대량 인쇄 또는 곡물 및 과일 검사와 같은 웹 애플리케이션은 개체가 계속해서 움직이기 때문에 라인 스캔 카메라를 사용하는 것이 이상적입니다. 이러한 애플리케이션은 일반적으로 처리 속도가 중요시됩니다. 즉, 인쇄된 자료나 검사 개체가 고속으로 이동할 수 있어야 합니다.
그러나 고속으로 이동하는 개체의 이미지를 라인 스캔 카메라로 캡처하는 경우 충분한 노출을 위해 필요한 조명을 제공하기가 매우 어렵습니다. 웹 속도를 늦추거나 극도로 밝고 비싸며 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 조명을 사용하지 않고 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 비닝(binning)이라는 카메라 기능을 사용하는 것입니다.
비닝(binning)이란?
디지털카메라에서 각 센서 픽셀은 노출이 "활성"된 동안 받는 광량에 따라 장면의 광도 값을 기록합니다. 이미지가 한 번에 한 라인씩 캡처되는 라인 스캔 애플리케이션의 경우 이러한 노출 시간이 매우 짧을 수 있습니다. 결과적으로 센서 픽셀이 광을 소량만 캡처하게 되어 디테일이 잘 보이지 않는 어두운 이미지가 생성될 수 있습니다.
비닝은 인접한 두 픽셀에서 캡처한 광을 합친 후 이 결합된 픽셀 값을 단일 픽셀인 것처럼 출력합니다. 예를 들어 라인당 4096 픽셀을 지원하는 라인 스캔 센서의 경우, 비닝을 사용하면 모든 픽셀을 2개씩 결합하여 픽셀 수는 절반(2048)이지만 밝기는 2배인 라인을 출력합니다.
듀얼 라인 구조의 센서가 탑재된 일부 최신 라인 스캔 카메라는 두 라인이 동시에 노출되는 비닝 옵션을 지원할 수 있습니다. 이 경우, 픽셀을 수평, 수직 또는 양방향으로 결합할 수 있어 각 픽셀이 더 넓은 타겟 영역을 커버하면서 훨씬 더 밝은 출력(수평 및 수직 비닝 옵션을 모두 사용하는 경우 최대 4배)을 생성할 수 있습니다.
즉, 비닝을 통해 픽셀의 유효 크기가 최대 4배까지 늘어나게 되어 각 "가상" 픽셀이 노출 시간 동안 훨씬 더 많은 빛을 캡처할 수 있게 됩니다.
3라인(trilinear) 카메라 예시
비닝을 활용하는 방법의 이해를 돕기 위해 JAI의 라인 스캔 카메라 중 하나를 살펴보도록 하겠습니다. 여기에서는 4096 픽셀 해상도의 JAI 4K 3라인 라인 스캔 카메라(SW-4000TL)를 예시로 사용하도록 하겠습니다. 이 카메라는 적색, 녹색 또는 청색 필터가 탑재된 3개의 센서 라인을 사용하여 이미지를 생성하고 이를 디지털 방식으로 RGB 출력의 싱글 라인으로 결합합니다. 각 필터가 파장에 따라 장면 광의 일부를 차단하기 때문에 3개 라인을 모두 합치면 장면 밝기의 100%까지 합산됩니다.
각 라인의 기본 픽셀은 7.5 µm x 7.5 µm 크기의 정사각형 픽셀입니다. 이 카메라로 인쇄된 지폐가 빠르게 움직이는 롤을 이미징하는 경우, 아래 이미지에서 보이는 것과 같이 비닝을 끄고 모션 블러(motion blur)가 없을 만큼 노출 시간을 충분히 빠르게 설정하면 픽셀이 충분한 노출을 위해 필요한 광을 노출 시간 동안 모두 캡처할 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 이미지가 어두워서 디테일을 식별할 수 없습니다.
다행히 JAI 3라인 카메라에는 비닝 기능이 탑재되어 있습니다. 또한 이 카메라의 센서는 각 색상에 대해 2개의 인접한 라인이 있는 총 6개 라인을 특징으로 하는 아키텍처를 가지고 있습니다. 이를 통해 수평 방향(2x1), 수직 방향(1x2) 또는 양방향(2x2)으로 비닝을 구성할 수 있습니다.
2x2 비닝 기능을 켠 상태로 테스트를 다시 실행하면 유효 픽셀 크기를 15µm x 15µm로 변경할 수 있습니다. 이러한 더 큰 픽셀 영역을 통해 동일한 라인 속도와 조명 조건으로 4배의 광을 캡처할 수 있어 사용 가능한 밝은 이미지를 얻을 수 있습니다. 라인당 2048 픽셀의 감소된 해상도가 FOV에 허용되므로, 픽셀 비닝을 통해 처리 속도의 희생 없이 조명 문제를 해결할 수 있습니다.
프리즘 라인 스캔 카메라의 비닝
JAI의 프리즘 기반 라인 스캔 카메라를 통해 이러한 비닝 기능을 더욱 잘 활용할 수 있습니다. 모든 프리즘 카메라와 마찬가지로 JAI 프리즘 기반 카메라에는 색상별로 별도의 센서가 있습니다. 이러한 각 센서는 7.5µm x 7.5µm 정사각형 픽셀이 있는 2개 라인과 7.5µm x 10.5µm 직사각형 픽셀이 있는 2개의 라인, 총 4개의 라인을 가지고 있습니다. 개별 라인 사이에 간격이 없기 때문에 싱글 또는 듀얼 라인 모드로 정사각형 또는 직사각형 픽셀을 읽을 수 있습니다.
이 구조를 사용하면 수평 비닝, 수직 비닝 또는 수평 및 수직 비닝을 결합하여 8가지의 픽셀 크기/모양을 만들 수 있습니다. 정사각형 또는 직사각형 등 픽셀 라인 선택에 따라 결합된 수평 및 수직 비닝은15um x 15um 또는 15um x 21um의 픽셀 크기를 제공할 수 있습니다. 이는 라인 스캔 업계에서 찾을 수 있는 가장 큰 픽셀 크기 중 하나로 라인 속도, 감도 및 셔터 시간 요건이 까다로운 애플리케이션을 지원할 수 있는 탁월한 유연성을 제공합니다.
비닝을 사용하면 밝기를 높이는 것뿐만 아니라 신호 대 노이즈 비율 역시 개선될 수 있습니다. 이는 별도의 게시글로 다루어질 예정이나 필요하신 경우 JAI로 문의하시기 바랍니다.
픽셀 비닝 기능을 사용하여 이미지 밝기를 조정하는 방법에 대해 자세히 알아보시려면 아래의 데모 비디오를 확인해 보세요.