KR101751681B1 - 이물질 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이물질 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 검사 대상을 촬상하는 카메라 모듈과, 촬상된 영상에 대해, 검출하고자 하는 이물질 크기에 대응하여 분할된 서브픽셀로부터 계산된 분배 밝기값을 결정하는 픽셀 밝기값 결정부와, 하나의 픽셀 밝기값을 기준으로 하여 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하고, 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀을 검사 대상으로 설정하는 검사 대상 설정부와, 검사 대상의 픽셀에 대해 검사를 실행하는 검사 실행부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 검출하고자 하는 픽셀 크기 이하의 이물질에 의해 생성된 픽셀 밝기값에 근거하여 검사 대상을 결정함으로써, 픽셀 크기 이하의 이물질을 검출할 수 있을 뿐 아니라 이물질 검출 속도를 향상시킬 수 있다.

Description

이물질 검출 시스템{SYSTEM FOR DETECTING FOREIGN SUBSTANCE}
본 발명은 이물질 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이물질 검출 속도를 향상시키는 이물질 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
산업 현장에서 물품을 생산하는데 있어, 고순도를 요구하는 경우가 있다.
예를 들어, 카메라 렌즈는 그 성능 향상에 대응하여 고순도가 요구되고 있다. 그러나, 생산 공정 중에 유입되는 미세한 이물질은 렌즈 생성 및 압축 과정에 악영향을 끼칠 수 있다. 카메라 렌즈 생성이나 압축 과정에서 이물질이 유입되면 렌즈의 선명도가 감소되며 화면 깨짐 현상이 나타날 수 있다. 이에 고순도가 요구되는 카메라 렌즈는 별도의 공정실에서 생산이 이루어지거나, 해당 물품에 대해 다양한 방법으로 모니터링을 수행하게 된다.
모니터링 기법 중에는, 카메라 모듈에서 획득된 영상으로부터 이물질을 검출하는 기법이 있다. 즉, 카메라 모듈에서 영상을 취득하면 이물질 검출용 프로그램을 실행시켜 취득한 영상으로부터 이물질을 검출한다. 또한, 검출 여부에 대해 메시지를 출력하고 해당 위치를 표시할 수도 있다. 이 때, 이물질을 검출하기 위해 사용되는 영상처리 기법으로서, 템플릿 매칭(Template Matching) 기법이나 블랍(Blob) 기법 등이 있다.
블랍 기법은 영상으로부터 해당 영상의 윤곽선을 검출하여 결상되는 물체를 찾는 기법으로서, 이 기술을 사용하면 영상에서의 윤곽선을 가지는 덩어리, 즉 물체(이물질)를 검출해 낼 수 있다. 이 기법을 사용하면 도 1에서와 같이, 영상에서 덩어리를 가지는 물체를 찾을 수 있으며, 해당 검출 물체의 크기 조건을 입력하면, 작은 물체도 검출해 낼 수 있다. 하지만 블랍 기법은, 기본적으로 하나의 픽셀을 기초 단위로 하여 검출을 수행하므로 해당 픽셀보다 작은 이물질을 찾아낼 수가 없는 문제점이 있다. 또한, 픽셀 단위로 검사를 수행하므로 이물질 검출에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 하나의 픽셀에 결상되는 것보다 작은 이물질을 검출할 수 있으며, 또한 검출 속도를 향상시킬 수 있는 새로운 방법이 필요하다.
한편, 템플릿 매칭 기법은 기존의 마스터 이미지와 검사하고자 하는 이미지를 비교하여 마스터 이미지와 다른 부분을 이물질로 간주하여 검출하는 기법이다. 즉, 기존 이미지에서 다른 부분을 이물질 후보로 선정한 후 이물질을 찾아내는 기법이다. 그런데, 이 기법을 사용하게 되면 도 2에 도시된 바와 같이, 작게 결상되는 이물질을 찾기 힘들다는 문제가 있다. 게다가 기본적인 마스터 이미지가 존재하지 않으면, 이물질 검출이 불가능하다는 단점도 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1469158호(공고일 2014.11.28.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 검출하고자 하는 이물질의 크기에 대응하는 픽셀 밝기값을 구하고, 픽셀 밝기값을 기준으로 하여 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하여 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀을 대상으로 이물질 검출을 수행하도록 함으로써 픽셀 크기 이하의 이물질을 검출함과 아울러 이물질 검출 속도를 향상시킬 수 있는 이물질 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이물질 검출 시스템은, 검사 대상을 촬상하는 카메라 모듈; 촬상된 영상에 대해, 검출하고자 하는 이물질 크기에 대응하여 분할된 서브픽셀로부터 계산된 분배 밝기값을 결정하는 픽셀 밝기값 결정부; 하나의 픽셀 밝기값을 기준으로 하여 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하고, 상기 상한 임계값과 상기 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀을 검사 대상으로 설정하는 검사 대상 설정부; 및 상기 검사 대상의 픽셀에 대해 검사를 실행하는 검사 실행부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 픽셀 밝기값 결정부는, 사용자 조작에 대응하여 이물질 크기를 설정하는 이물질 크기 설정부; 상기 카메라 모듈의 촬상 배율 설정에 따라 하나의 픽셀에 촬상될 영상 크기를 설정하는 영상 크기 설정부; 및 상기 이물질 크기 및 영상 크기에 대응하여 가상의 서브픽셀로 분할하고, 상기 서브픽셀에 분배된 밝기값을 계산하는 픽셀 밝기값 계산부를 포함할 수 있다.
상기 검사 대상 설정부는, 상기 픽셀 밝기값 결정부로부터 출력된 서브픽셀별 분배 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하는 임계값 설정부; 및 상기 상한 임계값과 상기 하한 임계값 사이의 픽셀과 이외의 픽셀을 구분하여 이진화하는 이진화부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 이물질 검출 방법은, 카메라 모듈의 촬상 배율 및 이물질 크기의 설정에 대응하여 픽셀 밝기값 결정부에서, 촬상 배율에 따른 영상 크기 및 이물질 크기에 대응하여 서브픽셀의 분할 수를 결정하고, 하나의 서브픽셀에 분배된 밝기값을 결정하는 단계; 검사 대상 설정부에서, 상기 서브픽셀에 분배된 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한 임계값과 하한 임계값을 설정하는 단계; 및 검사 실행부에서는 상기 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀에 대해 상기 카메라 모듈의 해상도를 변경하여 검사를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 검사 실행부에서는 상기 상한 임계값 이상 및 하한 임계값 이하의 픽셀과, 상기 상한 임계값 및 하한 임계값 사이의 픽셀을 이진화하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 이물질 검출 시스템 및 방법에 따르면, 검출하고자 하는 픽셀 크기 이하의 이물질에 의해 생성된 픽셀 밝기값에 근거하여 검사 대상을 결정함으로써, 픽셀 크기 이하의 이물질을 검출할 수 있을 뿐 아니라 이물질 검출 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 블랍 기법을 이용하여 이물질을 검출하는 영상이다.
도 2는 템플릿 매칭 기법을 이용하여 이물질을 검출하는 과정을 나타낸 영상이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이물질 검출 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 픽셀 밝기값 결정부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 검사 대상 설정부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 이물질 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 적용된 서브픽셀 기법을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 적용된 소프트 스레시홀드 기법을 도시한 것이다.
도 9는 카메라 모듈의 배율에 대응한 검사 영역의 크기를 비교한 것이다.
이하, 본 발명의 이물질 검출 시스템 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 이물질 검출 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 이물질 검출 시스템은, 검사 대상을 촬상하는 카메라 모듈(1)과, 촬상된 영상에 대해, 검출하고자 하는 이물질 크기에 대응하여 분할된 서브픽셀로부터 계산된 분배 밝기값을 결정하는 픽셀 밝기값 결정부(2)와, 하나의 픽셀 밝기값을 기준으로 하여 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하고, 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀을 검사 대상으로 설정하는 검사 대상 설정부(3)와, 검사 대상의 픽셀에 대해 검사를 실행하는 검사 실행부(4)를 포함한다.
본 발명의 이물질 검출 시스템은 카메라 모듈(1)의 촬상 배율 및 서브픽셀의 분할 수를 포함한 사용자 조작을 지원하는 사용자 조작부(5)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 사용자 조작부(5)는 사용자 조작 결과 및 검사 실행부(4)에서의 검사 결과를 출력하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 이물질 검출 시스템은, 사용자 조작에 의해 카메라 모듈(1)의 촬상 배율 및 이물질 크기가 설정되면, 픽셀 밝기값 결정부(2)에서는 서브픽셀의 분할 수(N x N)를 결정하고, 하나의 서브픽셀에 분배된 밝기값을 결정한다. 이어서, 검사 대상 설정부(3)에서는 서브픽셀에 분배된 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한과 하한을 임계값으로 각각 설정한다. 이후, 검사 실행부(4)에서는 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀에 대해 카메라 모듈(1)의 해상도를 변경하여 확대 검사를 실시하게 된다. 이때, 검사 실행부(4)에서는 검사 대상에서 제외된 픽셀에 대해 이진화 과정을 거쳐 검사를 수행하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 픽셀 밝기값 결정부의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 픽셀 밝기값 결정부(2)는, 사용자 조작에 대응하여 이물질 크기를 설정하는 이물질 크기 설정부(21)와, 카메라 모듈(1)의 촬상 배율 설정에 따라 하나의 픽셀에 촬상될 영상 크기를 설정하는 영상 크기 설정부(22)와, 이물질 크기 및 영상 크기에 대응하여 가상의 서브픽셀로 분할하고, 서브픽셀에 분배된 밝기값을 계산하는 픽셀 밝기값 계산부(23)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 픽셀 밝기값 결정부(2)는, 사용자 조작(이물질 크기 조절, 촬상 배율 조절)에 대응하여 이물질 크기 및 영상 크기를 설정한다. 이에 픽셀 밝기값 계산부(23)에서는 이물질 크기 및 영상 크기에 대응하여 하나의 픽셀을 가상의 서브픽셀로 분할하게 된다.
예를 들어, 0 ~ 255 밝기값을 갖는 카메라 모듈(1)을 이용하여 촬상 배율 설정에 따라 5㎛ x 5㎛ 크기의 영상이 하나의 픽셀에 촬상된다면, 그리고 검출하고자 하는 이물질 크기를 1㎛ 로 설정한다면, 1㎛ 이물질을 검출하기 위해 가로와 세로를 각각 5등분하게 되며, 이에 서브픽셀은 25개가 생성되게 된다. 한편, 하나의 서브픽셀은 1/25(0.04)(4%) 분배 밝기값을 갖게 된다. 즉, 하나의 서브픽셀은 255*0.04 = 10.2 분배 밝기값을 갖게 된다. 다시 말해, 10.2 분배 밝기값이 검출되면, 해당 서브픽셀에는 1㎛의 이물질이 있다는 것을 의미한다. 이에 본 발명에서 수행하고자 하는 픽셀보다 작은 이물질을 검출할 수 있게 되는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 검사 대상 설정부의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 검사 대상 설정부(3)는, 픽셀 밝기값 결정부(2)로부터 출력된 서브픽셀별 분배 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하는 임계값 설정부(31)와, 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 픽셀과 이외의 픽셀을 구분하여 이진화하는 이진화부(32)를 포함한다.
이 때, 상한 임계값과 하한 임계값은 분배 밝기값을 기준으로 하여 일정 비율 또는 분배 밝기값만큼 더하거나 빼는 연산을 통해 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 검사 대상 설정부(3)는 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 픽셀을 검사대상으로 함으로써 이물질 검색 속도를 향상시킬 수 있다.
그러면, 여기서 상기와 같이 구성된 이물질 검출 시스템을 이용한 본 발명의 이물질 검출 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 이물질 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 사용자 조작에 의해 카메라 모듈(1)의 촬상 배율 및 이물질 크기가 설정된다(S1).
이에, 픽셀 밝기값 결정부(2)에서는 촬상 배율에 따른 영상 크기 및 이물질 크기에 대응하여 서브픽셀의 분할 수(N x N)를 결정하고(S2), 하나의 서브픽셀에 분배된 밝기값이 산출된다(S3).
이어서, 검사 대상 설정부(3)에서는 서브픽셀에 분배된 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한 임계값과 하한 임계값을 설정한다(S4).
이후, 검사 실행부(4)에서는 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 밝기값을 갖는 픽셀에 대해 카메라 모듈(1)의 해상도를 변경하여 확대 검사를 실시하게 된다(S5). 이때, 검사 실행부(4)에서는 상한 임계값 이상 및 하한 임계값 이하의 픽셀과, 상한 임계값 및 하한 임계값 사이의 픽셀을 이진화하는 것이 바람직하다.
본 발명은 영상처리 기법인 서브픽셀(SubPixel) 기법과 소프트 스레시홀드(Soft Threshold) 기법을 이용하여 픽셀 크기 이하의 이물질을 검출한다.
본 발명에서는 일례로서, 한 픽셀 당 크기가 5㎛ x 5㎛일 때 1㎛의 이물질을 검출하는 경우에 대해 설명하기로 한다.
여기서, 서브픽셀 기법은, 카메라 모듈에서 취득하는 이미지는 픽셀을 기초로 한 집합으로 나타낼 수 있는데, 이 하나의 픽셀을 가상으로 나누는 기술이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 4 x 4의 큰 정사각형 하나가 원래 영상을 구성하는 하나의 픽셀이라 가정하면 이를 가상으로 세부분할하여 1 x 1의 더 작은 크기의 서브픽셀을 생성하는 것이다. 즉 이 기술을 응용하면 하나의 픽셀을 가상으로 나눔으로써 하나의 픽셀에 결상되는 값보다 더 작은 크기의 값을 찾아낼 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 픽셀이 5㎛ x 5㎛ 크기로 이루어진 영상에서 이물질이 결상되었을 때의 밝기를 1이라 할 때, 1㎛ 이물질은 이 픽셀을 5 x 5로 세부분할하여 1/25의 밝기를 가지는 즉 0.04의 밝기값을 가지는 픽셀임을 결정하는 데 사용되고 있다. 즉, 카메라 모듈의 배율을 한 픽셀 당 5㎛ x 5㎛의 크기를 가진다고 가정하면 1㎛ x 1㎛의 이물질을 검출하기 위해서는 1㎛ x 1㎛의 픽셀(5㎛ X 5㎛를 25등분의 서브픽셀로 나눈 결과)이 필요한 것이다.
한편, 소프트 스레시홀드 기법은 취득한 이미지의 이진화를 위한 것으로 기본적으로 이미지는 하나의 픽셀에 부여된 밝기값을 통하여 이미지로 표시되게 된다. 이 밝기값을 이용하여 해당 픽셀에 이물질이 존재하는지 여부를 검사할 수 있다. 그런데, 이물질 검사를 위하여 모든 픽셀을 검사하게 되면 많이 시간이 소요되게 된다. 하지만 소프트 스레시홀드 기법을 적용하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 값들을 제외하고는 모두 이물질 검출 픽셀 대상에서 제거한다. 이어서, 상한 임계값과 하한 임계값 사이의 픽셀들만 확대하여 이물질을 검사를 진행함으로써 이물질 검사 시간을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명은 Visual Studio 2013, OpenCVSharp API 환경에서 실험되었으며, 실험 영상은 5㎛ x 5㎛의 카메라 모듈(STC - MCCM401U3V)과 x1.0 렌즈(TCL 1.0x-110D) 그리고 조명환경(LV-SHL2)를 사용하며, 하나의 화소가 5㎛ x 5㎛인 영상에서 임의로 5개를 선정하여 실험 영상으로 사용하기로 한다.
실험 방법으로는 비교 실험을 선택하였는데, 임의로 선정한 5개의 실험 영상을 기존 알고리즘과 본 발명에서 제안하는 이물질 검출 알고리즘으로 비교 실험하기로 한다. 성능평가 기준으로 1㎛의 이물질 검출 정도와 평균 검출 시간을 선정하기로 한다.
실험 순서는 다음과 같다.
1) 하나의 픽셀 크기가 5㎛ x 5㎛ 이고, 검출하고자 하는 이물질 크기가 1㎛ x 1㎛ 이라면 1/25 서브픽셀로 결상이 될 것이므로 0.04 배분밝기값을 가진다.
2) 0 ~ 255 밝기값을 갖는 카메라 모듈을 적용할 때 서브픽셀별로 255 * 0.04 = 10.2 밝기값을 갖는다. 즉, 서브픽셀 1㎛ x 1㎛ 크기의 발기값이 10.2 인 것이다.
3) 하나의 픽셀이면서 적절한 밝기값을 갖는 픽셀은 0.xx㎛의 크기가 계산 가능하다.
4) 하한 임계값(노이즈 제거 목적), 상한 임계값(이물질 크기가 어느 정도 이상이면, 하나의 픽셀이라고 간주)을 설정하고 그 사이 값을 적절히 등분을 하여 가중치를 부여한다.
5) 이후, 하한 임계값 이하와 상한 임계값 이상의 픽셀을 검사 대상에서 제거하고, 하한 임계값과 상한 임계값 사이의 픽셀을 대상으로 하여 이물질 검사를 수행한다.
기존 알고리즘 제안하는 알고리즘
평균 검출 시간 10.875 0.512
평균 검출 개수 2 3
[표 1]에서와 같이 기존 알고리즘과 본 발명의 알고리즘은 시간적으로 크게 차이가 난다. 이러한 시간 차이가 나는 이유는 기존 알고리즘의 경우 1㎛의 이물질을 검출하기 위해선 25배 확대해야 하는 전처리를 거친 후 확대한 25배의 확대된 영상 각각에 대해서 이물질을 검출해야 하므로 시간이 많이 소요되기 때문이다. 단, 이물질 검출 정도에 대해서는 제안하는 알고리즘과 큰 차이를 보이지는 않는다. 기존 알고리즘과 달리 본 발명에서 제안하는 알고리즘의 경우, 낮은 배율에서도 작은 이물질을 찾을 수 있었기 때문에 이론적으로 기존 알고리즘에 비해 25배 더 빠른 속도를 가질 수 있다(도 9 참조). 게다가, 소프트 스레시홀드 기법을 사용하여 검사가 필요하지 않은 화소들의 검사를 수행하지 않았으므로 검사 속도를 더 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서 제안하는 알고리즘은 하드웨어에 종속되지 않기 때문에 카메라 모듈의 환경이 각기 다른 산업현장에서도 사용할 수 있다. 한 번에 검사하는 영역이 기존의 방법보다 넓기 때문에 시간적으로 기존의 방법보다 더 높은 효율을 보일 수 있다. 물론 픽셀에 결상되는 이물질이 큰 경우 기존의 방법이 더 높은 효율을 보이겠지만 검사영역이 넓다는 점에서 그만큼의 성능과 시간적인 이득을 크게 볼 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 컴퓨터 영상처리 분야에서 이물질 검사의 정확도와 검사 속도를 향상시킬 수 있는 방법을 적용하여 기존의 방법과 얼마나 차이가 나는지에 대해 비교해 보았다. 실험 결과, 본 발명에서 제안하는 알고리즘은 낮은 배율의 이미지에서도 1㎛의 이물질을 검출할 수 있음을 확인할 수 있고, 한 번에 검사하는 영역이 기존의 방법보다 넓어 시간적으로 기존의 방법보다 높은 효율을 보임을 확인할 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 카메라 모듈
2 : 픽셀 밝기값 결정부
3 : 검사 대상 설정부
4 : 검사 실행부
5 : 사용자 조작부

Claims (5)

  1. 검사 대상을 촬상하는 카메라 모듈;
    사용자 조작에 대응하여 이물질 크기를 설정하는 이물질 크기 설정부와 상기 카메라 모듈의 촬상 배율 설정에 따라 하나의 픽셀에 촬상될 영상 크기를 설정하는 영상 크기 설정부와 상기 이물질 크기 및 영상 크기에 대응하여 가상의 서브픽셀로 분할하고, 상기 서브픽셀에 분배된 밝기값을 계산하는 픽셀 밝기값 계산부를 포함하는 픽셀 밝기값 결정부;
    상기 픽셀 밝기값 결정부로부터 출력된 서브픽셀별 분배 밝기값을 기준으로 하여 설정된 상한 임계값과 하한 임계값을 결정하는 임계값 설정부와 상기 상한 임계값과 상기 하한 임계값 사이의 픽셀과 이외의 픽셀을 구분하여 이진화하는 이진화부를 포함하는 검사 대상 설정부; 및
    상기 검사 대상의 픽셀에 대해 검사를 실행하는 검사 실행부;를 포함하는 이물질 검출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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