KR101483510B1 - 머신비젼시스템용 광원장치 및 그 동작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은 머신비젼시스템용 광원장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 특히 영상처리 및 분석을 통해 획득된 영상 데이터를 이용하여 제조공정 및 생산공정을 제어하는 머신비젼시스템에 적용되는 광원장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
본 발명의 머신비젼시스템용 광원장치는, 교류전압을 입력받아 정전압으로 변환시키는 전원부; 기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 발생시키는 주파수 발생부; 상기 전원부에서 변환된 정전압을 증폭하여 상기 주파수 발생부에서 발생한 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터; 상기 특정한 주파수의 상기 변환된 교류전압으로 발광하는 램프; 및 상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 주파수 계수기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
머신비젼시스템, 광원장치, 영상 데이터, 주파수, 램프

Description

머신비젼시스템용 광원장치 및 그 동작방법{Light source apparatus for machine vision system and working method thereof}
본 발명의 일 측면은 머신비젼시스템용 광원장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 특히 영상처리 및 분석을 통해 획득된 영상 데이터를 이용하여 제조공정 및 생산공정을 제어하는 머신비젼시스템에 적용되는 광원장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
머신비젼시스템을 구현하기 위해서는 이미지 처리, 컴퓨터 그래픽, 형상인식, 인공지능 및 신경망 등의 요소기술의 접목이 요구되며, 머신비젼시스템은 최근 영상처리기술의 비약적인 발전에 힘입어 산업전반에 걸쳐 급속히 응용되고 있는 추세이다. 이는 가시광선영역(380~760nm)을 벗어나서 육안으로는 분별이 불가능한 적외선 및 자외선 영역까지 분광특성을 이용한 인식처리를 행함으로써, 방송 미디어 분야를 포함하여 반도체 및 전기전자 분야, 자동차 분야, 의약품 분야, 농수산물 및 식품 분야 등의 형상 및 결함검사 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
국내에서도 머신비젼시스템을 자동차 안착불량, 농산물의 이물질 분리, 강판의 표면결함 등에 활용되고 있으며, 폐자동차의 슈레더 스크랩에 혼합되어 있는 폐모터 및 모터 와이어 등을 선별하는 분야에 관한 연구 등 머신비젼시스템의 활용분야는 확대되고 있는 추세이다.
머신비젼시스템의 성능은 대상물체를 인식하는 인식효율 및 생산공정의 처리효율에 의해 좌우되며, 특히 생산성을 향상시키기 위해서는 처리효율이 보다 중요한 인자로 작용된다. 그 이유는 인식성능이 아무리 높다고 하더라도 처리효율이 낮게 되면 생산성이 낮게 되어 처리비용이 높아져 경제성이 없게 된다. 머신비젼 시스템에 있어서 인식성능 및 생산공정의 처리효율을 더불어 향상시키기 위해 매우 중요한 인자는 광원으로서, 대상물체의 조도분포의 불균일이 인식능을 저하시키는 주요한 원인이 되고 있으며, 충분한 광량을 유지시켜야 함은 물론이다.
광원으로 사용 가능한 램프는 할로겐 램프나 형광 램프 등이 있으며, 이 중 에서 할로겐 램프는 그 광량은 충분히 공급이 가능하나 발광상태가 적색계열이기 때문에 칼라인식 등 색도인식에는 부적합한 반면에, 형광램프는 백색계열의 빛이 발광되므로 머신비젼시스템용 광원으로 사용되고 있다.
그러나, 머신비젼시스템용 형광램프는 대부분 고가로 수입에 의존하고 있으며, 기존의 형광램프로는 생산성을 높이기 위해 고속으로 처리하는 경우, 광량의 불균일이 발생하여 인식효율이 크게 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면은 사용자가 지정한 임의의 주파수를 갖는 광원이 발광되도록 하여 공정처리속도를 크게 높이더라도 인식능이 저하되지 않고 생산공정처리를 효율적으로 가능하게 하는 비젼시스템용 광원장치 및 그 동작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 교류전압을 입력받아 정전압으로 변환시키는 전원부;기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 발생시키는 주파수 발생부; 상기 전원부에서 변환된 정전압을 증폭하여 상기 주파수 발생부에서 발생한 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터; 상기 특정한 주파수의 상기 변환된 교류전압으로 발광하는 램프; 및 상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 주파수 계수기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 주파수 계수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 특정한 주파수 및 정전압에 관한 정보를 디스플레이하는 오실로스코프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 특정한 주파수의 범위는 10~40kHz인 것 을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 특정한 주파수의 범위는 20~25kHz인 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 교류전압을 입력받아 정전압으로 변환시키는 단계;기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 발생시키는 단계; 상기 정전압을 증폭하여 상기 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는 단계; 상기 특정한 주파수의 상기 변환된 교류전압으로 발광하는 단계; 및 상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 처리에 의한 색도 인식기술을 제강공정 분야로 확장하여 제강공정 분야에서도 전기전자 및 광학기술을 접목시킬 수 있게 됨으로써, 제강의 전처리 공정뿐만 아니라 모든 공정에 첨단분야의 기술을 적극 활용할 수 있게 되어 관련기술로의 파급효과가 크다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자동차의 슈레더(shredder)에서 분리할 수 없는 폐 모터 등 Cu를 제거하는 리 싸이클링 분야, 슈레더 공장 및 전기로 업체 등에 적용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 스크랩(scrap) 색도 판별에 의한 Cu 자동검출 시스템에 적용하여 연속 제강공정에서 사용원료인 스크랩을 투입하기 전에 기계적으로 선별하여 분리작업을 거치게 함으로써 고품질의 용강 생산에 크게 기여 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 향후 고품질 무한 경쟁시대가 도래함에 따라 제강업계에서 고 청정강을 생산할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 인식성능 및 선별작업의 고속화에 따른 생산성 향상과 직결됨으로써 철강산업에 미치는 영향이 크다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 머신비젼시스템용 광원장치는 전원부(100), 주파수 발생부(200), 인버터(300), 램프(400), 주파수 계수기(500) 및 오실로스코프(600)를 포함할 수 있다.
전원부(100)는 교류 입력전압을 받아 정전압으로 변환시킨다. 전원부(100)로 사용되는 대표적인 장치는 SMPS(Switch Mode Power Supply)로서, 일 예로 교류 220V의 전압을 공급받아 직류 24V의 정전압을 출력한다.
주파수 발생부(200)는 기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 1kHz 단위로 발 생시켜 인버터(300)로 입력시키는데, 주파수 발생부(200)는 사용자가 선정한 주파수를 입력받는 주파수 입력기(210)와, 입력된 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(220)로 구성된다. 기 설정된 주파수의 범위는 머신비젼시스템에서 대상물체의 처리속도가 60~100MPM(meter/minutes)로 이루어지는 경우를 고려하여 10~40kHz로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 이유는, 처리속도가 100MPM에 가까울 경우에 주파수가 10kHz 이하이면 광량이 다소 감소하며, 40kHz 이상이면 주파수가 높아 회로구성 등의 제작이 어렵기 때문이다. 더 바람직하게는, 기 설정된 주파수의 범위는 20~25kHz로 한다.
인버터(300)는 전원부(100)에서 변환된 정전압을 증폭하여 주파수 발생부(200)에서 발생한 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는데, 일 예로 전원부(100)에서 출력된 직류 24V의 정전압을 증폭하여 교류 600V의 전압을 변환한다.
램프(400)는 주파수 발생부(200)에서 발생한 특정한 주파수의 인버터(300)에서 변환된 교류전압으로 발광하여 처리 대상물에 충분한 광량을 조사한다.
주파수 계수기(500)는 주파수 발생부(200)에서 발생한 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시한다.
오실로스코프(600)는 주파수 발생부(200)에서 발생한 특정한 주파수 및 정전압에 관한 정보를 디스플레이한다.
[실시예]
본 발명의 머신비젼시스템용 광원장치의 성능을 검증하기 위해 아래와 같은 광원장치를 제작하여 그 성능을 시험하였다.
1) 광원장치의 구성
가. 전원부
전원공급장치(Power Supply) : AC 220V±20V
나. 주파수 발생부
10KHz-40KHz(1kHz 단위)
다. 인버터
　 출력전압(Out Voltage) : 800VAC
라. 램프
일반 형광램프(20W)
마. 광원장치의 크기
400mm(W)×250mm(H)×300mm(D)
여기서, W : 폭, H : 높이, D : 직경
2) 성능시험
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치의 주파수에 따른 광량 및 소비전력의 그래프이다. 본 발명의 머신비젼용 광원장치를 전술한 사양에 따라 최적의 광원조건을 도출하기 위하여 도 2에서 주파수에 따른 광량 및 소 비전력의 변화패턴을 분석하였다.
주파수를 17kHz에서 40kHz로 변화시킴에 따라, 소비전력은 22kHz 부근에서 최소값을 보이면서 계속 증가하고 있다. 반면에, 광량(light intensity)은 주파수를 17kHz에서 40kHz로 변화시킴에 따라 높아졌다 낮아지는 패턴을 보이고 있다. 따라서, 광량 및 소비전력 측면에서 광원조건은 인버터의 주파수를 20~25kHz로 하여 광을 조사하는 것이 최적의 광원조건임을 알 수 있다. 즉, 최소의 광량으로 최대의 소비전력을 발생시킬 수 있기 때문이다.
또한, 광원장치의 성능을 검증하기 위하여 라인 스캔 카메라(line scan camera)로 콘베이어(conveyor)의 영상을 취득하여 분석하였다. 영상취득은 BASLER 라인 스캔 카메라(모델 : L104K)로 하였으며, LM(Linear Motion) 가이드를 사용하여 100~300mm까지 라인 스캔 카메라의 높이조절이 가능하도록 하였다. 이때, 프레임 그래버(frame grabber)는 i2s 카메라 링크(camera link) 방식의 매트릭스 비젼(matrix vision)의 mv GAMMA-CL(i2s 카메라 링크 방식)을 사용하였다.
실험은 바탕이 녹색계열의 콘베이어를 30MPM의 속도로 이동하게 한 상태에서 본 발명의 광원장치의 램프를 20kHz로 발광하게 하고, 콘베이어 상에 광원장치로 광을 조사하여 전술한 라인 스캔 카메라로 영상을 취득하여 광원의 특성을 분석하였다. 또한, 이와 별도로 본 발명과의 비교분석을 위하여 동일한 형광램프를 60Hz에서 220VAC 전원과 연결하여 전술한 동일한 시험조건(30MPM의 콘베이어 속도)에서 콘베이어의 영상을 취득하였다.
도 3은 라인 스캔 카메라로 캡쳐한 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치에 의한 이미지 중심부(1023 픽셀 라인)의 폭 방향으로 분포하는 RGB 데이터의 히스토그램이다. (a)는 기존 형광램프로 취득한 영상 이미지의 광 분포를 비교분석한 결과이고, (b)는 본 발명의 광원장치로 취득한 영상 이미지의 광 분포를 비교분석한 결과이다.
본 발명의 광원장치를 이용하여 취득한 이미지는 RGB 광 분포가 균일한 반면에 기존 형광램프의 이미지는 RGB 각각의 색 요소의 분포가 불균일하여 진폭의 고저가 크게 나타나고 있다. 특히, 녹색과 적색광의 산과 골의 고저가 어긋남으로써 RGB 분포곡선 하단에 나타낸 이미지에 적색 줄무늬가 나타나고 있음을 알 수 있다. 반면에, 본 발명의 광원장치로 취득한 이미지는 기존 형광램프의 이미지와는 달리 줄무늬가 나타나지 않았으므로 본 발명이 우수한 광원특성을 갖는다는 것을 입증하였으며, 이러한 광원특성의 양부는 머신비젼시스템의 색도 인식능에 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치의 주파수에 따른 광량 및 소비전력의 그래프이다.
도 3은 라인 스캔 카메라로 캡쳐한 본 발명의 일 실시예에 따른 머신비젼시스템용 광원장치에 의한 이미지 중심부(1023 픽셀 라인)의 폭 방향으로 분포하는 RGB 데이터의 히스토그램이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전원부 200 : 주파수 발생부
210 : 주파수 입력기 220 : 주파수 발생기
300 : 인버터 400 : 램프
500 : 주파수 계수기 600 : 오실로스코프

Claims (6)

  1. 교류전압을 입력받아 정전압으로 변환시키는 전원부;
    기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 발생시키는 주파수 발생부;
    상기 전원부에서 변환된 정전압을 증폭하여 상기 주파수 발생부에서 발생한 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터;
    상기 특정한 주파수의 상기 변환된 교류전압으로 발광하는 램프; 및
    상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 주파수 계수기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정한 주파수 및 정전압에 관한 정보를 디스플레이하는 오실로스코프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특정한 주파수의 범위는 10~40kHz인 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 특정한 주파수의 범위는 20~25kHz인 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치.
  6. 교류전압을 입력받아 정전압으로 변환시키는 단계;
    기 설정된 범위 내의 특정한 주파수를 발생시키는 단계;
    상기 정전압을 증폭하여 상기 특정한 주파수의 교류전압으로 변환하는 단계;
    상기 특정한 주파수의 상기 변환된 교류전압으로 발광하는 단계; 및
    상기 특정한 주파수의 값을 산출하여 디스플레이에 표시하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 머신비젼시스템용 광원장치의 동작방법.
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