너지가 변화한다면 진동수가 변화하게 된다. 간단하게 말하면, 어떤 파장의 빛을 조사했을 때 다른 파장의 물체광이 발생한다는 것이다. 그 전형적인 것으로 ‘형광’이 있는데, 여기서는 파장이 변화한다는 현상에 초점을 맞춰 ‘파장 시프트’라고 하겠다.
빛을 물체에 조사하면 그 빛 에너지는 물체를 구성하는 전자에 흡수되고, 그 전자는 높은 에너지 상태로 여기되는데, 이것이 기저 상태 또는 어떤 중간 준위로 돌아갈 때 그 차분이 빛 에너지로 방출되는 현상이다. 이 때 어떤 파장대역의 빛, 즉 어떤 에너지 대역에 대해 그것을 흡수하고 어떤 에너지를 가진 광양자가 생성되는지는 그 물체의 분자 레벨의 구조에 의해 에너지 활성이 정해져 있으며, 반대로 그 차분을 관찰하면 분자 구성 등의 변화를 추출할 수 있다고 볼 수 있다.

여기에는 특정 조사 파장의 빛을 조사해서 물체광을 관찰하지만, 관찰 측에서는 통상적으로 파장 시프트한 빛이 매우 미약하기 때문에 조사광 측을 필터링해서 관찰하는 것이 일반적이다. 이러한 쌍방을 어떤 파장대역에서 취할지에 따라 어떤 파장 시프트를 추출할지를 제어할 수 있다. 단, 조사광을 단색광으로 하지 않을 경우에는 스펙트럼 분포가 문제가 되며, 스펙트럼 분포와 관찰광학계의 빛 센서의 감도 특성은 그 명암과 직접 관계하고 있으므로 충분한 배려가 필요하다.

진폭
전자파로서 빛의 진폭은 단순히 말하면 그 빛의 강도이며, 양자론적으로는 양자수라고 할 수 있다. 사실 우리들은 이러한 진폭의 대소에 의해 특정 파장의 빛에 의한 명암을 느끼고 있으며, 그 자체는 기계의 눈인 빛 센서에서도 마찬가지다.

여기서 특정 파장이라고 한 것은 느끼는 빛의 명암에는 빛 센서의 감도가 파장에 의해 변화하기 때문이다. 그러나 인간의 눈이나 기계의 눈이나 진폭의 대소로 빛의 명암, 즉 화상의 농담 정보를 만들어내고 영상 또는 화상 정보로 변환하고 있는 것이며, 양자론적으로 말하자면 광양자 수의 대소를 빛의 명암으로 보완하고 있는 것이다. 따라서 대상이 되는 물체의 어떤 부분에 어떤 빛을 조사했을 때 그 부분의 물체광의 밝기가 어떻게 변화하는지를 정량적으로 파악하지 못한다면 진폭의 최적화를 실시할 수 없다.

그 기본이 되는 것이 물체광을 직접광과 산란광이라는 성분광으로 나눠 생각하는 방법이며, 직접광을 관찰하는 ‘명시야’와 산란광을 관찰하는 ‘암시야’의 기본 조명법이다. 왜 이것이 기본인가 하면, 조사광과 물체광의 밝기를 제어하려면 그 물체광의 밝기를 정량화하기 위해 그 물체광을 조명의 휘도에 비례하는 직접광 성분과 물체면의 조도에 비례하는 산란광 성분으로 나눠 생각할 필요가 있기 때문이다. 이 밝기에 또한 관여하는 것이 앞서 설명한 ‘전반 방향’의 최적화에서 언급한 입체각 요소와 관찰 광학계의 진폭에 대한 다이내믹 레인지다. 따라서 조사광 측의 제어 파라미터에 배광 특성이 있으며, 관찰광 측에서는 다이내믹 레인지를 최적화하기 위해 노광 시간과 일반적으로 ‘게인’이라고 불리는 빛 센서 출력의 증폭 정도가 관계하게 된다.

진동면
특정 진동 방향으로밖에 진동하지 않는 빛을 ‘편광’이라고 하며, 이른바 보통 빛인 자연광과 구별한다. 자연광은 온갖 방향으로 진동하고 있는 빛이 혼합돼 있어 통상적으로 우리들이 다루는 빛은 일반적으로 편광과 자연광의 중간 상태(부분 편광)에 있다고 생각해도 좋다.

인간은 통상적으로는 편광시를 할 수 없으므로 진동면의 변화라는 의식이 없지만, 특정 방향으로 진동하고 있는 빛밖에 투과시키지 않는 편광 필터를 통과시킴으로써 그 특정 진동 방향을 가진 빛의 명암 정보로 진동면의 변화를 보완할 수 있다. 이러한 사정은 머신비전에 있어 빛 센서에서도 완전히 동일하다.

광전계의 진폭은 직교하는 2방향의 진동 성분으로 분해할 수 있다고 알려져 있다. 즉, 전자파로서의 빛 진동 방향은 전반 방향에 대해 직교하는 면내에서 어떤 방향으로든 향할 수 있으므로, 그 변화를 파악하기 위해서는 그 면내 직교하는 2방향 진동 성분의 벡터화로 표현할 필요가 있다는 것이다. 이러한 양상을 그림 3에 표시한다.

여기서의 진동은 전계의 진동으로, 빛의 전반 방향에 직교하는 xy-평면을 고려해 각각의 진동 벡터로 분해해서 생각하면, 원래 빛의 편광 상태는 xy 각각의 진동 벡터 성분인 직선 편광이 겹쳐진 것으로 생각할 수 있다. 결국 xy 각각의 직선 편광 변화를 보완하면 원래 빛 편광 상태의 변화를 보완할 수 있다는 것이다. 여기서 각각의 직선 편광 변화란 위상의 변화며, 이는 각각의 방향으로 진동하는 빛의 속도가 다르다는 것에 의해 발현된다. 이를 ‘광학적 이방성’이라 하며, 그 광학적 이방성은 편광의 상태 변화에 의해 검출 가능해진다.

물이나 유리는 광학적 성질에 관한 방향에 좌우되지 않으므로 등방적이지만, 액정이나 결정 등은 방향에 따라 다른 편광 응답을 하기 때문에 이방적이다. 일반적으로 결정 구조를 가진 물질은 광학적으로 이방성을 나타날 때가 많으나, 이는 규칙적인 결정 구조에 의해 전자의 운동 방향이 제한되기 때문이다. 이방성을 나타내는 물질로는 방해석 등이 있으며, 고분자 재료 등에서도 이방성을 가진 물질이 많다. 우리 주변에서는 셀로판테이프가 있는데, 그 원료는 목재에서 추출한 셀룰로오스다. 셀룰로오스의 분자는 길어서 일정 방향으로 뻗기 쉬우므로 전자의 움직임이 그 방향으로 한정돼 광학적으로 이방성을 나타내며, 가시광에 있어 적당히 반파장 정도의 위상 차이를 생성하는 것으로 알려져 있다.

마스무라 시게키(Masumura Sigeki)
머신비전라이팅 대표이사 사장

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