반사가 심한 표면 촬영 대응법

LIGHTING

광택 면의 하얀 반사는 조명을 광축에서 15° 밖으로 옮기면 화면을 떠나고, 그다음 칸부터는 빛이나 시간을 값으로 냅니다.

폭 50 μm 흠집을 찾는 5 MP 셋업에서 각도, 노출, 동축, 편광, 나눠 찍기를 돈과 빛이 덜 드는 순서로 계산했습니다.

읽는 시간 약 12분

연마한 금속판이나 광택 있는 사출 커버를 찍으면 화면 일부가 하얗게 날아갑니다. 그 자리에 흠집이 있어도 화면에는 흰 면만 남고, 판정 프로그램은 그 부품을 양품 상자로 보냅니다. 노출을 줄이면 하얀 자리는 작아지지만 나머지가 어두워져 다른 곳의 결함이 묻히고, 이야기는 조명을 새로 사는 쪽으로 흘러가기 쉽죠. 그렇게 산 조명이 표면과 맞지 않으면 장비값과 셋업 시간을 한 번 더 냅니다.

먼저 볼 것은 표면입니다. 종이나 무광 사출품처럼 거친 면은 빛을 사방으로 흩어 보내는 확산 반사¹가 대부분이라 이런 일이 드뭅니다. 연마 금속, 도금, 광택 도장처럼 매끈한 면은 들어온 각도 그대로 한 방향으로 튕기는 정반사²가 강해서, 그 방향에 렌즈가 있으면 조명이 거울에 비친 듯 그대로 찍힙니다. 해법의 출발점은 그 한 방향을 렌즈에서 비키게 하는 일이고, 비용은 순서에 따라 0원에서 시작해 점점 커집니다.

계산은 한 셋업으로 통일합니다. 가로 2,448 × 세로 2,048 px, 화소 3.45 μm인 5 MP 카메라에 25 mm 렌즈를 달아 가로 40 mm를 본다고 가정하면 한 칸은 16.3 μm이고, 폭 50 μm 흠집은 3.06칸에 걸칩니다. 렌즈 주점에서 면까지의 거리, 곧 WD³는 약 143 mm이고 조리개는 f/5.6으로 둡니다. 막대 조명은 폭 30 mm짜리가 면에서 143 mm 떨어진 자리에 있다고 잡습니다.

하얗게 날아간 자리에는 결함 정보가 남지 않는다

화소마다 담을 수 있는 밝기에는 위쪽 끝이 있습니다. 12비트 카메라라면 0부터 4,095까지 4,096단계이고, 그보다 밝은 빛은 모두 4,095로 기록되는 포화⁴ 상태가 됩니다. 흰 면 위에 흠집이 있든 없든 숫자는 4,095로 같아서, 그 자리에는 어떤 필터나 학습 모델로도 되살릴 정보가 없습니다. 그 자리는 비어 있는 셈이죠. 제 기준으로는 하얀 자리가 결함이 생길 자리와 겹치는지가 첫 판정이고, 겹친다면 소프트웨어 쪽 조정은 뒤로 미룹니다.

노출을 줄이면 해결될 것 같지만, 노출은 반사와 바탕을 같은 비율로 함께 낮춥니다. 바탕을 중간 밝기인 2,048에 맞췄을 때 반사가 바탕보다 20배 밝다고 가정하면 반사는 40,960이 되어야 하니 4,095에서 잘립니다. 반사를 4,095 아래로 내리려면 노출을 10분의 1, 3.3스톱⁵ 줄여야 하고, 그러면 바탕은 205로 내려가 흠집이 만드는 밝기 차도 10분의 1로 줄어듭니다. 조리개도 두 밝기를 같은 비율로 움직이니, 노출과 조리개는 어느 쪽을 포화시킬지 고르는 손잡이일 뿐 둘의 비율은 바꾸지 못합니다.

계단은 아래에서부터 각도, 노출과 조리개, 편광 필터, 조명 방식 바꾸기, 여러 장 촬영 순입니다. 위로 갈수록 장비값이나 빛이나 검사 시간을 내야 하니 아래 두 칸에서 끝나는지부터 확인하는 편이 돈이 덜 듭니다. 방금 계산처럼 노출과 조리개는 비율을 바꾸지 못하므로, 첫 두 칸 가운데 실제로 반사를 없애는 일은 각도가 맡습니다.

조명을 15° 밖으로 옮기면 반사가 화면을 떠난다

카메라가 면을 수직으로 내려다볼 때, 광택 면에 비친 조명이 렌즈로 들어오는 방향은 정해져 있습니다. 화면 가장자리를 보는 시선은 광축에서 화각의 절반만큼 기울어 있고, 그 시선이 거울 같은 면에서 튕기면 반대쪽으로 같은 각만큼 기운 방향을 향합니다. 이 셋업에서 화각의 절반은 7.9°이고, f/5.6 렌즈 구멍이 만드는 퍼짐 0.9°를 더하면 광축 둘레 8.8° 원뿔 안에 든 조명은 화면 어딘가에 반드시 비칩니다. 막대 조명은 폭이 있어서, 폭 30 mm가 143 mm 거리에서 차지하는 반각 6.0°만큼 더 벌려야 합니다. 조명의 중심을 광축에서 14.8°보다 바깥에 두면 반사는 화면 어디에도 찍히지 않고, 그 바깥부터는 평평한 면이 어둡게 가라앉고 흠집의 벽에서 흩어진 빛만 밝게 남는 암시야⁶에 가까워져 흠집이 검은 바탕 위의 흰 선으로 바뀝니다. 화면 한가운데에서만 반사를 빼려면 렌즈 구멍과 조명 폭만 더한 6.9° 밖이면 되지만, 가장자리까지 비우려면 화각의 절반까지 더해야 합니다. 조명을 옮기는 데 드는 돈은 0원입니다.

부품이나 카메라를 기울여도 같은 효과를 얻습니다. 거울 면을 θ만큼 기울이면 반사는 2θ만큼 돌아가므로 필요한 기울기는 절반인 7.4°입니다. 대가는 초점입니다. 가로 40 mm 시야를 7.4° 기울이면 양 끝의 높이 차가 5.15 mm인데, f/5.6에서 이 셋업의 피사계 심도⁷는 2.10 mm라서 화면 양쪽 끝이 흐려집니다. 저라면 부품과 카메라는 그대로 두고 조명만 15° 바깥으로 옮기는 일부터 해 봅니다.

각도가 통하지 않는 표면도 분명히 있습니다. 면이 굽어 있으면 조명을 어느 방향으로 옮겨도 어떤 기울기의 면은 반드시 그 조명을 비추고, 원통이나 볼록한 캡에서는 하얀 띠가 위치만 바꿔 남습니다. 이때부터는 반사를 피하는 대신 반사를 고르게 만들거나 걸러 내는 장치가 필요하고, 그 장치들은 빛을 값으로 받습니다.

반사를 받아들이는 대신 빛을 내주는 두 장치

동축 조명⁸은 반사를 피하지 않고 정면으로 받는 방식입니다. 반투명 거울인 하프 미러로 빛을 광축과 같은 방향으로 내려보내면 평평한 면은 고르게 밝아지고, 기울어진 흠집 벽은 빛을 렌즈 밖으로 튕겨 어두운 선으로 남습니다. 결함을 덮던 반사가 반대로 결함을 비추는 바탕이 되는 거예요. 다만 빛은 내려갈 때 하프 미러에서 반사되며 절반, 올라올 때 통과하며 다시 절반을 잃어서, 50 : 50 거울이라면 렌즈로 돌아오는 몫은 최대 25 %로 2스톱 손실입니다. 기울기 허용각은 동축 조명 계산 글에서 따로 다뤘습니다.

교차 편광⁹은 조명 앞과 렌즈 앞에 편광 필터를 한 장씩 달고 두 필터의 방향을 직각으로 맞추는 방식입니다. 플라스틱이나 도장면 같은 비금속 표면의 정반사는 편광 방향을 대체로 유지해서 두 번째 필터에서 막히고, 표면 속에서 흩어져 나온 빛은 방향이 섞여 일부가 통과합니다. 이상적인 필터라면 첫 장에서 절반, 둘째 장에서 다시 절반이 남아 25 %이고, 실제 필터가 편광되지 않은 빛을 장당 40 %만 통과시킨다고 가정하면 16 %로 2.6스톱을 잃습니다. 금속은 비스듬히 반사될 때 편광이 비틀려 차단이 덜 되는 경우가 있어, 광택 금속에서의 효과는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다(교차 편광 글).

두 장치 모두 빛을 2스톱 넘게 내주므로 같은 밝기를 지키려면 조명 출력을 네 배 넘게 올리거나 노출을 그만큼 늘려야 합니다. 멈춰 있는 부품이면 노출로 메우면 되지만, 움직이는 부품이라면 늘어난 노출만큼 번짐이 커지니 조명 쪽을 키우는 수밖에 없습니다. 저는 편광 필터를 대 보는 일을 동축 조명 구매보다 앞에 둡니다. 필터 두 장은 값이 적게 들고 떼어 내기도 쉬워서 셋째 칸에 맞습니다.

둥근 면은 감싸거나 나눠 찍는다

원통이나 볼록한 면처럼 각도를 피할 수 없는 표면에는 돔 조명¹⁰이 기본입니다. 반구 안쪽 벽이 고르게 빛을 내니 면이 어느 쪽으로 기울어도 비치는 것은 같은 밝기의 벽이라 도드라지는 하얀 점이 생기지 않습니다. 대신 그림자도 함께 사라져 얕은 단차는 잘 보이지 않고, 카메라가 들여다보는 구멍은 빛을 내지 못해 그 구멍을 비추는 자리에 어두운 점이 남습니다. 그 암점의 크기와 돔 지름, WD의 관계는 돔 조명 암점 글에서 계산했습니다.

마지막 칸은 여러 장으로 나눠 찍고 합치는 방법입니다. 조명을 네 방향에 두고 하나씩 켜며 네 장을 찍으면 장마다 반사가 다른 자리에 생기니, 화소마다 가장 어두운 장의 값을 골라 합치면 반사가 빠진 영상이 남습니다. 이 카메라가 초당 40장을 찍는다고 가정하면 네 장에 100 ms가 들고, 그 사이 부품이 한 칸인 16.3 μm보다 덜 움직여야 합성 영상의 흠집이 두 겹으로 번지지 않습니다. 밝기를 여러 단계로 나눠 찍는 HDR 멀티 노출 합성도 같은 정지 조건을 받습니다.

50 μm 흠집 하나에 네 가지 방법을 대 보면

같은 50 μm 흠집과 같은 카메라, 같은 렌즈에 방법만 바꿔 대면 무엇을 내주는지가 한 줄씩 갈립니다. 칸 수는 모두 3.06칸으로 같고, 달라지는 쪽은 조명 배치와 빛의 양과 시간입니다. 표의 네 줄은 모두 카메라를 수직으로 둔 경우입니다.

방법	① 최소 불량 크기	② 광학 셋업 · WD	③ 알고리즘 파라미터 · 대가
조명 위치 옮기기	50 μm = 3.06칸 (16.3 μm/칸)	25 mm 렌즈, 주점 기준 WD 143 mm, f/5.6, 막대 조명 중심을 광축에서 14.8° 밖으로	흠집은 검은 바탕의 흰 선, 밝은 선 검출 임계, 추가 비용 0
동축 조명	50 μm = 3.06칸	같은 렌즈, 하프 미러 함체가 렌즈 앞 공간을 차지해 WD 143 mm 안에 조명 높이 확보 필요	흠집은 흰 바탕의 검은 선, 빛 25 %(2스톱)를 출력이나 노출로 보충
교차 편광	50 μm = 3.06칸	조명과 렌즈 앞에 편광 필터를 직각으로, WD 그대로	빛 16 %(2.6스톱, 필터 장당 40 % 가정), 금속은 차단 정도를 샘플로 확인
네 방향 나눠 찍기	50 μm = 3.06칸	조명 네 개를 차례로 점등, WD 그대로	화소별 최솟값 합성, 네 장 100 ms(초당 40장 가정), 부품 움직임 16.3 μm 미만

네 줄을 나란히 놓으면 비용이 0인 첫 줄이 통하는 표면에서는 나머지 세 줄이 빛이나 시간만 더 쓰는 선택이라는 점이 보입니다. 반대 접근이 나은 조건도 분명해서, 표면이 굽어 있거나 얕은 눌림처럼 그림자가 약한 결함을 찾는다면 조명을 옆으로 빼는 방법은 바탕만 어둡게 만들고 결함은 그대로 숨깁니다. 그런 표면에서는 동축이나 돔이 첫 후보로 올라가고, 어느 쪽이 맞을지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

장비를 사기 전에 돌려 볼 것들

반사 문제를 만나면 저는 조명을 사기 전에 히스토그램¹¹부터 엽니다. 막대가 오른쪽 끝 4,095에 벽처럼 쌓여 있고 그 화소들이 결함이 생길 자리에 걸려 있다면, 조명 위치를 15° 바깥으로 옮겨 다시 찍습니다. 그래도 하얀 자리가 남으면 그 자리 표면이 굽어 있는지부터 보고, 평평하면 편광 필터를, 굽어 있으면 돔이나 나눠 찍기를 검토합니다. 금속 스크래치에 맞춘 선택 기준은 금속 스크래치 조명 선택 지도에, 조명 방식별 원리는 머신비전 조명 6가지 방식에 모아 두었습니다.

이 순서를 손에 익힌 사람이 현장에서 조명을 맡는 머신비전 엔지니어이고, 입문 단계라면 거울과 손전등 하나로 반사가 렌즈를 비키는 각도를 직접 재 보는 연습이 가장 빠릅니다. 설비 투자 쪽에서 보면 반사 대응은 조명 장비값보다 셋업 시간이 큰 항목이라, 첫 두 칸에서 끝나는 표면인지가 견적의 크기를 가릅니다. 조명 업체에 상담을 청할 때 각도를 바꿔 찍은 사진 몇 장을 함께 보내면 이야기도 짧아지죠. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

광택 판재가 새로 들어오면 저는 카메라를 수직으로 두고 막대 조명을 광축 바로 옆에서 바깥쪽으로 5°씩 옮기며 같은 자리를 찍습니다. 이 셋업이라면 14.8° 근처에서 하얀 띠가 화면 끝을 넘어가야 하고, 그보다 훨씬 늦게 빠진다면 면이 기대보다 굽어 있거나 조명 폭이 계산보다 넓다는 뜻입니다. 띠가 빠지는 각도와 그때 흠집 선의 밝기 차를 사양서 첫 줄에 함께 적어 둡니다.

현장 체크포인트

조명 위치를 옮겨 본 결과를 사양서 문장으로 바꾸려면 아래 질문에 차례로 답해 봅니다.

• WD 143 mm(25 mm 렌즈, 주점 기준) 안에 동축 조명 함체나 편광 필터가 들어갈 높이가 남는가? (렌즈와 부품 사이에 조명 자리가 있는지)
• 히스토그램에서 4,095에 쌓인 화소가 결함이 생길 자리와 겹치는지 확인했는가? (하얀 자리 안의 흠집은 놓친다)
• 막대 조명의 중심이 광축에서 14.8°보다 바깥에 있는가? (화각 반각 7.9°, 렌즈 구멍 0.9°, 조명 폭 6.0°를 더한 값)
• 카메라나 부품을 기울였다면 양 끝 높이 차가 피사계 심도 2.10 mm 안에 드는가? (f/5.6 기준)
• 동축이나 편광으로 잃은 2~2.6스톱을 조명 출력이나 노출로 메웠는가? (움직이는 부품이면 노출 대신 출력으로)
• 나눠 찍기라면 네 장 100 ms 동안 부품이 16.3 μm보다 덜 움직이는가? (진동까지 포함해서)

자주 묻는 질문

광택 사출품에도 같은 순서가 통하나요?

통합니다. 광택 사출품은 비금속이라 표면에서 되돌아오는 정반사가 수직 입사 기준 4 % 남짓으로 금속보다 약하고, 편광 필터의 차단도 금속보다 잘 듣는 편입니다. 다만 검은 사출품은 바탕이 어두워 반사와 바탕의 밝기 차가 크게 벌어지기 쉬우니, 첫 칸인 조명 위치 옮기기를 먼저 해 볼 가치가 큽니다.

반사가 심한 자리만 마스크로 가리면 안 되나요?

가린 자리는 검사하지 않는 자리가 됩니다. 반사가 늘 같은 자리에 생기고 그 자리에 판정할 형상이 없다면 마스크도 정당한 선택이지만, 흠집이 생길 수 있는 자리라면 그 영역의 불량은 그대로 출하됩니다. 마스크를 쓴다면 가린 면적을 사양서에 숫자로 적어 두어 검사 범위가 줄었다는 사실을 모두가 알게 하는 편이 안전합니다.

용어 풀이

• [1] 확산 반사 diffuse reflection
  거친 면에서 빛이 사방으로 흩어져 돌아오는 반사입니다. 어느 방향에서 봐도 밝기가 비슷하게 보입니다. ↩
• [2] 정반사 specular reflection
  매끈한 면에서 빛이 들어온 각도와 같은 각도로 한 방향으로만 튕겨 나가는 반사입니다. 그 방향에 렌즈가 있으면 조명이 그대로 찍힙니다. ↩
• [3] WD working distance, 작동 거리
  렌즈에서 검사할 면까지의 거리입니다. 본문 계산은 얇은 렌즈 근사로 렌즈 주점을 기준으로 잡았고, 렌즈 앞면 기준 거리는 렌즈 도면으로 확인합니다. ↩
• [4] 포화 saturation
  화소가 담을 수 있는 가장 밝은 값에 닿아 더 밝은 빛을 구별하지 못하는 상태입니다. 12비트 카메라에서는 4,095가 그 끝입니다. ↩
• [5] 스톱 stop
  빛의 양을 두 배 단위로 세는 말입니다. 1스톱 줄면 빛이 절반, 2스톱 줄면 4분의 1이 됩니다. ↩
• [6] 암시야 조명 dark-field illumination
  평평한 면의 정반사가 렌즈를 비켜 가도록 낮거나 바깥쪽 각도에서 비추는 조명입니다. 바탕은 어둡고 흠집이나 이물에서 흩어진 빛만 밝게 찍힙니다. ↩
• [7] 피사계 심도 depth of field, DOF
  초점을 한 거리에 맞췄을 때 앞뒤로 또렷하게 보이는 깊이의 폭입니다. 본문 값은 허용 착란원을 화소 2칸(6.9 μm)으로 잡은 계산입니다. ↩
• [8] 동축 조명 coaxial illumination
  반투명 거울인 하프 미러로 빛을 카메라 광축과 같은 방향으로 내려보내는 조명입니다. 평평한 광택 면은 밝게, 기울어진 결함은 어둡게 찍힙니다. ↩
• [9] 교차 편광 cross-polarization
  조명 쪽과 렌즈 쪽 편광 필터를 서로 직각으로 두어, 편광 방향이 유지된 정반사를 걸러 내는 방법입니다. ↩
• [10] 돔 조명 dome illumination
  반구 모양 안쪽 벽에서 빛을 고르게 내보내 부품을 사방에서 감싸 비추는 조명입니다. 카메라는 꼭대기 구멍으로 들여다봅니다. ↩
• [11] 히스토그램 histogram
  화면 속 화소들을 밝기별로 세어 막대로 그린 그래프입니다. 오른쪽 끝에 막대가 쌓이면 포화된 화소가 많다는 뜻입니다. ↩

참고 자료

• 계산식: 화소 분해능 = 시야 ÷ 화소 수, 배율 m = 화소 크기 ÷ 화소 분해능, 물체 거리 = f × (1 + 1/m), 반사가 비치는 원뿔 반각 = 화각 반각 + 렌즈 구멍 반각, 조명 폭 반각 = atan(조명 폭 ÷ 2 ÷ 거리), 거울 면 기울기 θ → 반사 방향 2θ, 피사계 심도 ≈ 2 × N × c × (m + 1) ÷ m²
• 계산 가정: 5 MP(2,448 × 2,048 px, 화소 3.45 μm) 카메라, 25 mm 렌즈, f/5.6, 시야 가로 40 mm, 막대 조명 폭 30 mm, 12비트 출력, 편광 필터 장당 투과 40 %, 초당 40장

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