번역 제공
지난 2월4일 서울 삼성동 코엑스에서 비전디자인이 주최한 ‘머신비전 시스템 실제 활용과 콘셉트’이라는 주제의 교육 세미나가 개최되었다. 이 세미나는 기존 듣는 방식과는 달리 실제 머신 구현 과정을 채택해 소개했다. 수동적인 주입식 강의가 아니라 능동적인 참여식 강의인 실제 구현 세마나는 경함할 수 있는 방식으로 진행돼 참관객들에게 큰 호응을 이끌어냈다. 강사가 머신비전 이론만으로 설명하는 것이 아니라 시스템을 직접 구동하면서 그 모습이 스크린에 비춰지며 볼 수 있는 강의가 진행되는 것이다. 게다가 각 업체별 데모부스가 설치돼 있어 강의 후에는 참관객이 직접 시스템을 운용하며 체험해 볼 수 있다.
이곳에 참여한 데모부스는 전 세계적인 광학기업인 이탈리아의 Opto Engineering의 총판을 맡아 광학 솔루션과 기술지원을 제공하는 파아일랜드, 2D/3D 비전 솔루션 공급업체인 싸이로드, 전 세계 21개의 조직과 92개의 판매 대리점을 통해 지능형 지구로의 연결을 가능케 하는 어드밴텍, 비디오 감시 분야와 의료기기 그리고 교통시스템을 위한 디지털 카메라를 생산하는 독일의 바슬러, 고성능 이미징 솔루션을 제공하는 e2v, 카메라와 인터페이스 그리고 라이브러리 등을 제공하는 앤아이피, 기성 광학 부품을 공급하며 세계적 포토닉스 기술을 선도하는 에드몬드 옵틱스, 산업용 영상처리 분야에서 끊임없는 기술개발로 CCS와 바슬러 등에 머신비전을 공급해온 한국의 (주)다트비젼이 현장에서 실질적인 기술력을 설명했다.
#1. 머신비전의 전문화 추구
 | ||
(주)다트비젼의 기술영업부 유용철 대리는 “최근 머신비전 시장의 분위기는 전체적으로 성장의 둔화로 인해 침체돼 있다. 올해는 특히 어려운 한해가 될 것으로 전문가들이 입을 모으며 비전 업계에서는 치열한 경쟁 구도가 주어질 것으로 예상된다. 하지만 준비된 기업에게는 위기가 곧 기회가 될 것으로 기대하고 있다”고 분석한다.
또한 현재 생각지도 못했던 분야까지 다양해진 애플리케이션들은 단순한 검사장비가 아닌 전 방위적으로 적용 가능한 호환성 높은 장비에 대한 목소리를 높이게 만들고 있다. 다트비젼은 오랜 경험을 토대로 고해상도, 고프레임의 카메라인데도 저가를 요구하고 있는 시장에 대응할 제품군을 갖추고 있다. 때문에 성장 둔화에도 불구하고 원가 절감 등의 자구 노력을 지속할 계획이며 다채널의 특성화 전략을 고수해 위기를 헤쳐 나갈 방침이다.
다트비젼은 전 세계적인 카메라 제조업체인 바슬러(Basler)의 한국 대리점으로 20여년 가까이 해당 제품군을 공급해 왔다. 바슬러의 에어리어 스캔 카메라 ACE 시리즈는 가격대 높은 성능을 보여주는 대표적 제품으로 꼽히며 카메라 링크, GigE, USB 3.0 인터페이스의 다양한 호환이 가능해 호평을 받고 있는 제품이다. 또한 리코(RICOH)의 메가 픽셀 렌즈, 실리콘 소프트웨어의 프레임 그래버 등을 제공하며 검증된 비전 제품의 서비스망을 지원하고 있다.
과거에는 비전 시스템이 검사장비의 단일 용도로만 사용되었지만 최근 들어와서 의료업계, 광고업계 등 예상치 못했던 여러 용도로 보급되고 있다. 이 과정에서 머신비전 각 부품들의 기술이 발전해왔고 장비를 쓰는 업체는 각각 다른 회사의 제품을 조합해 사용하다 보니 호환성의 문제가 대두되었다. 이에 다트비젼은 새로운 버전이 나올 때마다 테스트를 거치고 본사의 자문을 구하는 등의 노력을 기울여 호환 문제에 대응하고 있다. 제품을 공급하고 난 후에도 향후 서비스를 중요하게 여기며 끝까지 책임을 다하기 위해 노력하고 있다.
특히 다트비젼은 축적된 기술 노하우가 있다. 바슬러와 실리콘소프트웨어의 제품을 지속적으로 공급하며 쌓아온 대응 기술을 보유하고 있다. 이 제품들에 집중도가 높아 심도 있는 기술지원이 가능하다. 또한 다른 업체의 카메라, 렌즈, 프레임 그래버와의 조합을 위해서는 이들 제품들에 대해서도 어느 정도 기술력을 지녀야 한다.
이들의 향후 계획과 신제품은
확장되는 애플리케이션을 충족시키기 위해 해외 파트너 사들에게 한국 시장의 요구를 이해시키는 노력을 해오고 있다. 그 성과로 바슬러는 올해에 고해상도, 고프레임의 제품으로 라인업을 강화할 예정이다. USB 3.0GigE 인터페이스로 유연한 대처가 가능한 이 제품군은 탁월한 성능에도 불구하고 바슬러 제품의 강점인 저가 정책이 적용될 것으로 전망된다. 또한 일본의 렌즈 제조사 리코도 고해상도 렌즈 제품군을 개발하고 있으며 독일의 프레임 그래버 제조사인 실리콘 소프트웨어는 카메라 링크, GigE CoaXPress 인터페이스의 프레임 그래버 연구에 열을 올리며 올해 안에 제품 출시를 예정하고 있다.
#2. 감마선 촬영 콤프턴 카메라의 고성능화
일본 와세다 대학과 광학업체 하마마츠 포토닉스가 공동으로 연구를 진행해 감마선 촬영용 콤프턴 카메라의 성능을 대폭 향상시키는 데 성공했다. 눈에 보이지 않는 감마선을 빠르면서도 정확하게 가시화하는 이 기술은 물리, 의학은 물론 나아가 환경 정화에도 긍정적인 영향을 미칠 전망이다. 이번에 개발된 카메라는 지난 2013년 하마마츠 포토닉스가 발표한 휴대형, 고감도 감마선 카메라를 기초로 와세다 대학에서 개발한 감마선 3차원 고정밀도 위치 측정 기술을 도입한 것이다. 크기, 중량은 유지한 채 해상도를 이전의 약 2배, 감도는 약 70% 개선했다.
감마선 촬영용 콤프턴 카메라의 고성능화
지난 2011년 동일본대지진 이후 후쿠시마 제1원자력발전소 사고가 발생해 대량의 방사선 핵종(137Cs, 134Cs와 같은 감마선 방출핵종)이 대기 중에 방출됐고 이를 제거하는 제염 방법이 이슈로 떠올랐다.
효율적인 제염을 위해 필요했던 감마선은 눈에 보이지 않는 특징으로 전문가들의 관심을 끌었다. 각 기업들은 이 감마선 개발에 열을 올리며 속속 상업화했지만 이 장치들 대부분은 무거워 휴대가 불편하거나 감도가 낮은데도 고가 제품으로 보급이 어려운 실정에 있었다. 이에 지난 2013년 와세다 대학과 하마마츠 포토닉스가 협업해 내놓은 감마카메라(이전 모델)는 중량이 1.9Kg으로 일반적인 제품보다 가볍고 감도가 높은데도 불구하고 저가로 개발되었다. 이 감마선 촬영용 콤프턴 카메라는 하마마츠 포토닉스가 독자적으로 개발한 반도체 광소자 MPPC와 고성능 신틸라이저를조합해 콤프턴 산란을 이용한 감마선의 도래 방향을 가시화한 것이다. 새로운 콤프턴 카메라는 중후한 실드가 불필요하고 소형, 경량하의 방사선 물질의 집적(핫스팟)을 몇 분에 걸쳐 촬영할 수 있게 만들어졌다.
한편 초기 감마카메라를 개발했던 기간이 약 1년 가량으로 짧아 해상도는 상대적으로 개선되지 못했다는 평을 받았었다. 당시 해상도로는 5m 앞에서 1m 사이를 두고 위치한 핫스팟의 분리는 불가능했다. 하마마츠는 지난 2014년 이를 개선해 해상도를 대폭 향상시킨 고감도, 고해상도 카메라(신 모델)를 개발했다. 형태와 중량은 이전 카메라와 거의 비슷하지만 5m 앞에 핫스팟은 70cm까지 분리 가능하게 제작한 것이다.
제염, 환경 계측, 의료, 천문학 등 응용 예정
콤프턴 카메라는 입사 감마선이 산란체 검출기에서 콤프턴 산란을 일으키고 이 감마선을 흡수체 검출기에서 파악하는 것으로 입사 감마선의 도래 방향과 에너지를 동시에 측정한다. 감마선에 대한 감도를 높이기 위해 두꺼운 신틸레이터를 이용해 각 산란체와 흡수체는 근접하게 배치한다.
일반 콤프턴 카메라는 감마선의 산란, 흡수 위치 정보를 2차원 평면에서만 계측하기 때문에 신틸레이터의 두께와 방향만으로는 반응 위치를 알 수 없다. 따라서 감마선 도래 방향에 부정성이 생기고 해상도가 낮아지는 것이다 하지만 이번에 개발된 콤프턴 카메라는 와세다 대학에서 개발한 ‘3차원 신틸레이터 방식’을 채용해 감마선의 산란, 흡수 위치를 3차원, 고정밀로 계측할 수 있다. 신틸레이터의 안 길이(두께) 방향도 산란체에서는 4mm, 흡수체에서는 2mm의 정밀도로 식별이 가능하며 보다 두꺼운 신틸레이터를 채용해도 해상도가 떨어지지 않는다. 다시 말해 새로운 콤프턴 카메라는 이전보다 피크의 높이(감마선의 검출 감도), 화상의 넓이(ㅎ상도가 좋고 피크가 좁으며 평균치의 폭이 작은 것)가 향상된 것이다.
이 콤프턴 카메라는 제염, 환경 계측뿐만 아니라 물리, 의료, 천문학 등에서도 유용할 것으로 보인다. 방사성 의료품이 투여된 인체에서 방출하는 감마선을 가시화하는 기술은 스펙트(SPECT)라 부르며 이는 감마선의 도래 방향을 선택하기 위해 시준기(Colimmator)를 사용한다. 이 과정에서 감도가 대폭 손상되는 단점이 있다. 하지만 이번 기술을 응ㅇ요하면 검출기가 140keV 정도로 낮은 에너지의 감마선을 사용해 시준기가 필요 없게 된다. 또한 1000keV 가량의 높은 에너지 감마선에도 좋은 감도를 나타낼 수 있다.
나아가 신약 개발에 이용하는 핵의학 이미징 분야에서도 적용될 전망이다. 대표적으로 중입자선 치료에서 중입자선이 제대로 종양에 조사됐는지 확인하기 위한 감마선의 가시화 장치로 이 카메라를 이용할 수 있을 것이다. 콤프턴 카메라는 휴대와 배치가 용이하다는 이유에서 빔 조사 중에서도 실시간으로 모니터링이 가능하다.
천문학에서 500~1만keV의 감마선 영역을 관측이 가장 어려운 부분으로 우주 물리학 최후의 창으로 불린다. 여기서도 고감도의 관측을 가능하게 만들 것으로 기대를 모으며 인공위성 탑재를 예정하고 있다. 이번 개발한 JST 첨단계측분석기술-제품개발 프로그램의 일환으로 실시됐다.
#3. 새로운 분광 리모트 센싱 기술 개발 
일본 환경계측 센터가 첨단 분광원격계측 기술의 개발을 주제로 지난 2011년부터 5년 계획으로 연구를 진행해 왔다. 이 연구의 과제는 크게 능동센서와 하이퍼 스펙트럼(Hyper Spectrum) 센서에 관한 두 부분으로 구성됐다. 차세대 위성 센서의 지구 관측 방법과 자료해석 방법에 관한 획기적인 길을 찾아 환경계측을 선도할 수 있는 새로운 기술을 내놓는 것이 이번 프로젝트의 목표이다.
인공위성에서 지표와 대기를 원격으로 계측하는 리모트 센싱은 측정하는 파라미터 수에 대해 측정 대상에 관한 미지수가 많은 것이 일반적이다. 여기서 측정하는 파라미터 자체는 방사휘도 또는 산란강도 등 명확하게 정의된 물리량이지만 이것이 측정에 영향을 미쳐 어떤 성질을 반영하는지 아는 것은 상당히 복잡하다고 알려졌다.
데이터 해석은 대상의 성질을 포함한 측정을 정확하게 시뮬레이션 하는 것과 거의 동일한 작업이다. 또한 측정 방법의 연구는 새롭게 독립된 정보를 발견하는 방법이 본질적인 작업이다. 독립된 정보를 취득하려면 분광법에 의해 파장 정보를 수집하고 센서 측에 광원을 지닌 방법으로 정보를 추가하는 것이 중요하다. 그리고 분광 이미지 등의 수동 센서와 라이더 등의 능동 센서를 통합해 해석할 수 있다.
라이더는 레이저를 광원으로 산란을 측정하는 방법으로 일본 국립환경연구소에서는 이전부터 이를 이용한 대기관측 연구를 수행해왔다. 우주에서 라이더 측정은 지난 1994년 미 항공우주국(NASA)이 스페이스 셔틀에 의한 대기관측에서 실시했고 이후에 고도계 위성 GLAS, 대기관측 라이더 위성 CALIPSO의 발사에 도입된 바 있다. 특히 CALIPSO는 지난 2006년에 발사된 후 현재까지 순조롭게 관측을 지속하며 구름과 에어로졸의 분포와 방사 특성에 관한 데이터를 수집하고 있다.
그리고 구름 에어로졸 방사 비션에 주목할 만하다. 지구의 방사수지를 보다 정량적으로 이해할 목적으로 유럽과 일본이 공동으로 구름 에어로졸 방사 프로젝트(EarthCARE 위성)를 추진 중이다. EarthCARE 위성에는 구름 레이저, 멀티 스펙트럼 이지디 등과 ATLID는 구름과 에어로졸의 광학 특성과 고도분포를 측정하는 고기능 라이더다.
현재 EarthCARE 위성의 데이터 작성을 위한 알고리즘 개발이 일본 우주항공연구개발기구의 공모 연구로 진행 중이다. 이 프로젝트에서는 라이더와 이미지를 복합적으로 이용해 에어로졸 해걱 방법의 가능성을 연구하고 있다. 대기 중의 에어로졸은 황산 에어로졸(광흡수가 없는 작은 입자), 블랙카본(광흡수성이 있는 작은 입자), 비구형의 광물 더스트와 해염이 혼합된 것이다. 우선 라이더 데이터로부터 이런 물질ㄹ의 고도분포를 추정하고 이를 기초로 분광 이미지로 측정된 방사휘도를 계산했다. 계산된 방사휘도가 측정된 방사휘도와 정합될 때까지 에어로졸 크기 파라미터 등을 조절하며 계산을 반복했다. 이후에는 화학운송 모델에 의한 에어로졸의 분포와 결합해 다수의 센서 데이터를 재현하도록 모델 예측을 동시에 개량하는 방법으로 발전될 전망이다.