KR101517554B1 - Control method for color lighting of vision system by conjugate gradient algorithm - Google Patents

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KR101517554B1 KR1020130133381A KR20130133381A KR101517554B1 KR 101517554 B1 KR101517554 B1 KR 101517554B1 KR 1020130133381 A KR1020130133381 A KR 1020130133381A KR 20130133381 A KR20130133381 A KR 20130133381A KR 101517554 B1 KR101517554 B1 KR 101517554B1
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Abstract

The present invention relates to a color lighting control method of a vision system using a conjugate gradient algorithm, and more specifically, to a method for automatically setting best optimal lighting conditions in the shortest time by analyzing a camera image in a gray level and applying a differential-based conjugate gradient algorithm to a spot, which has a maximum sharpness. According to an embodiment of the present invention, a color lighting control method of a vision system by using a conjugate gradient algorithm comprises the steps of: acquiring an inspection target image focused on a camera and converting the inspection target image to a gray level image; calculating a sharpness of the gray level image; defining the relationship between sharpness and a cost function by using the relationship between the sharpness and a drive voltage; a conjugate gradient calculation step of calculating a next drive voltage of the lighting by using a differential of the cost function and calculating a convergence coefficient required for the drive voltage calculation and calculating a calculation error; determining boundary conditions for the drive voltage; and repeating aforementioned processes until completion conditions are satisfied.

Description

공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법 {CONTROL METHOD FOR COLOR LIGHTING OF VISION SYSTEM BY CONJUGATE GRADIENT ALGORITHM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a color illumination control method for a vision system using a conjugate gradient algorithm,

본 발명은 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카메라 영상을 그레이 레벨에서 분석하여 최대 선명도(sharpness)를 갖는 지점을 미분에 기반한 공액구배(conjugate gradient) 알고리즘을 적용함으로써 최적 조명 조건을 최단 시간에 자동으로 설정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a color illumination control method of a vision system using a conjugate gradient algorithm, and more particularly, to a color illumination control method of a vision system by analyzing a camera image at a gray level to obtain a point having a maximum sharpness by a conjugate gradient algorithm To a method for automatically setting an optimum illumination condition in the shortest time.

일반적으로 비전시스템은, 사람의 시각에 의존하고 있던 검사 대상물 외관에 대한 각종 육안 검사를 자동으로 신속하고 정확하게 수행하기 위해 개발된 검사장비에 구비되어, 검사 대상물의 디지털 이미지를 촬영 수집하고 이를 양부 판단 기능을 가진 처리시스템에 전달하는 역할을 수행한다.Generally, a vision system is provided in an inspection apparatus developed for automatically and quickly performing various visual inspections on the appearance of an object to be inspected, which has relied on human vision, to take a digital image of an object to be inspected, Function to the processing system having the function.

이러한 비전시스템에는 검사 대상물에 소정의 조명을 비추는 조명장치와 상기 검사 대상물을 촬영하여 디지털 이미지를 생성하는 카메라가 구비되는데, 이 카메라는 고가의 컬러 카메라를 사용하지 않고 대부분 단색 카메라(모노크롬 카메라; monochrome camera)가 사용된다.The vision system includes an illuminating device for illuminating a predetermined object with illumination, and a camera for photographing the object to be inspected to generate a digital image. The camera includes a monochromatic camera (monochrome camera, camera) is used.

상기 조명장치는 소정의 단일색 조명을 적용하기도 하나, 최근에는 대한민국 공개특허 제2006-0027225호에 기재된 LCD용 외관 검사 장비와 같이 검사 대상물의 표면 결함 등을 더욱 효과적으로 판독하기 위해 제어 가능한 컬러조명을 적용한 비전시스템이 증가하고 있다.The illumination device may apply a predetermined single-color illumination. In recent years, however, it has been difficult to apply a controllable color illumination to more effectively read surface defects of an object to be inspected, such as an external appearance inspection device for LCD disclosed in Korean Patent Publication No. 2006-0027225 Vision systems are on the rise.

그런데 단색 카메라로 촬영된 단색 이미지의 품질과 컬러조명 조건은 그 상관관계가 모호하여 작업자가 일일이 수작업을 통해 최적의 컬러조명 조건을 찾아 설정해야 하는 실정이다.However, the quality of a monochromatic image photographed by a monochromatic camera and the color illumination condition are ambiguous, so that an operator has to manually find and set an optimal color illumination condition manually.

이러한 방식은 매우 번거로울 뿐만 아니라, 찾아낸 컬러조명 조건이 최적인지 여부를 작업자의 시각에 의존해 판단하므로 모호할 뿐만 아니라, 검사 대상물이 바뀔 때마다 이러한 번거로운 설정 작업을 다시 수행해야 하므로 불편한 문제점이 있다.This method is not only inconvenient but also troublesome because it is necessary to perform the troublesome setting operation again every time the object to be inspected is changed as it is determined depending on the viewpoint of the operator whether or not the found color illumination condition is optimum.

그리고 이 같은 불편함 때문에 여러 종의 검사 대상물을 검사해야하는 경우에는 검사 대상물 각각에 대해 별도의 비전시스템을 구비하기도 하여 검사 장비의 비용 증가의 원인이 되고 있다.In case of inspecting various kinds of inspection objects due to such inconvenience, a separate vision system is provided for each of the inspection objects, which causes an increase in the cost of the inspection equipment.

따라서 컬러조명을 적용한 비전시스템의 경우, 비전시스템을 통해 수집된 이미지를 통해 검사 대상물에 대한 양부 판단을 하는 처리시스템이, 단색 카메라로 촬영하여 얻어진 이미지를 판독하여 신속 정확하게 그 양부 판단을 수행할 수 있도록 이미지의 품질을 극대화할 수 있는 최적의 컬러조명 제어방법이 중요한 개발 과제라 할 수 있다.Therefore, in the case of a vision system using color illumination, a processing system that makes a judgment on the object to be inspected through the images collected through the vision system can read the image obtained by photographing with a single color camera, The most important problem is the optimal color lighting control method that maximizes the image quality.

비전시스템에서는 그레이 레벨(I:Grey Level)의 표준편차(σ)가 크면 촬영된 이미지가 전반에 걸쳐 서로 다른 명암차이를 보이는 것을 의미하므로 최적의 이미지 획득에는 표준편차값이 큰 것이 바람직하다.In the vision system, if the standard deviation (σ) of the gray level (I) is large, it means that the photographed image shows different contrast differences over the whole, so that it is preferable that the standard deviation value is large for the optimum image acquisition.

한편, 그레이 레벨(I)은 조명의 전압(V)에 따라 변동되므로, 표준편차(σ) 즉 선명도도 조명의 전압(V)에 따라 변동되는 바, 최적의 이미지 획득을 위해서는 표준편차(σ)가 최대가 되는 전압값을 신속하게 검색하는 것이 요구된다.On the other hand, since the gray level I varies according to the voltage V of the illumination, the standard deviation? Or sharpness varies according to the voltage V of the illumination, It is required to quickly search for a voltage value at which the maximum value of the voltage value becomes maximum.

종래에는 단일 조명을 이용한 등간격 컬러조명 제어방법을 나타내는 도 1 에 도시된 바와 같이 전압값을 일정 크기만큼 계속 증가시키면서 일일이 변동된 각 전압값에 따른 표준편차(σ)를 전압값 범위에 대해 모두 측정한 다음, 그 중에서 가장 높은 표준편차(σ)값에 대응하는 전압값을 검색하는 방식이 사용되었다.Conventionally, as shown in FIG. 1, which shows a method for controlling an equally spaced color light using a single illumination, a standard deviation (?) According to each voltage value that is varied every time while continuously increasing a voltage value by a predetermined magnitude And then a voltage value corresponding to the highest standard deviation (?) Value among them is searched.

그러나 이러한 등간격 검색(equal search) 방식에서는 전압값의 모든 범위에 대해 일일이 측정 및 연산을 수행하여야 하므로 오랜 시간이 소요되며, 특히 컬러조명의 경우 조명이 여러 개로 이루어지므로 더 많은 시간이 소용되는 문제점이 존재하게 된다.However, in such an equal search method, it takes a long time to perform measurement and calculation for every range of the voltage value. In particular, in the case of color illumination, .

예를 들어 각 m 개의 조명에 대해 n 단계를 전압값을 조정하는 경우 최적의 전압값을 검색하기 위해서는 nm 번의 전압값 조정 및 연산을 반복하여야 한다.For example, to search an optimum voltage value when adjusting the voltage value of the n steps for each one trillion people of m n m It is necessary to repeat the adjustment of the voltage value and the calculation.

따라서 RGB 3개의 광원에 대하여 0.05V씩 0~5V를 조정한다고 가정하면 백만 번의 전압 조정을 통하여 최적 조건이 구해지므로 대단히 많은 시간을 요하게 되어 문제점이 더욱 심각하게 된다.Therefore, assuming that 0 to 5V is adjusted by 0.05V for each of the three RGB light sources, since the optimum condition is obtained through one million times of voltage adjustment, it takes a great deal of time and becomes more serious.

공개특허공보 제10-2006-0027225호(2006년03월27일)Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2006-0027225 (Mar. 27, 2006)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 카메라 영상을 그레이 레벨에서 분석하여 최대 선명도(sharpness)를 찾는 지점을 미분에 기반한 공액구배 알고리즘(conjugate gradient)을 이용함으로써 최적 조명 조건을 최단 시간에 찾을 수 있도록 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for analyzing a camera image at a gray level and finding a maximum sharpness by using a conjugate gradient based on a differential, And a method of controlling color illumination of a vision system using a conjugate gradient algorithm.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법은, 서로 다른 파장을 가지는 복수의 조명을 구비하는 비전시스템에서 최적의 이미지 획득을 위한 조명의 구동 전압을 찾는 비전시스템의 컬러조명 제어방법에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a color vision of a vision system using a conjugate gradient algorithm, the method comprising the steps of: A color lighting control method of a vision system for finding a driving voltage,

(a) 카메라에 입사된 검사 대상물 이미지로부터 디지털 이미지를 획득하여 그레이 레벨 이미지로 변환하는 단계;(a) acquiring a digital image from a scanned object image incident on a camera and converting the digital image into a gray level image;

(b) 상기 그레이 레벨 이미지의 선명도(σ)를 연산하는 단계;(b) calculating a sharpness (?) of the gray level image;

(c) 상기 선명도와 구동 전압 관계(σ=g(V))를 이용하여 -선명도(ρ)와 비용 함수(h(V)) 관계를 ρ=h(V)=-g(V)로 정의하는 단계;(c) Define the relationship between sharpness (ρ) and cost function (h (V)) as ρ = h (V) = - g (V) using the sharpness and drive voltage relation (σ = g ;

(d) 상기 조명의 다음 구동 전압(V(k+1))을 비용 함수의 미분을 이용해 계산하고, 상기 구동 전압(V(k+1)) 계산에 필요한 수렴 계수(αk)를 연산하며, 연산 오차(E)를 계산하는 공액구배 연산 단계;(d) calculating a next driving voltage V (k + 1) of the illumination using the derivative of the cost function and calculating a convergence coefficient? k necessary for calculating the driving voltage V (k + 1) , And a computation error (E);

(e) 상기 구동 전압(V(k+1))에 대한 경계조건을 판별하는 단계; 및(e) determining a boundary condition for the driving voltage V (k + 1) ; And

(f) 상기 (a)단계 내지 (e)단계를 종료 상수(ε)에 대하여 종료조건 │E│〈 ε을 만족할 때까지 반복하는 단계; 를 포함하여 구성된다.(f) repeating steps (a) through (e) until the end condition │E│ <ε is satisfied for the end constant ε; .

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 카메라 영상을 그레이 레벨에서 분석하여 최대 선명도를 찾는 지점을 미분에 기반한 공액구배 알고리즘을 이용함으로써 최적 조명 조건을 최단 시간에 찾을 수 있다.According to the solution of the above-mentioned problem, the optimal illumination condition can be found in the shortest time by analyzing the camera image at the gray level and using the derivative-based conjugate gradient algorithm to find the maximum sharpness.

이로 인해 제품에 대한 검사 속도가 비약적으로 개선되는 작용을 하게 됨으로써 제품검사에 소요되는 시간이 감소하여 공정수율이 개선되는 효과를 가지게 된다.As a result, the inspection speed of the product is dramatically improved, thereby reducing the time required for inspection of the product, thereby improving the process yield.

본 발명의 경우 특히 조명의 개수가 증가하는 경우에 더욱 신속하게 최적의 이미지 획득을 위한 전압값을 신속하게 검색하는 효과를 가지게 된다.The present invention has the effect of promptly searching for a voltage value for optimal image acquisition more quickly, especially when the number of illumination increases.

도 1은 종래기술에서 최적의 이미지 획득을 위한 컬러조명 제어방법을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러조명 제어방법을 구현할 수 있는 비전시스템을 예를 들어 설명하기 위한 RGB 조명 예제를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러조명 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 공액구배에 따른 검색 시간 단축 방법의 개념도이다.
도 5a 내지 도 5c는 샘플 이미지인 어두운 이미지 및 밝은 이미지를 본 발명에 의해 최적화된 이미지와 비교하여 나타낸 도면 대용 사진이다.
도 6은 샘플과 본 발명에 의해 최적화된 픽셀의 분포를 비교한 그래프이다.
1 is a diagram showing a color illumination control method for optimum image acquisition in the prior art.
FIG. 2 is a diagram illustrating an RGB illumination example to illustrate a vision system capable of implementing a color illumination control method of a vision system using a conjugate gradient algorithm according to the present invention.
3 is a flowchart illustrating a color lighting control method of a vision system using a conjugate gradient algorithm according to the present invention.
4 is a conceptual diagram of a search time reduction method according to the conjugate gradient of the present invention.
Figs. 5A to 5C are photographs showing a dark image and a bright image, which are sample images, in comparison with an image optimized by the present invention. Fig.
6 is a graph comparing the distribution of the pixels optimized by the sample and the present invention.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.It is to be noted that the same components of the drawings are denoted by the same reference numerals and symbols as possible even if they are shown in different drawings.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Also, when a part is referred to as "including " an element, it does not exclude other elements unless specifically stated otherwise.

도 2는 본 발명에 따른 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러조명 제어방법을 구현할 수 있는 비전시스템을 예를 들어 설명하기 위한 RGB 조명 예제를 도시하는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러조명 제어방법을 나타내는 순서도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating an RGB illumination example for explaining a vision system capable of implementing a color illumination control method of a vision system using a conjugate gradient algorithm according to the present invention. FIG. FIG. 4 is a flowchart illustrating a color lighting control method of a vision system using an algorithm.

도 2는 실제로는 임의의 개수의 광원을 가진 컬러 조명에도 적용할 수 있다.Fig. 2 is actually applicable to color illumination with any number of light sources.

비전시스템은 검사 대상물의 디지털 이미지를 촬영 수집하고 이를 양부 판단 기능을 가진 처리시스템에 전달하는 역할을 수행하는데, 크게 조명장치(100), 카메라(200) 및 제어시스템(300)으로 구분된다.The vision system collects a digital image of an object to be inspected, and transmits the digital image to a processing system having a function of determining the quality of the object. The vision system is divided into an illumination apparatus 100, a camera 200, and a control system 300.

상기 제어시스템(300)으로 PC와 프레임그래버(frame grabber)가 구비되어, 디지털 이미지 획득은 프레임그래버가 이미지 분석은 PC가 수행한다.The control system 300 is provided with a PC and a frame grabber, and digital image acquisition is performed by a frame grabber and image analysis is performed by a PC.

상기 조명장치(100)는 카메라(200)가 검사 대상물(10)의 이미지를 얻을 수 있도록 검사 대상물(10)에 광을 조사하는데, 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수의 조명부(110), 앰프(120), 광섬유(130), 믹서부(140) 및 연결부(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.The illumination apparatus 100 includes a plurality of illumination units 110 for irradiating the object to be inspected 10 with light having different wavelengths so that the camera 200 can obtain an image of the object to be inspected 10, An optical fiber 130, a mixer unit 140, and a connection unit 150.

본 발명이 적용되는 비전시스템은 복수의 조명부(110)가 빛의 삼원색인 빨간색(R), 녹색(G) 및 파란색(B)을 각각 방출하는 LED 조명기기로 구현되었으나, 그 구현 방식이 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 파장의 광을 조사하는 두 개의 LED 조명기기로 이루어질 수도 있고, 백색(W) 광을 조사하는 LED를 더 포함하여 네 개, 또는 RGBYW 등 n개의 다수의 발광원으로 LED 조명기기가 이루어질 수도 있다.The vision system to which the present invention is applied is implemented by an LED lighting device in which a plurality of illumination units 110 emit red (R), green (G), and blue (B) The LED lighting device may include two LED lighting devices for irradiating lights of different wavelengths. The LED lighting device may further include an LED for emitting white light, and may include four LED lighting devices such as LED lighting Equipment may be made.

앰프(120)는 조명부(110)에 대한 입력을 제어하는 제어시스템(300)과 복수의 조명부(110) 사이에 구비되어 제어시스템(300)의 신호를 증폭시키는 역할을 하며, 상기 광섬유(130)는 복수의 조명부(110)의 조사된 광 또는 믹서부(140)에서 합성된 광을 전달한다.The amplifier 120 is provided between the control system 300 for controlling the input to the illumination unit 110 and the plurality of illumination units 110 to amplify signals of the control system 300, The light emitted from the plurality of illumination units 110 or the light synthesized by the mixer unit 140 is transmitted.

믹서부(140)는 챔버 형태로 구비되어 복수의 조명부(110)에서 조사된 광이 모여 합성되는 장소이며, 연결부(150)는 믹서부(140)에서 합성된 광이 카메라(200)로 전달될 수 있도록 믹서부(140)와 카메라(200)로 연결되는 광섬유(130)를 연결한다.The mixer unit 140 is a chamber in which light emitted from the plurality of illumination units 110 is gathered and synthesized. The connection unit 150 transmits the light synthesized by the mixer unit 140 to the camera 200 The optical fiber 130 connected to the mixer 140 and the camera 200 is connected.

상기 카메라(200)는 단색(monochrome) 카메라로 구비되는 것이 일반적이다.The camera 200 is generally a monochrome camera.

그러나 상술한 바와 같은 조명장치(100)의 세부 구성은 일례로서 이와 달리 구현될 수 있음은 물론이다.However, it is needless to say that the detailed configuration of the illumination device 100 as described above can be implemented as an example.

각 조명부(110)에서 발생한 광은 광섬유(130)를 통하여 믹서부(140)로 전달되고, 믹서부(140)에서 섞인 광은 광섬유(130)를 통하여 동축 조명으로 검사 대상물(10) 예를 들어, 웨이퍼에 조사된다.The light generated in each illumination unit 110 is transmitted to the mixer unit 140 through the optical fiber 130 and the light mixed in the mixer unit 140 is transmitted through the optical fiber 130 to the object 10 , And the wafer is irradiated.

검사 대상물(10)에 반사된 반사광은 동축 조명을 통하여 카메라(200)로 입사된다.The reflected light reflected by the inspection object 10 is incident on the camera 200 through coaxial illumination.

상기 카메라(200)에 잡힌 이미지는 제어시스템(300)의 프레임그래버에 의하여 디지털 이미지로 변환되고, PC에 의하여 이미지를 분석한다.The image captured by the camera 200 is converted into a digital image by the frame grabber of the control system 300 and analyzed by the PC.

이를 위해 상기 제어시스템(300)에는 후술하는 수식에 의하여 연산하는 소프트웨어가 탑재되어 있으며, 컬러별 전압(예를 들어 VR, VB, VG)을 각각 0V~5V 범위(경계조건) 내에서 후술하는 공액구배 방법에 의하여 변화시키는 방식으로 선명도의 최대값을 서치하여 최적 조명 조건을 빠른 시간 내에 찾아낸다.
To this end, the control system 300 is equipped with software for calculating according to a formula described later. The voltage (for example, V R , V B , and V G ) The maximum value of the sharpness is searched in a manner of changing by the conjugate gradient method described later, and the optimum illumination condition is found in a short time.

전술한 바와 같이 제어시스템(300)은 카메라(200)에 조사된 검사 대상물(10) 이미지로부터 디지털 이미지를 획득하여(S30) 그레이 레벨 이미지로 변환한다(S32).
As described above, the control system 300 acquires a digital image from the image of the inspection object 10 irradiated to the camera 200 (S30) and converts it into a gray-level image (S32).

<조명 구동 전압과 선명도(sharpness)>&Lt; Illumination driving voltage and sharpness >

n개의 다른 광원을 가진 조명을 구동하는 전압을 V라고 가정하면 다음과 같이 정의할 수 있다.Assuming that the voltage driving the illumination with n different light sources is V, it can be defined as follows.

V=(V1, V2, …, Vn)T V = (V 1, V 2 , ..., V n) T

카메라(200)에 의해 촬영된 이미지에서 각 픽셀의 그레이 레벨 I(x,y)과 조명부(110)에 인가되는 조명 구동 전압(V)과는 다음과 같은 함수 관계가 성립된다.The following relationship is established between the gray level I (x, y) of each pixel and the illumination drive voltage V applied to the illumination unit 110 in the image taken by the camera 200. [

I(x,y) = f(V)I (x, y) = f (V)

디지털 이미지의 선명도를 나타내는 지수(척도)로서 표준편차(σ)가 존재하는 데(이하 선명도(σ)로 표기), 이는 이미지 내의 각 픽셀 I(x,y)를 이미지 전체에 대한 평가 수식 형태로 나타낼 수 있다.(Hereinafter referred to as sharpness ()) as an index (scale) showing the sharpness of the digital image, which is obtained by dividing each pixel I (x, y) in the image into an evaluation expression for the entire image .

즉, m×n 개의 픽셀로 이루어지는 디지털 이미지에서 그레이 레벨의 선명도(σ)는 표준편차, 엔트로피(entropy), 절대값 차이(absolute difference), 자동 보정(auto correlation) 중 어느 하나의 방식에 의해 구할 수 있다(S34).That is, the sharpness (σ) of the gray level in a digital image composed of m × n pixels can be obtained by any one of standard deviation, entropy, absolute difference, and auto correlation (S34).

먼저, 표준편차 방식을 통한 선명도(σ)는 아래의 수학식 1에 의해 구할 수 있다.First, the sharpness (?) Through the standard deviation method can be obtained by the following equation (1).

Figure 112013100632493-pat00001
Figure 112013100632493-pat00001

여기서 m은 이미지의 수평축 픽셀개수, n은 이미지의 수직축 픽셀개수, I(x,y)는 이미지에서 x,y 좌표에 해당하는 픽셀에서의 그레이 레벨치,

Figure 112013100632493-pat00002
는 이미지 전체의 그레이 레벨의 평균치이다.Where m is the number of horizontal axis pixels of the image, n is the number of pixels in the vertical axis of the image, I (x, y) is the gray level value in the pixel corresponding to the x,
Figure 112013100632493-pat00002
Is the average gray level of the entire image.

엔트로피 방식을 통한 선명도(σ)는 아래의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.The sharpness (?) Through the entropy method can be obtained by the following equation (2).

Figure 112013100632493-pat00003
Figure 112013100632493-pat00003

여기서 pi는 이미지 히스토그램상의 정규화(normalization)된 값, h(i)는 픽셀의 개수, HW는 이미지의 높이와 폭이다.Where p i is the normalized value on the image histogram, h (i) is the number of pixels, and HW is the height and width of the image.

절대값 차이 방식을 통한 선명도(σ)는 아래의 수학식 3과 수학식 4 중 어느 하나에 의해 구할 수 있다.The sharpness (?) Through the absolute difference method can be obtained by any one of the following equations (3) and (4).

Figure 112013100632493-pat00004
Figure 112013100632493-pat00004

Figure 112013100632493-pat00005
Figure 112013100632493-pat00005

자동 보정 방식을 통한 선명도(σ)는 아래의 수학식 5에 의해 구할 수 있다.The sharpness (?) Through the automatic correction method can be obtained by the following equation (5).

Figure 112013100632493-pat00006
Figure 112013100632493-pat00006

상술한 바와 같이 선명도(σ)는 조명의 구동 전압(V)과 관계가 있으므로 다음과 같은 관계로 기술할 수 있다.As described above, since the sharpness (?) Is related to the driving voltage (V) of the illumination, it can be described by the following relationship.

σ=g(V)? = g (V)

또는 비용 함수(cost function) h(V)를 다음과 같이 마이너스 선명도(ρ)로 정의할 수 있다.Alternatively, the cost function h (V) can be defined as a negative sharpness (rho) as follows.

ρ=h(V)=-g(V)ρ = h (V) = - g (V)

결국, 최적 조명은 ρ가 최소인 지점에 존재하므로 다음과 같은 함수의 최대값 혹은 최소값을 찾는 최적화 문제로 정의된다.As a result, optimal illumination is defined as an optimization problem that finds the maximum or minimum value of the following function, since ρ is located at the minimum point.

Figure 112013100632493-pat00007
Figure 112013100632493-pat00007

그런데 본 발명에서는 마이너스 선명도(ρ)를 사용하고, 그 이유는 다음과 같다.In the present invention, the negative sharpness (rho) is used for the following reason.

비전시스템에서 최적의 조명전압조건을 찾기 위해서는 그레이 레벨의 최대 선명도(σ)를 가지는 전압값을 찾게 되는데, 최적화 알고리즘들은 최소값을 찾는데 적합하도록 구성되어 있는 바, 최적화 알고리즘을 활용하기 위해 선명도(σ) 대신에 마이너스 선명도(ρ)가 더 적합하기 때문이다.
In order to find the optimal illumination voltage condition in the vision system, a voltage value having the maximum sharpness (σ) of the gray level is found. Since the optimization algorithms are configured to find the minimum value, the sharpness (σ) This is because the negative sharpness (rho) is more suitable.

<미분 연산><Differential operation>

상기 최적화 문제는 연산량이나 연산 시간을 최소화하는 것으로, 본 발명에서는 비용 함수(cost function)의 미분값

Figure 112013100632493-pat00008
을 사용하여 최소값을 찾는다.The optimization problem minimizes the amount of computation and the computation time. In the present invention, the differential value of the cost function
Figure 112013100632493-pat00008
To find the minimum value.

일반적으로 머신 비전에 대한 조명 제어에서는 디지털 연산을 수반하게 되므로 전미분이나 후미분 방법으로 미분값을 구할 수 있다.In general, illumination control for machine vision involves digital computation, so that the derivative values can be obtained by pre-differential or post-derivative methods.

이하에서 제시하는 공액구배 방법은 상기 선명도의 미분에 의하여 조명 입력(구동) 전압(V)을 조정함으로써 합성광을 만들고 선명도의 최대값을 빠르게 찾는다.
In the conjugate gradient method described below, the synthesized light is generated by adjusting the illumination input (driving) voltage (V) according to the differential of the sharpness, and the maximum value of the sharpness is quickly searched.

<공액구배 알고리즘><Conjugate gradient algorithm>

미분에 의해 다음 구동전압(V(k+1))을 계산하는 단계(S36)에 대해 설명하면 다음과 같다.(S36) of calculating the next drive voltage V (k + 1) by differential will be described as follows.

첫 번째 스텝에서 임의의 초기 전압을 V(0)이라 하고 최적화(공액구배) 알고리즘에 의해 계산된 다음 구동전압을 V(1)이라 하면 미분에 의해 다음 구동전압(V(1))은 다음과 같은 관계로 계산할 수 있다.If the initial voltage is V (0) in the first step and the next drive voltage calculated by the optimization (conjugate gradient) algorithm is V (1) , the next drive voltage V (1) The same relationship can be calculated.

Figure 112013100632493-pat00009
Figure 112013100632493-pat00009

여기서 α0은 수렴 계수, d(0)은 미분값, -∇(h)는 구배 미분값이다.Where α 0 is the convergence coefficient, d (0) is the derivative, and -∇ (h) is the derivative of the gradient.

두 번째 스텝에서 다음 구동전압(V(2))은 다음과 같은 관계로 계산할 수 있다.In the second step, the next driving voltage (V (2) ) can be calculated by the following relationship.

Figure 112013100632493-pat00010
Figure 112013100632493-pat00010

이런 스텝을 k번 반복하는 경우로 일반화하면 다음 구동전압(V(k+1))은 아래의 수학식 6으로 계산할 수 있다.If this step is repeated k times, the next drive voltage V (k + 1) can be calculated by the following equation (6).

Figure 112013100632493-pat00011
Figure 112013100632493-pat00011

<수렴 계수의 결정><Decision of convergence factor>

상기 수학식 6에서 αk는 수렴 계수로서 이론상으로는

Figure 112013100632493-pat00012
을 최소화하는 지점,
Figure 112013100632493-pat00013
에서 결정되나, αk를 구하기 위해 조명 장치를 구동해야 하는데, 반응 속도가 수십~수백ms이므로 이 이론 수식을 적용할 경우 조명 장치를 다수 구동해야 하므로 시간이 많이 소요된다.In Equation (6),? K is the convergence coefficient, which is theoretically
Figure 112013100632493-pat00012
To minimize the point,
Figure 112013100632493-pat00013
However, since the lighting system needs to be driven to obtain α k , the reaction speed is several tens to several hundreds of ms. Therefore, when the theoretical formula is applied, it takes a long time to operate a large number of lighting devices.

따라서, 본 발명에서는 수학식 7을 만족하는 이론 수식, 수학식 8 내지 수학식 11의 대안 수식 중 어느 하나로 αk를 계산한다.Therefore, in the present invention,? K is calculated by any one of the theoretical formulas satisfying the expression (7) and the alternative expressions (8) to (11).

Figure 112013100632493-pat00014
Figure 112013100632493-pat00014

Figure 112013100632493-pat00015
Figure 112013100632493-pat00015

여기서 η는 수렴 상수이다.Where η is a convergent constant.

Figure 112013100632493-pat00016
Figure 112013100632493-pat00016

여기서 τ는 벡터량 크기 제한 상수이다.Where τ is a vector quantity size limiting constant.

Figure 112013100632493-pat00017
Figure 112013100632493-pat00017

여기서 △E는 연산 오차 변화값이고, β는 또 다른 수렴 상수이다.Here,? E is a computation error change value, and? Is another convergence constant.

Figure 112013100632493-pat00018
Figure 112013100632493-pat00018

상기 수학식 10과 11에서 연산 오차 E는 다음과 같은 3개의 수식 중에 하나로 계산한다.In the above Equations 10 and 11, the calculation error E is calculated by one of the following three equations.

Figure 112013100632493-pat00019

Figure 112013100632493-pat00019

<경계조건 판별><Boundary condition discrimination>

다음 상기 공액구배 알고리즘에 의해 조정된 구동전압(V(k+1))이 경계 조건(boundary condition)을 만족하는지 여부, 즉 최대 전압값(예를 들어 Vmax: 5V)과 최소 전압값(예를 들어 Vmin: 0V) 사이에 있는지를 판별하여(S38), 그 최대 전압값과 그 최소 전압값을 벗어난 경우에 구동전압(V(k+1))을 무시하고 최대 전압값과 최소 전압값으로 한다.Then, whether or not the driving voltage V (k + 1) adjusted by the conjugate gradient algorithm satisfies a boundary condition, that is, the maximum voltage value (for example, V max : 5 V) example V min: to determine if the between 0V) ignores (S38), the maximum voltage value and the drive voltage (V (k + 1 if the outside of the minimum voltage value)) and the maximum voltage value and the minimum voltage value .

이를 판별 수식으로 나타내면 다음과 같다.This can be expressed as follows.

Figure 112013100632493-pat00020

Figure 112013100632493-pat00020

그리고 상기한 S30단계 내지 S38단계를 매우 작은 종료 상수 ε에 대하여 종료 조건

Figure 112013100632493-pat00021
을 만족할 때까지 반복하여 상기 종료 조건을 만족하지 못하는 경우(S40), 구동전압(V(k+1))으로 조정하여 조명부(110)에 공급한(S42) 후 상기 S30단계로 되돌아가 수행한다.
Then, the above-described steps S30 to S38 are repeated for an extremely small ending constant &lt; RTI ID = 0.0 &gt;
Figure 112013100632493-pat00021
(K + 1 ) and supplies the driving voltage V (k + 1) to the lighting unit 110 (S42), and then returns to the step S30 .

도 4는 본 발명의 공액구배에 따른 검색 시간 단축 방법의 개념도로서, 도 1의 종래 등간격 검색과 비교하여 연산량을 줄여 연산 시간을 단축할 수 있다.FIG. 4 is a conceptual diagram of a search time reduction method according to the conjugate gradient according to the present invention. The calculation time can be shortened by reducing the amount of computation as compared with the conventional uniform search of FIG.

실제 등간격 검색의 경우 RGB 3색 광원에 대해 0~5V 범위에서 0.1V 변화하였을 때 125,000회를 반복해야 하나 본 발명의 공액구배에 의하면, RGB 3색 광원에 대해 0~5V 범위에서 51회 반복하여 최적 조건 조명을 찾을 수 있다.In the case of the actual interval search, it is necessary to repeat 125,000 times in the range of 0 to 5 V for the RGB tri-color light source. However, according to the conjugate gradient of the present invention, the RGB three-color light source is repeated 51 times in the range of 0 to 5 V To find the optimum condition illumination.

이때 등간격 검색과 공액구배에 의한 최적 조건의 전압 차이는 0.019V로서 무시할 수 있는 노이즈 레벨이며, 색좌표 상에서 차이 (△u,△v)=(=0.0022, 0.0012) 정도로 낮다.
At this time, the voltage difference of the optimal condition by equidistant search and conjugate gradient is 0.019V, which is negligible noise level, and the difference (Δu, Δv) = (0.0022, 0.0012) on the color coordinate is low.

도 5a 내지 도 5c는 샘플 이미지인 어두운 이미지 및 밝은 이미지를 본 발명에 의해 최적화된 이미지와 비교하여 나타낸 도면 대용 사진이다. Figs. 5A to 5C are photographs showing a dark image and a bright image, which are sample images, in comparison with an image optimized by the present invention. Fig.

도 6은 샘플과 본 발명에 의해 최적화된 픽셀의 분포를 비교한 그래프이다.6 is a graph comparing the distribution of the pixels optimized by the sample and the present invention.

도 6에서 가로축은 그레이 레벨이고 세로축은 픽셀 수의 로그 간격이며, 저선명도(low intensity)와 고선명도(high intensity)는 본 발명에 따른 R, G, B 최적화와 비교되는 샘플의 예이다.In FIG. 6, the abscissa is gray level and the ordinate is the logarithmic interval of the number of pixels, and low intensity and high intensity are examples of samples compared with the R, G, B optimization according to the present invention.

샘플 이미지에 비하여 패턴과 배경의 구분이 명확하고, 픽셀 분포에 있어서 최적화된 광원하의 이미지가 샘플보다 비교적 고른 분포를 보임을 알 수 있다.It can be seen that the pattern and the background are clearly distinguished from the sample image, and the image under the light source optimized for the pixel distribution has a relatively even distribution than the sample.

또한, RGB 최적화 결과의 피크가 단일 광원보다 낮은 레벨에서 형성되며, 이는 배경과 패턴의 차이가 명확하게 되어 이미지가 선명해진다는 의미이다.
Also, the peak of the RGB optimization result is formed at a lower level than a single light source, which means that the difference between the background and the pattern becomes clear and the image becomes clear.

이상에서는 컬러조명 관련하여 RGB 3가지 합성광에 대해 설명하였지만, 임의의 개수의 광원을 가진 컬러조명을 대상으로 할 수도 있음은 물론이다.
In the above description, RGB three kinds of synthesized lights have been described in relation to color illumination, but it is needless to say that the present invention can also be applied to color lights having an arbitrary number of light sources.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. In addition, it is a matter of course that various modifications and variations are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention by anyone having ordinary skill in the art.

100 : 조명장치 110 : 조명부
120 : 앰프 130 : 광섬유
140 : 믹서부 150 : 연결부
200 : 카메라 210 : 반투명 거울
220 : 광학기구 300 : 제어시스템
10 : 검사 대상물
100: illumination device 110: illuminating part
120: amplifier 130: optical fiber
140: mixer section 150: connection section
200: camera 210: translucent mirror
220: optical instrument 300: control system
10: object to be inspected

Claims (10)

서로 다른 파장을 가지는 복수의 조명을 구비하는 비전시스템에서 최적의 이미지 획득을 위한 조명의 구동 전압을 찾는 비전시스템의 컬러조명 제어방법에 있어서,
(a) 카메라에 입사된 검사 대상물 이미지로부터 디지털 이미지를 획득하여 그레이 레벨 이미지로 변환하는 단계;
(b) 상기 그레이 레벨 이미지의 선명도(σ)를 연산하는 단계;
(c) 상기 선명도와 구동 전압 관계(σ=g(V))를 이용하여 -선명도(ρ)와 비용 함수(h(V)) 관계를 ρ=h(V)=-g(V)로 정의하는 단계;
(d) 상기 조명의 다음 구동 전압(V(k+1))을 비용 함수의 미분을 이용해 계산하고, 상기 구동 전압(V(k+1)) 계산에 필요한 수렴 계수(αk)를 연산하며, 연산 오차(E)를 계산하는 공액구배 연산 단계;
(e) 상기 구동 전압(V(k+1))에 대한 경계조건을 판별하는 단계; 및
(f) 상기 (a)단계 내지 (e)단계를 종료 상수(ε)에 대하여 종료조건 │E│〈 ε을 만족할 때까지 반복하는 단계; 를 포함하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
A method for controlling a color vision of a vision system for finding a driving voltage of an illumination for optimal image acquisition in a vision system having a plurality of lights having different wavelengths,
(a) acquiring a digital image from a scanned object image incident on a camera and converting the digital image into a gray level image;
(b) calculating a sharpness (?) of the gray level image;
(c) Define the relationship between sharpness (ρ) and cost function (h (V)) as ρ = h (V) = - g (V) using the sharpness and drive voltage relation (σ = g ;
(d) calculating a next driving voltage V (k + 1) of the illumination using the derivative of the cost function and calculating a convergence coefficient? k necessary for calculating the driving voltage V (k + 1) , And a computation error (E);
(e) determining a boundary condition for the driving voltage V (k + 1) ; And
(f) repeating steps (a) through (e) until the end condition │E│ <ε is satisfied for the end constant ε; A method for controlling color illumination of a vision system using a conjugate gradient algorithm.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서 선명도(σ)는 표준편차 방식을 이용한 아래의 수식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00022

여기서 m은 이미지의 수평축 픽셀개수, n은 이미지의 수직축 픽셀개수, I(x,y)는 이미지에서 x,y 좌표에 해당하는 픽셀에서의 그레이 레벨치,
Figure 112013100632493-pat00023
는 이미지 전체의 그레이 레벨의 평균치이다.
The method according to claim 1,
Wherein the sharpness (?) In the step (b) is calculated by the following equation using a standard deviation method.
Figure 112013100632493-pat00022

Where m is the number of horizontal axis pixels of the image, n is the number of pixels in the vertical axis of the image, I (x, y) is the gray level value in the pixel corresponding to the x,
Figure 112013100632493-pat00023
Is the average gray level of the entire image.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서 선명도(σ)는 엔트로피(entropy) 방식을 이용한 아래의 수식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00024

여기서 pi는 이미지 히스토그램상의 정규화(normalization)된 값, h(i)는 픽셀의 개수, HW는 이미지의 높이와 폭이다.
The method according to claim 1,
Wherein the sharpness (?) In the step (b) is calculated by the following equation using an entropy method: a method for controlling a color vision of a vision system using a conjugate gradient algorithm;
Figure 112013100632493-pat00024

Where p i is the normalized value on the image histogram, h (i) is the number of pixels, and HW is the height and width of the image.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서 선명도(σ)는 절대값 차이(absolute difference) 방식을 이용한 아래의 두 수식 중 어느 하나에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00025

또는
Figure 112013100632493-pat00026
The method according to claim 1,
Wherein the sharpness? In the step (b) is calculated by any one of the following two equations using an absolute difference method.
Figure 112013100632493-pat00025

or
Figure 112013100632493-pat00026
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서 선명도(σ)는 자동 보정 방식을 이용한 아래의 수식에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00027
The method according to claim 1,
Wherein the sharpness (?) In the step (b) is calculated by the following equation using an automatic correction method.
Figure 112013100632493-pat00027
제1항에 있어서,
상기 (d)단계에서 다음 구동 전압(V(k+1))은 아래의 수식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00028

여기서 d(k)는 현재 미분값, c(k)는 ∇h(V(k)), ∇h는 구배 미분값이다.
The method according to claim 1,
Wherein the next driving voltage V (k + 1) is calculated by the following equation in the step (d).
Figure 112013100632493-pat00028

Where d (k) is the current derivative, c (k) is ∇h (V (k) ), and ∇h is the derivative of the gradient.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 (d)단계에서 수렴 계수(αk)는
Figure 112013100632493-pat00029
을 만족하는 이론 수식으로 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
7. The method according to claim 1 or 6,
The convergence factor (α k) in step (d)
Figure 112013100632493-pat00029
Of the color space of the vision system using the conjugate gradient algorithm.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 (d)단계에서 수렴 계수(αk)는 아래의 네 가지 수식 중 어느 하나에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00030

Figure 112013100632493-pat00031

Figure 112013100632493-pat00032

Figure 112013100632493-pat00033

여기서 η는 수렴 상수, τ는 벡터량 크기 제한 상수, β는 또 다른 수렴 상수이다.
7. The method according to claim 1 or 6,
Wherein the convergence coefficient? K in the step (d) is calculated by one of the following four equations.
Figure 112013100632493-pat00030

Figure 112013100632493-pat00031

Figure 112013100632493-pat00032

Figure 112013100632493-pat00033

Where η is a convergent constant, τ is a vector quantity size limiting constant, and β is another convergent constant.
제1항에 있어서,
상기 (d)단계에서 연산 오차(E)는 아래의 세 가지 수식 중 어느 하나에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00034
The method according to claim 1,
Wherein the calculation error (E) in the step (d) is calculated by one of the following three equations.
Figure 112013100632493-pat00034
제1항에 있어서,
상기 (e)단계를 아래의 수식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 공액구배 알고리즘을 이용한 비전시스템의 컬러 조명 제어방법.
Figure 112013100632493-pat00035
The method according to claim 1,
Wherein the step (e) is represented by the following equation: &lt; EMI ID = 17.0 &gt;
Figure 112013100632493-pat00035
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