머신 비전에서 프레임 그래버의 기능 및 응용

머신 비전 기술은 산업 생산 검사, 의료, 교통 등 다양한 분야에서 자동화와 지능화를 구현하는 데 널리 사용되고 있습니다. 전체 머신 비전 시스템은 크게 두 개의 모듈로 나눌 수 있습니다: 이미지 취득 및 이미지 처리. 프레임 그래버는 이미지 데이터 취득 부분과 처리 부분 사이의 인터페이스 역할을 하며, 핵심적인 역할을 수행합니다.

기계 비전 시스템에서 이미지 취득 부분은 주로 산업용 카메라, 산업용 렌즈 및 조명 시스템으로 구성되며, 이미지 처리 부분은 이미지 처리 소프트웨어를 통해 구현됩니다. 프레임 그래버는 산업용 카메라(영상 소스)와 컴퓨터(소프트웨어) 간의 인터페이스로 이해할 수 있습니다. 프레임 그래버를 통해 취득한 이미지들은 컴퓨터나 다른 프로세서로 공급되어 처리됩니다.

I. 프레임 그래버의 원리

먼저, 카메라와 광학 시스템이 '보는' 실제 세계의 특정 부분이 광학 신호로 작용합니다. 그런 다음 CCD 또는 CMOS 칩이 이 광학 신호를 전기 신호로 변환합니다. 카메라는 특정 형식 또는 프로토콜을 사용하여 영상 신호를 프레임 그래버로 출력합니다. 각 픽셀은 그레이 레벨 형식으로 빛의 세기를 독립적으로 표현합니다. 이러한 빛의 세기 값은 CCD 또는 CMOS 칩의 매트릭스에서 전달되어 메모리 내 매트릭스 데이터 구조에 저장되며, 프레임 그래버가 이러한 전달의 중개자 역할을 합니다.

II. 프레임 그래버의 일반적인 파라미터

1.  A/D 변환: 프레임 그래버는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있으며, 전체 머신 비전 시스템의 이미지 취득 작업에서 핵심적인 역할을 합니다. 머신 비전 시스템에서 프레임 그래버가 수행하는 이러한 아날로그-디지털 변환은 A/D 변환으로 불리며, 변환을 구현하는 해당 구성 요소는 A/D 컨버터라고 합니다.

2.  샘플링 속도: 샘플링 속도는 프레임 그래버가 이미지를 처리하는 속도와 능력을 반영합니다. 이미지 취득 과정에서 프레임 그래버의 샘플링 속도가 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.

3.  온보드 프레임 버퍼 (해상도): 이것은 그래버가 지원할 수 있는 최대 픽셀 배열을 결정하며, 해상도 성능, 즉 지원할 수 있는 최대 카메라 해상도를 반영합니다.

4.  전송 채널 수: 여러 카메라에서 동시에 이미지를 취득할 수 있는 그래버의 능력입니다. 실제 응용 분야에서는 때때로 여러 비전 시스템이 동시에 작동하여 일정한 생산 효율을 보장해야 할 경우가 있습니다. 따라서 시스템 작동의 요구를 충족시키기 위해 프레임 그래버는 여러 카메라의 아날로그-디지털 변환을 동시에 수행해야 합니다. 현재 시장에서 그래버의 일반적인 전송 채널 옵션에는 싱글채널, 듀얼채널, 쿼드채널 등이 포함됩니다.

III. 프레임 그래버의 분류

1.  입력 신호 유형 기준: 아날로그 프레임 그래버와 디지털 프레임 그래버. 흔히 언급되는 GIGE 카드와 USB 프레임 그래버는 디지털 프레임 그래버의 유형입니다.

2.  기능별: 순수히 이미지 취득 기능만을 갖춘 그래버와 이미지 처리 기능이 통합된 그래버. 이미지 처리 알고리즘의 지속적인 발전, 이미지 워크스테이션, GPU 기술 및 스마트 카메라의 발전에 따라 이미지 처리 기능이 통합된 그래버의 생존 공간은 점점 줄어들고 있으며, 그 이미지 처리 기능은 점점 단일화되고 있습니다.

Iv. 프레임 그래버 선택

프레임 그래버 선택 시 고려 요소:

1. 신호 인터페이스 유형: 카메라와 프레임 그래버의 동영상 신호 인터페이스(타입)는 일치해야 합니다: 아날로그 신호는 아날로그 프레임 그래버에 연결되고, 디지털 신호는 디지털 프레임 그래버에 연결됩니다. 아날로그 신호 인터페이스와 디지털 신호 인터페이스가 있습니다. 아날로그 신호 인터페이스에는 BNC, RCA(포노 커넥터), S-비디오가 포함됩니다. 디지털 신호 인터페이스에는 CameraLink, 기가비트 이더넷(GigE), CoaXPress(CXP), CLHS, USB 3.0 및 2.0 등이 포함됩니다.

2. 샘플링 프레임 속도: 그래버의 데이터 샘플링 주파수 ≥ 카메라의 데이터 출력 주파수. 그래버의 데이터 샘플링 주파수가 충족해야 하는 요구사항은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

아날로그 그래버의 경우: 포인트 주파수 ≥ 1.2 * R * FPS

디지털 그래버의 경우: 포인트 주파수 ≥ 카메라 포인트 주파수

참고: R은 카메라의 해상도, FPS는 카메라의 프레임 속도입니다.

3. 소프트웨어 개발 키트(SDK): 선택된 프레임 그래버는 안정적이고 간단하며 사용이 용이하고 강력한 휴대용 SDK를 가져야 합니다. 또한, 제품 라인은 업그레이드를 용이하게 하기 위해 잘 정립되어 있어야 합니다.