산업자동화를위한...

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N A T I O N A L Test, Measure and Automate Your World

through Virtual Instrumentation

Improve Your Life

I N S T R U M E N T S

산업 자동화를 위한

비전/모션의 손쉬운 통합

Marketing EngineerDong-won Yoon

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목 차

• 머신 비전 시스템

• 모션 컨트롤 시스템

• 비전/모션 통합 시스템

3

비전/모션 통합 어플리케이션의 수요 증가

• 반도체, PDP, LCD 생산 라인, 생산 업체들의 수요 증가

49.0 (28.9)38.0 (38.3)27.5 (45.5)18.9 (58.4)11.9 (52.0)LCD 수요

20082007200620052004

LCD 수요 추이 및 전망 (백만m2, %)

Morgan Stanley : Global TFT-LCD

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머신 비전 시스템

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National Instruments Machine Vision• 다양한 산업분야에서 다양한 실험들을 위한 해결책 제시

반도체 의공학 제조

자동차 전자

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Vision System의 일반적인 구성 및 어플리케이션

데이터를 원격 시스템으로 전송카메라

조명

트리거

액추에이터

(또는 모터 스테이지)

Digital I/O 장치

영상 수집 장치

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Demo 1 – Pencil sorting 시스템

8

비전 시스템 구성 시 고려할 5가지 요소

+ + +

조명 카메라프레임 그래버

또는독립형 비전 시스템

어플리케이션소프트웨어

데이터 전송인터페이스

+

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조명

• 머신 비전 어플리케이션을 구성하는데에 있어 가장중요하며 큰 영향을 주는 요소

– 배경과 대상체를 분리

– 명확히 분리될 수록 필요한 영상 처리 작업의 양이 감소

– 날씨, 시간 등의 변화에 의한 자연광량의 효과를 감소

– Ring lighting, Strobe lighting, Back lighting, Diffused

lighting

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링 조명 (Ring Lighting)

• 장점 : 균일한 조명

• 단점 : 원형 glare(번쩍임)이발생할 수 있음

스트로브 조명 (Strobe Lighting)

• 장점 : Blur(번짐현상) 효과 제거

• 단점 : 조명과 영상 수집의동기화가 이루어지지 않으면무조명 영상을 얻을 가능성 있음

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Back Lighting

• 장점 : 대상체의 외곽선을명확하고 선명하게 만듬

• 단점 : 회절 현상 발생 가능성

Diffused Lighting

• 장점 : Glare(번쩍임현상) 효과제거

• 단점 : 조도 감소

12


+ + +





+

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카메라 선정 시 고려해야 할 점

• 영상 시스템의 물리적 특성

• Scan type – Line/Area

• 데이터 포맷 및 인터페이스– Analog/Digital, 표준/비표준, 필요한 대역폭

• 예산

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Imaging System Parameters

1. 센서 해상도: 카메라 센서 내의

픽셀 수

2. 센서 크기: 카메라 센서의

물리적 크기

3. Working distance: 렌즈로부터

대상체까지의 거리

4. 해상도: 식별할 수 있는 가장

작은 크기

5. Field of view: 카메라 화면 내에

들어오는 실제 영역의 크기

1, 2

3

5

4

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카메라의 스캔 방식

Area Scan Camera Line Scan Camera

고가저가가격

대상이 한 화면에

들어오지 않는 경우

대부분의어플리케이션

적용 경우

소프트웨어 영상재조합 필요

거의 불필요데이터 후처리

고속저속데이터 수집 속도

Line ScanArea Scan방식

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아날로그 카메라

• 아날로그 포맷으로 신호 출력

• Hsync 사이의 아날로그 신호를 한 줄의 신호로 출력

• 하나의 프레임: 한 쌍의 Vsync 사이에 여러 개의 Hsync 존재

Video Data

Hsync Hsync

Single Line Scan

Black Level

Output Registers

CCDSensor

Video Out

Light

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아날로그 표준 영상 포맷

768 x 576Yes25EuropePAL

768 x 576No25EuropeCCIR

640 x 480Yes30USA, JapanNTSC

640 x 480No30USA, JapanRS-170

영상 크기칼라초당 프레임

수지역표준

국내에선주로 RS-170, NTSC 표준사용

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디지털 카메라

• 카메라 내부에 디지타이저 내장

• 고화질, 높은 Pixel Depth• 큰 이미지, 빠른 프레임 속도

Valid DataData

H Enable

V Enable

Output RegistersVideo Out

Light

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고가•고속의 영상 수집

•규격화된 케이블 제공

•중간 속도 데이터 전송(60MB/s로 제한)

•저가

•케이블 단순

•Camera File 불필요

IEEE 1394 ™ 표준

•케이블링이 난해

•표준 인터페이스프로토콜 부재

•고속의 영상 수집

•설정 용이병렬 표준

단 점장 점인터페이스

최근비전어플리케이션은 IEEE 1394와 Camera Link 타입의카메라선호

데이터 전송 인터페이스와 프레임 그래버(디지털 카메라)

데이터 전송 인터페이스와 프레임 그래버(디지털 카메라)

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카메라 포맷 요약

아날로그

• 장점

– 기술 기반이 이미 확립

– 간단한 결선

– 저가

• 단점

– 시장 변동이 적음

– 상대적으로 낮은 영상품질

디지털

• 장점– 고속, 높은 밝기 해상도(pixel

depth), 큰 영상 사이즈

– 프로그램으로 제어

– 상대적으로 적은 노이즈

• 단점– 고가

– 어플리케이션 별로 다른결선

– 사용자 정의 설정을 위한카메라 파일이 필요할가능성

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카메라 파일이란?• 카메라 파일은 프레임 그래버와 카메라 사이의

인터페이스를 어떻게 설정할 것인지 알려주는 파일– Identification

– Acquisition

– Control

– Timing & Triggering

B.icd1426, 1427, 1430

A

B

A.icd1426, 1427, 1430

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존재하는 카메라 파일의 사용

• 90%의 카메라의 경우 이미 카메라 파일이 존재(약 450개)• http://www.ni.com/cameras• 카메라 파일이 존재하지 않는 경우

– 신 모델, 희귀한 카메라, 직접 제작한 카메라

• www.ni.com에서 무료로 사용 가능

• 디지털 카메라용 카메라 파일을 생성

– Parallel Digital, Camera Link• Interactive Utility• 시리얼 통신 포함

NI Camera File GeneratorNI Camera File Generator

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Camera Advisor

• 원하는 조건을

입력하면 해당 카메라

리스트를 보여줌

• 자세한 카메라 스펙

관련 정보 포함

ni.com/cameras

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+ + +





+

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• Progressive Scan 카메라로 초당 최대 60 프레임 수집

• 8비트 또는 10비트의 디지타이징

• 표준/비표준 4채널 흑백 영상 수집

• 16MB의 Onboard 메모리

• Interlaced/Noninterlaced 방식 수집

• 별도의 Hsync와 Vsync 라인 제공

NI PCI-1410

아날로그 프레임 그래버아날로그 프레임 그래버

132만원

※ 대량구매시차별화된가격정책제공

NI-1454331만원

• 고성능 리얼타임 프로세서 탑재

• 사용자 정의 가능한 FPGA 내장

• 최대 3대의 1394 카메라 연결 가능

• Vision Builder AI 혹은 LabVIEW를 이용한 프로그래밍

독립형 비전 시스템, Compact Vision System독립형 비전 시스템, Compact Vision System

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Compact Vision System NI CVS-145x

Easy connect digital I/O• 1 isolated input• 2 TTL pulse outputs

IEEE 1394 ports• 3 Ports• 400 Mbps shared bandwidth

Additional digital I/O• Product select lines• Pulse generators• Watchdog timer

Ethernet• 10/100 BaseT

Serial port• RS-232

VGA video out• Real-time output• Overlays supported

Industrial ruggedness• No fans or external vents• No moving parts• 0 – 55 C operating temperatures

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Demo 2 – Ball Bearing Inspection

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• 8, 10, 12 및 16비트(흑백 또는 칼라) 디지털 프레임 그래버

• 사용이 쉬운 구성 유틸리티

• 최고 80 Mb/s 수집에서 40 MHz 픽셀 클럭 속도

• 통합 카메라 컨트롤을 위한 시리얼 인터페이스 및 4개의 TTL

또는 RS-422 컨트롤 라인

• RS-422 또는 LVDS 카메라와의 호환성

• 트리거링 및 컨트롤을 위한 4개의 프로그램 가능한 디지털

I/O 라인

NI PCI-1422

Parallel 타입 프레임 그래버Parallel 타입 프레임 그래버

143만원

※ 대량구매시차별화된가격정책제공

• PCI Express 인터페이스

• Base, Medium, Full Configuration CameraLink 카메라용

이미지 수집

• 표준 CameraLink 케이블링

• 추가 트리거링 및 절연을 위한 선택적 디지털 I/O 확장 카드

• 680 MB/s 대역폭

NI PCIe-1429221만원

CameraLink 프레임 그래버CameraLink 프레임 그래버

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Demo 3 – PCI Express를 이용한고속 촬영 동영상

30


+ + +





+

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NI Vision Software

Vision Builder for Automated Inspection

Configure, benchmark, and deploy without programming

Vision DevelopmentModule

Programming tools for LabVIEW, C/C++, Visual Basic, and .NET

Vision Acquisition SoftwareAcquire, save, and display images from 1000s of cameras

Vision AssistantPrototype and generate scripts

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Vision Acquisition Software란?

• Vision Acquisition :

– NI-IMAQ

– NI-IMAQ for IEEE 1394

– NI-IMAQ for GigE Vision

– 영상 디스플레이 및 저장 도구

• 동작 모드:

– 독립형(Standalone )

– All NI frame grabbers

– Compact Vision System

– Vision Development Module

– Vision Builder AI

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Image Acquisition

with LabVIEW

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Vision Acquisition Software

• 손쉽고 빠른 프로그래밍을 위한 High Level API

• 유연성을 필요로 하는 프로그래밍을 위한 Low Level API

• LabVIEW, C, .NET, Visual Basic 지원

이미지수집팔레트

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Single Buffer Acquisition - Snap and Grab

• Snap : 사진 한 장 찍기

• Grab : 연속적인 영상 수집

• 한 개의 버퍼 사용

– Grab을 할 경우 한 개의버퍼에 계속 덮어쓰기

Acquisition

Buffer

Processing

Buffer

Snap

Grab

Processing

Buffer

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이미지 수집용 함수

Snap (단일)

Grab (연속)

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이미지 수집 코드

Snap (단일)

Grab (연속)

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Demo 4 - Image Acquisition with LabVIEW

• LabVIEW를 이용한 Snap, Grab 프로그래밍

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Machine Vision

with NI Vision Assistant

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NI Vision Development Module

• 영상 품질 향상

– 영상 보정

– 필터링

• 형태의 위치 분석

– 패턴 매칭

– Detect Edges

• 형태 측정

– Gauge

– Geometry

• 제품 유무 판정

– 밝기(Intensity)

측정

– Analyze Particles

– 컬러 매칭

• 부분 식별

– 문자 인식(OCR)

– 1차원 바코드 읽기

– Data Matrix

codes 읽기

– PDF417 codes

읽기

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• Calibration

• Color matching

• Color pattern matching

• Line profiles

• FFTs and correlation

• Geometric transformations

• Resampling and equalization

• Arithmetic and logic operators

다양한 IMAQ Vision의 기능들

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NI Vision Assistant

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NI Vision Assistant

드롭다운 메뉴

스크립트

프로세싱메뉴

프로세싱 창이미지소스

• 비전 알고리즘 작성 툴

Vision Assistant 작업화면

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NI Vision Assistant의 기능 소개

– Image: 원본 이미지의 기본적인 정보파악– 히스토그램, 오버레이 등

– Color: 컬러이미지로 작업할 때 필요한 함수 제공– 컬러 추출, Color Pattern Matching 등

– Grayscale: 흑백이미지로 작업할 때 필요한 함수 제공– Threshold, 이미지 비트 변환 등

– Binary: 이진화된 이미지 변형에 필요한 함수 제공– 기본 변형, 고급 변형 등

– Machine Vision: 측정이나 Matching 관련 함수 제공– Edge Detection, Pattern Matching 등

– Identification: 문자인식이나 바코드 인식 함수 제공– OCR 문자인식, 1D, 2D 바코드 인식

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Demo 5 – NI Vision Assistant

• Edge Detecting, Pattern Matching, 문자 인식

• 자동 코드 생성

http://digital.ni.com/softlib.nsf/websearch/4893086293fb4799862571ca004fb606

Vision Assistant를 사용한 Edge Detection 작업 Vision Assistant를 사용한 Pattern Matching 작업

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NI Vision Builder For Automated Inspection

드롭다운 메뉴

스크립트 프로세싱메뉴

프로세싱 창

순서도

• 어플리케이션 구성 툴

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Vision Builder for Automated Inspection

• 독립 어플리케이션 : 별도 코딩 불필요

• 빠른 개발 속도, 사용의 편의성

• 이미지 수집, 머신 비전 알고리즘, 문자

인식, 바코드 인식

• 데이터로깅, 양불 판정, LabVIEW 코드

자동 생성

• 시리얼 통신 및 디지털 입출력

• 리얼타임 타겟 하드웨어와 연동

• State Diagram을 이용해 보다 편리해진

진행 경로 설정

VBAI 3.0에 추가된 State Diagram 편집 기능

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Vision Builder for AI의 기능 소개– Acquire Images: 이미지 수집 방식 설정

- 카메라를 통한 이미지 수집, 저장된 이미지 불러오기 등

– Enhance images: 이미지 프로세싱 작업– Threshold, Vision Assistant 작업

– Locate Features: 각종 위치 관련 설정– 각종 Edge Detection, Set Coordination, Pattern Matching 등

– Measure Features: 각종 측정 관련 설정– 명도 측정, 색도 측정 및 길이 측정 등

– Check for Presence: 각종 객체의 유무 확인 설정– 객체의 개수 파악, Pattern의 유무 파악 등

– Identify Parts: 각종 문자 인식 관련 설정– OCR 인식, Barcode 인식 등

– Communicate: 여러 통신 관련 설정– Serial, TCP 등

– Additional Tools: 기타 설정– Set Inspection Status, Data Logging

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Demo 6 – NI Vision Builder for AI

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모션 컨트롤 시스템

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모션 시스템 구성 시 고려할 4가지 요소

모터 / 스테이지 파워드라이버 모션제어장치어플리케이션소프트웨어

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모션 컨트롤러의 작동 원리

Position Feedback

Set Point (s)Drive /

Amplifier

CommandSignal

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Position Feedback


Amplifier

CommandSignal

Trajectory Generator

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Position Feedback


Amplifier

CommandSignal


Plug-in 모션 컨트롤러

DSP

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• 야스카와 Sigma II, 미쓰비시 MR-J2S, 파나소닉 Minas A 모터

드라이버와 바로 연결

• 스탭축의 개루프(Open-loop)뿐만 아니라 폐루프(Closed-loop)

지원

• 직선, 원호 보간 기능 (1D, 2D, 3D)

• PC 부하 최소화를 위하여 온보드 32비트 DSP와 FPGA칩 사용

• 비전 및 데이터 수집 연동 시 쉬운 동기화를 위한 RTSI 버스 사용

NI PCI-7390

위치(펄스) 명령 PCI용 4축 컨트롤러위치(펄스) 명령 PCI용 4축 컨트롤러

보드 87만원

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DSP 기반 플러그 인 NI 73xx 모션 컨트롤러DSP 기반 플러그 인 NI 73xx 모션 컨트롤러

8 MHz/20 MHz4 MHz/20 MHz4 MHz/20 MHzMaximum Step Output Rate/Encoder Input Rate

2/64/16-bit2/32/12-bit2/32/12-bitPWM Lines/DIO Lines/Analog Input Resolution

21-Number of Axes per 62.5 µs PID Rate

•––Buffered Breakpoints, Buffered High-Speed Capture, 4 MHz Periodic Breakpoints

•––Sinusoidal Commutation for Brushless Servo Motors

••–Contouring, Electronic Gearing, On-Board Programming

•••Closed-Loop Stepper Control

•••Trapezoidal, S-Curve Profiles

•••Linear, Circular, Spherical, and Helical Interpolation; Blending

PCI, PXIPCI, PXIPCI, PXIPAC Platforms

2, 4, 6, 82, 42, 4Description

NI 735xNI 734xNI 733x모션 제품 시리즈

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서보 모터 드라이버와 인터페이스서보 모터 드라이버와 인터페이스

-O--Isolation

--10A10AMaximum Peak Current

--5A5AMaximum Continuous Current

Screw TerminalsD-Sub to Pigtail Cable--Connectivity to Drive

68-Pin Direct Cable68-pin Direct Cable68-Pin Direct Cable68-Pin Direct CableConnectivity to Motion Controller

42 or 442Number of Axes

Connects to Any Third-Party Brushed and

Brushless DC Drives


Brushless DC DrivesBrushed DC DriveBrushed DC DriveType

NI UMI-7764 Universal Machine Interface

NI UMI-7772/4 Universal Machine

Interface NI MID-7654 Drive NI MID-7652 Drive

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-O--Isolation

--1.4A1.4AMaximum Current Per Phase

Screw TerminalsD-Sub to Pigtail Cable--Connectivity to Drive

68-Pin Direct Cable68-pin Direct Cable68-Pin Direct Cable68-Pin Direct CableConnectivity to Motion Controller

42 or 442Number of Axes


Brushless DC Drives


Brushless DC Drives2-Phase Stepper Drive2-Phase Stepper DriveType

NI UMI-7764 Universal Machine Interface

NI UMI-7772/4 Universal Machine

Interface NI MID-7604 Drive NI MID-7602 Drive

스텝 모터 드라이버와 인터페이스스텝 모터 드라이버와 인터페이스

59

Softmotion 컨트롤러의 작동 원리

Position Feedback


Amplifier

CommandSignal


SoftMotion Controller Intelligent Drive

RTOS

Deterministic Bus

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NI-Motion API

• LabVIEW에서 사용하는 모션 VI 생성

• LabWindows/CVI에서 Function panels

• C, Visual Basic용 함수들

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버스 타입과 독립적인 모션 프로그래밍

LabVIEW

NI-Motion APIVisual Basic

C

PCI

PXI / CompactPCI

CANopen

IEEE 1394

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Vector Space LabVIEW 예제Vector Space LabVIEW 예제

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NI Motion Assistant

• 모션 알고리즘 작성 툴드롭다운 메뉴

설정 창

프로세싱메뉴

미리보기 창

HELP 창

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Motion Assistant의 특징

• 프로그램 없이 모션보드 동작

• 미리 보기 화면

• LabVIEW/C 자동코드생성

• CAD 파일을 배포 가능한 모션 컨트롤 코드로 변환 가능한소프트웨어

• http://digital.ni.com/express.nsf/bycode/wcCADmtn06

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Motion Assistant의 여러 기능 소개

– Reference Move• 물리적으로 참조된 위치로 축을 이동

– Straight Line Move• 두 점간의 가장 짧은 거리로 축을 이동

– Arc Move• 호를 그리며 축을 이동

– Contoured Move• 사용자가 정의한 위치를 연속적으로 찾아가며 축을 이동

– CAD Move• CAD로 디자인 된 방식으로 축을 이동

– Measurements• 이동간에 딜레이를 두어 모션 이외의 측정을 할 수 있도록 지원

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Demo 7 - Motion Assistant의 기능

• 자동 코드 생성

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비전/모션 통합 시스템

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광전자 어플리케이션

카메라

광원3축 스테이지

모터 드라이브

모션 컨트롤러 / 영상 수집 장치

Photo Detector

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생명공학 어플리케이션

배양용페트리 접시

약물

모터 드라이브

PXI , 모션 컨트롤러, 영상수집 장치

서보 밸브

카메라

2축 스테이지

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반도체 어플리케이션

Probe

모터 드라이브

PXI , 모션 컨트롤러, 영상 수집 장치

카메라

2축 스테이지

불량품양품

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정리• NI Vision : 아날로그, 디지털(병렬, IEEE 1394a/b, CameraLink,

Giga Ethernet)의 다양한 인터페이스 지원

• NI Vision S/W : Vision Assistant, Vision Builder AI를 이용하여

간단한 영상 처리, 머신 비전 어플리케이션 구축

• NI Motion : Plug-in boards 또는 SoftMotion을 이용하여 DC

Servo, AC Servo, Stepper 모터 구동

• NI Motion S/W : Motion Assistant를 이용하여 간단한 모션

알고리즘 작성

• 비전, 모션, 디지털 I/O, 데이터 수집 등 다양한 기능을 쉽게

통합하여 실제 어플리케이션에 적용

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www.mylv.net

한글

LabVIEW 커뮤니티

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Q & A

74

감사합니다

산업자동화를위한...

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