[비전 용어] 카메라, 프레임 그래버 #1

이번 주제는 비전 용어입니다.

비전에 처음 접하시는 분, 비전 장비는 다루지만 용어에 생소하신 분들께 도움이 되었으면 합니다.

노출시간(Exposure time, Shutter speed) :

영상 취득 시 센서가 빛을 받아들이는 기간을 의미합니다. 

이 기간이 짧으면 빛을 적게 받아들이고, 길면 빛을 많이 받아들입니다.

그 결과 어두운 영상 또는 밝은 영상을 얻을 수 있습니다.

물체가 빠르게 움직이면 속도에 맞춰 노출시간을 짧게 설정해야하고, 

조명의 밝기가 충분하지 않으면 밝기 확보를 위해 노출시간을 길게 설정해야 합니다.

노출 방식(Exposure mode) :

센서가 노출하는 동작에는 두 가지 방식이 있습니다.

고정 시간(Timed)과 펄스 폭(Pulse width) 두 가지 입니다.

고정 시간은 카메라에 설정된 시간으로 노출하는 것이고,

펄스 폭은 카메라에 입력되는 신호(트리거 신호, Trigger signal)의 폭(Pulse width) 만큼 노출하는 것입니다.

판독(Readout) :

센서가 노출 동작 이후 전기 신호를 판독하는 동작입니다.

센서의 사양에 따라 판독 시간은 다르며, 동일 카메라에서 Partial과 같은 기능을 사용하면 판독 시간이 더욱 빨라집니다.

트리거 신호(Trigger signal, pulse) :

카메라가 트리거 모드(Trigger mode)일 때, 영상 취득을 위한 신호를 트리거 신호라고 합니다.

트리거 극성(Trigger polarity) :

카메라가 입력받은 트리거 신호에서 어느 엣지(Edge)를 기준으로 동작할지 설정할 수 있습니다.

< Rising edge / Falling edge >

위 그림은 입력 받은 트리거 신호에서 상승 엣지(Rising edge), 하강 엣지(Falling edge) 지점을 기준으로 노출을 시작하겠다는 의미입니다.

연속 모드(Free run, Continuous mode) : 

카메라에 전원이 인가되면 연속적으로 영상 취득 및 데이터 전송을 수행하는 방식입니다. 

카메라의 최대 성능(max fps)을 확인할 때 또는 모니터링 용으로 사용합니다.

트리거 모드(Trigger mode) : 

원하는 순간에만 영상을 획득하는 방식입니다. 일반적으로 검사 시퀀스에 많이 사용합니다.

예를 들어, 타겟이 특정 위치에 들어올 때 센서가 인식하여 카메라로 신호를 보냅니다.

이것이 트리거 신호(Trigger Signal)이며, 카메라는 이 신호를 받고 이미지를 취득하게 되는 것입니다.

트리거 소스(Trigger source) :

트리거 모드는 두 가지 방법으로 동작할 수 있습니다.

하드웨어 트리거(Hardware trigger)와 소프트웨어 트리거(Software trigger)입니다.

하드웨어 트리거는 전기 신호가 입력되어 트리거로 동작하는 것이고,

소프트웨어 트리거는 명령어에 의해 트리거로 동작하는 것입니다.

오버랩(Overlap) :

오버랩은 의미 그대로 겹친다는 것입니다. 카메라 동작에서 오버랩은 '리드아웃(readout) 기간에 노출(exposure)하는 동작'을 의미합니다.

이 오버랩 용어를 제조사별로 부르는 단어가 제각각입니다.

Exposure Overlap, Readout Overlap, Trigger Overlap 등 다양한 호칭이 있지만 의미는 같습니다.

오버랩 동작을 이해하기 위해 아래의 타이밍 차트를 보겠습니다.

위 타이밍 차트는 다음과 같이 해석됩니다.

① Trigger 신호가 입력되면, Rising Edge 기준으로 노출이 시작됩니다.
    (노출은 즉각 시작하지 않고, 일정 시간 후에 노출이 시작됩니다. 이 일정 시간은 카메라 사양마다 다릅니다.)

② 노출이 일정 시간동안 동작합니다. 위 그림은 트리거의 폭(pulse width) 만큼 동작합니다.

③ 노출이 끝나고 리드아웃(readout)이 시작됩니다.

Next Trigger 금지 구간은 다음 트리거가 입력되는 것을 방지하는 구간입니다.

Next Trigger 가능 구간은 다음 트리거를 입력받을 수 있는 구간입니다.

다음 트리거(next trigger)를 왜 즉각 받을 수 없을까요?

카메라가 수행 가능한 최대 속도는 정해져 있기 때문에, 그 이상의 속도로 트리거 입력을 받을 수 없기 때문입니다.

그래서 '다음 트리거 금지 구간'이 있는 것이고, 이 사양은 카메라 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.

자, 그럼 이 오버랩 동작의 차이점은 무엇일까요?

오버랩 On/Off 타이밍 차트를 보면 쉽게 이해가 됩니다.

Overlap Off

오버랩 모드가 Off이면, 다음 트리거(next trigger)는 리드아웃이 끝난 이후에 입력받을 수 있습니다.

Overlap On

오버랩 모드가 On이면, 다음 트리거(next trigger)는 금지 구간 이후 바로 입력받을 수 있습니다.

차이점이 보이시나요? 오버랩 모드를 사용하면, 다음 트리거를 빠르게 입력받을 수 있다는 장점이 있습니다.

머신 비전 장비는 점차 고해상도, 고속화 되어가고 있는데 굳이 속도를 낮출 필요가 없겠죠?

스트로브(Strobe) :

트리거 모드에서는 카메라의 노출 기간과 조명의 동기를 맞추어 광량을 확보해야 합니다. 이를 위한 기능을 스트로브(Strobe)라고 합니다.

스트로브가 주로 사용되는 예로 설명하겠습니다.

빠른 속도로 움직이는 물체를 촬영하기 위해서는 센서의 노출 시간이 짧아야 합니다.

(물체의 속도보다 센서의 노출 시간이 길면 블러(Blur)현상이 발생합니다.)

짧은 노출 설정은 빛이 부족하기 때문에 반드시 조명이 필요합니다.

그래서 스트로브 신호를 이용하면, 카메라의 노출 기간에 조명이 켜져 충분한 광량 확보가 가능하게 됩니다.