머신비전 설비 도입 전 사양서에 먼저 적어야 할 것

OPTICS

견적 요청서는 결함 크기로 시작해 인수 조건으로 끝나야 하고, 미검출률 1%를 말하려면 NG 견본 299개를 모두 잡아야 합니다.

결함 100 μm, FOV 100 mm, 이동 속도 100 mm/s인 사출 커버 검사를 예로 들어, 분해능에서 노출과 대역폭을 거쳐 인수 견본 수까지 한 줄로 이어지는 계산을 사양서 문장으로 옮겼습니다.

읽는 시간 약 13분

비전 검사 설비의 견적 요청서¹는 대개 카메라 화소 수와 ‘고속·고정밀’ 같은 형용사로 시작합니다. 같은 요청서를 공급사 세 곳에 보내면 세 곳이 각자 다른 셋업을 떠올리고, 견적은 서로 비교할 수 없는 조건으로 돌아옵니다. 한 곳은 FOV를 넓게 잡고, 한 곳은 조명을 빼고, 한 곳은 처리 시간을 평균값으로 적는 식이죠.

사양이 불량 정의 대신 부품 스펙으로 시작하면, 입고 뒤 시운전에서야 최소 결함이 세 칸에 못 미치거나 조명이 표면 반사를 이기지 못한다는 사실이 드러납니다. 그때 손댈 수 있는 것은 이미 발주된 하드웨어보다 알고리즘 임계값 쪽이고, 임계를 만지는 동안 과검출과 미검출 사이에서 수율 손실과 유출 위험이 함께 쌓입니다.

그래서 저는 요청서의 순서부터 바꿉니다. 불량 정의, 분해능, 광학, 조명, 촬상 조건, 인터페이스와 처리, 인수 조건 순서로 채우면 각 줄이 앞 줄에서 계산으로 나와 공급사 사이의 조건이 같아집니다. 예로 쓸 부품은 가로 100 mm 남짓한 무광 회색 사출 커버이고, 찾을 결함은 100 μm 흑점과 이물이며, 부품은 촬영 중에 100 mm/s로 움직인다고 가정합니다.

첫 줄은 결함 크기와 표면 재질이다

요청서 첫 장에는 결함 종류별 최소 크기를 μm로 적고, 그 옆에 대상 표면의 재질과 반사 특성을 적습니다. 분해능과 렌즈, 조명과 노출 조건이 모두 이 두 값에서 계산되기 때문입니다. 최소 결함이 정해지면 필요 분해능이 나오고, 표면이 거울처럼 한 방향으로 반사하는지 사방으로 흩는지에 따라 조명 방식의 후보가 갈립니다.

‘스크래치 불가’라고만 쓰면 공급사는 각자의 기준으로 해석합니다. ‘폭 20 μm, 길이 300 μm 이상 스크래치, 연마 알루미늄 경면’이라고 쓰면 분해능은 20 ÷ 3 = 6.7 μm/px 이하로 정해지고, 평탄한 경면이라 동축 조명이 첫 후보로 좁혀집니다(동축 조명 글). OK와 NG의 경계에 놓인 실물, 곧 한도 견본²을 함께 보내면 해석 차이는 더 줄어요. 이 예제의 사출 커버라면 ‘흑점·이물 지름 100 μm 이상, 무광 회색 사출면, 확산 반사 위주’가 첫 줄입니다.

결함 크기와 재질을 숫자로 적지 못하는 단계라면 설비 발주보다 샘플 평가가 먼저입니다. 표면이 반들거리거나 난반사가 심한 재질은 조명 후보를 좁히는 데까지가 계산의 몫이고, 그 조명이 결함을 얼마나 띄울지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다. 제 기준으로는 사양서의 첫 줄을 쓸 수 없는 공정이라면 아직 견적을 받을 단계에 이르지 못한 것입니다.

화소 수는 나눗셈의 결과로 적는다

화소 수와 렌즈는 요청서에 요구값보다 유도값으로 적습니다. 화소 분해능³은 최소 결함 ÷ 3, 필요 화소 수는 FOV ÷ 분해능이고, 초점거리는 얇은 렌즈 식으로 역산합니다. 여기에 WD⁴와 부품 높이 편차, 곧 피사계 심도⁵ 요구를 더하면 렌즈를 일반 렌즈로 갈지 텔레센트릭으로 갈지가 정해집니다.

그림은 일곱 줄을 화살표로 이은 것입니다. 사출 커버의 숫자를 넣으면 100 μm ÷ 3 = 33.3 μm/px, 100 mm ÷ 33.3 μm/px = 3,000 px이니 요구값의 자리에는 ‘가로 3,000 px 이상’이 들어갑니다. 4,096 px급 센서를 고르면 24.4 μm/px에서 결함이 약 4.1칸을 덮어 한 칸 남짓 여유가 생기고요. 렌즈와 거리는 렌즈 계산기 글의 방식대로 같은 숫자에서 역산합니다.

요청서에는 ‘가로 3,000 px 이상, 렌즈 앞면 기준 WD ○○ mm 이상, 높이 편차 ±○ mm 안에서 최소 결함 세 칸 유지’처럼 적습니다. 이렇게 쓰면 공급사가 카메라 두 대로 시야를 나누는 다른 구성을 제안해도 같은 잣대로 비교할 수 있어요. 카메라 자체를 비교하고 싶다면 제조사별 표기 대신 EMVA 1288⁶ 형식의 측정 데이터(양자효율, 암잡음, 포화 용량, 다이내믹 레인지)를 요구하시길 권합니다. 계산으로 나오는 항목을 요구값처럼 적으면, 공급사가 그 숫자를 맞추는지 불량 정의를 맞추는지 확인할 길이 사라집니다.

속도가 노출을, 노출이 빛의 양을 정한다

조명 칸에는 종류 이름보다 조건을 적습니다. 방식 후보, 파장, 연속광인지 스트로브인지, 노출 시간 상한, 균일도입니다. 부품이 움직이는 동안 찍는다면 노출 중에 움직인 거리가 한 칸을 넘지 않아야 모션 블러⁷ 없이 찍히니, 노출 시간 상한은 화소 분해능 ÷ 이동 속도가 됩니다.

사출 커버에 넣으면 24.4 μm ÷ 100 mm/s = 244 μs입니다. 연속광 기준 노출을 2 ms로 가정하면, 같은 밝기를 244 μs에서 얻는 데 빛이 약 8.2배 필요해요. 이 숫자가 요청서에 있어야 조명 공급사가 연속광으로 버틸지, 짧은 순간 정격보다 세게 켜는 스트로브 오버드라이브⁸가 필요한지 판단합니다(스트로브 오버드라이브 글). 부품을 움직이는 이송 기구의 제어 조건은 별도 검토가 필요합니다.

조명 칸에는 균일도와 함께 광출력이 시간이 지나며 떨어질 때의 대응도 적습니다. 기준 패치를 화면 구석에 두고 그 밝기를 감시하는 주기, 재보정 주기 같은 것들이에요. LED 출력이 서서히 떨어지는 과정은 LED 열화 글에 따로 계산해 두었습니다. 이 줄이 없으면 인수 때 맞던 셋업이 몇 달 뒤 경보 없이 어두워지기도 합니다.

대역폭과 지연은 꼬리까지 적는다

마지막 세 줄 가운데 둘은 데이터 경로와 처리 시간입니다. 화소 수 × 비트 심도 × 프레임 속도가 카메라 인터페이스의 대역폭⁹을 넘으면 분해능이나 속도 중 하나를 깎게 되고, 처리 시간은 평균보다 꼬리 지연이 마감을 넘기는지로 따져야 합니다.

4,096 × 3,000 px 8비트 영상을 초당 10장 받으려면 122.9 MB/s가 필요합니다. 1GigE 링크의 이론값 125 MB/s에서 패킷 헤더 몫을 뺀 실효값을 약 115 MB/s로 가정하면 7% 남짓 넘칩니다. 같은 링크로는 초당 9.36장이 상한이에요. 10장을 지키려면 더 넓은 링크로 바꾸거나 영상에서 검사할 영역만 잘라 보내야 하고, 1GigE를 지키려면 프레임 수를 9장 이하로 낮춥니다. 어느 쪽이 맞는지는 인터페이스 대역폭 글의 계산을 따르고, 요청서에는 필요 대역폭(MB/s)과 링크 종류를 함께 적습니다. 제가 이 줄을 빼지 않는 이유는 대역폭 초과가 시운전 첫날에야 프레임 누락으로 드러나기 때문이에요.

처리 시간은 p99 지연¹⁰으로 적습니다. 판정 신호가 마감을 넘기는 순간은 평균보다 드물게 늘어지는 꼬리에서 오거든요. 부품이 1초에 하나씩 지나가는 라인에서 1,000개 중 1개가 늦으면 8시간에 28.8개가 마감 안에 판정을 받지 못합니다. 평균만 적은 요청서는 이런 시스템도 사양을 만족한 것으로 받아들이게 됩니다. 구간별로 나누는 방법은 p99 지연 예산 글에 있습니다.

견본 299개가 약속할 수 있는 것

인수 조건은 요청서의 마지막 줄이자 가장 비워 두기 쉬운 줄입니다. 조건이 없으면 ‘잘 된다’의 기준이 계약 뒤에 정해집니다. 저라면 정상 샘플 몇 개에서 과검출 몇 건, 한도 견본 NG 몇 개 가운데 몇 개 검출처럼 샘플 수와 목표를 숫자로 적습니다. 문제는 그 샘플 수가 약속할 수 있는 숫자에 한계가 있다는 점이에요.

NG 견본 n개를 모두 잡았다고 미검출률이 0%라고 말할 수는 없습니다. 놓칠 확률이 p인 검사기가 n개를 연달아 모두 잡을 확률은 (1 − p)^n이고, 이 값이 5%로 떨어지는 p가 우연으로 설명할 수 있는 한계입니다. 그래서 0건을 관찰했을 때 95% 신뢰로 말할 수 있는 미검출률 상한은 1 − 0.05^(1/n)이고, 3의 법칙¹¹이라 부르는 3/n이 그 근사값입니다. NG 견본 30개를 전부 잡으면 상한은 9.5%, 59개면 4.95%, 299개면 1.0%입니다. 미검출률 1% 이하를 약속받고 싶다면 한도 견본 NG가 300개 가까이 있어야 합니다. 30개로는 모자랍니다.

세 숫자 가운데 요청서에서 가장 빠지기 쉬운 것이 299입니다. 제 눈에는 이 숫자가 인수 조건 협상의 출발점입니다. 이 계산은 견적 단계에서 현실적인 약속을 고르는 데 씁니다. NG 견본을 300개 모을 수 없다면 미검출률 목표를 5%로 두고 견본 59개로 시작하거나, 결함 종류별로 견본을 나눠 가장 위험한 결함에 견본을 몰아 주는 식입니다. 과검출에도 같은 식이 적용되어, 정상 샘플 299개에서 과검출 0건이면 과검출률 1% 이하를 같은 신뢰로 말할 근거가 됩니다.

사양서 한 장으로 묶으면

여섯 단계를 사양서 한 장으로 묶으면 아래와 같습니다. 숫자는 사출 커버 예제의 값이고, 근거 칸에는 그 숫자가 어느 줄에서 계산되어 내려왔는지를 적었습니다.

항목	기준값	조건·근거	풀어 쓰면
① 최소 불량 사이즈	흑점·이물 지름 100 μm, 한도 견본 첨부	모든 계산의 시작값. 표면은 무광 회색 사출(확산 반사 위주)	가장 작은 불량을 μm로 적는다
② 분해능 · 화소	33.3 μm/px 이하 → 가로 3,000 px 이상(4,096 px면 24.4 μm/px, 4.1칸)	최소 결함 ÷ 3, FOV 100 mm ÷ 분해능	화소 수는 나눗셈의 결과
② 렌즈 · WD	초점거리는 얇은 렌즈 식으로 역산, WD는 렌즈 앞면 기준 mm로 조명·치구 공간 포함	설치 공간 도면과 대조, 높이 편차 ± mm를 피사계 심도 요구로	렌즈와 부품 사이 거리를 도면으로 약속한다
② 노출 · 조명	노출 상한 244 μs(100 mm/s 가정), 방식 후보, 파장, 균일도, 열화 대응	화소 분해능 ÷ 이동 속도. 기준 노출 2 ms 대비 빛 8.2배	움직이는 동안 한 칸 이상 번지지 않게
③ 알고리즘 · 처리	필요 대역폭 122.9 MB/s(10 fps), p99 지연 ≤ 판정 마감	1GigE 실효 약 115 MB/s 가정과 비교. 평균값만 적지 않음	링크와 마감을 꼬리까지 본다
③ 인수 조건	한도 견본 NG 299개 전수 검출(미검출률 1% 이하, 95% 신뢰), 정상 299개 과검출 0건	0건 관찰 시 상한 = 1 − 0.05^(1/n) ≈ 3/n	견본 수가 약속할 수 있는 숫자를 정한다

표를 위에서 아래로 읽으면 각 줄이 앞 줄의 계산 결과라는 점이 먼저 보입니다. 이 순서로 채운 요청서를 받은 공급사들은 조건 해석에서 갈리지 않고 설계 선택에서만 갈라지니, 그제야 견적을 나란히 놓고 비교할 수 있습니다. 반대로 ②의 화소 수부터 적으면 ①과의 연결이 끊겨, 같은 화소 수라도 결함이 덮는 칸 수가 제각각인 제안을 받게 됩니다. 저는 이 표를 요청서 본문 앞에 붙여 보내시길 권합니다.

이 순서가 과한 경우도 있습니다. 불량 정의 자체가 정해지지 않은 새 공정이라면 설비 요청서보다 샘플 평가 단계를 먼저 계약하는 편이 낫습니다. 검증된 셋업을 그대로 다시 들이는 경우는 기존 사양서를 쓰고 재질과 로트 변화만 차이로 관리하는 쪽이 빠르고요. 부품이 있는지 없는지만 보는 단순 유무 검사라면 일곱 단계 전체보다 FOV, WD, 처리 시간 세 줄로 충분할 수 있습니다.

결함 크기에서 인수 견본 수까지 이어지는 계산은 설비 엔지니어로 일을 시작하는 사람이 사양서를 읽는 눈을 길러 줍니다. 견적을 비교해 예산을 정하는 쪽에서 보면, 카메라 단가를 깎는 것보다 요청서 한 장이 견적 사이의 차이를 더 크게 줄입니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

요청서를 공급사에 보내기 전이라면 저는 불량 정의 표와 인수 조건 줄을 먼저 맞춰 봅니다. 결함 크기와 재질, 반사 특성이 숫자로 적혀 있지 않으면 공급사마다 FOV와 조명을 다르게 잡아 제안끼리 비교할 수 없기 때문입니다. 그 표에는 렌즈 앞면 기준 WD와 설치 공간 도면을 붙이고, 인수 조건 칸에는 확보할 수 있는 NG 견본 수와 그 수로 말할 수 있는 미검출률 상한을 함께 적습니다. 견본이 30개뿐이라면 그 칸에는 9.5%라는 숫자가 들어갑니다.

현장 체크포인트

현장 노트의 표를 요청서에 옮기기 전에 아래 질문에 답해 봅니다.

• 렌즈 앞면 기준 WD와 조명·치구 공간이 요청서에 도면과 함께 숫자로 적혀 있는가? (공급사마다 다른 거리를 가정하지 않게)
• 최소 결함(μm)과 표면 재질이 숫자와 용어로 정의되고 한도 견본이 첨부되었는가? (첫 줄이 비면 나머지도 비어 있다)
• 화소 수와 초점거리가 분해능에서 유도된 값으로 적혔는가? (100 μm ÷ 3 → 33.3 μm/px → 3,000 px)
• 노출 시간 상한이 분해능과 이동 속도로 계산되어 조명 조건에 들어갔는가? (24.4 μm ÷ 100 mm/s = 244 μs)
• 필요 대역폭과 처리 시간을 평균 대신 p99로 요구했는가? (122.9 MB/s는 1GigE 실효값을 넘는다)
• 인수 조건의 견본 수가 약속하려는 미검출률과 맞는가? (1% 이하면 NG 견본 약 300개, 30개면 9.5%)

자주 묻는 질문

카메라 화소 수를 요청서에 아예 적지 말아야 하나요?

적되 근거와 함께 적습니다. ‘최소 결함 100 μm, FOV 100 mm → 분해능 33.3 μm/px 이하 → 가로 3,000 px 이상’처럼 유도 과정을 남기면, 공급사가 카메라 두 대로 시야를 나누는 구성을 제안해도 같은 기준으로 비교됩니다.

처리 시간은 왜 p99로 적나요?

판정 신호가 마감을 넘기는 순간은 드물게 늘어지는 꼬리에서 오기 때문입니다. 평균만 적으면 1,000개 중 1개꼴로 늦는 시스템도 사양을 만족합니다. 요청서에는 p99와 함께 측정 조건(부품 수, 연속 운전 시간)을 적어 두어야 그 숫자를 다시 잴 길이 생깁니다.

NG 견본이 몇 개 없으면 인수 조건을 어떻게 쓰나요?

확보한 견본 수로 말할 수 있는 상한을 그대로 적습니다. NG 견본 20개를 모두 잡았다면 95% 신뢰로 말할 수 있는 미검출률 상한은 약 13.9%입니다. 이 숫자가 불편하다면 견본을 더 모으거나, 가장 위험한 결함 종류에 견본을 몰아 그 결함만큼은 상한을 낮추는 쪽을 택합니다.

용어 풀이

• [1] 견적 요청서 request for quotation, RFQ
  사려는 설비의 조건을 적어 여러 공급사에 견적을 청하는 문서입니다. 조건이 숫자로 적혀야 돌아온 견적끼리 비교할 수 있습니다. ↩
• [2] 한도 견본 boundary sample
  합격과 불합격의 경계에 놓인 실물 견본입니다. 말로 적은 기준보다 해석이 덜 갈립니다. ↩
• [3] 화소 분해능 pixel resolution, μm/px
  화소 한 칸이 검사 면에서 덮는 길이입니다. 24.4 μm/px면 화소 하나가 부품 위 24.4 μm를 담당합니다. ↩
• [4] WD working distance, 작동 거리
  렌즈 앞면에서 검사할 면까지의 거리입니다. 조명과 치구가 이 사이에 들어가야 해서 도면으로 약속합니다. ↩
• [5] 피사계 심도 depth of field, DOF
  초점을 한 거리에 맞췄을 때 앞뒤로 또렷하게 보이는 깊이의 폭입니다. 부품 높이 편차가 이 안에 들어야 합니다. ↩
• [6] EMVA 1288 camera measurement standard
  머신비전 카메라와 이미지 센서의 성능을 같은 방법으로 재고 표기하도록 정한 표준입니다. 제조사가 달라도 숫자를 나란히 놓을 수 있습니다. ↩
• [7] 모션 블러 motion blur
  노출하는 동안 부품이 움직여 상이 길게 번지는 현상입니다. 달리는 차를 느린 셔터로 찍으면 꼬리가 생기는 것과 같습니다. ↩
• [8] 스트로브 오버드라이브 strobe overdrive
  짧은 펄스 동안 LED에 정격보다 큰 전류를 흘려 순간 밝기를 높이는 구동 방식입니다. 켜져 있는 시간이 짧아 열이 쌓이기 전에 꺼집니다. ↩
• [9] 대역폭 bandwidth, MB/s
  카메라와 컴퓨터 사이 링크가 1초에 실어 나를 수 있는 데이터 양입니다. 영상 크기와 프레임 수를 곱한 값이 이보다 작아야 합니다. ↩
• [10] p99 지연 99th percentile latency
  지연 시간을 짧은 순서로 늘어놓았을 때 99%째에 해당하는 값입니다. 평균은 괜찮아도 100번 중 1번 늦는 꼬리를 드러냅니다. ↩
• [11] 3의 법칙 rule of three
  n번 시험해 한 번도 일어나지 않은 사건의 비율을 95% 신뢰로 3/n 이하라고 보는 근사입니다. 정확한 값은 1 − 0.05^(1/n)입니다. ↩

참고 자료

• EMVA 1288, Standard for Measurement and Presentation of Specifications for Machine Vision Sensors and Cameras (Release 4.0)
• Rule of three (statistics), Wikipedia: n번 시행에서 0건이면 0~3/n이 95% 신뢰구간
• 계산식: 화소 분해능 = 최소 결함 ÷ 3, 필요 화소 수 = FOV ÷ 분해능, 노출 상한 = 화소 분해능 ÷ 이동 속도, 대역폭 = 가로 × 세로 × 바이트/화소 × 프레임 속도, 0건 관찰 시 95% 상한 = 1 − 0.05^(1/n). 계산 가정: 1GigE 실효 115 MB/s, 기준 노출 2 ms, 부품 간격 1초

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