밝기 증강으로 조명 변화를 흉내 낼 수 있는가 — 다조건 실측 촬영 매트릭스로 만드는 엣지 모델 일반화

EDGE AI / ALGORITHM

절삭 가공 알루미늄 부품의 찍힘과 스크래치를 학습한 엣지 모델이, 조명 브래킷을 다시 조이거나 설비를 옆 라인으로 옮긴 뒤 갑자기 성능이 떨어지는 경우가 있습니다. 학습 단계에서 밝기·감마·노이즈 증강을 충분히 넣었는데도 그렇습니다. 원인을 추적해 보면 대개 조명의 밝기가 아니라 조명 각도가 바뀐 경우입니다.

이 차이를 놓치면 비용은 재학습 루프로 나타납니다. 현장에서 재촬영·재라벨링·재배포를 반복하는 동안 검사 신뢰도가 떨어진 구간이 생기고, 그 사이 찍힘의 방향에 따라 일부 결함이 미검출로 통과합니다. 더 나쁜 경우는 늘어난 과검출을 줄이려고 판정 임계를 올리면서, 가장 가는 스크래치의 미검출이 조용히 늘어나는 것입니다.

해법은 증강이 재현할 수 있는 변화와 재현할 수 없는 변화를 먼저 구분하는 것입니다. 밝기·감마·노이즈 증강은 픽셀 값의 변화를 흉내 내지만, 조명 각도의 변화는 그림자 방향과 정반사 위치라는 공간 구조의 변화입니다. 후자는 실제 조명 조건을 바꿔 가며 찍은 다조건 실측 촬영 매트릭스를 통해서만 학습 데이터에 들어올 수 있습니다.

밝기 증강은 값을 바꾸고, 조명 각도는 위치를 바꿉니다.

1. 픽셀별 증강이 재현하지 못하는 것 — 그림자 방향

Point. 밝기·감마·노이즈 증강은 모두 픽셀별 변환이며, 픽셀별 변환으로는 그림자의 방향을 옮길 수 없습니다.

Reason. 밝기 증강은 I′ = aI + b, 감마 증강은 I′ = I^γ 형태로, 각 픽셀의 새 값이 그 픽셀의 원래 값에만 의존합니다. 게다가 a > 0인 밝기 변환과 감마 변환은 단조 증가 함수이므로 두 픽셀의 밝기 순서를 뒤집지 못합니다. 노이즈 증강도 픽셀마다 독립적인 요동을 더할 뿐 구조를 옮기지 않습니다. 반면 저각 방향 조명에서 찍힘은 조명 쪽 경사면이 밝고 반대쪽 경사면이 어두운 명암 쌍으로 기록되고, 조명 방위각이 180° 바뀌면 이 명암 쌍의 좌우가 뒤바뀝니다. 밝았던 픽셀이 어두워지고 어두웠던 픽셀이 밝아지는 순서 역전은 어떤 단조 변환으로도 만들 수 없습니다.

Example. 방위각 0° 조명으로만 촬영한 찍힘 데이터에 밝기 ±20%, 감마 0.8~1.25, 가우시안 노이즈 σ = 2 DN(8비트 기준)을 적용하면 이미지마다 명도와 입자감은 달라지지만, 명암 쌍의 방향은 모든 샘플에서 “조명 쪽 밝음, 반대쪽 어두움”으로 고정됩니다. 모델은 찍힘을 “이 방향의 명암 쌍”으로 학습하고, 180° 조건의 찍힘은 다른 패턴으로 봅니다. 좌우 뒤집기 증강이 방향을 일부 흉내 낼 수는 있지만, 가공 결(툴 마크)의 방향까지 함께 뒤집혀 실제로는 존재하지 않는 이미지를 만듭니다.

Point. 증강 목록을 짤 때는 “이 변화가 픽셀 값의 변화인가, 위치의 변화인가”를 먼저 물어야 합니다. 위치의 변화는 증강이 아니라 촬영으로 확보해야 합니다.

2. 정반사 위치 이동 — 금속 표면에서 더 큰 문제

Point. 가공 금속 표면에서는 그림자보다 정반사 하이라이트의 위치 이동이 모델을 더 크게 흔듭니다.

Reason. 정반사는 입사각과 반사각이 같은 방향으로만 강하게 돌아오므로, 하이라이트가 이미지의 어디에 맺히는지는 조명 위치, 카메라 위치, 표면 법선의 기하학으로 정해집니다. 조명 고도각이 조금만 바뀌어도 하이라이트 띠는 곡면을 따라 이동하고, 그 자리에 있던 결함은 포화 영역에 묻히거나 반대로 새로 드러납니다. 포화된 픽셀에는 결함 정보가 원리적으로 남아 있지 않으므로, 소프트웨어가 그 자리에서 되살릴 수 있는 것도 없습니다.

Example. 모따기 곡면이 있는 알루미늄 부품을 조명 고도각 45°에서 찍으면 하이라이트 띠가 모따기 중간에 맺히고, 30°로 낮추면 띠가 모따기의 다른 위치로 이동합니다. 45° 데이터만 학습한 모델은 “모따기 중간의 밝은 띠”를 정상 외관의 일부로 기억하므로, 30° 조건에서는 띠가 옮겨 간 자리를 이상 패턴으로 볼 수 있습니다. 밝기 증강으로 띠를 어둡게 하거나 밝게 해도 띠의 위치는 그대로입니다. 고반사와 난반사가 섞인 이런 표면에서 이동 폭은 가공 조도와 곡률에 좌우되므로 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. 금속 부품에서는 조명 브래킷의 설치 공차 자체가 학습 데이터 분포의 일부입니다. 설치 공차로 생길 수 있는 각도 범위를 촬영 조건에 포함해야 합니다.

3. 다조건 실측 촬영 매트릭스 설계

Point. 조명 각도 변화에 대한 일반화는 증강 강도를 올려서가 아니라, 조명 조건을 축으로 한 촬영 매트릭스를 설계해서 얻습니다.

Reason. 여러 조건을 계획 없이 섞어 찍으면 촬영량만 늘고, 어떤 조건이 성능을 떠받치는지 알 수 없습니다. 매트릭스로 설계하면 조건 축(고도각, 방위각, 광량)이 명시되어 조건 단위로 학습과 검증을 나눌 수 있습니다. 특히 검증은 무작위 분할이 아니라 조건 단위 홀드아웃(한 방위각을 통째로 학습에서 빼고 평가)으로 해야, 처음 보는 조명 조건에 대한 일반화를 실제로 측정할 수 있습니다. 무작위 분할에서는 같은 조건의 이웃 샘플이 학습과 검증에 함께 들어가 성능이 과대평가됩니다.

Example. 설계 가정으로 조명 고도각 3단계(30°, 45°, 60°) × 방위각 4방향(0°, 90°, 180°, 270°) × 광량 2단계 = 24조건을 두고, 조건당 정상 40장과 불량 20장을 촬영하면 총 1,440장입니다. 광량 축은 밝기 증강으로 일부 대체할 수 있으므로, 촬영 예산이 부족하면 광량을 1단계로 줄여 12조건 720장으로 시작하되 각도 축은 줄이지 않는 것이 우선순위입니다. 엣지 모델은 이 데이터로 학습하고, 밝기·감마·노이즈 증강은 조건 사이의 광량 편차와 센서 잡음을 메우는 보조 역할로만 둡니다.

Point. 촬영 매트릭스는 데이터 수집 계획이자 조명 설치 공차의 명세서입니다. 매트릭스 밖의 각도로 설치되었다면, 그 조건은 아직 검증되지 않은 조건이라는 뜻입니다.

무작위 분할 검증은 처음 보는 조명에 대한 성능을 측정하지 못합니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	스크래치	폭 45 µm 이상	설계 가정. 14.9 µm/px에서 약 3.0 px(검출 하한)
① 최소 불량 사이즈	찍힘(dent)	직경 100 µm 이상	설계 가정. 약 6.7 px, 명암 쌍 각 3 px 안팎
① 최소 불량 사이즈	모따기 버(burr)	길이 150 µm 이상	설계 가정. 약 10 px, 하이라이트 이동 구간 포함
② 광학 셋업	조명	저각 방향성 바 조명 4방위, 고도각 30°/45°/60° 조정형	가공 알루미늄 고반사·난반사 혼재. 샘플 테스트 전 확언 불가
② 광학 셋업	카메라	4096 × 3000 px, 화소 3.45 µm	설계 가정. 센서 폭 약 14.1 mm
② 광학 셋업	렌즈	초점거리 35 mm, 배율 약 0.23×	계산값: 14.1 mm ÷ 61 mm
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	160 mm 이상 확보 필수	물체 거리 계산값 약 186 mm(주점 기준). 고도각 30° 바 조명 설치 공간 포함 실측
② 광학 셋업	FOV·화소 분해능	FOV 61 mm × 45 mm, 14.9 µm/px	계산값: 61,000 µm ÷ 4,096 px ≈ 14.9 µm/px
③ 알고리즘	픽셀별 증강	밝기 ±20%, 감마 0.8~1.25, 노이즈 σ 2 DN	광량 편차·센서 잡음 보조용. 각도 변화 대체 불가
③ 알고리즘	촬영 매트릭스	고도 3 × 방위 4 × 광량 2 = 24조건, 조건당 60장, 총 1,440장	설계 가정. 예산 부족 시 광량 축부터 축소
③ 알고리즘	검증 분할	방위각 단위 홀드아웃 4회(회당 360장)	무작위 분할 결과와 병기해 과대평가 폭 확인
③ 알고리즘	입력	512 × 512 px 타일 48장(8 × 6), 축소 없음	원본 화소 분해능 유지 전제

표 시사점. 14.9 µm/px에서 45 µm 스크래치는 약 3.0 px로 검출 하한에 걸려 있어, 조명 각도 변화로 콘트라스트가 조금만 떨어져도 가장 먼저 사라지는 클래스입니다. 촬영 매트릭스 1,440장 중 방위각 하나는 360장(고도 3 × 광량 2 × 60장)으로 홀드아웃 검증 1회분이 되며, 이 360장에서 스크래치 재현율이 무작위 분할 대비 얼마나 떨어지는지가 곧 “처음 보는 조명”에 대한 일반화 여유를 수치로 보여 줍니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 조명이 고정 지그로 공차 관리되고 대상이 확산 표면인 경우: 각도 변화가 거의 생기지 않으므로 단일 조건 촬영과 픽셀별 증강만으로 충분할 수 있습니다. 촬영 매트릭스 비용이 과잉이 됩니다.
• 표면 반사 특성을 측정해 렌더링할 수 있는 경우: 반사 모델(BRDF)을 측정해 합성 이미지를 만들면 각도 변화를 일부 합성으로 대체할 수 있습니다. 다만 반사 모델 측정과 검증 비용이 따로 듭니다.
• 돔 조명처럼 전방위 확산 조명을 쓸 수 있는 경우: 그림자와 하이라이트의 방향성 자체를 하드웨어로 없애는 편이 촬영 매트릭스보다 저렴할 수 있습니다. 대신 찍힘의 명암 콘트라스트도 함께 약해집니다.

가공 금속처럼 난반사와 정반사가 섞이는 표면에서는 조명 각도에 따른 외관 변화 폭이 가공 조도와 곡률에 크게 좌우되므로, 필요한 촬영 조건의 수는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인 바로 앞의 가공 부품 외관 검사에서, 설비 이설 후 바 조명 브래킷이 45°보다 낮은 각도로 재조립되면서 모따기 부위의 과검출이 갑자기 늘어난 적이 있습니다. 학습 데이터에는 밝기·감마 증강이 충분히 들어 있었지만, 하이라이트 띠가 옮겨 간 위치는 한 번도 학습된 적이 없었습니다. 이후 방위각 단위 홀드아웃 검증을 도입해 보니, 무작위 분할에서 보던 성능이 특정 방위각에서만 크게 떨어진다는 것을 확인할 수 있었습니다. 어느 정도의 촬영 조건이면 충분한지는 부품 형상마다 달라서, 지금도 새 부품은 샘플 매트릭스를 먼저 찍어 보고 판단하고 있습니다.

현장 체크포인트

• WD 160 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 고도각 30° 바 조명의 설치 공간과 브래킷 간섭을 포함해 확인할 것.
• 대상물 표면 재질과 반사율을 먼저 특정했는가 — 가공 조도와 모따기 곡률에 따라 하이라이트 이동 폭이 달라집니다.
• 증강 목록의 각 항목을 “값의 변화”와 “위치의 변화”로 분류했는가.
• 조명 브래킷의 설치 공차로 생길 수 있는 각도 범위가 촬영 매트릭스 안에 들어 있는가.
• 검증을 무작위 분할이 아닌 조건 단위 홀드아웃으로 수행하는가.
• 45 µm 스크래치가 3 px 이상을 점유하는지, 하이라이트 이동 구간의 재현율을 따로 집계하는가.