머신 비전 시스템의 통합을 향상시키는 지능형 렌즈 시스템
IQ 렌즈 시스템(IQ Lens System)은 Motorized 렌즈, 모터 제어 보드, 평균 보정 데이터, 그리고 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 를 갖춘 소프트웨어를 모듈화된 시스템으로 통합하여 구성하였다. 최근까지는 사용자가 자체적으로 모터 제어 소프트웨어를 개발해야 했다. 그러나 IQ 렌즈 시스템 소프트웨어 애플리케이션과 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 사용자는 연구 개발 노력과 비용을 절감할 수 있으며, 시장 출시 시간을 단축시킬 수있다.
IQ 렌즈 보정 데이터는 최적의 이미지 품질을 제공하고 간편한 이미지 시스템 설정을 가능하게 하는 지능을 제공한다. 컴팩트하고 가벼운 가변 초점 렌즈와 모터 제어 보드는 접근하기 어려운 곳이나 이동 환경에서 원격 조작을 지원한다. 이 요소들이 결합되어 이미징 시스템 기능을 편리하고 비용 효율적인 통합을 가능하게 한다.
<그림1> 로봇 응용 분야에 통합된 IQ 렌즈 시스템(이미지 제공: Staubli)
원격 액세스 및 제어
Motorized 렌즈와 모터 제어 보드는 다양한 머신 비전 응용 분야에 통합되도록 설계되었으며, 스테퍼 모터를 사용하여 렌즈의 줌, 초점, 조리개, 필터를 작동한다(그림1 참조). 이 렌즈는 접근하기 어려운 위치에서 카메라 설정과 설치를 간소화하여, 비용이 많이 드는 현장 보정 및 트래픽 중단을 방지한다.
이 렌즈는 매우 다재다능하여, 원격으로 줌과 초점을 조정할 수 있는 기능을 제공하며, 이는 가변 카메라 위치 또는 객체 거리 요구에 따라 이미징 시스템의 배치에 엄청난 유연성을 제공한다. 원격줌 및 초점 조정은 동적 환경과 자동화, 로봇 공학, ITS, ANPR 등의 애플리케이션에서 객체 해상도를 세밀하게 조정할 수 있게 해 준다. 이는 이동형 시스템 및 기타 응용 분야에서도 활용될 수 있다.
Motorized 렌즈는 또한 가시광선을 전송하여 정확한 색상 렌더링을 제공하거나 근적외선(NIR) 조명을 통해 감도를 개선할 수있다. 이러한 기능은 식음료 응용 분야에서 결함을 감지할 수 있게 하며, 고해상도 및 다중 스펙트럼 응용 분야에서 이미징을 가능하게 한다 (그림2 참조).
<그림2> Motorized 렌즈가 가시광선과 근적외선(NIR) 빛을 동일한 평면에 초점을 맞춘 모습으로, 음료수 검사 시뮬레이션에서 확인할 수 있다.
플러그 앤 플레이
최근까지는 Motorized 렌즈와 모터 제어 보드를 함께 사용할 때사용자가 원하는 엔지니어링 매개변수를 모터 단계로, 그리고 모터 단계를 렌즈 명령으로 변환하는 소프트웨어를 개발해야 했다. 그러나 Theia의 새로운 IQ 렌즈 시스템은 소프트웨어 SDK를 제공하여 이미징 시스템에 빠르고 쉽게 통합할 수 있게 한다. 많은 사용자가 시야각(Field of View), 심도(Depth of Field), 또는 피사체 거리(Object Distance)를 설정하고자 한다.
IQ 렌즈 시스템을 사용하면, 이러한 엔지니어링 단위가 직관적인 개념으로부터 자동으로 모터 단계로 변환된다. Theia의 렌즈 제어 라이브러리와 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 렌즈를 복잡한 외부 계산, 곡선 피팅, 보간 없이 제어할 수 있다. 사용자가 어떤 모터 단계가 FOV와 관련이 있는지 또는 어떤 조리개 단계가 F/#와 동일한지 찾을 필요 없이 렌즈를 제어할 수 있다.(그림3 참조).
<그림3> IQ 렌즈 제어 소프트웨어의 그래픽 사용자 인터페이스
새로운 IQ 렌즈 시스템에는 ‘MCR IQ 모터 제어 보드’와 소프트웨어 애플리케이션, GUI가 포함되어 있어 모터 단계를 기계 명령으로 변환하여 렌즈를 원하는 위치로 이동시킨다. 이 보드는 USB, UART, 또는 i2c 프로토콜을 통해 통신하여 통합의 유연성을 제공한다.
렌즈 인텔리전스
IQ 렌즈는 컴퓨터에서 읽을 수 있는 데이터 형식의 보정 데이터가 포함되어 있어 이미지 성능과 이미지 처리 속도를 향상시킬 수있다.
가변 초점 렌즈를 사용할 때, 초점 길이를 변경하면 이미지가 초점을 잃게 되며, 따라서 원하는 시야(Field of View)를 위한 최상의 초점을 설정하는 것은 반복적인 과정이다. Theia의 IQ 렌즈 보정 데이터는 평균적으로 측정된 줌/초점 추적 곡선을 포함하고 있어, 줌 위치를 변경하면서 렌즈를 초점에 맞추거나, 알려진 줌위치에서 초점을 설정할 수 있다. 이 줌/초점 곡선은 생산 중인 렌즈의 롤링 평균으로 최신 상태로 유지된다 (그림4 참조).
<그림4> 12-50mm 초점 길이 렌즈의 초점/줌 추적 곡선, 서로 다른 초점 길이의 초점/줌 모터 위치를 보여준다.
이 관계를 알면 사용자는 원격으로 초점과 줌 모터 위치를 프로그래밍하여 자율 이동 로봇(AMR), 검사 라인, 픽 앤 플레이스 환경, ITS의 교통 검지기 및 야외 감시 카메라와 같은 접근이 어려운 카메라에서 이미지를 최적화할 수 있다.
초점 길이와 줌 모터 스텝 위치의 관계를 알면 정확한 시야 설정이 가능하다. 원격 조작 및 픽 앤 플레이스 자동화 장비의 안내, 카메라 위치가 고정되지 않은 모바일 속도 카메라와 같은 응용 분야에서는 시야와 객체 거리가 변경되기 때문에, 초점 길이와 초점 조절 기능을 통해 카메라에서 객체까지의 거리에 맞게 이미지를 최적화할 수 있다.
IQ 렌즈는 조리개 크기, 기하학적 왜곡, 상대 조명 등 같은 계열의 렌즈에서 공통적인 설계 데이터를 포함하고 있어 이미지 처리 향상에 활용할 수 있다. 조리개 크기 설계 데이터는 제한된 조명 제어가 가능한 야외 응용 분야에서 조명을 제어하는 데 도움을 준다. ITS, ANPR, 농산물 항공 감시 모니터링 및 인프라 모니터링과 같은 응용 분야에서는 보다 정밀한 조리개 제어를 통해 DoF(Depth of Field)를 증가시킬 수 있다(그림5 참조).
<그림5> 전동 조리개 제어를 통해 사용자는 조리개 크기를 정밀하게 제어할 수 있으며, ANPR 응용 분야에서 유용하게 사용된다.
여러 초점 길이에 대한 기하학적 왜곡 설계 데이터는 위치 보정을 허용한다. 3D 매핑, 상황 인식, AMR의 내비게이션, 이미지 스티칭 및 왜곡 보정과 같은 객체 위치를 정확히 알아야 하는 이미징 응용 분야는 복잡한 왜곡 매핑 조명 그리드 장비 없이 설정할수 있다.
상대 조명 설계 데이터는 다양한 초점 길이와 F/# 설정에서 모서리 이미지의 밝기를 균일하게 조정할 수 있게 한다. 이는 빈 피킹, 품질 검사 응용 분야, 소매 및 기타 모니터링 환경 등 균일하게 노출된 장면이 필요한 응용 분야에 유용하다.
<그림6> 모듈형 IQ 렌즈 시스템은 높은 구성 가능성을 제공하며, 복잡한 이미징 시스템에 통합될 수 있다.
모듈형 설계
IQ 렌즈 시스템은 별도의 구성 요소를 갖춘 모듈식 설계로 하드웨어 인클로저 내에서 유연하게 구성할 수 있다(그림6 참조). Motorized 가변 초점 렌즈는 길이가 52mm 이하로 컴팩트하며, Theia의 모터 제어 보드는 크기가 25x60mm로 소형 인클로저에 맞추어 설계되어 있으며, 경량화되어 자율이동로봇(AMR)이나 무인 항공기(UAV)와 같은 이동성 또는 비인력 응용 분야에서 최적의 기동성을 제공한다.
자료제공: Theia Technologies(www.theiatech.com)
