[머신비전]Color 카메라와 color를 활용한 검사

[카메라 기술 백서 #6]머신비전 Color 카메라와 color를 활용한 검사

 

 

이번 포스팅에서는 color에 대한 얘기를 할까 한다. 현재 대부분의 비전검사는 Mono 카메라를 이용하여 수행되고 있다. Mono 카메라는 빛이 가지고 있는 밝기 정보만을 감지하고 이 양을 출력하게 된다. 그러나 실제 빛은 밝기 정보뿐만 아니라 파장 정보도 같이 가지고 있으며 Mono 카메라는 이 중 파장의 정보를 획득하지 못한다. 그렇다고 빛의 파장 정보가 검사에서 중요하지 않아 대부분의 경우 Mono 카메라를 사용하는 것은 아니다. 일반적인 검사 장비에서 Mono 카메라를 이용하는 것은 가격적인 측면, 데이터 양과 검출력의 효율 측면에서 Mono 카메라가 유리하기 때문이다. 분명 동일한 자원(해상력, 비용, 속도)을 사용하는 환경에서 Color 카메라와 Mono 카메라를 선택할 수 있다면 Color 카메라가 빛의 파장 정보를 추가하여 가지고 있기에 더 검사에 유리할 것이다.

 

Mono camera는 빛의 밝기 정보만

 

 

Color camera는 빛의 밝기 정보에 파장의 정보를 가지고 있다.

 

 

 

 

 

Color 카메라의 이미지 센서는 Mono 카메라의 이미지 센서를 베이스로 하여 제작한다. 기본적으로 빛의 밝기를 감지하는 이미지 센서에 빛의 파장을 감지 할 수 있는 장치를 더해 color 카메라의 이미지 센서를 만든다. 쉬운 이해를 위해 한가지 상황을 예로 들어 보겠다.

 

 

 

 

 

필자가 Leica사의 M monochrome 이라는 모델의 카메라를 구입하였다. 이름에서도 알 수 있듯이 mono type의 카메라이다. 이 카메라로 어느 시골 마을을 풍경을 촬영하였더니 당연히 흑백 사진이 찍혔다. 흑백의 풍경도 좋지만 푸른 잔디와 붉은 경운기를 표현하고 싶어 흑백 카메라를 이용해 color 사진을 찍어 보기로 했다. 

 

 

 

카메라 앞에 Red / Green / Blue의 3가지 필터를 각각 사용하고 3장의 사진을 촬영하였다.

 

Red filter 사용	Green filter 사용	Blue filter사용

 

 

그리고 이 3장의 사진을 Color buffer의 RGB 채널에 매핑하여 Color 영상을 얻었다. 

 

위에서 사용한 방법은 백색광이 입사되는 상황에서 Color filter를 이용하여 각 파장의 intensity 값을 뽑아 channel 별로 분리한 것이다.

 

 

 

 

 

  그러나 이런 방법을 이용할 경우에는 RGB 채널 별로 3장의 영상을 흔들림 없이 촬영해야 하고 물리적으로 센서 전면에 color filter를 변경해 줘야 한다. 이런 불편을 피하기 위해 실제 color 카메라는 일반적으로 bayer pattern이라고 하는 color filter의 구조를 센서에 씌워 사용한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이 Bayer pattern 구조를 통해 Red, Green, Blue의 정보를 한번의 촬영으로 얻을 수 있다. 그러나 모든 pixel이 RGB의 데이터를 독립적으로 가지지 못해 발생하는 문제점도 있다. 

 

 

 

 

앞에서 설명한 color 카메라 구현 방법을 간단히 말하면 “입사되는 빛은 백색광이지만 이미지 센서에서 필요한 파장을 분리해 color를 구현하는 방법”이다. 여기서 기억할 것은 입사되는 빛은 백색이나 센서 앞에 color filter를 사용하여 별도의 파장으로 분리한다는 것이다.

 

 

 

다른 방법으로 color 카메라를 구현할 수도 있다. 이 방법을 설명하기 전에 과거 고등학교 물리 시간에 배웠던 내용을 떠올려보자. “왜 붉은색은 붉게 보일까?” A라는 물체(예를 들어 붉은색 크래파스)가 붉은색으로 보이면 A물체가 붉은색을 직접 발광하는 것은 아니다. 실제 A물체에는 모든 파장의 빛이 입사되며 그 중 A는 붉은색 파장의 빛만 반사하여 우리 눈에 붉은색으로 보이는 것이다. 그렇다면 만약 입사되는 빛이 백색광이 아닌 붉은색 단파장 이라면 붉은색 크래파스, 푸른색 크래파스는 어떻게 보일까? 아래 그림을 보자.

 

 

<구성1>	<구성2>

 

  

 구성1은 앞서 농촌 풍경 촬영 예로 제시했던 상황과 동일하다. 붉은색 부분의 정보를 얻기 위해 대상체와 카메라 사이에 color filter를 사용하였다. 그리고 구성2는 광원과 대상체 사이에 color filter를 사용하여 대상체에 붉은색 광만 입사되는 환경을 구성하였다. 대상체에 붉은색 광만 입사되므로 대상체의 푸른색 부분에서 반사되는 빛이 없어 카메라에 대상체의 푸른색 부분의 정보가 남지 않게 된다.

 

 

 구성2를 앞서 농촌 풍경 사진 촬영에 적용해보면, mono 카메라 앞에 color filter를 변경하면서 3장의 영상을 촬영하는 것이 아니라 붉은색 푸른색 녹색 조명을 switching 하며 3장의 영상을 촬영해야 한다. 현실적으로는 태양광의 조명을 제어하는 것이 불가능하지만 비전 검사에서는 충분히 조명의 제어가 가능하다.

 

 

 

 이제 대략적인 color imaging의 구성에 대한 설명을 마쳤고 실제 검사에서 어떻게 활용하고 있는지 간단히 설명하면, 일반적으로 비전 검사에서 color 조명 혹은 color 카메라를 사용하는 것은 2가지 목적에 의해서 이다.

 

1. 다른 조건에서 촬영된 영상을 한번에 촬영하기 위해

2. 빛 파장 정보가 검사에 주요한 요건이 될 때

 

 

만약 비전 검사의 여러 가지 검사항목을 만족하기 위해 여러 가지 조명 조건에서 검사를 해야 하는 경우 조명 조건을 바꿔 가며 여러 장의 영상을 취득해야 한다. 예를 들어 먼지나 스크레치를 검사하기 위해 Dark field 조명이 필요하고 투과 조명을 이용한 검사를 동시에 진행해야 할 경우 Red 조명을 이용해 Dark field 조건으로 조명을 조사하고 Blue 조명을 이용해 투과 조건으로 조명을 조사한다. 그리고 이 대상체를 color 카메라를 이용해 촬영하게 되면 Red channel에는 dark field 영상이 취득되고 Blue channel에는 투과 영상이 취득되어 한번에 2가지 조명 조건의 영상을 얻을 수 있다.

 

 

다른 경우로 붉은색과 푸른색이 뒤섞여있는 대상체를 촬영하여 두 가지 색상을 분리하여 검사 할 경우에는 color 검사가 필요하다. Mono 카메라와 백색광을 이용하여 촬영하게 되면 붉은색과 푸른색의 광량 정보가 비슷하여 구분이 어렵다. 두 색상을 구분하기 위해서는 앞서 설명했듯 2가지 구성을 사용할 수 있다. 가장 간단하게는 color 카메라를 사용하는 경우 이며 두번째는 붉은색 혹은 푸른색 조명을 이용하여 구분하는 방법이다.

 

 

Color 라는 주제를 가지고 한번에 포스팅으로 끝내기에는 할 말이 너무 많다. 다음에 다시 Color에 대한 포스팅을 하는 것으로 하고 이번 포스팅은… 여기까지 하도록 하겠다.

 

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필진 소개

 

목한상, Kyle Mok (앤비젼 Product Engineer/카메라 담당) 사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는... 카메라 담당 Product Engineer