머신비전 시스템 응용
머신비전 (Machine Vision) 에서 ‘검사 (inspection)’ 라는 용어는 매우 넓은 활용범위를 갖는다. 거의 대부분의 비전시스템이 일반적인 종류의 검사에서 사용된다. 그러면서 MV에 의해 서로 다른 검사작업이 서로 다른 정도의 성공성을 보장받으며 자동화된다.
1.표면 마무리 검사
머신비전시스템 (MVS) 은 기계부품의 마이크로인치 마무리 측정과 같은 표면마무리 측정이나 페인트된 표면의 긁힘찾기 작업과 같은 표면결함을 찾는 데 사용된다. 두 가지 중 표면결함 검사가 더 어렵다. 두 작업 모두 채광을 엄격히 통제해야 한다. 표면마무리 측정에도 물결무늬 (moire)·홀로그래픽·얼룩을 비롯해 광 푸리에 전송을 사용한 기술인 간섭 등 여러가지 기술이 활용된다.
이같은 제품을 이용한 표면결함 추적은 자동차 분야에서는 더욱 힘들다. 결함이 있을 만한 곳의 위치·크기·형태를 파악하기 쉽지 않기 때문에 시스템은 결함이 아닌 점을 표시하는 변수 이미지 안에서도 분석과 같이 일정한 작업을 계속해야 한다.
분석은 집중도가 높고 시간이 소요되는 작업이다. 채광은 두가지 작업에서 특히 중요하다. 제품들은 반사도가 높기 때문에 표면의 채광을 효과적으로 수행하기 어렵다. 결함 표시는 빛에 의해 반대로 변화하기도 한다. 점차적으로 광원을 줄여가는 것과 같은 채광의 미미한 변화로도 시스템을 못쓰게 되는 수가 있다. 굴곡이 있는 표면검사는 극단적인 문제가 발생할 수도 있다. 광원의 각도와 표면이 비교적 지속적으로 변화하기 때문에 조명의 변화는 타깃으로 삼은 물체의 전반에서 일어난다.
일부의 경우 3차원 물체의 명확한 화면을 만들기 위해 몇몇 카메라와 광원을 통합하는 경우가 있다. 흑백 화면의 민감성이 하드웨어를 위한 주요 요인이 되기도 한다. 따라서 8단계의 흑백수준을 갖고 있는 바이너리 시스템들은 민감한 표면 마무리에는 부적합할 수도 있다. 이처럼 모든 유용한 시스템이 유용한 작업을 수행하는 것은 아니다.
비전업체인 메다는 3차원 물결무늬 기술을 이용한 자동차 검사용 비접촉 광학시스템을 개발했다. 이 시스템은 긁힘·눌린자국 등 결점을 자동으로 발견해 제거해준다.
2. 물리적 결함 추적
비전시스템용 검사장비들의 사용이 쉬워진 만큼 물리적 결함의 추적도 쉬워졌다. 시스템을 이용해 조각을 잃어버렸는지, 라벨이 정확하게 병에 붙었는지, 스크류에서 실의 파편들이 깨끗하게 떨어져 나왔는지 등의 작용을 수행할 수 있다. 시스템은 이같은 결점을 살펴보도록 프로그램되기도 한다. 결국 검사의 성공여부는 조명의 일관성에 달려있다해도 과언이 아니다. 이같은 활용분야에 있어 가장 중요한 요인은 시간이다. 만약 결점을 찾아보기 위한 쉬운 방법이 존재한다고해도 비전시스템이 갖고 있는 시간은 작업을 수행하기에 너무 길지도 모른다.
3. 섬유제품의 검사
미국 조지아기술연구소에서는 섬유제작 검사과정을 자동화하기 위해 새로운 시스템을 도입했다. 최종적인 결과는 전체적인 제품 생산과정을 개선할 뿐 아니라 가구에서 의류에 이르기까지 수많은 최종재의 품질을 개선하기 위해서도 필요하다. 조지아연구소의 기술 시스템은 분당 1피트에 가까운 비율로 조사하며 움직이는 의류제품을 스캔하기 위해 소형카메라를 사용했다. 이 이미지는 컴퓨터에서 나타나는 데 이 때 컴퓨터는 제품의 불완전한 위치나 성질을 저장한다.
4. 색깔 검사
색깔을 파악하기 위해 비전시스템을 적용하는 것은 매우 중요하다. 특별한 화면은 대규모의 메모리를 필요로 한다. 또 분석시간 처리에 조응해야 한다. 더욱이 컬러 데이터를 부가하면 수많은 다른 기능이 늘면서 복잡성도 증가한다. 이 과정에서 오늘날 컬러 콘텐츠용 분석 대상으로 자리잡고 있는 제품은 물체의 형태나 구조에 대해 검토할 필요가 없다. 이처럼 분석은 섬유산업에 있어 중요한 활용범위 가운데 하나다. 실제로 색깔은 비전 연구자들이 직면한 중요한 이슈는 아니다. 흑백시스템이 오늘날 애플리케이션에서는 잘 작동된다. 컬러시스템은 표면완료 검사용을 제외하고는 명백한 이점을 제공하지 않는다.
컬러 검사는 그러나 컬러 복사라는 모조품 검사에 필요하다. 현재 세계 복사기시장의 70% 를 점유하고 있는 일본 캐논은 지폐용 모조구별 기능을 갖는 풀컬러 복사기를 공급중이다. 신제품은 모조를 구별하기 위한 두가지 기능을 갖는다. 우선 매번 복사할 때마다 보이지 않는 비밀 코드 인쇄기능이 필요하다. 이를 통해 당국에서는 진짜 기계를 알아볼 수 있다. 또 복사기는 현재 통용되는 화폐에 대한 액면금액 확대 인식기능을 갖게 한다. 이를 통해 복사된 결과물의 일부분이 자동으로 지워진다. 캐논은 패턴인식을 적용하지 않았다. 왜냐하면 이 기술은 과도한 메모리 용량을 필요로 하기 때문이다. 일본 후지제록스 역시 모조방지 기능을 갖는 컬러 복사기 제품을 내놓을 계획이다.
5. 인쇄회로기판 (PCB) 의 검사
PCB 검사는 업계의 중요 관심사다. 왜냐하면 PCB 는 인간이 명백한 신뢰성이나 적절한 방법을 갖고 수행할 수 있는 분야가 아니기 때문이다. PCB 검사는 세가지 중요한 범위가 있다. 회로에 있어 레이아웃과 라인의 폭에 대한 검사, 적절한 배열과 개별 칩의 위치, 놓여진 칩의 솔더부분과 통합 등이다. PCB 의 회로를 살필 수 있는 수많은 기계장치들이 상용화된다. 이 기계장치들은 라인폭이 올바른지 검사할 수 있고 또 어떤 금속선도 깨질 수 없도록 해준다. 이처럼 전자 패키징 기술이 보다 밀도높고 라인 미세성이 더해지면서 PCB 제품이 발달했고 PCB 검사 역시 보다 복잡해지고 있다. 가시 채광시스템은 전통적인 솔더 연결부분을 조사하는 데 문제점을 갖고 있다. 그리고 표면 마운트 기술은 복잡성이 증가하면서 실시간 PCB 검사용 X 선 시스템으로 이동한다.
X 선 기술은 복잡한 세부사항용 고해상도를 제공하게 되면서 위치·두께·밀도 등 솔더 기능에 대한 3차원 데이터를 수집한다. X 선의 투과성은 또 솔더링 접합부에 숨겨진 연결이나 공동 등과 같이 가능성 있는 결점을 조사한다. 더욱이 X 선 검사는 초음파나 자외선 이미지 등 다른 대체 센싱기술과 같이 덜 통제된 환경을 필요로 한다. 또 X 선은 가시광선 MVS 가 필요로 하는 것보다 덜 최적화된 환경을 필요로 한다.
6. 포토마스크 검사
잘못 제작된 포토마스크는 칩에서 막대한 결점을 만들어 낼 수 있다. 따라서 포토마스크 검사는 전자제조에 있어 매우 중요한 부분이다. 이 검사에는 라인 폭이나 또는 라인에 있지 말아야 할 공간검사 등이 포함된다. 포토마스크 검사는 마스크의 움직임을 통제하기 위한 X-Y 테이블 장비에서 행해진다. 그러나 이 기계는 매우 비싸다. 더욱이 조사 (照射) 중에 결점은 매우 작기 때문에 검사에는 매우 많은 시간이 소모된다. 그럼에도 불구하고 마이크론대 이하 시대의 도래로 이 기계는 검사작업용으로 한층 더 필요해졌다. 여기에 덧붙여 보다 처리속도가 뛰어난 컴퓨터도 필요해진다.
7. 반도체 제조
MVS 는 지속적인 제품라인과 같이 검사나 품질통제가 매우 빠르고 높은 해상도를 필요로 하는 경우 상당한 가치가 있다. 이같은 필요성은 전자산업에서 특히 돋보인다. 전자산업은 단일 공정내 검사나 포지션 통합회로용 고속 조립시스템을 제공하기 위해 정확한 포지셔닝 기능을 갖는 자동화된 광학 검사가 필요하다. 이 작업에는 웨이퍼 수준 검사나 다이싱 및 다이본딩 검사, 사전 공정 검사, PCB 조립 검사 등이 포함된다.
실제 위와 같은 작업에 있어 기계와 시스템의 공급은 특별한 활동이다. OEM 업체들은 특별분야 활용을 위해 자동화된 비전시스템을 개발하는 MVS 업체와 공동으로 작업한다. 예를 들어 코그넥스는 멀티칩 모듈 조립업체인 팔로마프로덕츠, 다이본딩 장비업체인 알파셈, 다이 검사업체인 지메이션 등과 공동으로 자동화된 비전시스템을 개발하고 있다.
8. 결점 존재/부재 확인
이는 아마 비전시스템 분야에서는 매우 단순하고 쉬운 분야다. 그러나 다른 공장자동화 부문에서는 매우 중요하다. 전형적인 예는 부품의 적절한 거리를 결정해야 할 때 레이저 기반의 레인지 센서를 사용하는 시스템이다. 과정이 무엇을 수행하든 센서는 로봇에 신호를 보낸다. 다른 카메라 기반의 비전시스템은 조립라인에 투입된 병의 알약의 존재와 같이 물체의 존재를 점검한다. 이같은 형태의 활용에는 일반적으로 분당 수백회의 점검을 수행하는 고속기능이 필요하다.
또 몰드 감시 시스템은 제조업체에 재료처리 기간동안 부품 움직임이나 몰드배열과 같은 수많은 변수를 검사하는 방법을 제공한다.
9. 로봇 유도
MV 는 로봇 제조업체들에 의해 비교적 느리게 채택되고 있다. 수많은 센서들이 로봇과의 통합에 사용된다. 그리고 가장 중요한 센서가 로봇 활용에 필요한 지침을 만들어준다. MV 는 일부 분야에서는 매우 유용성이 높다. 또 스폿 용접에서도 사용된다. 예를 들어 지속적인 패스 아크 용접은 이같은 분야의 환경을 제한하기 때문에 설치가 보다 어렵다. 고해상도를 갖는 3차원 레인지 센서는 비전 안내 아크 용접을 보다 잘 실행할 수 있게 만든다. PCB 에서 칩 배치나 작은 부품의 조립과 같은 과정은 MV 에서도 이점을 갖는다. 로봇 업체들은 비교적 조립분야에 주력하지 않는다. 미국의 로봇 업체인 어뎁트 테크놀로지는 소형 조립분야에서 MV 의 이용성을 시연해왔다. 궁극적으로 많은 로봇업체들이 비전으로부터 노하우를 이용하고 또 성공적으로 비전과 로보틱스를 통합하고 있다. 이같은 활용기술은 두가지 산업 모두에 적용된다.
10. 부품확인
어떤 창고에서 부품을 분류하고, 옮기고, 선택해 확인하는 작업은 매우 어렵다. 일반적으로 부품이 어떤 시스템에 대해 익숙하거나 관계없는 대상으로부터 떨어져 있다면 확인은 비교적 쉽다. 만일 부품이 기대치 않은 방법으로 존재한다면 정확한 확인은 보다 어려운 문제다. 위치가 회전되어 있다면 부품이 구별된다 하더라도 보다 복잡한 알고리듬이 필요하다. 나아가 극단적으로 복잡한 문제는 부품이 겹쳐있을 때 발생한다. 특히 부품의 형태와 크기가 다르면 더 어렵다. 2차원 흑백시스템이 3차원 제품으로 바뀌어가고 있어 진짜 3차원 시스템은 이같은 문제의 해결방법이 된다. 그러나 자동화 맥락에서 중요성은 의심된다. 왜냐하면 대부분의 부품은 질서를 띤 형태로 존재하지 않기 때문이다.
11. 생체인식
운송·금융·정부프로그램 등에서 보안시스템 및 과정에 대한 요구가 늘면서 생체확인 시스템은 빠르게 상용화되고 있다. 이 시스템에는 인간의 육체적·행동적 특징을 담보로 하는 개인확인 시스템이 있다. 생체인식에서 사용자들은 더 이상 부가적인 확인이나 특별한 기호를 사용하지 않는다. 오히려 그들의 신체를 중요한 확인원으로 삼는다. 업계에서는 생체인식 보안 시스템을 검사하는데 여기에는 재정서비스·사회서비스·여행·제조 등이 포함된다. 컴퓨터 산업 또한 이같은 보안접속용으로 연구되고 있다.
이상적으로 볼 때 비전 기반 생체인식 시스템은 안면·지문·사인·손 등 육체적 흔적을 이미징한다. 그리고 이를 데이터베이스에 저장한다. 이전 사용자들은 시스템에 접근하고자 할 때 이들을 쳐넣고 했다. 그러나 시스템은 이러한 특징들을 입력해 이미 저장된 이름과 매칭을 수행한다.
증가하는 보안 및 생체인식 시스템의 가능성에도 불구하고 특별한 지문시스템은 빠르게 논쟁의 대상이 되고 있다. 비판자들은 지문확인이 개인의 보호를 침해한다고 본다. 이들은 지문이 법적인 사회보장 기능을 해치고 있다고 주장한다. 이같은 의견에 동조하는 많은 사람들은 파일에 지문을 저장하는 행위가 보다 많은 검사를 해야 하기 때문에 상황을 개선하는 데 도움이 되지 않는다고 지적한다.
전자신문 2001년 12월 05일에 게재되었던 내용입니다.