영역 찍는 라인스캔 카메라의 구조

다야마 히로시 에이디 사이언스 기술부

연속 촬영 가능한 라인스캔 카메라 특징 및 도입 조건

‘라인스캔 카메라’란 용어에 대해 들어본 적이 있는 사람은 많을 것이다. 하지만 ‘그 정체와 동작 방법 및 도입 환경은 어떠한가?’라는 질문에 답할 수 있는 사람은 많지 않을 것이다.
여기에서는 이 같은 물음에 대한 해결책을 찾기 위해 라인스캔 카메라의 세계에 대해 탐구해보고자 한다. 사실, 라인스캔 카메라에 대해 어렵게 느끼는 부분이 있겠지만, 본 원고에서는 그 해결책을 찾으며 이 카메라에 대해 더 깊이 이해하고자 한다.

라인스캔 카메라 정의
우선 이 근본적인 물음에 대해 생각해 본다면, 카메라 스캔 방식은 크게 2가지 형태로 구분할 수 있다. 하나는 영역스캔 카메라로 불리는 것으로, 주변에서 흔히 볼 수 있는 일반적 카메라 형식인 휴대전화 카메라, 디지털 카메라, 보안 카메라 등이 있다. 기존 아날로그에서부터 이어지는 산업기기용 FA 카메라 대다수가 이 형식의 카메라라고 할 수 있다.

영역스캔 카메라의 특징은 멈춘 대상물, 동체, 이동 속도가 복잡한 피사체를 비교적 간단하게 촬영할 수 있다는 것으로, 만능처럼 생각되는 부분이 있다. ‘어떤 특수한 용도’에 사용되지 않고, 기종 선정을 잘못하지만 않으면 확실히 만능이라고 할 수 있다.

한편, 또 다른 형식이 바로 ‘라인스캔 카메라’다. 주변에서 볼 수 있는 스캐너나 복사기를 예로 들면 이해하기 쉽다. 이름에서도 알 수 있듯이 센서는 선(라인)으로 가늘고 길다. 그리고 영역 스캔 카메라는 해상도가 1,600×1,200으로 표현되는 것에 비해, 라인스캔 카메라는 1K나 2K 혹은 4K와 같이 1,024픽셀, 2,048픽셀, 4,096픽셀 등으로 표현된다. 영역스캔 카메라처럼 표기하면 1,024×1, 2,048×1, 4,096×1이므로 1라인만 촬상 소자임을 확인할 수 있다.

이처럼 라인스캔 카메라가 영역스캔 카메라와 다른 점은 ‘1라인 촬상 소자’라는 것 뿐이고 그 외 다른 동작은 완전 동일하다. 예를 들어, 셔터 속도 설정 및 렌즈 선택도 같은 기준이며, 내부 클록 촬영(프리런)과 외부 클록 촬영(트리거 캡처) 설정도 같게 할 수 있다.

그러나 여기서 의문점이 드는 건 사실이다. 라인스캔 카메라는 왜 1라인만 화상이 찍히는 걸까?

라인스캔 카메라 동작
이동 중에 촬영하는 카메라.
라인스캔 카메라 촬영 자체는 영역스캔 카메라와 같다. 렌즈를 통해 입사한 빛은 CCD 소자와 CMOS소자가 수광해서 전기 신호로 변환된 화상으로 출력된다. 이때 ‘어떻게 1라인으로만 화상이 찍히는 걸까?’라는 물음은 매우 단순한 질문이다.

예를 들어 1,024×1 크기의 영역스캔 카메라라면, 이것은 1,024×1 크기의 화상으로만 영역을 찍는다는 제한이 있을 것이다. 그러나 보통의 피사체는 이처럼 매우 작은 1픽셀의 형상을 하고 있지도 않을뿐더러, 만일 1픽셀로 촬영됐다고 해도 화상으로는 쓸모가 없다.

그럼 보통의 영역스캔 카메라가 찍을 것 같은 폭(두께)을 가진 형상의 피사체를 찍었다고 한다면 어떻게 될까?

가장 단순한 경우로 정지한 피사체를 생각해 봤을 때 그림 2를 살펴보자. ‘차’를 단순하게 그린 그림인데, 이 정지된 피사체(차)를 라인스캔 카메라에서 잡았다면 피사체의 형상을 그대로 찍을 수 없다. 찍힌 화상은 동일한 부분의 1라인 화상으로서 반복 촬영한 결과를 붙여 맞춘 영상으로밖에 될 수 없기 때문이다.

그렇다면 화상으로서 피사체 형상을 잡으려면 어떻게 해야 할까? 대답은 ‘피사체를 동작시켜 1라인에 의해 촬영된 부분을 이동시킨다’ 또는 ‘피사체를 스캔하도록 카메라를 이동시킨다’가 된다. 이것은 우리들이 자주 보는 스캐너나 복사기와 같은 원리이기 때문에 이해하기 쉽다.

변속적인 피사체.
‘카메라 및 피사체를 이동시킨다’는 라인스캔 카메라의 기본 원리를 대체로 이해한 시점에서 다음 단계인 ‘셔터 속도’의 관점에서 깊이 생각해보고자 한다.

그림 2로 돌아가 동일한 속도로 피사체가 카메라 앞을 달려간 경우를 생각한다. 이때 카메라 셔터 속도도 등속(고정 셔터)한다고 가정한다. 그러면 스캐너나 복사기와 같은 동작이기 때문에 화상은 일그러짐 없이 깨끗하게 촬영된다. 그리고 촬영된 화상은 그림 3이 된다.

그렇다면 변속적인 동작인 경우에는 어떨까? 이 질문은(모든 현상을 거론하자면) 너무 복잡해지기 때문에 진행 방향으로의 ‘변속성’만을 한정해서 ‘피사체가 등속운동에서 가속도운동으로 이동’하는 상황을 예로 들어 생각한다. 즉, 차가 일정 속도를 유지한 후 즉, 차가 일정 속도를 유지한 후 서서히 속도를 올려 카메라 앞을 통과하는 상황에서 카메라 셔터 속도는 고정(등속)한다. 이 경우 카메라는 그림 4의 화상과 같은 결과가 나온다.

영역스캔 카메라, 라인스캔 카메라의 차이에 관계없이, 셔터 속도라는 개념이 카메라에 있다. 셔터는 빛이 CCD나 CMOS 센서에 충전되는 시간을 제어하는 기능으로, 특히 라인스캔 카메라가 이동하는 피사체를 촬영하는데 있어 매우 중요하다. 이 예에서는 서서히 가속하는 피사체에 고정 셔터를 사용해 촬영했다. 즉, 계속 촬영되는 1라인 분량의 화상은 각각 동일한 시간의 영상을 센서에 충전시킨 결과라고 할 수 있다.

가속하는 피사체에 대해(모든 촬영 라인에 대해 동일하게) 이 시간 내 카메라 앞을 가로지르는 이동량을 생각해보면 어떨까? 당연히 서서히 속도를 높임에 따라 이동량도 늘어남을 알 수 있다. 그러나 증가한 이동량은 1라인으로 촬영되고 1픽셀의 화소로 압축돼 화상 출력되기 때문에 영상으로는 속도에 반비례해 이동 방향으로 줄어드는 결과가 된다(그림 4의 모습은 출력되는 화상의 압축 정도를 이미지로 나타낸 것이다). 그 결과, 일그러진 그림 4의 화상이 촬영된다는 이론이다.

이상적인 시스템.
앞서 이동체의 속도가 변하기 때문에 피사체의 형상을 정확하게 촬영할 수 없다고 밝혔으므로, 이제부터는 그 해결 방법에 관해 설명하고자 한다.

전항의 ‘변속적인 피사체’에서 설명한 그림 4는 어디까지나 셔터 속도가 고정(등속)인 경우다. 여기서 이 전제 조건을 바꾸면 변속적인 피사체의 형상을 정확하게 촬영할 수도 있게 된다.

그림 4 모양에 집중하면 알 수 있다. 만약 피사체 속도가 빨라짐에 따라, 비례해 셔터 스피드도 빨리 하면 어떨까? 구체적으로 설명하자면, 속도가 2배일 때 셔터 속도를 0.5배로 하고, 속도가 3배라면 0.33배의 셔터 속도로 한다는 것이다. 그와 반대로, 피사체가 0.5배 늦을 경우에는 셔터 속도를 2배 장시간으로 조절한다. 이 방법이라면 1라인의 촬상 소자에 의해 촬영되는 피사체의 거리는 동일해진다. 다시 말해, 셔터를 조절함으로써 카메라는 눈앞을 이동한 피사체를 일정한 간격으로 촬영할 수 있게 돼 얻어지는 화상도 일그러짐이 없게 된다는 것이다. 하지만 이를 위해서는 피사체의 속도를 알 필요가 있다.

라인스캔 카메라 도입 환경
라인스캔 카메라를 도입하기 위해서는 다음의 3가지를 충족시켜야 한다.
① 피사체(또는 카메라)를 이동시킨다.
② 피사체의 속도를 안다.
③ 영상 보드와의 연계.

①번을 충족시키기는 쉽지만, 나머지 ②번과 ③번은 어떻게 해결해야 할까? 이 문제점은 ‘인코더’로 해결할 수 있다.

인코더란 위치 검출 센서의 일종으로, 라인스캔 카메라를 도입하기 위해서는 컨베이어 벨트나 구동 모터의 이동량과 회전수를 검출하는 인코더가 필요하다. 예를 들어, 인코더는 그림 5와 같이(반송을 위해) 구동 장치에 장착돼 피사체 속도에 연동한 펄스 수를 출력한다.

1회전할 때마다 2,000펄스를 출력하는 인코더의 경우 피사체 속도와 연동해 ‘4,000→4,500→5,500펄스’라는 식으로 가속 모습을 펄스 수로 환산해 외부기기에 전달할 수 있다. 이 인코더로부터의 펄스를 적절한 영상 보드로 받고, 또한 카메라의 셔터 속도를 조절할 수 있다면, 앞서 언급한 라인스캔 도입 환경 중 ②번과 ③번의 문제점을 해결한 셈이다.

구체적 사례
일본 에이디 사이언스에서 취급하고 있는 e2v의 라인스캔 카메라 ELiiXA 시리즈와 유레시스의 영상 캡처 보드 Grab Link Full XR를 예로 들어 설명한다.

카메라 설정.
앞서 언급했듯 ‘카메라는 피사체 속도를 감지한 영상 보드에 의해 셔터 속도가 제어돼야 한다’는 점이 가장 중요하다. 다음과 같이 하나의 설정 변경으로 이를 해결할 수 있다.

Synchronisation Mode → 모드2(영상 보드에서 얻을 수 있는 두 개의 펄스 사이를 셔터 스피드로 하는 설정)

영상 보드 설정.
유레시스의 영상 보드와 연결해 동사에서 제공하는 RP 카메라 파일을 이용한다. 카메라 파일에 다음과 같이 설정함으로써 간단하게 카메라 셔터를 조절할 수 있게 된다.

① CC1Usage = HIGH;
② LineCaptureMode = ALL;
③ LineRateMode = CONVERT;
④ LineTrigCtl = ISO;
⑤ LineTrigEdge = GOHIGH;
⑥ LineTrigLine = IIN1;

위의 각 항목에 대해 설명한다. ①번은 카메라 케이블 CC1 라인에 펄스 출력하는 설정이다 (凸파). 카메라 사양과 일치한다면 문제는 없다. 인코더 펄스 변화에 따라 CC1에 출력하는 펄스 간격을 조절하는 것은 ②번과 ③번의 설정이다. 즉, 이러한 설정에 따라 조절된 CC1 펄스 간격이 곧 카메라 셔터 속도가 되기 때문에 매우 중요한 부분이라고 할 수 있다.

④~⑥번은 영상 보드가 받는 인코더 펄스 형상(사양)과 커넥터 번호다. 인코더 장치에서 출력되는 펄스 사양과 이용하는 입력 라인(핀 어사인)의 설정을 일치시켜야 한다.

영역스캔 카메라로도 사용.
라인스캔 카메라 도입을 위한 충족 조건을 해결했다면, 라인스캔 카메라가 촬영한(1라인 화상으로서 반복 촬영한 결과를 붙여 맞췄다) 화상은 영역스캔 카메라에서 얻을 수 있는 화상과 동일한 것이 된다. 인코더의 도입으로 ‘화상의 일그러짐’이 해결되기 때문이다. 장치로서는 다소 복잡할 수밖에 없지만 친숙한 보통의 영역스캔 카메라와 동일하게 취급할 수 있다. 화상 캡처 다음에 이어지는 화상 처리 공정에서는 라이센서 카메라 화상임을 의식하지 않고 영역스캔 카메라에서의 화상과 완전히 같은 방법으로 처리할 수 있다.

라인업
여기에서는 일본 에이디 사이언스에서 취급하는 주요 라인스캔 카메라와 영상 보드를 소개한다.

e2v 라인스캔 카메라.
① 표준 모델 AViiVA 시리즈
e2v의 표준 카메라로 자리매김해 다양한 라인스캔 카메라를 선택할 수 있다. 해상도는 12,288픽셀을 필두로 최소 크기인 512픽셀까지 선택할 수 있으며, 읽기 속도가 최고 210,000라인/s에 달하는 모델도 준비돼 있다. 또한 기가비트 이더넷 모델도 있어 다양하게 선택할 수 있다.

② 멀티 라인 모델 ELiiXA 시리즈
이번 설명을 위해 예를 든 카메라로, 멀티 라인스캔 방식(4라인 적립)에 의한 고감도 성능이 뛰어나다. 최신 ELiiXA+는 업계 최대 픽셀수가 되는 16,384화소, 고속 100,000라인/s를 실현한 고급 지향 모델이며, CameraLink 외에 CoaX Press도 선택할 수 있다(그림 6). 광량이 적은 현장 도입에 가장 적합하다.

③ 저가격 모델 DiViiNA 시리즈
비용 중시용 시리즈로 고속인 라인 읽기나 고해상도, 고감도 성능이 요구되지 않는 조건에 권장할 수 있어(카메라가 개발 도중에 만들어졌다), 기존 애플리케이션의 대체용으로 적합하다. 기가비트 이더넷 모델도 준비돼 있다.

Xenics 라인스캔 카메라.
근/원적외 영역을 취급하는 Xenics는 최대 9kHz(512화소)의 라인스캔 카메라가 있다. 또한 근적외 라인스캔 카메라로 최고 속도인 40kHz(1,024화소)는 물론, 콤팩트화(49×49×79㎜)한 사양의 Lynx 시리즈 출시를 예정하고 있다(그림 7).

이 시리즈는 3개의 해상도 범위(512, 1,024, 2,048)를 선택할 수 있으며, 12.5×12.5μ㎡의 픽셀 포맷과 12.5×250μ㎡ 직사각형 타입을 선택할 수 있다.

분광, 의료(OCT), FA용, 식품검사, 비파괴 검사, 위성, 지구 탐사(그림 8) 분야에 추천할 수 있으며, 다음과 같은 특징을 갖는다.

① 최대 2,048화소까지의 고해상도.
② InGaAs 센서(9% 이상의 Pixel Operability).
③ 최대 40kHz 고속 이미징(Camera Link, GigE).
④ 약한 조명 조건 하에서의 고감도.
⑤ 분광기 호환.

X-SCAN 시리즈.
X선 카메라 전용 메이커로의 라인스캔 카메라다. 표준 타입(25~160KeV/70~ 225KeV)이나 고에너지 타입(100~450 KeV/450KeV~15MeV), 검출 폭이 넓은 범위(와일드 레인지) 타입 등의 카메라가 있고, 주로 비파괴 검사용으로 이용되고 있다. 또한 일반 라인스캔 카메라 모양과는 다른 타이어의 비파괴 검사에 특화한 L자나 U자 형상의 라인스캔 카메라도 있다(그림 9).

유레시스의 영상 캡처 보드.
다양한 FA카메라용 영상 보드를 제조하는 유레시스는 CameraLink 사양의 라인스캔 카메라와의 접속이 뛰어나다. GrabLink 시리즈는 최대 픽셀 클록 85MHz, CameraLink 규격의 베이스, 미디엄, 풀 형태를 지원해 라인스캔 카메라의 도입 조건을 만족시킨다.

최신 GrabLink Full XR 보드는 소음 감소 기능 ECCO+에 따라 높은 해상도·고속 라인스캔 카메라의 케이블 길이를 기존 대비 2배로 연장할 수 있다.

적용 분야
라인스캔 카메라는 인쇄물 및 끊임없이 컨베이어 벨트 위에서 이동하며 진행되는 식품검사나 부품검사 등의 분야를 비롯해, 경마 등과 같이 골 판정을 위한 스포츠 분야에서도 활용될 수 있다(그림 10).

‘1라인마다 촬영을 반복한다’는 특성으로 인해 끊임없이 연속 촬영해야 하는 분야에서 기능을 발휘한다(그림 11). 그리고 이러한 분야에서의 화상처리·분석 시스템에서는 영역스캔 카메라가 다루기 힘든 조건을 해결해 준다.