라인 스캔 이미징의 작동 원리
1964년 ‘Xerox(제록스)’라는 회사가 최초의 상업용 팩스 기계라고 생각하는 제품을 생산했다. 이 제품은 특허를 받았으며, ‘드럼 스캐너’ 또는 ‘회전 드럼 스캐너’로 알려진 일종의 사진 센서를 사용했다. 이 기술은 일반적으로 ‘Xerographic scanner’라고도 불렸다. 과거의 제로그래픽 드럼 스캐너와 현대의 라인 스캔 이미 징은 모두 이미지를 한 줄씩 캡처한다는 핵심 개념을 공유한다.
드럼 스캐너에서 광전도성 드럼이 균일하게 전하를 띄고, 문서에서 반사된 빛에 노출됐다. 이 노출 과정에서 드럼 표면에 정전기 잠상 이미지가 생성됐다. 그런 다음 이 잠상 이미지는 토너로 현상되어 전하가 있는 영역에 토너가 부착되었고, 이후 종이에 전사되어 최종 출력물이 만들어졌다. 이 기술은 이미지 스캐닝 및 인쇄의 중요한 진보를 의미하며, 한줄씩 캡처하는 원리를 계속 활용하는 현대의 많은 이미징 시스템의 기초를 마련했다.
그 후 50여 년 동안 극적으로 발전하여 오늘날까지 이르렀으며, 대부분의 사무실은 물론 많은 가정에서 LED 조명이 장착된 라인 스캐닝 복사기를 사용하고 있다.
▲ Xerox 660 데스크톱 복사기, 1966년(사진 출처 xeroxnostalgia.com)
▲ 사무용 스캐너는 일상적인 라인 스캐닝의 대표적인 예이다.
라인 스캔 카메라는 어떻게 작동하나?
현대의 라인 스캔 이미징에서 카메라나 센서는 물체가 움직일 때 이미지의 개별 라인을 캡처하여 순차적으로 완전한 이미지를 구축한다. 기술마다 메커니즘과 응용 분야는 다르지만 선형 방식으로 정보를 캡처한다는 기본 개념은 차이가 없다. 이러한 라인별 접근 방식은 고해상도 이미징을 가능하게 하며 시간이 지남에 따라 이미징 기술 혁신의 연속성을 반영하여 다양한 분야에 응용되고 있다.
라인 스캔 이미징은 머신 비전 분야의 특수 기술로, 전체 이미지를 한 번에 캡처하는 대신 한 번에 한 줄씩 이미지를 캡처 한다. 기존 디지털 카메라나 센서에서는 전체 장면의 스냅샷을 동시에 찍어서 완전한 이미지를 얻는다. 이를 영역 스캔이 라고 한다.
▲ Vieworks 라인 스캔 및 에어리어 스캔 카메라
▲ 단일 영역 스캔 캡처의 시각화: 전체 X축 및 Y 축 해상도
그러나 라인 스캔 이미징에서는 카메라나 센서가 장면을 따라 상대적으로 이동하면서 한 줄의 픽셀이 순차적으로 캡처된다. 그런 다음 이러한 픽셀 행을 서로 스티칭하여 완전한 이미지를 형성한다.
▲단일 라인 스캔 캡처의 시각화: Y축에서 단 1픽셀로 전체 X축 해상도 제공
라인 스캔 이미징의 작동 원리
라인 스캔 카메라의 두 가지 작동 원리는 한 번에 전체 이미지를 캡처하는 기존의 에어리어 스캔 카메라와는 달리 한 줄씩 이미지를 캡처하는 방식을 중심으로 이루어진다. 라인 스캔 카메라의 경우 카메라와 촬영 대상의 상호 작용 방식에 따라 이미지 획득에 대한 두 가지 기본 접근 방식이 있다.
1. 물체의 이동(컨베이어 원리): 이 방법에서는 이미징할 대상을 컨베이어 벨트나 유사한 메커니즘을 사용하여 고정된 라인 스캔 카메라를 지나 이동한다. 물체가 움직이면 카메라는 한 번에 한 줄의 픽셀을 캡처하여 이미지를 한 줄씩 쌓아간다. 이 접근 방식은 생산 라인에서 제품을 검사하거나 직물이나 종이와 같은 연속적인 소재를 스캔하는 등 물체를 쉽게 운반할 수 있는 시나리오에서 일반적으로 사용된다.
2. 카메라 움직임(스캐너 원리): 라인 스캔 카메라 자체를 고정된 물체를 따라 움직일 수도 있다. 이는 평판 스캐너가 문서를 가로질러 스캔 헤드를 움직여 이미지를 생성하는 방식과 유사하다. 카메라가 움직이면서 픽셀 라인을 캡처하고 이를 서로 연결하여 완전한 이미지를 만든다. 이 방식은 물체를 움직 이기 어렵거나 고정된 카메라 설정을 사용하여 큰 물체를 캡처할 때 적합하다.
이 두 가지 방법 모두 완전한 이미지를 만들기 위해 일련의 선을 캡처하는 과정을 거친다. 이 순차적인 프로세스를 통해 라인 스캔 카메라는 특히 움직이는 물체나 카메라 시야 각 보다 큰 물체를 처리할 때 더 높은 해상도와 더 나은 디테일로 이미지를 캡처할 수 있다. 정확한 이미지 재구성을 위해서는 두 접근 방식 모두에서 카메라의 라인 캡처와 물체의 움직임 간의 동기화가 중요하다. 타이밍이 일치하지 않으면 최종 이미지에 왜곡이나 아티팩트가 발생할 수 있다. 인코더를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.
인코더
인코더는 라인 속도를 측정하고 카메라에 연속 신호를 공급 하는 매우 중요한 장비이다. 인코더에는 로터리형과 리니어형의 두 가지 유형이 있다.
로터리 인코더: 로터리 인코더는 회전 운동을 펄스로 변환하여 회전당 최대 3만2000 펄스 범위를 제공하며 프로그래밍 가능한 변형으로 탁월한 유연성을 제공한다. 이 인코더는 라인 스캔 카메라 또는 이미지 획득 카드의 구성 설정을 통해 인코더 틱과 픽셀 간의 상관관계를 조정하여 특정 요구 사항에 맞게 연결을 미세 조정할 수 있다. 신호는 차동 또는 TTL/ HTL 신호를 통해 전달되므로 하드웨어 설정과 원활하게 통합할 수 있다.
리니어 인코더: 반면, 반면 리니어 인코더는 비접촉식 마그네틱 판독 헤드를 사용하여 펄스를 생성하고, 밀리미터 단위로 부착된 마그네틱 테이프를 활용하여 0.001mm의 미세한 움 직임도 감지할 수 있다. 일부 모델은 프로그래밍이 가능하여 단위 거리당 틱 횟수를 정의할 수 있어 정밀한 제어가 가능하다.
로터리 인코더와 마찬가지로 리니어 인코더도 차동 또는 TTL 신호를 통해 데이터를 전송하여 이미지 획득 카드 또는 라인 스캔 카메라의 인터페이스와 원활하게 정렬된다. 로터리든 리니어든 인코더 유형을 이해하면 정확하고 세밀한 머신 비전 애플리케이션을 위해 모션을 활용할 수 있다.
라인 스캔 이미징만의 독특한 장점
조명의 복잡성 감소: 라인 스캔 이미징의 가장 큰 매력 중 하나는 조명을 영역 스캔보다 훨씬 쉽게 얻을 수 있다는 것이다. 라인 스캔 이미징의 선형 캡처 특성은 전체 장면에 균일한 조명이 필요한 영역 스캔 카메라와 달리 작은 영역만 적절하게 조명하면 된다는 것을 의미한다.
높은 해상도: 라인 스캔 카메라는 이미지를 라인별로 캡처하기 때문에 매우 높은 해상도를 달성할 수 있다. 이는 미세한 텍스처, 작은 구성 요소 또는 복잡한 패턴을 검사하는 것과 같이 세부적이고 정확한 이미징이 필요한 애플리케이션에 이상적이다.
연속 검사: 라인 스캔 이미징은 직물, 종이 또는 금속과 같은 길거나 연속적인 재료를 검사하는 데 특히 적합하다. 카메라가 선을 하나씩 캡처하기 때문에 중단 없이 확장된 물체를 원활하게 검사할 수 있다.
원근 왜곡 없음: 라인 스캔 카메라의 해상도는 픽셀 한 줄로 구성되어 있기 때문에 원근 왜곡 없이 장면과 물체를 매우 정확 하게 표현한다. 영역 스캔 이미지에서는 센서가 장면보다 작기 때문에 일반적으로 고정된 각도에서 이미징할 때 폐색이 발생한다.
이로 인해 물체의 가장 가까운 특징이 가장 먼 특징 보다 크게 보일 수 있다. 라인 스캔 이미징을 사용하면 카메라가 물체를 지나갈 때 계속해서 새로운 이미지를 촬영하여 이어 붙인다. 이 프로세스는 에어리어 스캔 이미지에 존재하는 폐색을 방지하여 원근 왜곡을 제거한다.
원통형 물체의 언랩핑: 둥글거나 원통형 물체를 이미징할 때라인 스캔 카메라는 이미지를 캡처하는 동안 물체를 회전시켜 언랩핑할수 있다. 이를 통해 곡선 표면을 정확하고 왜곡되지 않게 검사할 수 있으며, 이는 곡선 제품의 라벨 검사 및 검증과 같은 응용 분야에서 잘 작동한다.
정밀 측정: 라인 스캔 이미징은 특히 교정된 설정과 결합할 때정확한 측정을 할 때 매우 좋다. 계측이나 품질 관리와 같이 정밀한 측정이 필요한 산업에서 널리 사용된다.
효율적인 데이터 전송: 프레임 그래버와 함께 사용할 경우 라인 스캔 카메라는 이미지 데이터를 라인별로 전송하는데, 이는 전체 프레임 데이터를 한 번에 전송하는 것보다 효율적일수 있다. 이는 고해상도 이미징 및 실시간 분석에 유리할 수있다.
객체 크기에 대한 민감도 감소: 물체가 시야 내에 들어와야 하는 에어리어 스캔 카메라와 달리, 라인 스캔 카메라는 카메라나 물체를 움직여 시야보다 더 큰 물체를 이미지화할 수 있다.
어떤 분야에서 탁월한 성능을 발휘하나?
라인 스캔 이미징은 이미지를 한 줄씩 캡처함으로써 기존 방법으로는 캡처하기 어려운 움직이는 물체의 고해상도 및 세부 이미지를 얻을 수 있다. 이를 통해 물체를 정밀하게 분석하고 결함을 식별하며 텍스처와 구조를 자세히 검사할 수 있다. 라인 스캔 이미징은 특히 움직이는 물체나 디테일한 질감의 고해상도 이미지를 캡처하는 것이 중요한 시나리오에 적합하다. 다음은 라인 스캔 이미징이 일반적으로 사용되는 몇 가지 상황이다.
웹 검사: 인쇄, 포장, 섬유 제조와 같은 산업에서는 라인 스캔 카메라를 사용하여 종이나 직물과 같은 연속적인 재료가 공정을 통과할 때 검사할 수 있다. 이를 통해 결함이나 결함이 발견되지 않도록 할 수 있다.
제약 제조: 제약 산업에서는 라인 스캔 이미징을 사용하여 생산 라인에서 알약 코팅, 라벨 및 기타 제품 세부 정보를 검사할 수 있다.
고해상도 이미징: 예술 작품, 역사 문서 또는 문화 유물을 스캔 하는 등 고해상도의 이미지가 필요한 애플리케이션의 경우, 라인 스캔 이미징은 세부적이고 정확한 결과를 제공할 수 있다.
재료 검사: 라인 스캔 이미징은 반도체나 전자 부품과 같은 재료의 미세한 결함이나 불일치를 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 라인 스캔 이미징은 전기 자동차(EV)에 사용되는 리튬 이온 배터리의 고해상도 스캔에 특히 유용하다는 것이 입증되고 있다.
자료제공 : clearview(www.clearview-imaging.com)
