생의학 및 생명과학 응용 분야 최적의 머신비전 카메라 찾는 법
  • 최정훈 기자
  • 승인 2021.03.23 16:20
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플리어, “공간 해상도, 정확한 색상 재현, 고감도 제공 유념”

[플리어 제공] 연구 및 진단 생의학 응용 제품에는 일반적으로 높은 공간 해상도, 정확한 색상 재현, 낮은 조명 조건에서의 고감도를 제공할 수 있는 영상장치가 필요하다. 이 3가지 요인이 적절하게 조합돼야 데이터 신뢰성을 개선할 수 있다.

현미경 카메라, 조직학 카메라, 세포학·세포 유전학 카메라, 표면 형광 카메라 등은 임상 응용 분야에서 적절한 진단을 내리거나 연구 목적의 데이터에 신뢰성을 부여하는 데 상당한 영향을 미치기 때문에 이를 유념해 적절한 카메라를 선택해야 한다. 이 가운데 플리어(FLIR)가 어떤 머신비전 카메라가 임상 응용 분야에 적합한지 고려할 사항들을 짚어 봤다.

민감도가 높은 모델을 검색하려면 절대 감도, 양자 효율, 작동 범위의 3가지 사양에 중점을 둬야 한다. [사진=플리어]
민감도가 높은 모델을 검색하려면 절대 감도, 양자 효율, 작동 범위의 3가지 사양에 중점을 둬야 한다. [사진=플리어]

해상도 및 색상 정확도 

필요한 해상도는 카메라의 화소 크기 대비 샘플 내 해당 구조물의 배율에 따라 결정된다. 즉, 현미경 응용 분야의 고해상도는 2MP 카메라, 25MP 카메라 또는 이 범위 사이의 모든 카메라로 구현할 수 있다. 이는 카메라의 화소 크기 대비 광학장치의 샘플 내 해당 구조물 배율에 따라 결정된다. 원하는 해상도를 구현하는 데 가장 적합한 카메라 옵션을 선택하려면 먼저 해상도를 조정할 샘플 내 최소 구조물의 크기를 결정한다. 다음에 이를 광학 시스템 내 렌즈 배율과 곱한다. 그러면 카메라 센서에 투영되는 이 구조물의 크기를 얻을 수 있다. 

구조물의 크기가 카메라 센서 화소 크기의 2.33배(나이퀴스트) 이상인 경우에는 카메라가 해당 구조물의 해상도를 조정할 수 있어야 한다. 예를 들어, 투영된 이 구조물의 크기가 ~8um인 경우에는 3.45um 화소의 카메라가 이 구조물의 해상도를 조정할 수 있어야 하는 것이다. 해상도를 측정할 수 있는 다른 방법(예를 들면 ‘라인 쌍’)도 있지만, 여기에서 설명한 방법이 시험할 적절한 카메라 옵션을 검색할 수 있는 쉬운 계산 방법이다. 

조직학, 세포학 및 세포 유전학과 같은 영상 응용 분야는 광범위한 백색광(~400nm-700nm)으로 작동하거나 이 범위 내에서 선택된 파장(예: 565nm)을 사용한다. 이 샘플 내 시료가 생체(또는 고정 상태)가 아닌 경우에는 시료를 얼룩 페이딩 또는 샘플을 죽일 위험 없이 밝은 조명에 노출해도 무관하다. 이와 같은 조건에서 카메라의 주요 요구 사항은 고해상도 및 색상 재현이다. 달리 말해, 낮은 조명 감도는 중요한 요인이 아니다. 고해상도 모델을 검색하려면 플리어 머신비전 카메라 선택 도구를 사용해 메가 화소를 기준으로 필터링 및 정렬해야 한다. 

감도, 양자 효율 및 작동 범위 

생체 시료에 대한 영상 응용 분야의 경우 샘플을 너무 많은 빛에 과다 노출함으로써 형광 분자를 표백하거나 시료를 죽이는 우를 범할 소지가 있다. 이 응용 분야에서는 일반적으로 표면 형광이라고 부르는 기술을 사용한다. 표면 형광 기술은 고정된 시료 및 생체 시료에 모두 사용할 수 있다. 일부 시료는 취득하기가 희귀하거나 비싸기 때문에 시료의 샘플을 생성하는 프로세스에 따른 재료비 및 인건비가 많이 들 수 있다. 따라서 샘플의 품질을 보존하는 시스템은 이 영상 응용 분야의 지속적인 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있다. 

표면 형광에서는 고에너지 파장을 필터링해 샘플에 자극을 줌으로써 낮은 에너지 파장을 방출한다. 낮은 에너지 파장은 다시 필터링해 카메라로 전송된다. 이 조건에서 주요 요구 사항은 손상을 유발할 수 있는 덜 강력한 빛을 샘플에 사용할 감도이다. 민감도가 우수한 카메라는 방출광이 저에너지인 경우에도 고품질 영상을 제공할 수 있다.

낮은 조명 조건에서도 성능이 양호하며 민감도가 우수한 모델을 검색하려면 절대 감도, 양자 효율 및 작동 범위의 3가지 사양에 중점을 둬야 한다. 절대 감도는 센서가 관찰한 노이즈와 동일한 신호를 얻는데 필요한 광자 수를 뜻한다. 개수가 낮을수록 좋다. 양자 효율은 특정 파장에서 광자가 전자로 전환되는 비율이다. 여기에서 비율이 높은 게 좋다. 작동 범위는 일시적 다크 노이즈(신호가 없는 경우의 센서 내 노이즈)를 포함한 신호 대 노이즈 비율이다. 간편하게 비교하려면 FLIR 모델 선택 도구를 사용하여 최곳값을 필터링 및 검색하면 된다. 

요인의 조합 

백색광 및 표면 형광을 모두 사용하는 응용 분야의 경우에는 Sony의 새로운 변환 이득 기능을 제공하는 카메라 모델을 검색해야 한다. 이 기능은 고감도 또는 고포화 용량의 측면에서 센서를 최적화할 수 있는 능력이다. 높은 변환 이득은 판독 노이즈를 최소화해 짧은 노출에서 약한 신호를 감지하는 데 적합한 낮은 절대 감도 임계 값을 생성할 수 있으므로 낮은 조명 환경에 이상적이다. 낮은 변환 이득은 포화 용량을 최대화해 동적 범위를 개선할 수 있으므로 밝은 조명 조건에 이상적이다. 최대 동적 범위는 12비트 ADC로 제한된다.

Oryx 카메라 [사진=플리어]
Oryx 카메라 [사진=플리어]

올바른 카메라 선택 

카메라를 선택할 때는 최신 CMOS 센서 선택이 항상 훌륭한 출발점이다. 최신 센서일수록 일반적으로 성능이 우수하다. 게다가 가격도 저렴할 수 있다. 또한 해당 응용 분야에서 여러 해에 걸쳐서 많은 카메라를 구매 해야 하는 경우(예를 들어, 진단 기기의 지속적인 제조)에는 수명 주기가 종료되지 않은 카메라를 선택해야 한다. 그러지 않으면 조기에 교체용 카메라를 설계해야 하는 비용을 지출해야 한다. 

FLIR는 최신 CMOS 센서를 사용하는 세 가지 카메라 제품군인 Blackfly S, Oryx 및 Firefly와 대략적으로 호환되는 200개 이상의 머신비전 카메라 변형 버전을 제조하고 있다

Blackfly S 카메라 제품군은 가장 광범위한 센서, 폼팩터 및 인터페이스를 제공한다. 모든 모델이 USB3 및 GigE 변형 버전으로 제공되는 이 카메라는 용도가 매우 다양하고 Design-in 단계 중에 쉽게 통합할 수 있다. 기판 수준 Blackfly S 버전은 당사의 완전한 기능 케이스형 제품의 소형 버전으로서 특히 공간 제약적인 내장형 응용 분야에 적합합니다. 광범위한 기능, 우수한 가성비, 최대 24MP 해상도에 따라 생의학 및 생명과학 응용 분야에 제격이다.  

Oryx 카메라 제품군은 고해상도 센서와 고속 10GigE 인터페이스를 결합함으로써 4K 해상도의 12비트 영상을 60FPS 이상으로 캡처할 수 있다. Oryx의 10GBASE-T 인터페이스는 저렴한 CAT6A에서 50m 이상 또는 CAT5e에서 30m 보다 긴 케이블 길이에서 믿을 수 있는 이미지 전송을 제공하는, 검증을 받았으며 폭넓게 채택 된 표준으로 부각된다. 

Firefly 카메라 제품군은 초소형 케이스 폼팩터, 경량, 낮은 전력 및 저렴한 가격이 특징이다. Firefly DL 모델은 또한 이전에 교육해 객체 탐지 또는 분류에 사용할 수 있는 신경망을 실행할 기능도 있다. 

모든 FLIR 머신비전 컬러 카메라는 색상 재현을 다양한 화이트 밸런스 옵션의 형태로 독창적인 색상 보정 매트릭스를 사용해 사용자 지정할 수 있는 기능을 제공하며, 이는 진단을 위한 육안의 인간 분석과 데이터 정확도를 위한 컴퓨터 판독 형태에 따라 색상의 정확도가 달라질 수 있는 생의학 영상에서 특히 중요한 기능이다. 이 기능에 대한 자세한 내용은 Blackfly S 및 Spinnaker에서 화이트 밸런스 사용하기와 Blackfly S 및 Oryx에서 색상 보정 사용하기를 참조하면 된다. 

또한 플리어 머신비전 Blackfly S, Oryx 및 Firefly 카메라 제품군은 처음부터 개발 및 배치 편의성을 염두에 두면서 설계한 GenICam3 및 Spinnaker SDK를 사용해 제어 및 프로그래밍함으로써 응용 제품 개발 및 테스트를 가속화 할 수 있다.



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