머신 비전은 최근 몇 년간 발전된 새로운 기술로, 광학, 기계 및 전기 일체화 수단을 이용하여 기계에 시각 기능을 부여합니다. 머신 비전을 검사 분야에 도입함으로써 많은 경우에서 온라인 고정밀도 및 고속 측정이 실현될 수 있습니다. 동시에 머신 비전 검출 기술의 이론도 단계적으로 발전하고 있습니다.
머신 비전이란 무엇인가요?
머신 비전은 간단히 말해 인간의 눈 대신 기계를 사용하여 측정과 판단을 수행하는 것입니다. 주로 컴퓨터를 이용하여 인간의 시각 기능을 시뮬레이션하고,客관 사물의 이미지에서 정보를 추출, 처리 및 이해한 후 이를 실제 검출, 측정 및 제어에 활용합니다. 머신 비전의 전형적인 구성 요소는 조명, 렌즈, 카메라, 이미지 획득 카드 및 비전 프로세서의 다섯 부분으로 구성됩니다.
이로부터 파생된 기술은 인공지능, 신경생물학, 심리물리학, 컴퓨터 과학, 영상처리, 패턴인식 등 여러 분야를 아우르는 학제간 과목인 머신 비전 기술입니다. 머신 비전 기술은 고속도, 대용량 정보 처리, 다기능성 등의 특징을 가지고 있습니다.
머신 비전의 발전
기계 시각에 대한 연구는 1960년대 중반 미국 학자 L.R. Roberts에 의해 다면체로 구성된 블록 세계를 이해하기 위해 시작되었습니다. 당시 사용된 기술들, 예를 들어 전처리, 에지 검출, 윤곽선 생성, 객체 모델링 및 매칭은 기계 시각에서 응용되었습니다. 1970년대에는 기계 시각이 몇 가지 중요한 연구 분야를 형성했습니다: ① 대상 안내를 위한 이미지 처리; ② 이미지 처리 및 분석의 병렬 알고리즘; ③ 2D 이미지로부터 3D 정보 추출; ④ 순차 이미지 분석 및 운동 파라미터 평가; ⑤ 시각 지식 표현; ⑥ 시각 시스템의 지식 기반.
기계 시각 기술 설계의 어려움은 무엇인가요?
첫째: 조명의 안정성
산업용 비전 응용 프로그램은 일반적으로 위치 확인, 측정, 검출 및 인식의 네 가지 범주로 나뉩니다. 그 중에서도 측정은 가장 높은 조명 안정성을 요구합니다. 조명이 단지 10-20% 변화해도, 측정 결과는 1-2 픽셀 정도 틀어질 수 있습니다. 이는 소프트웨어 문제라기보다는 조명 변동으로 인해 이미지 상의 엣지 위치가 바뀌기 때문이며, 아무리 강력한 소프트웨어라도 이를 해결할 수 없습니다. 이 문제를 해결하기 위해 시스템 설계 관점에서 주변광의 간섭을 제거하고, 능동적 조명 소스의 발광 안정성을 보장해야 합니다. 물론 하드웨어 카메라의 해상도 향상도 정확도를 높이고 환경 간섭에 저항하는 방법이 될 수 있습니다. 예를 들어, 이전 카메라의 대응 공간 크기가 픽셀당 10um이었다면, 해상도를 높여서 5um으로 변경하면 정확도가 약 두 배로 증가하며, 자연스럽게 환경 간섭 저항성이 향상됩니다.
둘째, 작업물 위치의 일관성 부족
일반적으로 측정 프로젝트의 첫 번째 단계는 오프라인 검출이든 온라인 검출이든 간에 완전히 자동화된 검출 장비를 사용하는 경우, 첫 번째 단계는 항상 측정 대상물을 찾는 것입니다. 매번 측정 대상이 촬영 시야에 나타날 때마다 그 대상의 정확한 위치를 알아야 합니다. 어떤 기계식 고정장치를 사용하더라도 측정 대상이 매번 동일한 위치에 나타나도록 보장할 수는 없습니다. 이때 위치 결정 기능을 사용해야 하며, 만약 위치가 정확하지 않으면 측정 도구의 위치도 부정확해질 수 있으며, 측정 결과에는 큰 편차가 발생할 수 있습니다.
셋째: 교정
일반적으로 고정밀 측정에서는 다음 head calibration이 필요합니다: 1) 광학 왜곡 보정 (소프트웨어 렌즈를 사용하지 않는 경우 일반적으로 보정해야 함), 2) 투영 왜곡 보정, 즉 설치 위치 오차 등으로 나타나는 이미지 왜곡 보정 및 세 개의 물체 영상 공간 보정, 즉 각 픽셀에 해당하는 물체 공간 크기를 계산합니다.
그러나 현재의 보정 알고리즘은 평면 보정을 기반으로 합니다. 만약 측정 대상 물체가 평면이 아니라면, 특정 보정 알고리즘이 필요하며, 일반적인 보정 알고리즘으로는 해결할 수 없습니다.
또한 보정 보드를 사용하기 불편하여 일부 보정 방법을 설계해야 할 필요가 있으므로 소프트웨어 내의 기존 보정 알고리즘으로는 보정이 어려울 수 있습니다.
네 번째: 물체의 속도
측정 대상 물체가 고정되어 있지 않고 움직이고 있다면, 동작 블러의 이미지 정확도를 고려해야 한다 (블러 픽셀 = 물체 이동 속도 * 카메라 노출 시간)이며, 이는 소프트웨어로 해결되지 않는다.
다섯째, 소프트웨어의 측정 정확도
측정 응용에서 소프트웨어의 정확도는 1/2~1/4 픽셀로만 간주할 수 있으며, 1/10~1/30 픽셀처럼 위치 결정 응용에 사용하는 것보다는 1/2를 사용하는 것이 더 좋다. 이는 소프트웨어가 이미지에서 매우 적은 특징점을 추출할 수 있기 때문이다.
중국에서의 개발 및 응용
전문가들은 기계 시각의 초기 개발이 주로 유럽, 미국 및 일본에 집중되어 있다고 믿습니다. 글로벌 제조 중심지가 중국으로 이동하면서 중국의 기계 시각 시장은 북미, 유럽, 일본에 이어 국제 기계 시각 제조업체들에게 중요한 목표 시장이 되고 있습니다. 중국에서는 기계 시각의 적용이 1980년대 기술 도입에서 시작되었습니다. 반도체 및 전자 산업은 기계 시각을 비교적 일찍 도입한 산업 중 하나로, 대부분은 PCB 인쇄 회로 조립, 부품 제조, 반도체 및 통합 회로 장비에 집중되어 있습니다. 이 산업에서 기계 시각의 적용과 보급은 전자 제품의 품질과 생산 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
현재, 중국은 세계 기계 시각 발전의 가장 활발한 지역 중 하나가 되고 있으며, 거의 모든 국⺠경제 부문을 덮고 있다. 포함하여: 산업, 농업, 의학, 군사, 항공우주, 기상, 천문, 공공안전, 교통, 보안, 과학 연구 등 여러 분야다. 산업 분야는 기계 시각 응용에서 가장 큰 비중을 차지하는 분야이다. 중요한 이유는 중국이 글로벌 제조업의 가공 중심지가 되었기 때문이다. 부품 가공에 대한 높은 수요와 그에 대응하는 선진 생산라인과 함께, 국제적으로 선진 수준의 많은 기계 시각 시스템과 응용 경험도 중국에 진입했다.
아래는 몇 가지 응용 사례를 간단히 소개한다:
1. 식품 안전 모니터링
생산 과정 및 제품 품질 검사에서 직원이 생산 과정의 오류와 누락을 관찰하고 식별하며 발견하는 것이 때로는 필요합니다. 아무리 개인의 책임감과 주의가 강하다 해도 피로, 소홀함, 분산된 주의력으로 인해 불량품이 시장에 유통될 수 있습니다.
기계 비전의 식품 검사 적용
2. 제조업
제조 산업의 경쟁이 심화되면서 비용 압력이 생산 효율성에 주목하게 하고, 품질은 기계 비전 기술의 적용을 촉진할 것입니다. 생산 효율성을 높이고 인건비를 절감하기 위해 산업 생산 및 관리에서 일부 수작업 단계가 점차 기계로 대체되고 있습니다. 기계 비전 시스템의 특징은 생산의 유연성과 자동화를 향상시키는 것입니다. 수작업이 적합하지 않거나 인공 비전이 요구사항을 충족시키기 어려운 위험한 작업 환경에서는 종종 기계 비전이 인공 비전을 대체합니다. 동시에 대규모 산업 생산 과정에서 인공 비전으로 제품 품질 검사를 할 경우 효율성이 낮고 정확도가 떨어지며, 기계 비전의 검출 방법은 생산 효율성과 자동화 수준을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 기계 비전은 정보 통합을 실현하기 쉬워 컴퓨터 통합 제조의 기본 기술입니다.
동시에 기계 시각 기술은 또한 연기, 폐수 등 초표준 배출에서 역할을 발휘할 수 있습니다. 기계 시각을 사용하면 기계실과 공장에서 화재와 연기를 즉시 발견할 수 있습니다. 기계 시각에서 얼굴 탐지 및 얼굴 인식 기술을 사용하면 기업이 출입구의 통제와 관리를 강화하고, 관리 수준을 향상시키며, 관리 비용을 절감하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
3. 태양광, 교통 모니터링
최근 몇 년간 신흥 산업의 발전은 기계 시각 시장에 새로운 시장 공간을 제공했습니다. 태양광 분야에서는 태양전지 및 모듈 제조업체들이 제품 검출, 제품 식별 및 추적, 제품 조립 등을 위해 기계 시각을 사용합니다. 교통 감시 분야에서는 차량 번호판 인식 기술과 이미지 분석 기술이 번호판을 자동으로 식별하고, 불법 주차, 역주행, 그리고 교통 사고 차량을 찾는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 지진 예방, 산사태, 토석류, 화산 폭발 감지, 수문학적 모니터링 및 강 수문 상태 관찰 등의 분야에서 기계 시각 기술은 막대한 잠재력을 가지고 있습니다.
미래 시장 전망
전통적인 제조업이 새로운 변화를 맞이하고 있으며, 전환과 업그레이드는 중국의 자동화 산업에 막대한 시장 기회를 제공할 것입니다. 자동화 산업에서 높은 지능형 제품인 머신 비전은 미래에 큰 발전 잠재력을 가지고 있습니다.
최근 몇 년간, 중국의 전자 제조사와 OEM 제조사들은 점증하는 노동력 부족 문제에 대응하여 수작업을 대체하기 위해 대량의 자동화 장비를 구매하고 있으며, 이는 향후 몇 년 안에 정점을 형성할 것입니다. 대만 자본 공장들도 자동화 수준을 높이기로 결정했으며, 이들의 자동화 붐은 향후 2-3년 내에 도래할 것이며, 이는 머신 비전 제품의 응용 분야에 있어 새로운 성장 동력이 될 것입니다.
권위 있는 업계 예측 보고서에 따르면, 중국의 머신 비전 산업 규모는 지속적으로 성장하여 2015년에는 3억 위안, 2016년에는 38억 위안에 달할 것이며, 2018년에는 50억 달러에 이를 것입니다. 글로벌 머신 비전 시장이 가져오는 새로운 비즈니스 기회는 제조업체들의 주요 초점이 되고 있습니다.
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