머신 비전 애플리케이션을 위한 광각 렌즈 이미징의 왜곡 보정
작업에 적합한 렌즈만 있다면 오늘날의 비전 시스템은 많은 이점을 제공한다. 자율 이동 로봇(AMR), 쓰레기통 피킹, 스테레오 비전, 농업 모니터링과 같은 애플리케이션에는 모두 광각 렌즈가 필요하다. 최근까지 초광각 이미징에는 어안 렌즈(fisheye lens)만 사용할 수 있었다. 그러나 어안 렌즈는 배럴 왜곡이 심해 이미지 가장자리의 해상도에 영향을 미치기 때문에 궁극적으로 렌즈의 용도가 제한적이었다.
직선형 렌즈만이 초광각 시야를 제공하고 기존 광각 렌즈에 내재된 배럴 왜곡을 해상도 손실없이 보정할 수 있다. 이 기사는 기존 광각 렌즈를 사용하는데 따르는 과제를 제시하고 머신 비전 애플 리케이션에서 광각 광학의 실제 사용을 발전시키기 위한 기술 혁신에 대해 논의하기로 한다.
광각 렌즈 설계
3차원 세계를 2차원 평면에 표현할 때, 광각 렌즈를 설계하는데는 두 가지 일반적인 접근 방식이 있으며, 이는 서로 다른 광학 효과를 낸다.
1. 동일 각도 슬라이스: 각 픽셀은 동일한 각도를 받아 이미지에 배럴 왜곡이 발생한다. 이는 ‘어안(fisheye)’ 스타일 렌즈이다.
2. 동일한 평면 거리: 각 픽셀은 평면에서 동일한 거리를 이미지 화한다. 이는 직선 렌즈이다.
직선 렌즈는 실제 세계의 직선을 이미지 센서에서 직선으로 유지 한다. 이것의 한 가지 효과는 두 개의 평행선이 수평선에서 수렴하는 것처럼 보이는 린오버(lean-over 또는 keystoning) 현상이다. 이 두 선은 센서에서 직선으로 이미징되기 때문에 카메라에서 멀어질수록 키스톤 모양으로 수렴하는 것처럼 보인다. 이것은 마치 물체가 보는 사람으로부터 멀어지는 것처럼 보인다.
직선 렌즈가 탁월한 예외적인 경우는 결함을 검사하기 위해 LCD 화면을 촬영하는 것과 같이 선이 광학 축에 수직인 다른 평면에 있을 때이다. 이 경우, LCD 물체의 직선은 이미지 센서에 직선으로 촬영된다. 이미지 센서의 각 픽셀은 LCD 물체의 동일한 영역을 커버하고 이미지는 직선으로 나타난다. 같은 물체가 등각 어안 렌즈로 촬영된 경우, LCD의 가장자리는 곡선이고 압축된다. 직선 형과 달리, 이미지 가장자리에 있는 LCD 물체의 영역은 LCD 중앙에 있는 같은 크기의 영역보다 이미지 센서의 픽셀을 훨씬 적게 커버한다.
이 린오버 효과의 또 다른 눈에 띄는 특징은 직선 렌즈의 넓은 시야각 가장자리에 있는 물체에서 비롯된다. 평행선이 수렴하는 것처럼 보이기 때문에 이미지 가장자리에 있는 물체는 3D로 늘어나는 것처럼 보인다. 이미지 가장자리에 있는 물체가 렌즈의 접선 각도를 따라 평면으로 ‘평평하게’ 되어 있기 때문이다.
<그림1> 초광각 직선렌즈에서 3D로 늘어나는 것처럼 보이는 이미지
시야가 넓을수록 (직선 렌즈의 경우) 이 효과가 더 두드러진다. 직선 렌즈로 촬영한 <그림1> 이미지에서 두 차량의 폭은 동일하지만, B 차량이 훨씬 더 비스듬하게 보여서 늘어난 것처럼 보인 다. 두 자동차의 폭은 동일하다. 왜냐하면 두 자동차가 카메라에 수직인 동일한 평면에 있기 때문이다. 직선 렌즈는 이 평면 측정 값을 센서의 동일한 거리로 이미지화한다. 자동차의 길이는 센서 평면으로 평평하게 펴짐으로써 늘어난다.
이것의 추가적인 이점은 등각 렌즈에 비해 가장자리 해상도가 향상된다는 것이다. 이 해상도의 향상은 정확하고 동시적인 위치 파악과 매핑이 필요한 상황 인식 및 내비게이션 응용 프로그램에 필수적인 보다 정확한 물체 감지, 식별 및 위치 지정을 가능하게 한다.
광학 왜곡
어안 렌즈를 포함하여 화각이 80도 이상인 일반적인 광각 렌즈는잘 알려진 곡선형 배럴 왜곡 현상을 보인다. 이 왜곡 현상은 렌즈 이미지가 센서에서 동일한 각도 조각을 가지고 있기 때문에 발생 한다. 이로 인해 이미지가 압축되어 곡선처럼 보이고, 물체가 이미지 중심에서 멀어질수록 해상도가 감소한다(그림2 참조).
이미지 가장자리에 있는 물체는 압축되어 세부 정보가 손실된다. 정보는 렌즈를 통과하는 과정에서 손실되며, 소프트웨어 조작으로는 손실된 정보를 다시 복구할 수 없다.
<그림2> 압축은 이미지 중심에서 멀어질수록 객체의 폭을 줄여 해상도를 낮춘다.
배럴 왜곡은 소프트웨어를 사용하여 수정할 수 있지만(직선 렌즈 이미지 생성), 시간이나 처리 능력이 소모된다. 이러한 비용은 자율 이동 로봇(AMR)과 무인 차량(UV) 내비게이션과 같은 실시간 응용 프로그램에서 특히 중요하다.
반면에, 직선 렌즈는 지연이 없다는 장점이 있다. 즉, 보정이 필요하지 않으므로 초광각 이미지를 얻기 위해 시스템에 지연이 발생하지 않는다. 직선 렌즈에서는 소프트웨어 개입없이 렌즈 설계에서 광학적으로 배럴 왜곡이 보정된다.
<그림3> 직선 렌즈로 찍은 동일한 사진은 이미지의 가장자리로 갈수록 해상도가 높아 지는 것을 보여준다.
기술 혁신
Theia Technologies는 산업용 응용 분야에서 초광각 광학 렌즈를 사용할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 혁신적인 기술을 개발하고 상용화했다. Theia의 특허 받은 ‘Linear Optical Technology’는 직선형, 초광각, 왜곡이 거의 없는 렌즈를 가능하게 한다.
이 기술 플랫폼은 가시광선 및 NIR 보정 모델에서 다양한 이미지 센서 형식과 멀티 메가픽셀 해상도로 매우 낮은 배럴 왜곡과 최대 135도의 수평 시야각을 가진 렌즈를 제공하는데 사용되었다. 이 렌즈는 최소 작동 거리가 10cm에 불과하여 단거리, 협폭 검사 분야에서 넓은 범위를 커버할 수 있다. 이 렌즈는 최대 200lp/mm 분해능 성능을 제공하며 NIR 보정되어 435nm에서 940nm까지 동일한 분해능 성능을 제공한다.
응용 분야
초광각 왜곡 없는 렌즈의 이점을 누릴 수 있는 응용 분야는 많다. 머신 비전, 로봇 공학, 자동화 응용 분야에서 직선 렌즈는 다음과 같은 역할을 할 수 있다.
• 물체 위치 매핑을 지원하여, 자동화된 이동 로봇과 무인 차량의 실시간 내비게이션에 필수적인 상황 인식을 향상시킨다. 직선 렌즈 기술은 왜곡되지 않은 초광각 시야를 제공함으로써 차량이 장애물을 피하기 위해 물체의 위치를 더 정확하게 감지하고 계산할 수 있게 해 궁극적으로 더 안전하고 효율적인 내비게이션을 가능하게 한다.
• 색상, 모양, 크기, 바코드 등을 기반으로 물체를 식별하고 선택하는 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 애플리케이션에서 작업 표면의 사각지대 없이 로봇의 이펙터 끝에서 근접 초점과 넓은 커버리지를 가능하게 한다.
• 배럴 또는 어안 왜곡을 보정하는 데 필요한 지연이나 대기 시간 없이 실시간으로 물체를 추적할 수 있다. 작업 표면의 넓은 범위가 물체 위치 결정의 타이밍과 로봇 동작의 정확성을 향상시킨다.
• 다양한 유형의 포장 확인, 포장 손상 확인 등 가까운 거리에서 넓은 영역의 물품 측정 및 검사를 지원한다.
• 원격 지역의 파이프라인을 고해상도로 모니터링한다. 넓은 시야 각으로 여러 대의 카메라를 사용할 필요 없이 높은 수준의 인식 능력을 제공한다.
• 휴대용/이동식 설정을 이용한 사람의 움직임을 분석한다. 카메 라를 고객 환경에 맞게 설치할 수 있으며, 직선 렌즈를 사용하면 이미지를 연결하기 전에 이미지의 왜곡 보정을 할 필요가 없어 시스템을 빠르고 정확하게 보정할 수 있다.
고성능 광각 렌즈의 필요성
현대의 비전 시스템에는 넓은 영역의 고해상도 이미지를 실시간으로 표시할 수 있는 고성능 광각 렌즈가 필요하다. 어안 렌즈는 이미지를 압축하여 해상도를 잃고, 소프트웨어 이미지 보정이 필요한 배럴 왜곡 이미지를 생성하여 지연이 발생한다. 직선 렌즈는 소프 트웨어 및 관련 지연 없이 광학적으로 왜곡을 보정하고, 압축으로 인한 해상도 손실 없이 효율성을 높이는 솔루션이다.
자료제공: Theia Technologies(www.theiatech.com)
