Multi-strobing 기술 파헤치기

[카메라 기술 백서 #15] Multi-strobing 기술 속도와 밝기 관계

 

1) Multi-strobing 솔루션 구현 시 결과 영상 밝기에 영향을 미치는 변수: 검사시간, 속도, 조명 개수

지난 시간에는 Multi-strobing 솔루션의 활용방안에 대해 살펴보았고, 이번시간에는 Multi-strobing 솔루션을 구성하는 분들이 많이 궁금해하는 속도와 밝기 관계에 대해 이야기하고자 한다. 우선 머신비전 분야에서 검사시간(Tact time)은 영상 밝기와 비례 관계가 성립한다는 것을 다시 한번 상기시켜 보자. 영상 밝기(감도)는 검사시간이 짧을수록 점점 어두워지는데 이는 센서 노출시간을 짧게 가져가야 하기 때문이다. 그러나, Multi-Strobing 솔루션에서는 추가적으로 조명 개수와 영상 밝기 간에 반비례 관계가 성립하게 되는데 아래의 예시를 통해 보다 쉽게 알아보도록 하자.

(a)는 1개의 동축조명으로 동전을 Tact time 3초 동안 촬영한 영상이라고 하고 (b)는 (a)와 동일한 Tact Time 3초에 3개의 조명을 사용하여 촬영한 영상이라고 하자. 이 때, (a)는 1개의 조명 영상을 촬영하는데 Tact time 3초를 모두 사용한 반면 (b)는 각각의 조명 영상을 촬영하는데 Tact time을 1초씩 할당하여 사용하게 된다. 앞서 Tact time과 영상 밝기 사이에 비례 관계가 성립한다고 했기 때문에 (b)의 경우 영상 밝기는 (a)에 비해 1/3만큼 어두워지게 된다. 즉, 기존에 하나의 조명을 사용하던 조건에서 조명 개수를 늘려 사용하고자 할 경우 Tact Time 목표를 기존과 동일한 시간으로 설정하게 되면 영상 밝기가 조명 개수에 반비례하여 어두워진다는 것이다.

 

그렇다면 기존에 하나의 조명을 사용할 때와 동일한 감도의 영상을 얻기 위해서는 어떻게 해야 할까? 정답은 (c)와 같이 각 조명 영상별로 3초의 Tact Time을 할당해 총 Tact Time을 9초로 늘려주면 된다. 그러나 Multi-Strobing 솔루션을 고민하는 사람이라면 (c)처럼 운용하는 것이 기존 단일 조명 사용할 때보다 Tact Time이 늘어나는 것처럼 느껴져 굳이 이러한 복잡한 Multi-Strobing 솔루션을 사용해야 하는지 의문이 들 수도 있다. 따라서 스트로브 조명을 사용하지 않고 단순한 셋업으로 조명을 각 촬영 간 전환해 가며 3번 스캔하는 시스템으로 구성하려 할지도 모르겠다. ‘하지만, 이렇게 반복 스캔 방식으로 시스템을 구성할 경우 불필요한 방향 전환과 가감속 시간으로 9초보다 더 긴 Tact Time이 소요되게 된다. 만약 조명 개수가 5개 또는 6개처럼 점점 많아지게 되면 이러한 불필요한 시간은 Tact Time에 계속 쌓여가게 된다. 이러한 이유로 필자는 Multi-strobing 솔루션으로 (c)와 같이 구성을 해도 분명한 이점이 있다는 점을 강조하고 싶다.

 

2)  Tact time을 늘리지 않으면서 여러 조명 영상을 밝게 얻는 세 가지 방법

그러나 일반적으로 사용자들은 (d)의 상황을 원한다. 즉, 사용자들은 기존에 단일조명 검사시스템처럼 Tact Time을 늘리지 않으면서 여러 조명 영상을 같은 밝기로 얻고 싶어한다는 의미다. 이러한 사용자들의 니즈를 충족시키기 위해서는 세 가지 방법이 존재한다.

 

첫째는 더 감도가 높은 카메라를 사용하는 것이다. (b)의 예시에서 사용된 카메라보다 3배 높은 감도의 카메라로 촬영을 하게 된다면 (d)의 예시와 같은 밝기를 얻을 수 있을 것이다. 물론 카메라는 동일하게 사용하고 3배 밝은 렌즈를 사용할 수도 있을 것이다.

두번째는 조명의 세기를 높이는 것이다. (b)의 예시에서 사용된 조명보다 3배 밝은 조명을 사용하게 되면 (d)의 예시와 같은 밝기를 얻을 수 있을 것이다.

세번째는 Multi-Strobe 조명에 대해 TDI 합산을 할 수 있는 라인 스캔 카메라를 이용하는 것이다. 이 방식은 멀티라인 스캔 카메라를 이용하게 되는데, 마치 여러 대의 싱글 라인 카메라로 Multi-Strobing 영상을 각각 찍고 이 영상들을 다시 합산하여 밝기를 높이는 것으로 생각해보면 이해가 수월할 것이다. 그러나 모든 멀티라인 카메라들이 이런 합산을 지원하는 것은 아니므로 카메라 선택에 주의를 기울여야 한다. 현재까지는 앤비젼에서 취급하는 Teledyne Dalsa사의 LineaML 카메라만 가능하다.

 

위의 표와 같이 LineaML은 최고 300kHz 급의 고속 촬영을 지원하는 Multi-line 카메라로 일반적인 라인 스캔 카메라가 가지는 100kHz 이하의 속도 영역에서는 3라인을 활용하여 Multi-Strobe 환경에서 TDI 합산이 가능하고, 더 나아가 150kHz 이하의 영역까지는 2라인 TDI 합산이 가능하다. 만약 위의 예시에서 LineaML의 3라인 TDI 기능을 사용하게 된다면 (a)와 동일한 3초의 Tact Time으로 (d)와 같은 이미징이 가능하다. 여기까지 Multi-strobing 기술의 속도와 밝기 관계에 관한 이야기였고, 보다 자세한 사용조건이 궁금하다면 아래 영상을 참고하길 바란다. 

 

Multi-strobing 속도와 밝기 Q&A 유튜브 5분 영상입니다.  (클릭하면 넘어갑니다)

 

 

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필진 소개

 

김병도, Brandon 앤비젼 Engineer Supporting Your Vision!