머신 비전 기반 표면 스크래치 검출을 위한 조명 설계

산업 생산 현장에서는 제품의 표면 결함인 균열 및 스크래치 등이 자주 발생한다. 머신 비전 산업은 과거에 비해 표면 검사 기술에서 상당한 돌파구를 마련했으며, 제품 표면의 스크래치, 얼룩 등 결함을 검출하는 것은 더 이상 어려운 과제가 아니다.

금속, 유리, 휴대폰 스크린, 액정 패널 등 다양한 산업 분야의 표면 검사에 널리 적용되고 있다.

그러나 이러한 결함은 흔히 불규칙한 형태를 가지며, 깊이 대비가 낮고 제품 표면의 자연적인 질감 또는 패턴에 의해 쉽게 간섭을 받을 수 있습니다. 따라서 표면 긁힘 결함 검출은 올바른 조명, 카메라 해상도, 검사 대상 부품과 산업용 카메라 간의 상대적 위치, 복잡한 머신 비전 알고리즘에 매우 높은 요구사항을 갖습니다.

머신 비전 긁힘 검출의 기본 분석 과정은 두 단계로 나뉩니다: 첫째, 제품 표면에 긁힘이 있는지 확인합니다. 둘째, 분석한 이미지에서 긁힘이 존재함을 확인한 후 긁힘을 추출합니다.

ⅰ .  표면 긁힘은 일반적으로 크게 세 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다:

유형 1 긁힘: 눈으로 상대적으로 식별하기 쉬우며 주변 지역에 비해 뚜렷한 그레이스케일 변화를 보입니다. 낮은 임계값을 선택하여 결함 부위를 직접 표시할 수 있습니다.

유형 2 긁힘: 일부는 그레이스케일 값 변화가 덜 뚜렷합니다. 전체 이미지의 그레이스케일이 상대적으로 균일하며, 스크래치 영역이 작고(단지 몇 개의 픽셀에 불과함) 주변 이미지에 비해 그레이스케일이 약간 낮을 뿐이라서 구분하기가 매우 어렵습니다.

원본 이미지에 평균값 필터링을 적용하여 보다 부드러운 이미지를 얻을 수 있습니다. 그런 다음 원본 이미지에서 이를 뺍니다. 차이 값의 절댓값이 임계값보다 클 경우, 이를 대상으로 표시합니다. 모든 대상들을 표시한 후, 그들의 면적을 계산하고, 지나치게 작은 면적을 가진 대상들을 제거하고 나머지를 스크래치로 표시합니다.

유형 3 스크래치: 부분 간 그레이스케일 차이가 크며, 형태가 일반적으로 길고 좁습니다. 고정 임계값 분할을 이미지에 적용할 경우, 표시된 결함 부위가 실제 부위보다 작게 나타납니다.  

이러한 이미지의 스크래치는 길고 얇기 때문에 회색조 탐지에만 의존하면 결함의 확장된 부분을 놓칠 수 있습니다. 이러한 이미지의 경우, 특성에 따라 이중 임계값과 결함 형태 특성을 결합한 방법을 선택합니다.

산업 검사에서 이미지의 다양성으로 인해 각 유형의 이미지마다 처리 과정에서 다양한 방법을 분석하고 종합적으로 고려하여 원하는 효과를 달성해야 합니다.

일반적으로 스크래치 부분의 회색조 값은 주변 정상 영역보다 어둡습니다. 즉, 스크래치의 회색조 값이 더 작습니다. 또한 대부분 매끄러운 표면에 존재하므로 전체 이미지에서의 회색조 변화가 전반적으로 매우 균일하며 질감 특성이 부족합니다.

따라서 스크래치 탐지는 통계 기반 회색조 특성 또는 임계값 분할 방법을 사용하여 스크래치 부분을 표시하는 것이 일반적입니다.

추가적으로, 표면 스크래치 결함 탐지는 올바른 조명에 대한 요구 조건이 매우 높습니다.

ⅱ. 머신 비전 검사에서 일반적인 조명 방법은 다음 네 가지를 포함합니다:

동축 조명, 저각 조명, 백라이트, 고각 조명. 이 네 가지 조명 방법은 경질 스크래치 검출에는 효과적이지만, 소프트 스크래치와 같이 표면 요구 사항이 높은 제품의 경우에는 효과가 덜 뚜렷합니다.  

빅데이터 분석에 따르면 제품 표면 스크래치의 경우, 두 가지 주요 해결 방법으로 저각 및 고각 조명이 제안되고 있습니다.

(I) 저각 조명법

두 물체가 접촉하여 마찰이 발생할 때 표면 스크래치가 발생하기 쉬우며, 이는 스크래치가 방향성을 가진다는 의미입니다.

저각 조명의 효과를 고려할 때, 평행광 조명(스크래치와 평행하게 조사)을 사용하면 스크래치가 빛에 의해 흐려져 이미지에서의 효과가 덜 뚜렷해집니다.

만약 수직광 조명(스크래치에 수직으로 조사)을 사용하면, 스크래치가 빛에 의해 강조되어 이미지에서의 효과가 매우 뚜렷해집니다.  

위 분석을 바탕으로 우리는 8개의 막대형 광원을 사용하여 작업물을 시간 분할 방식으로 조사하고, 이에 따라 조명 설계 방안을 수립하였습니다.

링형 광원을 8채널로 분할하여 제어하고, 시간 분할 노출 방식으로 연속적으로 8번의 이미지를 촬영합니다. 최종적으로 소프트웨어는 알고리즘을 사용하여 모든 결함을 중첩시켜 작업물 표면의 스크래치 존재 여부를 높은 기준으로 검출합니다.

이러한 이미지 솔루션은 표면 검사 요구가 엄격한 고정밀 제품에 적합하지만, 작업 효율성이 중요한 제품에는 적합하지 않습니다.

(II) 고각법

경험적으로 코액셜 광원에서 나타나는 부드러운 스크래치의 경우, 광원의 작동 거리가 멀수록 효과가 더 뚜렷하게 나타납니다.

그러나 동일한 광원의 경우, 작업 거리가 더 멀어지면 발광 표면적이 작아지고 광원의 밝기도 감소하게 됩니다. 따라서 효과와 실용성을 동시에 잡는 것은 불가능합니다.

보통 ,작업자가 공장에서 제품 표면 정보를 시각적으로 검사할 때 형광등 조명을 사용합니다. 형광등의 빛이 거울 반사되어 눈에 들어옵니다.

거울 반사 특성을 가진 작업물의 경우, 빛의 반사 법칙에 기반하여 거울 반사 효과를 만드는 조명 방법을 채택합니다.

세심한 관찰자는 눈으로 검사하는 방법이 자주 형광등의 이미지를 제품에 투영한 후 제품을 흔들어 램프 그림자의 움직임을 제품 내부에서 확인하는 방식임을 알 수 있습니다.

이러한 방식을 통해 빛이 제품의 국부적인 영역을 조명하여 표면 정보를 반사하고, 사람의 눈으로 제품에 결함이 있는지 명확히 판단할 수 있으며 극히 미세한 결함도 쉽게 확인할 수 있습니다.

위의 내용은 표면 긁힘에 대한 기계 비전을 기반으로 한 조명 솔루션 제안입니다. 귀하의 프로젝트에 도움이 되길 바랍니다.