머신 비전 시스템은 제조 공정에서 검사와 품질 관리를 자동화하는 데 필수적입니다. 이러한 시스템은 제품의 이미지를 캡처하고 분석하기 위해 정밀한 광학 설계에 의존하며, 정확성과 효율성을 보장합니다.

ImSym – Imaging System Simulator는 머신 비전 시스템을 설계, 시뮬레이션, 최적화할 수 있는 통합 플랫폼입니다. 전체 이미징 프로세스를 모델링함으로써, ImSym은 엔지니어가 잠재적인 문제를 식별하고, 다양한 구성을 테스트하며, 실제 프로토타입을 제작하기 전에 설계를 개선할 수 있도록 지원합니다.

이 글에서는 머신 비전의 기본 개념, 이러한 시스템을 모델링하는 과정, 그리고 ImSym을 활용하여 조립 라인 응용 분야의 광학 설계를 시뮬레이션하고 향상시키는 방법을 살펴보겠습니다.

Machine vision systems are essential for automating inspection and quality control processes in manufacturing

About Machine Vision

머신 비전에 대하여

머신 비전 시스템은 현대 제조업의 핵심 구성 요소로, 제품의 자동 검사, 측정, 분류를 가능하게 합니다. 이 시스템은 일반적으로 카메라, 렌즈 시스템, 조명 장치로 구성되며, 모두 함께 작동하여 조립 라인 위의 물체를 고품질 이미지로 캡처합니다.

캡처된 이미지는 알고리즘을 통해 처리되어 결함을 감지하거나, 치수를 측정하거나, 특정 특징을 식별합니다. 예를 들어, 나사를 생산하는 조립 라인에서는 머신 비전 시스템이 사람 검사자를 대체하여 카메라와 이미지 신호 처리 알고리즘을 사용해 나사의 품질을 검증할 수 있습니다.

머신 비전의 응용은 제조업을 넘어 확장됩니다. 재활용 센터에서의 소재 분류, 제약 생산에서의 품질 관리, 농업 공급망에서의 농산물 검사 등 다양한 산업에서 활용되고 있습니다. 이 시스템의 다재다능함은 여러 산업에서 없어서는 안 될 존재로 만듭니다.

효과적인 머신 비전 시스템을 설계할 때는 여러 난제가 따릅니다.

  • 고속으로 움직이는 물체로 인한 흐릿한 이미지: 획득 시간을 줄여 이 문제를 완화할 수 있습니다.
  • 부적절한 조명으로 인한 정반사: 광원 위치를 조정하여 해결할 수 있습니다.
  • 노이즈가 많은 이미지로 인한 감지 정확도 저하: 센서 설정을 조정하여 이미지 품질을 향상시킬 수 있습니다.
  • 감지를 복잡하게 만드는 물체의 무작위 위치 지정: 이미지 신호 처리(ISP)를 향상시켜 물체를 효과적으로 위치 시킬 수 있습니다.

How Do You Model a Machine Vision System?

머신 비전 시스템은 어떻게 모델링하는가?

머신 비전 시스템을 모델링하는 과정은 장면의 물체부터 최종 이미지에 이르기까지 전체 이미징 과정을 시뮬레이션하는 것을 포함합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

  • 장면 정의(Scene Definition): PCB나 제품이 움직이는 컨베이어 벨트와 같은 이미징 대상 또는 환경
  • 조명 설정(Lighting Setup): 광원의 종류, 위치, 세기 — 이는 이미지 품질과 특징의 가시성에 영향을 미칩니다.
  • 광학 시스템(Optical System): 렌즈와 센서 구성 — 빛을 어떻게 수집하고 이미지로 변환하는지를 결정합니다.
  • 이미지 신호 처리(ISP): 미가공 센서 데이터를 RGB나 그레이스케일 이미지로 처리하고, 결과 이미지에서 항목의 자동 판별을 수행하는 알고리즘

시스템의 가상 프로토타입을 생성함으로써, 엔지니어는 다양한 구성을 테스트하고 잠재적인 문제를 식별하며, 실제 프로토타입을 만들기 전에 성능을 최적화할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 시간과 비용을 절약하며, 설계 과정에서 중요한 단계가 됩니다.

Example of end-to-end model

End-to-end 모델의 예

Modeling the Optical System with ImSym

ImSym을 활용한 광학 시스템 모델링

Description of the Optical System

광학 시스템 상세 설명

ImSym은 광학 시스템을 설계하고 테스트할 수 있는 통합 시뮬레이션 환경을 제공합니다. 예를 들어, PCB 검사용 머신 비전 시스템에서 광학 시스템은 다음으로 구성됩니다:

  • 장면 객체 (Scene Object) — 예: 주변광 또는 추가 광원 아래에서 조명된 PCB
  • 렌즈 시스템 (Lens System) — 장면에서 센서로 집광
  • 센서 (Sensor) — 광을 전자 신호로 변환하여 후처리에 사용

ImSym은 CODE VLightTools와 매끄럽게 통합되어 정확한 방사선 시뮬레이션과 광학 모델링을 지원합니다. 엔지니어는 렌즈 설계를 가져오고, 센서 속성을 정의하며, 단일 플랫폼 내에서 전체 광학 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다.

Description of an optical system that is analyzing a PCB

PCB를 분석하는 광학 시스템에 대한 설명

Image Simulation

이미지 시뮬레이션

ImSym은 장면에서 센서까지 광선이 광학 시스템을 통과하는 경로를 시뮬레이션합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

  • 방사선 이미지 생성 (Radiometric Image Generation): 센서에서의 스펙트럼 복사 조도 분포 계산
  • 전자 변환 (Electronic Conversion): 센서에서 입사 광자를 디지털 값으로 변환하는 과정 시뮬레이션
  • 이미지 처리 (Image Processing): RGB 또는 그레이스케일 출력과 같은 최종 이미지를 생성하기 위해 기본 또는 사용자 정의 ISP 적용. 또한 검출 또는 판별 기능 수행

예를 들어, PCB 검사 시스템에서 ImSym은 주변광과 라이트 바가 PCB의 홀 가시성에 어떤 영향을 미치는지 시뮬레이션할 수 있습니다. 조명 각도나 센서 설정과 같은 파라미터를 조정함으로써, 엔지니어는 더 나은 감지 정확도를 위해 시스템을 최적화할 수 있습니다.

Constraints with Specular Reflection

정반사로 인한 제약

머신 비전 시스템에서 흔히 발생하는 문제 중 하나는 정반사입니다. 정반사는 빛이 반짝이는 표면에서 반사되어 센서를 포화시키는 현상으로 PCB의 홀과 같은 중요한 특징을 가릴 수 있습니다. 

ImSym은 이러한 효과를 시뮬레이션하고 다양한 해결책을 테스트할 수 있도록 합니다. 

  • 반사를 최소화하기 위해 광원의 위치나 종류를 조정
  • 고강도 광을 처리하기 위해 센서의 노출 설정을 변경
  • 가려진 특징을 고려할 수 있도록 감지 알고리즘 개선
Image results in ImSym from different angles of additive illumination lights

다양한 각도의 추가 조명에서 ImSym의 이미지 결과

예를 들어, 시뮬레이션 결과 특정 조명 각도가 PCB의 일부 홀을 가리는 정반사를 유발한다는 것이 드러날 수 있습니다. ImSym에서 대체 조명 설정을 테스트함으로써, 엔지니어는 값비싼 물리적 프로토타입 없이 최적 구성을 식별할 수 있습니다.

Conclusion

결론

ImSym은 머신 비전 시스템을 설계하고 최적화하기 위한 강력한 도구입니다. 가상 프로토타이핑을 통해, 엔지니어는 잠재적인 문제를 식별하고, 다양한 구성을 테스트하며, 실제 프로토타입 제작 전에 설계를 개선할 수 있습니다. 이는 개발 비용을 줄일 뿐만 아니라 제품 출시 속도도 가속화합니다.

조립 라인 자동화, 의료 영상, 기타 광학 응용 분야 중 어디에서 일하든, ImSym은 성공을 위한 도구를 제공합니다. CODE V 및 LightTools와의 통합은 정확한 시뮬레이션을 보장하며, 유연한 기능은 엔지니어링 팀 간 협업을 지원합니다.

ImSym의 실제 활용을 보고 싶다면 웨비나를 시청해보십시오. 실시간 데모와 상세한 설명이 포함되어 있습니다. 다음 단계로 나아갈 준비가 되셨나요? 지금 optics@synopsys.com 으로 문의하여 체험판을 요청하고 ImSym의 기능을 직접 경험해보십시오.