머신 비전 시스템은 대상물 자체를 분석하는 것이 아니라 대상물로부터 반사된 빛을 분석함으로써 이미지를 생성한다. 따라서 검사하는 생산 부품에서 조명이 어떻게 반사되는지를 이해하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 대상물을 구성하는 소재 및 크기, 형태, 마무리 상태 그리고 색깔 등을 반드시 이해해야 한다. 이러한 모든 특성은 조명의 반사 결과에 영향을 미치며, 정확한 이미지를 생성하는데 있어 여러 과제들을 유발하기 때문에 올바른 조명원 선택이 우선시돼야 한다. 이 때문에 본 원고에서는 머신 비전 시스템을 위한 올바른 조명 선택방법을 다각도로 알아보고자 한다.
선명도 높은 이미지
올바른 조명을 선택하기 전에 대상물을 구성하는 소재 및 크기, 형태 그리고 색깔 등 다양한 내용을 이해해야 한다. 이와 더불어 조명은 컴퓨터 분석시스템이 사용 가능한 이미지를 어떻게 쉽게 만들 수 있는지에도 영향을 미치기 때문에 이에 대한 이해 또한 더해져야 한다. 일반적으로 선명도가 높은 이미지는 처리가 가장 쉽다. 정확한 이미지는 적절한 초점과 조도로 만들어지는데, 선명도가 떨어지거나 고르지 못한 조도의 이미지는 추가적인 이미지 분석 작업이 필요하며, 궁극적으로 프로세싱 시간을 증대시키고, 올바르지 못한 이미지 분석 사례가 늘어날 수 있다.
이미지는 조명이 대상물에서 반사되면서 생성되기 때문에, 조명이 대상물을 비추고 카메라로 다시 반사되면서 밝게 보인다. 만약 조명이 카메라에서 멀리 반사된다면(대상물에 흡수되거나), 대상물은 어둡게 보이게 된다. 머신 비전 시스템은 일반적으로 검사 작업의 중요한 요소인 모서리 부분, 질감 또는 마킹을 확인하기 위해 명암의 경계에 초점을 맞춘다(그림 1).
조명의 종류
조명의 파장 또한 검사 공정에서 중요한 변수가 될 수 있다. 특정 빛깔 및 대조색을 이용한 조명은 이미지에서 어둡게 보이기 때문에 구분하기가 더욱 쉽다. 예를 들어, 이러한 기법은 병뚜껑의 날짜 코드를 강조하는데 사용할 수 있다. 
적외선 조명은 제품의 흠집부분을 강조하기 위해 사용할 수 있으며, 자외선 조명은 잉크나 접착제가 형광색으로 보이도록 해준다(그림 2).
광선이 항상 평행이 되도록 정렬되는 평행 조명은 선명한 이미지를 만드는데 유용하다. 평행 광을 불투명 유리에 관통 시킨 확산 조명은 조명 강도를 줄임으로써 휘광이나 그림자 유발을 방지해 보다 부드러운 조도를 제공한다. 부품을 검사할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 촬영시 부품이 움직이는 속도와 노출시간이다. 이러한 요소는 조명원의 선택에 영향을 미치게 된다. 해당 검사에서 무엇이 중요한지에 초점을 두고 목표를 정함으로써 작업을 간소화할 수 있다. 목표가 결정되면, 
불필요한 이미지 요소들을 상쇄시키고, 찾아야 할 특성과 결함을 강조할 수 있는 조명원을 선택하는데 주력할 수 있다(그림 3).
조명 기법
올바른 조명 기법의 선택은 주어진 작업의 특징적인 문제를 처리하는데 도움이 된다. 따라서 많은 조명 기법들 중 원하는 것을 선택할 수 있으며, 각각의 기법은 용도에 따라 장단점이 있다. 부품을 검사하기 위한 조명에는 배면조명(Back Lighting), 직접조명(Direct Lighting), 구조조명(Structured Lighting), 축상외 확산조명(On/Off Axis Diffuse Lighting) 등 기본적으로 5가지의 기법이 있다. 배면조명(Back Lighting)은 부품의 모양을 강조하는 실루엣을 만들어내며, 모양 측정은 가능하지만, 전반적으로 표면의 모든 세부사항들을 판단하기는 어렵다. 대부분 흑백으로 부품의 이미지를 만들어냄으로써 최고의 선명도를 유지한다. 검사 작업시 이러한 기법은 치수 측정을 위해 사용할 수 있지만, 표면 검사에는 유용하지 않다. 이 기법의 과제는 설비고정이 어렵다는 것이다. 검사되는 부품을 받치고 있는 모든 기계적 고정장치들이 배면조명을 방해하기 때문이다(그림 4/ 그림 5).
직접조명(Direct Lighting)은 약간 중앙에서 벗어난 각도로 빛을 비춘다. 이러한 조명원은 설정이 쉽고 탁월한 선명도를 만들 수 있지만, 그림자가 생기고 검사부품의 표면에 따라 휘광이 발생하기도 한다. 이미지의 낮은 명암이 문제가 되는 경우 그림자 생성을 통해 명암을 향상시키는 방법도 있다. 또한 직접조명은 섬광기법으로 순간포착의 효과를 낼 수도 있다. 조명원의 이동효과에 대한 사례를 그림 6과 그림 7에서 확인할 수 있다.
구조조명(Structured Lighting)은 치수정보를 얻기 위해 사용되는 잘 알려진 조명 패턴(일반적으로 일직선으로 만들어진 평면 조명)을 사용한다. 일반적으로 레이저나 광섬유 라인 광과 같은 고도의 평행 광원이 사용된다. 이 기법은 반복되는 표면의 깊이 및 높이를 측정하는데 적합하며 낮은 비용으로 가능한 효과적인 방법으로, 조명원이나 표면이 움직이는 경우에도 사용되곤 한다. 하지만 조명 반사 효과를 낼 수 있어야 하기 때문에 측정대상 부품이 조명을 흡수하지 않아야 한다. 완벽하게 평탄한 표면과 비연속적인 표면에 대한 선형 조명원의 결과는 그림 8과 그림 9에서 볼 수 있다.
DOAL(Diffuse On-Axis Lighting)로도 알려진 축상 확산조명은 조명원이 카메라에 방해되지 않도록 조명을 카메라와 일직선으로 부품에 직접 비출 수 있다. 이는 조명을 부품에 직접 반사시키기 위해 50% 은도금 거울을 사용하며 카메라는 조명이 비춰지는 이미지를 획득하기 위해 이 거울을 통해 본다.
축상 확산조명을 사용하는 작업으로는 광택이 있고 평편한 표면상의 오류 검출 및 작은 구멍의 내부 검사 등이 있다. DOAL 조명은 은도금 거울을 통과하면서 휘도가 줄어들기 때문에 대상물에 일관된 조명을 비추거나 조명을 개선하기 위해 추가 조명원을 사용하는데 적합하다. 그림 10 및 그림 11는 어떻게 DOAL을 사용해 반사광을 제거하고 일부 작업에서 표면의 특성을 보다 쉽게 검사할 수 있는지를 보여준다.
마지막으로 축외 확산조명은 흐린 날 조명이나 돔 라이트(Dome Light) 조명으로도 알려져 있다. 이 조명은 부품에서 직접 반사되지 않고, 먼저 표면에 확산된 다음 부품에서 튕겨져 들어간다. 축외 확산조명 기법은 마치 흐린 날에 무엇인가를 관찰하는 것처럼 그림자가 나타나지 않는다. 또한 부품 검사 애플리케이션에서 문제를 유발하는 핫스팟이나 휘광을 방지한다. 돔 조명이 사용되는 경우, 카메라가 돔의 반사경에 있는 홀을 통해 촬영하기 때문에 이미지 중앙에 빈 공간이 생길 수 있다. 따라서 반사경이 사용되는 경우, 빈 공간을 채우기 위해 축상 확산조명을 추가하는 것이 좋다. 작업공간이 제한적인 경우에는 평판 돔 조명을 카메라와 부품 사이에 배치하며 곡면에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있다(그림 12/ 그림 13).
지속조명과 섬광조명
머신비전 애플리케이션에서 조명은 지속조명이거나 섬광조명 중 하나다. 섬광 조명은 휘도를 높일 수 있으며, 조명원의 수명도 오래 유지할 수 있다. 하지만, 이보다 유용한 점은 순간포착이 가능하다는 것이다. 하지만 특별한 제어가 필요하다. 섬광조명의 가동 타이밍은 이미지 수집과 정밀하게 조정돼야 하며, 그렇지 못한 이미지들은 각기 다른 휘도를 초래할 것이다. 또한 섬광조명을 사용할 때는 인적 요소도 고려해야 한다. 플래시 조명은 일부 사람들에게서 발작이나 두통을 유발할 수 있다(그림 14).
머신 비전 시스템을 설계할 때 머신 설치공간의 주변광 영향을 고려하는 것이 중요하다. 부품을 비추기 위해 사용되는 조명은 검사 시스템의 특수 조명 효과가 실현되도록 주변에서 비춰지는 주변광을 제압할 수 있을 만큼 밝아야 한다. 주변광은 부품에 부가적인 휘광을 유발할 수 있다. 또한 작업자가 서 있는 위치나 일과시간, 날씨, 계절에 따라 달라질 수 있다. 이러한 모든 요인들은 검사 시스템의 조명원을 선택하고 머신의 물리적인 배치를 설계할 때 반드시 고려돼야 한다(그림 15).
조명원
조명원의 종류 중 하나로 할로겐조명이 있다. 이 조명은 매우 밝은 조명이 필요한 작업(대부분 새로운 자동차의 헤드라이트는 할로겐이다)에는 효과적이지만, 섬광으로는 사용할 수 없다는 한계가 있고, 매우 뜨거워지며, 시간이 갈수록 휘도가 낮아진다. 이 조명을 검사작업에 사용한다면, 제품 수명을 연장하기 위해 최대 전력의 80%로 구동하고 컬러가 변하지 않도록 전압 한도를 유지해야 한다. 만약 작업공간이 할로겐으로부터 발생하는 열에 민감하다면 광섬유를 사용해 램프를 분리해 장착해야 한다.
백열등은 또 다른 조명원 중 하나다. 이러한 조명 전구는 저렴하고 손쉽게 이용이 가능하지만, 섬광으로 구성할 수 없고 열이 발생하며 시간이 지날수록 휘도가 조금씩 낮아진다. 형광등 조명원은 상대적으로 가격이 저렴하다. 이 조명은 여러 형태와 크기로 이용이 가능하고, 확산조명을 제공하며, 휘광을 최소화할 수 있다. 그 반면, 섬광으로 사용할 수 없고 시간이 지날수록 성능이 저하되며, 밝기를 낮추는 것이 어렵다는 단점이 있다. 또한 형광등은 교류전원(AC)의 주파수로 인해 깜박거리게 되며, 비전 검사작업에서 이미지 품질에 영향을 미칠 수 있다. 고주파 안정기(Ballast)는 깜박임을 줄이는데 도움이 되지만, 이를 완전히 제거할 수는 없다.
레이저는 고도의 평행 광원으로 높은 휘도를 가지고 있으며, 검사되는 대상물에서 멀리 떨어진 곳에 장착이 가능하다. 다이오드 레이저라 불리는 특수 레이저는 섬광으로도 사용할 수 있다. 레이저는 거리 측정 및 3차원 측정에 사용되곤 하지만, 높은 정확도를 달성하기는 어렵다. 또한, 레이저는 일반적으로 매우 고가인데다, 잠재적으로 안전상의 위험이 있어 특별한 안전대책이 요구된다. 이러한 작업은 평행광을 제공하는 광섬유보다 안전한 대안이다.
이전의 많은 섬광 조명 시스템은 제논(Xenon) 조명을 적용하고 있다. 제논은 짧은 기간에 걸쳐 매우 높은 휘도를 제공하기 때문에 순간 포착과 같은 효과를 줄 수 있어 섬광적 조명에 이상적이다. 하지만 제논 점멸등의 휘도는 시간이 지날수록 감퇴하므로 오늘날에는 거의 사용되지 않는다. 보다 탁월한 대안은 LED를 사용하는 것이다. 이 광원은 오늘날 머신 비전 애플리케이션에서 가장 보편적으로 사용되고 있다. LED는 1만시간 이상의 매우 오랜기간 동안 유지가 가능하며, 섬광으로 사용하거나 열 문제없이 지속적으로 켜둘 수 있다. 또한 LED는 사용하기에 매우 안전하며, 효율적이고 거의 모든 컬러나 특정 파장에 맞게 사용할 수 있다. 초기 LED는 휘도의 한계가 있었지만, 최신 LED는 매우 밝다(많은 신차들이 외부 조명으로 LED를 사용하고 있음을 명심하자). 표 1은 각 조명원의 애플리케이션 적합성을 비교할 것이다.
통합 조명
머신비전 사용자는 통합 조명을 포함한 시스템을 사용할 수 있다. 통합 조명은 부가적인 조명을 확보하거나 설치 및 전원을 구축할 필요 없이 특정 부품이나 특징을 강조하기 위한 설정을 간소화할 수 있다. 통합 조명을 갖춘 일부 비전시스템은 추가 장비를 사용하지 않고 소프트웨어를 사용해 휘도 및 섬광 조명을 제어함으로써 부가적인 혜택을 제공한다. 외부 조명이나 전원이 필요하지 않기 때문에 통합 조명을 갖춘 비전 시스템은 설치가 간편하고, 생산 라인 상 접근이 어려운 공간에서도 사용이 가능하다. 또한 비용 면에서 보다 효과적이다.
조명 선택시 고려사항
비전 시스템에 맞게 조정하거나 구성할 수 있는 다양한 조명 기법과 방법들이 존재한다. 올바른 조명 선택은 해당 머신의 생산성을 획기적으로 차별화할 수 있다. 새로운 자동 검사 시스템을 기획할 때 반드시 해야 할 첫번째 일은 검사를 통해 취득해야 할 것은 무엇인지, 그리고 표면의 마무리 상태나 색깔 등과 같이 검사해야 할 부품이 무엇인지를 이해하는 것이다. 또한 생산환경을 이해하는 것도 중요하다. 그런 다음, 다양한 조명원의 장단점을 살펴봐야 한다.
더불어 올바른 조명을 선택한 후에는 효과를 극대화하기 위해 조명원의 위치를 결정해야 한다. 조명원 자체의 성능, 조명원, 카메라 그리고 부품들의 배치는 검사 요건에 맞게 정확하고 일관된 이미지를 생성하는데 필요한 강조와 제거 요소를 제공한다. 머신 비전 전문가들은 해당 애플리케이션을 위한 최상의 조명과 조명 위치 옵션을 결정하는데 도움을 줄 수 있다.
