2D·3D 비전검사 선정 기준 | 머신비전 시스템 설계 가이드
- 6일 전
- 4분 분량
최종 수정일: 13시간 전
원문 작성자 : 아진네트웍스주식회사
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1. 2D와 3D Vision의 선정 기준은 카메라가 아니라 ‘검사 물리량’이다
산업현장에서 비전검사 시스템을 선정할 때 흔히 발생하는 오류는 카메라 해상도나 제조사 사양부터 비교하는 것이다.
그러나 올바른 설계 순서는 “무엇을 측정해야 하는가?”에서 시작해야 한다.
2D Vision은 X-Y 평면상의 밝기, 색상, 윤곽, 패턴 정보를 분석한다. 따라서 유무검사, 위치검사, OCR, Barcode, 치수검사, 이물·스크래치 검사 등에 효과적이다.
반면 높이, 단차, 깊이, 휨, 체적, 평면도, 조립상태와 같이 Z축 정보가 합격·불합격 판정의 핵심 변수라면 3D Vision 적용을 검토해야 한다.
즉,
검사 특성이 X-Y + Contrast로 분리 가능 → 2D
검사 특성이 X-Y-Z Geometry를 요구 → 3D
라는 원칙이 1차 선정 기준이 된다.
2. 2D Vision의 핵심은 해상도가 아니라 Optical Resolution이다
예를 들어 400 mm의 Field of View를 2,000 pixel로 촬영한다면 이론적인 공간 샘플링은 약
400 mm ÷ 2,000 pixel = 0.2 mm/pixel
이다.
그러나 0.2 mm/pixel이라고 해서 0.2 mm 결함을 안정적으로 검출할 수 있다는 의미는 아니다.
실제 검출능력은 Lens MTF, 초점, 조명, S/N Ratio, Motion Blur, 대상물 위치 편차 및 알고리즘의 안정성까지 포함하여 결정된다.
따라서 검사 대상의 최소 결함 크기를 먼저 정의하고, 충분한 pixel sampling margin을 확보한 후 Camera Resolution과 FOV를 역산해야 한다.
특히 치수 측정에서는 Telecentric Lens를 적용하면 대상물의 높이 변화에 따른 배율 변화와 Perspective Error를 감소시킬 수 있다.
2D 3D 비전검사 선정 기준의 부속품이 아니라 측정 시스템의 일부다
2D Vision에서 검출 안정성을 결정하는 핵심 요소 중 하나가 Lighting이다.
동일한 카메라와 알고리즘을 사용하더라도 조명 방식에 따라 검사 결과가 완전히 달라질 수 있다.
일반적으로 Back Light는 외곽 치수와 형상, Coaxial Light는 평탄한 반사면, Dome Light는 곡면과 난반사 대상, Dark Field는 미세 Scratch와 Edge 검출에 활용된다.
따라서 현장에서는 알고리즘을 복잡하게 만드는 것보다 먼저 결함과 정상부 사이의 Optical Contrast를 최대화하는 것이 중요하다.
안정적인 Vision System은 이미지를 촬영한 뒤 결함을 찾는 시스템이 아니라, 광학적으로 결함이 가장 잘 보이는 이미지를 먼저 만들어내는 시스템이다.
4. 3D Vision은 Z축을 어떻게 획득하는가
3D Vision의 핵심은 대상물의 Depth 정보를 계산하는 방식에 있다.
산업용 3D 검사에서는 대표적으로 Laser Triangulation, Structured Light, Stereo Vision, Time-of-Flight(ToF) 기술이 사용된다.
Laser Triangulation은 대상물에 Laser Line을 조사하고 높이에 따라 카메라 Sensor에서 이동하는 Laser 위치를 삼각측량 원리로 계산한다.
이를 통해 X-Z Profile을 획득하고 대상물 또는 Sensor를 이동시키면서 Profile을 누적하면 3D Height Map을 생성할 수 있다.
따라서 Connector Pin 높이, 용접 Bead, 접착제 도포 높이, 단차, PCB 부품 높이 등 정밀 Inline 검사에 적합하다.
Structured Light 방식은 일정한 Pattern을 대상물에 투영하고 표면에서 변형된 Pattern을 분석하여 3차원 형상을 복원한다.
넓은 영역의 Shape Reconstruction이나 Robot Picking 등에서 유용하지만 대상물의 반사율, 투명도, Pattern Visibility 및 주변광 영향을 반드시 검토해야 한다.
5. 3D Vision이라고 모든 문제를 해결하는 것은 아니다
3D Vision은 많은 정보를 제공하지만 비용, Processing Load, Calibration, Cycle Time 측면에서 2D보다 복잡하다.
특히 Laser Triangulation은 측정 Geometry에 따라 Shadow와 Occlusion 영역이 발생할 수 있으며 고반사 금속, 검정색 흡광재, 투명체에서는 안정적인 Profile 획득이 어려울 수 있다.
따라서 “3D 카메라를 사용하면 검사가 된다”가 아니라,
Sensor → Optical Geometry → Surface → Depth Acquisition → Algorithm
전체 Chain을 검증해야 한다.
고정밀 3D 검사에서는 Z Repeatability만 볼 것이 아니라 X Resolution, Z Resolution, Measurement Range, FOV, Working Distance, Line Speed와 Sampling Pitch를 동시에 검토해야 한다.
6. Cycle Time 관점에서 2D와 3D를 선정해야 한다
생산설비에서는 검사가 가능하다는 것만으로 충분하지 않다.
전체 검사시간은 개념적으로
CT = Trigger + Exposure + Image Transfer + Processing + Judgment + PLC Communication
으로 구성된다.
3D Laser Profile 방식이라면 여기
에 Scan Time과 Profile Accumulation Time이 추가된다.
따라서 0.5초 Takt 생산라인에 1.2초가 필요한 3D 검사를 적용하면 기술적으로 검사가 가능하더라도 생산설비 관점에서는 실패한 설계다.
필요한 경우 Multi-Camera, Parallel Processing, Encoder Trigger, 검사구간 분리 등의 구조를 통해 CT를 최적화해야 한다.
7. 2D + 3D Hybrid Inspection이 필요한 경우
2D 3D 비전검사 선정 기준시 실제 고난도 검사에서는 2D와 3D 중 하나만 선택할 필요가 없다.
예를 들어 자동차 부품 조립검사에서
2D → 부품 유무 / 색상 / 문자 / 표면결함
3D → 높이 / 단차 / 체결상태 / 변형
으로 역할을 분담할 수 있다.
2D의 Texture·Color 정보와 3D의 Height 정보를 결합하면 단일 방식에서 발생하는 False Reject와 False Accept를 줄일 가능성이 있다.
다만 Hybrid Vision은 시스템 복잡성과 비용을 증가시키므로 검사 요구사항과 투자효과를 함께 검토해야 한다.
8. 최종 선정은 ‘OK/NG 한계 샘플’로 검증해야 한다
비전검사 선정의 마지막 단계는 Catalogue 비교가 아니라 실제 Sample Test다.
양품과 명확한 불량품만 테스트해서는 부족하다.
실제 양산에서 문제가 되는 것은 합격 기준 바로 위와 아래에 존재하는 Boundary Sample, 즉 한계 샘플이다.
따라서 도입 전 최소한
최소 검출 결함 → 반복 측정 → 위치 변화 → 표면 편차 → 주변광 변화 → Line Speed → OK/NG 분리도
를 검증해야 한다.
특히 검사 시스템의 성능은 단순 Accuracy보다 Repeatability, False Accept Rate, False Reject Rate, GR&R 개념의 측정 신뢰성까지 포함하여 평가해야 한다.
9. 결론
2D/3D 비전검사 시스템 선정의 핵심은 최신 카메라를 선택하는 것이 아니다.
① 검사 대상 물리량② 최소 검출 결함③ FOV와 Optical Resolution④ 조명 및 표면 특성⑤ Z축 측정 필요성⑥ 3D 측정 방식⑦ Cycle Time⑧ PLC·Robot 연동⑨ OK/NG 한계 샘플 검증을 순서대로 Engineering 해야 한다.
결국 2D Vision과 3D Vision은 경쟁 기술이 아니라 서로 다른 측정 문제를 해결하기 위한 도구다.
검사 요구사항이 2D로 안정적으로 해결된다면 3D 시스템을 적용하는 것은 과도한 투자일 수 있다. 반대로 높이와 깊이가 품질판정의 핵심인데 2D 영상의 명암 차이만으로 판정하려 한다면 검사 신뢰성의 구조적 한계를 피하기 어렵다.
따라서 성공적인 비전검사의 출발점은 Camera Selection이 아니라 Inspection Requirement Definition이다.
원문 작성 : 아진네트웍스주식회사
핵심 키워드 : 2D 비전검사 / 3D 비전검사 / 머신비전 / 비전검사 시스템 / Machine Vision / 3D Vision / 레이저 삼각측량 / Structured Light / 비전 자동화 / 스마트팩토리 / 공장자동화
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