Vision Primer 한국내쇼날인스트루먼트 2009. 9
Presentation Agenda • • 최근 비전 시스템의 어플리케이션 영역 기본 이미징 파라미터 이해 디지털 카메라 선택 가이드 프레임 그래버 및 독립형 비전 시스템 가이드 영상 처리 소프트웨어 기능 비전 시스템의 복합 기능 사례 결론
비전 시스템 적용 영역 • • • 반도체 : 웨이퍼 검사 등 자동차 : 차선검출, 부품검사 등 의공학/생명공학 : 동공 추적, 세포 분석 등 전자 : 부품 검사 등 제조 : 바코드/OCR 등 국방 : 무인 자동차 등 항공 : 무인 항공기 등 로봇 : 로봇 조선 : 용접 로봇 등
최근 고속 비전 시스템의 영역 • 여러대의 카메라를 사용하는 검사 – 다각도에서 앵글을 잡아 물체의 검사 및 이미징이 가능 • I/O 집중 어플리케이션 – 다채널의 FPGA 디지털 I/O 라인과 광범위한 액츄에이터 연결 옵션 • 대용량의 이미지 사이즈가 필요한 검사 – 1 GB DDR 2 RAM • Gig. E Vision line-scan 어플리케이션 – Web inspection 및 회전축 상의 검사 대상체 이미징을 Real-Time 서포트 • 조금더 복잡하고 고속의 검사 – 고성능 멀티코어 프로세서 • 매우 위험하고 까다로운 산업 영역의 비전 어플리케이션 – Windows PC 도 충분히 안정적이지 않다고 판단
Target Applications v. High-speed sorting
Target Applications v. High-speed sorting v. Precision assembly verification
Target Applications v. High-speed sorting v. Precision assembly verification v. Thermal Imaging
Target Applications v. High-speed sorting v. Precision assembly verification v. Thermal Imaging v. Surface Inspection
Target Applications v. High-speed sorting v. Precision assembly verification v. Thermal Imaging v. Surface Inspection v. Packaging Inspection
Target Applications v. High-speed sorting v. Precision assembly verification v. Thermal Imaging v. Surface Inspection v. Packaging Inspection v. Web (직물, 종이, 테이프, 밴디 지, 포일) inspection
National Instruments Machine Vision • 다양한 산업분야에서 다양한 실험들을 위한 해결책 제시 • 여러분도 이제는 비전 전문가!
데모 비디오 • Compact Vision System Ball Bearing Sorting • High-speed inspection and sorting of pencils at more than 23 pencils per second (PCI-1422 digital frame Grabber, NI DAQ) • Camera Link PCIe-1430
Fundamental Parameters of an Imaging System
Focal Length • focal length = sensor size × working distance/FOV • Common lens focal lengths include 6 mm, 8 mm, 12. 5 mm, 25 mm, and 50 mm. [Short focal lengths (less than 12 mm) produces distortion] Scene Lens Sensor FOV Size Working Distance Focal length
Fundamental Parameters of an Imaging System
Image Quality
Resolution
Common Sensors • Sample sensor resolutions for given sensor sizes using a given FOV size Number of CCD Pixels FOV Sensor Resolution 640 x 480 768 x 572 1281 x 1072 2048 x 2048 4000 x 2624 60 mm 60 mm 0. 185 mm 0. 156 mm 0. 093 mm 0. 058 mm 0. 030 mm
Contrast
Depth of Field • Do. F can be improved by closing iris and using brighter lights • (참고) f-number – 렌즈의 초점거리를 구경(D) 로 나눈 값이다. (렌즈의 밝 기)
Resolution/Contrast
Camera Formats: Digital – Digitizer housed inside the camera – High image quality and pixel depth – Large image sizes and high frame rates Data Valid Data H Enable V Enable P CLK Video Signal Output Registers
Camera Selection 프레임 그래버 사용 카메라 제공 업체 최대 10 m 최대 5 m 제조사에따라 다른 특수드라이버 카메라구성파일요구 Base : 100~255 MB/s (3 bytes × 85 MHz) Medium : 510 MB/s Full : 680 MB/s (500 frames/s에서 1, 280 × 1, 024 이미지 수집 ) USB 2. 0 : 60 MB/s
Camera Selection 최대 5 m 최대 100 m 카메라 전원 별도필요 1394 -A data rates : 100, 200 and 400 Mbits/s (100 frames/s에서 640 × 480 8 -비트 흑백 수집) 1394 -B : From 800 to 3200 Mbits/s Up to 100 MB/s transfer rates per port
Digital Cameras: Standard and Nonstandard Interface Parallel Advantages High speed Easy to configure IEEE 1394 Simple cabling (Fire. Wire) Low cost High speed Uniform cables Standard interface High speed Standard interface Disadvantages Complex cabling No interface standards Slower data transfer rate 10 m cable length limit Non-determinism Limited bandwidth
Camera Formats Analog RS-170 Digital Frame Grabber Direct Connectivity Other CCIR Parallel Digital IEEE 1394 EVS PAL Camera Link Gig. E Vision CVS NTSC Nonstandard USB Smart Camera
NI Vision Product PC-based Vision System (PCI) Compact Vision Embedded Vision System PXI Vision System (PXI) System Smart Cameras Performance Stand-alone Vision Systems PC-based Vision Systems Size
NI Vision Platform Advantage PC-based Vision System PXI Vision System Embedded Vision System Compact Vision System Smart Cameras Stand-Alone Vision Systems PC-based Vision Systems Vision Builder for Automated Inspection (AI) Vision Development Module
비전 시스템 구성 시 고려할 요소 + 조명 + + 카메라 데이터 전송 인터페이스 + 프레임 그래버 또는 독립형 비전 시스템 어플리케이션 소프트웨어
비전 하드웨어 시스템 프레임 그래버 독립형 비전 시스템
NI Vision hardware – IEEE 1394 & Gig. E NI 8235, 8234, 8231 NI 8252 PCI-8254 R 설명 Giga Ethernet 인터페이 스 디바이스. Vision Acquisition 소프트웨어 포함 Fire. Wire 인터페이스 디바이스. Vision Acquisition 소프트웨 어 포함. 내장형 디지털 I/O가 장착된 Fire. Wire 인터페이스 디바이스. Vision Acquisition 소프트웨어 포함. 카메라 버스 Gigabit Ethernet(Gig. E) IEEE 1394 a, IEEE 1394 b PCI Express 및 PXI PCI PCI Express 지원 카 메라 Giga Ethernet 카메라 모든 DCAM 준수 Fire. Wire 카 메라 카메라 입력 4, 2, 1개 다이렉트 3개 다이렉트, 허브에 서 16개 2개 다이렉트, 허브에서 16개 디지털 I/O X X 29개의 TTL 및 절연 DIO 라인. 15개의 입력, 14개의 출력 RTSI X X O O 버스 PCIe-8255 R
NI Vision hardware – Camera Link PCI-1426 / PCIe-1427 NI 1428 NI PCIe-1429 NI PCIe-1430 설명 Base 카메라 링크 Base 및 Medium 카메라 링크 Base, Medium 및 Full 카메라 링크 듀얼 Base 카메라 링크 버스 PCI 또는 PXI PCI Express 비디오 입력 1 1 1 2 룩업 테이블 (Lookup table) 이진화만 (binary only) O 이진화만 (binary only) 프로그램 가 능한 함수 부분 이미지 수집, 전체 카메라 제어 부분 이미지 수집, 전체 카메라 제어 메모리 16/32 MB 16 MB – – 디지털 I/O 4 4 1, NI 카메라 링크 I/O 확 장 보드로 확장 가능 RTSI O O
Smart Camera Multiple sensors, starting with • Monochrome VGA CCD, 60 fps • Partial scan (½, ¼) and Binning Powerful processing Direct Drive Lighting Control • Power. PC 400/533 MHz • Strobe generation (5 V TTL, 24 V) • Current lighting controller Dual Gigabit Ethernet • I/O extension • Debugging Industrial I/O • Opto isolated 2 -in & 2 -out • RS 232 • Encoder support
Compact Vision System Ethernet • 10/100 Base. T Serial port • RS-232 VGA video out • Real-time output • Overlays supported Industrial ruggedness • No fans or external vents • No moving parts • 0 – 55 C operating temperatures Easy connect digital I/O • 1 isolated input • 2 TTL pulse outputs IEEE 1394 ports • 3 Ports • 400 Mbps shared bandwidth Additional digital I/O • Product select lines • Pulse generators • Watchdog timer
Embedded Vision System Gigabit Ethernet Ports for Gig. E Vision Cameras IEEE 1394 b Bilingual Por for IEEE 1394 a and b cameras Ethernet cable Ethernet Switches IEEE 1394 cable Camera Connectivity Wide range of supported sensors: color, line-scan, infrared, high resolution, high frame rate
비전 소프트웨어를 이용한 머신 비전 기술
NI Machine Vision Software Machine Vision Application Vision Development Module Vision Builder AI (NI Vision, Vision Assistant) (NI Vision) Configure, benchmark, and deploy without programming Lab. VIEW Lab. Windows/ Lab. VIEW RT CVI NI-IMAQ Driver Software Measurement Studio Visual Basic, C/C++
Vision Development Module (VDM) 2009 • 64 bit support • Enhanced Geo Matching • . NET code generation in Vision Assistant
VDM 2009 Color Algorithm Color 영상 서포트 for - Edge Detection - Data Matrix / OCR - Enhanced Geometric Pattern Matching
Vision Acquisition Software (IMAQ & IMAQdx 드라이버) • USB 서포트 – IMAQdx officially supports acquisition from Direct. Show devices in Windows (includes cameras and scanners)
< Lab. VIEW 2009 및 IMAQdx 드라이버 > < USB 카메라 연결 데모 화면 > - MAX
다양한 IMAQ Vision의 기능들 • Calibration • Color matching • Color pattern matching • Line profiles • FFTs and correlation • Geometric transformations • Resampling and equalization • Arithmetic and logic operators
NI Vision Assistant • 비전 알고리즘 작성 툴 드롭다운 메뉴 이미지소스 프로세싱 창 프로세싱 메뉴 스크립트 Vision Assistant 작업 화면
NI Vision Assistant의 기능 소개 – Image: 원본 이미지의 기본적인 정보파악 – 히스토그램, 오버레이 등 – Color: 컬러이미지로 작업할 때 필요한 함수 제공 – 컬러 추출, Color Pattern Matching 등 – Grayscale: 흑백이미지로 작업할 때 필요한 함수 제공 – Threshold, 이미지 비트 변환 등 – Binary: 이진화된 이미지 변형에 필요한 함수 제공 – 기본 변형, 고급 변형 등 – Machine Vision: 측정이나 Matching 관련 함수 제공 – Edge Detection, Pattern Matching 등 – Identification: 문자인식이나 바코드 인식 함수 제공 – OCR 문자인식, 1 D, 2 D 바코드 인식
NI Vision Builder For Automated Inspection • 어플리케이션 구성 툴 드롭다운 메뉴 순서도 프로세싱 창 스크립트 프로세싱 메뉴
Vision Builder for Automated Inspection • 독립 어플리케이션 : 별도 코딩 불필요 • 빠른 개발 속도, 사용의 편의성 • 이미지 수집, 머신 비전 알고리즘, 문자 인 식, 바코드 인식 • 데이터로깅, 양불 판정, Lab. VIEW 코드 자 동 생성 • 시리얼 통신 및 디지털 입출력 • 리얼타임 타겟 하드웨어와 연동 • State Diagram을 이용해 보다 편리해진 진 행 경로 설정 VBAI 3. 0에 추가된 State Diagram 편집 기능
Vision Builder for AI의 기능 소개 – Acquire Images: 이미지 수집 방식 설정 - 카메라를 통한 이미지 수집, 저장된 이미지 불러오기 등 – Enhance images: 이미지 프로세싱 작업 – Threshold, Vision Assistant 작업 – Locate Features: 각종 위치 관련 설정 – 각종 Edge Detection, Set Coordination, Pattern Matching 등 – Measure Features: 각종 측정 관련 설정 – 명도 측정, 색도 측정 및 길이 측정 등 – Check for Presence: 각종 객체의 유무 확인 설정 – 객체의 개수 파악, Pattern의 유무 파악 등 – Identify Parts: 각종 문자 인식 관련 설정 – OCR 인식, Barcode 인식 등 – Communicate: 여러 통신 관련 설정 – Serial, TCP 등 – Additional Tools: 기타 설정 – Set Inspection Status, Data Logging
Vision Builder AI 추가 기능 • Image Modeling (모델링 시스템 변화) Original img Modeling Setting -환경 변화 Simulation 기능 조명, 렌즈 포커스, 시스템 변화, 카메라 위치, 물체의 움직임의 속도 조절 가능 -실제 시스템 셋업/ 각 환경 변화에 따른 이미지를 포토샵등의 프로그램을 통하여 수정할 필요 없음 Modeling img
Vision Builder AI – 추가된 알고리즘 • Color Support • New color classification setup – 예 : 볼트/너트 식별 프로그램 • Detect object: Particle Filter feature
이미지 보정 • 보정하는 방법 – 균일한 간격의 격자무늬를 대상 평면에 놓고 영상 수집 후 비교처리 원본 템플릿 촬영한 템플릿 영상
세트 코디네이션 • 측정 대상 제품이 화면에 임 의의 방향으로 나타나는 경 우 • 제품의 일부분을 기준으로 설정 • 제품의 방향이 일정치 않아 도 측정 대상 부분은 기준점 에 대해 일정한 위치에 존재 • Lab. VIEW로 프로그래밍
패턴 매칭 기술 • 패턴 매칭 수행 과정 템플릿과 일치하는 부분을 표시 템플릿을 지정 패턴 매칭
문자 인식 프로그래밍 기술 문자 영상 수집 글자 모양 인식(Character Set File 설 정) 문자 인식 “B 8 F 1 E 9”
바코드 인식 프로그래밍 기술 2차원 바코드 영상 수집 Code 값 반환
머신 비전과 어플리케이션 통합 모션 제어, 데이터 수집
머신 비전과 어플리케이션 통합의 필요성 • 검사 대상의 복잡화로 인한 테스트 항목의 다양화 • 시스템의 자동화로 검사 시간 단축 • 균일한 검사 방법으로 품질 향상 • 작업 조건 개선에 따른 업무 효율 개선 • 고객 요구에 능동적으로 대처 가능
통합 시스템 예 – 독립형 비젼 시스템 (Smart Camera) Lens Single Lab. VIEW Project NI Touch. Panel NI CVS Host PC Lighting Software Shared Variables Camera Fixture Operator Interface NI Smart Camera NI Compact. RIO Enclosure Direct I/O Power Supply Ethernet Expansion I/O c. FP 180 x Ethernet I/O
다기능 데이터 수집 처리 및 제어 예 – 지능형 임베디드 시스템 (Compact. RIO) AI Module Compact. RIO Industrial DIO Stepper or Servo Drive Interface Module Deterministic Ethernet AO Module Deterministic Ethernet NI 9144 expansion chassis for Compact. RIO Stepper or Servo Drive Interface Module
머신 비전과 모션의 긴밀한 통합 프레임 그래버 모션 컨트롤러 데이터 수집 보드 소프트웨어 카메라 및 기타 계측 장 비 모터 드라이브 모터 또는 스 테이지
결론 • 비전 시스템을 통한 영상의 획득 – 영상 파라미터, 사용자 환경에 적합한 카메라의 종류 선정 • 획득한 영상을 이용한 영상의 처리 – NI Vision 소프트웨어 (비 프로그래머, 프로그래머) • 처리된 영상을 이용한 통합 시스템과의 연동성 – PCI/PXI 기반 또는 독립형 비전 시스템의 지능형 임베디드 시스템/분산제어 시스템과의 통합 • NI Vision System을 통하여 사용자 환경에 적합한 시 스템의 구현 가능
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