2026-08-09
일부 머신 비전 엔지니어들은 USB 인터페이스를 가진 산업용 카메라가 프레임 손실을 유발한다고 생각하는 경우가 많습니다. 일반적으로 산업용 카메라의 프레임 손실은 USB, 1394, GigE, CameraLink 등 산업용 카메라에서 사용하는 전송 인터페이스와는 무관합니다. 프레임 손실의 실제 원인은 잘못 설계된 드라이버 또는 산업용 카메라 하드웨어입니다. 잘못 설계된 산업용 카메라에서 프레임 손실이 발생하는 이유는 데이터 채널이 막혀 제때 처리할 수 없기 때문입니다. 따라서 새로운 이미지가 들어오면 이전 이미지가 강제로 폐기되거나, 새로운 이미지가 강제로 폐기될 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 설계자는 드라이버와 산업용 카메라 하드웨어 간의 데이터 전송의 각 링크에 대해 정밀한 설계를 수행해야 합니다.
머신 비전 검사 기술에서 산업용 카메라의 입력 및 출력 인터페이스는 Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, 이더넷, USB3.0을 포함합니다.
첫 번째 단계는 올바른 렌즈를 선택하는 것입니다. 렌즈 선택은 다음 원칙을 따라야 합니다:
CCD 카메라를 선택할 때는 다음 측면을 고려해야 합니다:
동시에 CCD를 선택할 때는 1인치가 25.4mm가 아닌 16mm임을 유의해야 합니다.
1. 이미징 프로세스
CCD 및 CMOS 이미지 센서의 광전 변환 원리는 동일합니다. 두 가지의 주요 차이점은 신호 판독 프로세스가 다르다는 것입니다. CCD는 통합 판독을 위한 출력 노드가 하나(또는 몇 개)만 있기 때문에 신호 출력의 일관성이 매우 좋습니다. CMOS 칩에서는 각 픽셀에 자체 신호 증폭기가 있어 전하-전압 변환을 수행하며, 신호 출력의 일관성이 좋지 않습니다. 그러나 전체 이미지 신호를 판독하기 위해 CCD는 출력 증폭기의 더 넓은 신호 대역폭이 필요합니다. CMOS 칩에서는 각 픽셀의 증폭기 대역폭 요구 사항이 낮아 칩의 전력 소비가 크게 줄어듭니다. 이것이 CMOS 칩의 전력 소비가 CCD보다 낮은 주된 이유입니다. 전력 소비가 줄어들지만, 수백만 개의 증폭기의 불일치로 인해 고정 노이즈가 더 높아지는데, 이는 CMOS가 CCD에 비해 고유한 단점입니다.
2. 통합
제조 공정 관점에서 볼 때, CCD의 회로 및 장치는 반도체 단결정 재료 제조업체에 통합되며 공정이 비교적 복잡합니다. 전 세계적으로 DALSA, SONY, Panasonic 등과 같이 CCD 웨이퍼를 생산할 수 있는 제조업체는 몇 곳뿐입니다. CCD는 아날로그 전기 신호만 출력할 수 있으므로 후속 주소 디코더, 아날로그 변환기 및 이미지 신호 프로세서 처리가 필요합니다. 또한 다른 전압을 가진 세 세트의 전원 동기화 클록 제어 회로를 제공해야 하며, 통합 수준이 매우 낮습니다. CMOS는 금속 산화물이라는 단일 재료에 통합됩니다. 이 공정은 컴퓨터 칩 및 저장 장치와 같은 수만 개의 반도체 집적 회로를 생산하는 데 사용되는 공정과 동일합니다. 따라서 CMOS의 음향 필드 비용은 CCD보다 훨씬 낮습니다. 동시에 CMOS 칩은 이미지 신호 증폭기, 신호 판독 회로, A/D 변환 회로, 이미지 신호 프로세서 및 컨트롤러를 하나의 칩으로 통합할 수 있습니다. 칩 하나만으로 카메라의 모든 기본 기능을 실현할 수 있습니다. 통합 수준이 매우 높습니다. 이것이 칩 레벨 카메라라는 개념이 나온 이유입니다. CMOS 이미징 기술의 지속적인 발전으로 Micron, CMOSIS, Cypress 등 고품질 CMOS 이미징 칩을 제공할 수 있는 회사가 점점 더 많아지고 있습니다.
3. 속도
CCD는 감광 출력을 하나씩 사용하며 정해진 프로그램에 따라 출력할 수밖에 없어 속도가 느립니다. CMOS는 여러 개의 전하-전압 변환기와 행-열 스위치 제어를 가지고 있어 판독 속도가 훨씬 빠릅니다. 현재 500fps 이상의 대부분의 고속 카메라는 CMOS 카메라입니다. 또한 CMOS 주소 스트로브 스위치는 임의로 샘플링하여 서브 윈도우 출력을 실현할 수 있으며, 서브 윈도우 이미지만 출력할 때 더 높은 속도를 달성할 수 있습니다.
4. 노이즈
CCD 기술은 더 일찍 개발되었고 비교적 성숙합니다. PN 접합 또는 이산화규소(SiO2) 절연층을 사용하여 노이즈를 격리합니다. 이미징 품질은 CMOS 광전 센서에 비해 특정 이점이 있습니다. CMOS 이미지 센서의 높은 통합 수준으로 인해 구성 요소와 회로 간의 거리가 매우 가깝고 간섭이 심하며 노이즈가 이미지 품질에 큰 영향을 미칩니다.
최근 몇 년 동안 CMOS 회로 노이즈 감소 기술의 지속적인 발전으로 고밀도 고품질 CMOS 이미지 센서 생산에 좋은 조건을 제공했습니다.
해상도는 카메라의 가장 기본적인 매개변수입니다. 카메라에 사용된 칩의 해상도에 의해 결정됩니다. 칩의 타겟 표면에 배열된 픽셀 수를 의미합니다. 일반적으로 영역 스캔 카메라의 해상도는 두 개의 숫자로 표현됩니다: 수평 및 수직 해상도, 예를 들어: 1920(H) x 1080(V). 첫 번째 숫자는 각 행의 픽셀 수를 나타내며, 즉 총 1920개의 픽셀이 있고, 다음 숫자는 픽셀 행 수를 나타내며, 즉 1080개의 행입니다. 요즘 카메라의 해상도는 일반적으로 몇 K인지, 예를 들어 1K(1024), 2K(2048), 3K(4096) 등을 나타냅니다. 이미지를 획득할 때 카메라의 해상도는 이미지 품질에 큰 영향을 미칩니다. 동일한 넓은 시야각(풍경 범위)을 이미징할 때 해상도가 높을수록 세부 사항이 더 명확하게 표시됩니다.
카메라의 프레임 속도/라인 주파수는 카메라가 이미지를 수집하는 빈도를 나타냅니다. 일반적으로 영역 배열 카메라는 프레임 속도로 표현되며 단위는 fps(초당 프레임 수)입니다. 예를 들어, 30fps는 카메라가 1초에 최대 30프레임의 이미지를 수집할 수 있음을 의미합니다. 라인 배열 카메라는 일반적으로 KHz 단위의 라인 주파수를 사용합니다. 예를 들어, 12KHz는 카메라가 1초에 최대 12,000줄의 이미지 데이터를 수집할 수 있음을 의미합니다. 속도는 카메라의 중요한 매개변수입니다. 실제 응용 프로그램에서는 움직이는 물체를 이미징해야 하는 경우가 많습니다. 이미지를 선명하고 정확하게 촬영하려면 카메라의 속도가 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 카메라의 프레임 속도와 라인 속도는 먼저 칩의 프레임 속도와 라인 속도에 영향을 받습니다. 칩의 최대 설계 속도는 주로 칩이 견딜 수 있는 최고 클록에 의해 결정됩니다.
산업용 카메라의 노이즈는 이미징 과정에서 예상치 못한 신호이며 실제 이미징 대상 외부에 있는 신호를 의미합니다. 유럽 카메라 테스트 표준 EMVA1288에 따르면 카메라의 노이즈는 일반적으로 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 푸아송 분포를 따르는 유효 신호로 인한 통계적 변동 노이즈이며, 산탄 노이즈라고도 합니다. 이 종류의 노이즈는 모든 카메라에 동일하며 피할 수 없으며 특정 계산 공식이 있습니다. (즉: 노이즈의 제곱 = 신호의 평균). 두 번째 유형은 카메라 자체의 고유한 신호 독립적 노이즈입니다. 이미지 센서 판독 회로, 카메라 신호 처리 및 증폭 회로 등으로 인한 노이즈입니다. 각 카메라의 고유 노이즈는 다릅니다. 또한 디지털 카메라의 경우 비디오 신호의 아날로그 변환 시 양자화 노이즈가 발생합니다. 양자화 비트 수가 높을수록 노이즈가 낮아집니다.
카메라의 신호 대 잡음비는 이미지의 신호 대 노이즈 비율(유효 신호의 평균 회색 값과 노이즈의 제곱 평균근 비율)로 정의되며 이미지 품질을 나타냅니다. 이미지의 신호 대 잡음비가 높을수록 이미지 품질이 좋습니다.
카메라의 동적 범위는 카메라가 빛 신호를 감지하는 범위를 나타냅니다. 동적 범위는 두 가지 방법으로 정의할 수 있습니다. 하나는 광학 동적 범위로, 포화 상태에서의 최대 광도와 노이즈 출력에 해당하는 광도 비율을 의미하며, 이는 칩의 특성에 의해 결정됩니다. 다른 하나는 전자 동적 범위로, 포화 전압과 노이즈 전압 사이의 비율을 의미합니다. 고정된 카메라의 경우 동적 범위는 고정된 값이며 외부 조건의 변화에 따라 변하지 않습니다. 선형 응답 측면에서 카메라의 동적 범위는 포화 노출과 노이즈 등가 노출의 비율로 정의됩니다: 동적 범위 = 광감지 소자의 전체 용량/등가 노이즈 신호. 동적 범위는 배수, dB 또는 비트로 표현할 수 있습니다. 동적 범위가 크면 카메라가 다양한 광도에 더 잘 적응할 수 있습니다.
디지털 카메라에서 출력되는 디지털 신호, 즉 픽셀 회색 값은 특별한 비트 수를 가지며, 이를 픽셀 깊이라고 합니다. 흑백 카메라의 경우 값 범위는 일반적으로 8-16비트입니다. 픽셀 깊이는 어두운 것부터 밝은 것까지의 회색 수준 수를 정의합니다. 예를 들어, 8비트 카메라의 경우 0은 완전한 어둠을 나타내고 255는 완전한 밝음을 나타냅니다. 0에서 5 사이의 숫자는 특정 밝기 지표를 나타냅니다. 10비트 데이터는 1024개의 회색 수준을 가지고 있고 12비트 데이터는 4096개의 회색 수준을 가집니다. 각 응용 프로그램에 대해 매우 미세한 회색 수준이 필요한지 신중하게 고려해야 합니다. 8비트에서 10비트 또는 12비트로 업그레이드하면 측정 정확도를 향상시킬 수 있지만 시스템 속도가 느려지고 시스템 통합이 어려워집니다(케이블 증가 및 크기 증가). 따라서 신중하게 선택해야 합니다.
인터페이스는 카메라와 렌즈 간의 인터페이스를 의미합니다. 일반적으로 사용되는 렌즈 인터페이스에는 C-마운트, CS-마운트, F-마운트가 있습니다.
위 계산 결과에 따른 라인 배열 카메라 선택 예시는 다음과 같습니다:
예를 들어, 너비가 1600mm이고 정확도가 1mm이며 이동 속도가 22000mm/s인 경우, 카메라: 1600/1=1600 픽셀은 최소 2000 픽셀이어야 하며, 카메라는 2k로 선택됩니다. 1600/2048=0.8. 실제 정확도는 22000mm/0.8mm=27.5KHz입니다. 카메라는 2048 픽셀 28kHz 카메라로 선택해야 합니다.
스마트 산업용 카메라는 단순한 카메라가 아니라 고도로 통합된 마이크로 머신 비전 시스템입니다. 이미지 획득, 처리 및 통신 기능을 단일 카메라에 통합하여 다기능, 모듈식, 고도로 안정적이며 구현하기 쉬운 머신 비전 솔루션을 제공합니다. 지능형 산업용 카메라는 일반적으로 이미지 획득 장치, 이미지 처리 장치, 이미지 처리 소프트웨어, 네트워크 통신 장치 등으로 구성됩니다. 최신 DSP, FPGA 및 대용량 저장 기술의 적용으로 지능 수준이 지속적으로 향상되어 다양한 머신 비전 응용 프로그램 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
머신 비전에서 사용되는 두 가지 주요 광전 감지 칩 유형은 CCD 칩과 CMOS 칩입니다. CCD는 ChargeCoupled Device의 약자이고 CMOS는 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T
