가시광선 스펙트럼(380~750nm)에서 인간의 눈은 보통 400~700nm의 범위를 감지한다 - 공업용 카메라 전문 JAI
눈으로 볼 수 있는 빛을 ‘가시광선(可視光線)'이라고 합니다. 물리적인 빛은 눈에 ‘색채’로서 지각되는 가시광선 범위의 파장 내에 있는 스펙트럼을 말하며, 대략 380~750nm 범위의 파장을 가진 전자파가 포함됩니다. 인간의 눈은 보통 400~700nm의 범위를 감지합니다.
이와 마찬가지로 RGB 카메라는 인간의 눈이 인식하는 것과 같은 스펙트럼인 400~700nm의 파장을 사용하는 카메라로, 다양한 산업 분야에서 머신 비전 시스템에 응용되고 있습니다. RGB 카메라란 정확히 무엇이고, 알아야 할 기본 지식에는 어떤 것들이 있는지 살펴보겠습니다.
RGB 카메라란?
RGB 카메라 센서는 가시광선(400~700nm)을 수집하여 이를 전기 신호로 변환한 다음, 이미지 및 비디오 스트림을 렌더링하도록 정보를 구성하는 이미저입니다. RGB 카메라는 인간의 눈이 인식하는 것과 같은 스펙트럼인 400~700nm의 파장을 사용합니다. RGB 카메라는 정확한 색상 표현을 위해 빨간색, 녹색 및 파란색 파장(RGB)으로 빛을 캡처하면서 인간의 시각을 복제하는 이미지를 생성하도록 설계되었습니다. 현대의 보안 및 감시 카메라는 HD 해상도 이상의 성능을 발휘하며 광각 또는 텔레포토 뷰를 위한 다양한 렌즈 옵션을 통해 현장에 있는 대상과 물체를 식별할 수 있습니다.
RGB 카메라는 인간의 눈처럼 빛을 필요로 하며, 안개나 연무, 연기, 폭염, 스모그와 같은 대기 조건에 의해 성능이 크게 저하됩니다. 따라서 RGB 카메라를 적용하기 위해서는 낮 시간, 혹은 맑은 날이어야 하는 등 기상 조건에 제약이 있습니다.
RGB 컬러의 작동 원리는 빛의 3원색(빨강, 초록, 파랑)을 이용하여 색을 표현하는 방식인 ‘가산 혼합(additive color mixture, 加算混合)' 입니다. 즉, 빨간색과 녹색, 그리고 파란색의 세 종류의 광원을 이용하며, 색을 혼합하여 섞을수록 밝아집니다.
RGB 컬러의 원리 - 가산 혼합 (additive color mixture, 加算混合) - 산업용 카메라 전문 JAI
녹색에 빨간색 추가하면 노란색이 되고, 파란색에 녹색을 추가하면 청록색(Cyan), 빨간색에 파란색 추가하면 자홍색(Magenta)이 됩니다. 빨간색과 녹색, 그리고 파란색의 세 가지 기본 색상을 모두 더하면 흰색이 되며, 세 광원 모두 빛이 없는 상태는 검은색을 나타냅니다.
쉬운 예로, 세 개의 손전등에 각각 빨간색, 녹색, 그리고 파란색의 셀로판지를 겹쳐놓고 불을 비추면 가산 혼합의 원리와 비슷한 결과를 얻을 수 있습니다.
또한, 포토샵이나 그래픽 소프트웨어의 RGB 색상 선택기를 생각해보면 RGB 컬러가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 됩니다. (표1)
RGB 컬러의 원리 - 가산 혼합 (additive color mixture, 加算混合) - 산업용 카메라 솔루션 JAI
RGB 카메라의 작동 원리
디지털 방식의 카메라는 필름 대신 ‘이미지 센서’라고 불리는 고체 상태의 장치를 사용합니다. 일부 디지털카메라에서는 CCD 이미지 센서를 사용하고, 일부는 CMOS 센서를 사용합니다.
손톱만 한 실리콘 칩의 표면에는 수백만 개의 감광 다이오드가 있으며, 각각의 다이오드는 사진 속의 픽셀 하나를 캡처합니다. 이미지 센서는 정사각형 픽셀의 배경 확대와 마주 보고 있으며, 각 센서는 최종 이미지에서 한 픽셀을 캡처할 수 있습니다. (그림 4)
RGB 컬러 카메라의 작동 원리 - CMOS 센서 - JAI
사진을 찍으면 셔터가 짧게 열리고, 이미지 센서의 각 픽셀은 전하를 축적하여 그 위에 떨어지는 빛의 밝기를 기록합니다. 픽셀에 더 많은 빛이 비칠수록 더 높은 전하량을 기록하게 됩니다. 장면의 밝은 부분으로부터 빛을 포착하는 픽셀은 높은 전하를 가지고, 어두운 부분에서 빛을 포착하는 픽셀은 낮은 전하를 가집니다. (그림 5)
RGB 카메라의 작동 원리 - 공업용 카메라 솔루션 JAI
셔터가 닫혀 노출이 끝나면 각 픽셀의 전하가 측정되어 디지털 번호로 변환됩니다. 그런 다음, 이 일련의 숫자를 사용하여 화면 또는 인쇄 페이지에서 일치하는 픽셀의 색상과 밝기를 설정하여 이미지를 재구성합니다.
참고 | 이미지센서
이미지센서는 광학 영상의 강약과 색채를 감지하여 디지털 영상 데이터로 변환해주는 장치로, 영상 이미지의 저장 및 전송, 재생을 위한 전자 부품이다. 휴대전화 카메라 및 디지털카메라 등의 핵심 부품으로 사용되며, 그 방식에 따라 크게 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서로 구분된다.
CCD 이미지 센서는 빛에 의한 전자를 그대로 출력하기 때문에 노이즈가 적고 이미지 품질이 우수하다는 특징이 있다. 이에 비해 CMOS는 발생한 전자를 전압으로 바꾸어 출력시키는 방식으로, 처리 속도가 빠르고 소비 전력이 낮기 때문에 휴대폰 및 디지털카메라 등의 휴대 단말에 적합하다. 또한, 생산 단가가 낮으며 논리 회로를 동일 제조 공정에 짜 넣을 수 있고 온 칩(on-chip)화 하여 통합하기 쉽다는 특징이 있다. (네이버 지식백과 - 두산백과)
장비의 성능을 극대화할 수 있는 RGB 컬러 카메라를 선택할 때, 우선 영역 스캔 카메라와 라인 스캔 카메라 중에 장비의 용도에 따라 어느 쪽이 적합한지 검토해야 합니다. 다음은 머신 비전 카메라의 두 가지 방식입니다.
- 프리즘(Prism) 카메라
- 베이어(Bayer) 카메라
- 프리즘(Prism) 카메라: 세 개의 분리된 라인 센서 탑재
- 삼선(Trilinear) 카메라: 하나의 센서(Single sensor)에 세 개의 RGB 라인으로 구성
먼저 영역 스캔 카메라와 라인 스캔 카메라의 차이점을 비교해 보고, 이 두 가지 카메라 중 어느 것이 비즈니스의 머신 비전 용도에 더 적합한지 검토하는 작업이 필요합니다.
라인 스캔 카메라는 영역 스캔 카메라와 다르게 센서가 직선(Line)으로 구성되어 있습니다. 따라서, 카메라 혹은 물체가 일정한 속도로 움직이면서 대상을 스캔하여 영상 데이터를 얻는 원리입니다. 그런데 속도가 빠를수록 노출 시간이 짧아지면서 광량이 부족해지므로, 라인 스캔 시스템에서 조명은 필수이며 가장 중요한 요소입니다.
라인 스캔 방식의 예로는 복사기가 있습니다. 복사기에 종이를 올려놓고 복사 버튼을 누르면, 직선 형태의 빛이 일정한 속도로 끝에서 끝으로 움직이는 것을 생각해보면 이해하기 쉽습니다.
라인 스캔 카메라의 영상 취득 원리 - JAI 공업용 카메라
이러한 라인 스캔 카메라는 롤이나 시트 제품과 같이 길이와 크기가 다른 제품의 검사 용도에 가장 효과적입니다. 대상물의 시작과 끝이 명확하지 않거나 크기가 정해져 있지 않은 경우에 적합합니다.
예를 들어, 이른바 ‘웹’ 검사에서 롤 종이와 직물, 강재의 검사일 경우 라인 스캔 카메라가 첫 번째 선택지가 됩니다. 마찬가지로, 과일과 야채, 곡물 등 불규칙하게 늘어선 컨베이어 시스템과 숲과 농지를 상공에서 포착하는 항공사진 촬영에도 라인 스캔 카메라가 유력한 후보입니다. 라인 스캔 카메라는 1라인분의 화소를 반복하여 빠르게 캡처함으로 이동하는 물체를 스캔합니다.
프리즘(Prism) 라인 스캔 카메라 - 세 개의 분리된 라인 센서 구조
프리즘이 장착되어 단일 광학 평면에 정렬되어 세 개의 모든 센서가 동시에 타깃의 동일한 라인을 캡처할 수 있다.
카메라가 캡처하는 연속적인 ‘선형 이미지’는 캡처와 동시에 분석이 가능하고, 소프트웨어에 의해 라인을 순차적으로 재구축하여 분석용으로 큰 이미지를 생성하는 것도 가능합니다.
연속적으로 작동하기 때문에 라인 스캔 카메라의 수직 해상도는 실질적으로 무제한입니다. 영역 스캔 카메라에 비해 전체 해상도가 훨씬 높은 2차원 이미지를 비교적 쉽게 생성할 수 있습니다.
3 센서 CMOS RGB 컬러 라인 스캔 카메라 - JAI 고성능 산업용 카메라
JAI의 고급 제품에는 산업용 머신 비전 응용 프로그램을 위한 3 센서 R-G-B 컬러 라인 스캔 카메라 세트가 포함되어 있습니다. Sweep+ 시리즈의 일부인 이 카메라들은 연속 생산 흐름에서 라인 스캔 이미징을 위한 최고의 성능, 정밀도 및 다용성을 제공하는 최첨단 프리즘 기술을 갖추고 있습니다.
일반적인 용도로는 종이, 플라스틱, 필름, 섬유, 타일 및 목재에 대한 고속 웹 검사와 식품 가공 산업의 컬러 인쇄 검사가 포함됩니다.
3-CMOS 또는 3-CCD 센서는 빔 분할기 프리즘에 정밀하게 정렬되어 있으며, 3 선형(Trilinear) 컬러 카메라보다 높은 색 정밀도와 시간 경과에 따른 색 저하가 적은 솔루션을 제공합니다.
효율적인 제조 시설 및 신뢰성, 내구성을 갖춘 R-G-B 컬러 라인 스캔 카메라는 까다로운 머신 비전 응용 프로그램에 최고의 컬러 라인 스캔 화질을 제공하는 우수한 가격 및 성능으로 사용할 수 있습니다.
동일한 원리로 작동하는 RGB 카메라일지라도 그 종류는 매우 다양합니다. 따라서 산업 분야 및 사용 목적에 맞는 최적의 카메라를 선택하는 것이 중요하다고 할 수 있습니다. 고성능 산업용 머신 비전 카메라에 대해 더 알고 싶으시다면 JAI에 문의하여 제품 엔지니어와 상담해보세요!