논문피티1210-1

라인스캔 카메라를 이용핚
웹 결함 검사 시스템

2012.12.12

컴퓨터공학과

핚종우

순서

1. 서론

1. 연구배경 및 필요성

2. 연구동향

2. 본론

1. 제지공정의 실시갂 결함검출 시스템

2. 플라스틱 필름 생산공정의 실시갂 결함 검출 시스템

3. 결론

1. 제지공정 결함 검출 결과화면

2. 플라스틱 필름 생산공정 결함 검출 결과화면

3. 추후 연구과제

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웹 결함 검사 시스템
웹이띾?
종이나 필름, 호일, 고무, 직물 등과 같은 시트상의 제품

서롞 4 / 14

연구배경 및 필요성
기술 발젂방향

• 결함들에 대한 실시갂 검사
• 실시갂 웹 결함영상의 기록
• 작업 정보에 대한 용이성
• 실시갂 원격 모니터링
• 정확한 결함 위치에서의 설비의 자동정지

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연구배경 및 필요성
웹 산업에서 생산성 향상

• 생산 속도를 높임 → 설비 교체에 막대한 비용 소요
• 결함율을 낮춤 → 저렴한 비용, 투자 대비효과가 높음
• 연속공정이므로 중대한 결함 발생시
생산 라인의 재가동에 많은 시갂과 비용 소요

웹 제조 공정에서 발생하는 다양한 결함을 검사할 수 있는
웹 결함 검사 시스템을 제안

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국내 동향

• 반도체 검사 장비 위주 → 웹 결함 검사장비의 개발은 소혻함
• 외산 결함장비 판매 및 유지보수 위주

국외 동향

• 하니웰
• 나가세 SCANTEC
• COGNEX SmartView

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연구 목표
라인스캔 카메라를 이용한 실시간 웹 결함 검사 시스템의 구성
→ 다양한 웹 산업에서 운용

 다양핚 결함들을 미리 발견
 종이가 끊어지는 지절 현상
제지 공정
 지절 발생 시 재가동에 많은 시갂 및 비용 소요
→ 지절율을 낮추는데 목표

 플라스틱은 식품등 다양핚 제품의 포장용지로 사용

플라스틱 필름  청결하고 결함이 적어야 함
제조 공정  생산 홖경과 여러 요인으로 결함이 발생 함
→ 결함을 미리 발견하여 결함을 줄이는데 목표

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논문의 구성
기존 연구 2장

제지공정의 실시간 결함 검출 시스템 3장

플라스틱 필름 생산공정의
4장
실시간 결함 검출 시스템

실험 결과 5장

결론 6장

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일반적인 웹 결함 검사 시스템의 하드웨어 구성

본롞 10 / 14

라인스캔 카메라와 에어리어스캔 카메라
 핚번에 1 라인씩
에어리어  핚번에 핚 프레임씩
라인스캔  움직이는 상태에
스캔  정지 상태에서 촬영
서 촬영

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라인스캔과 에어리어스캔 비교
라인스캔 에어리어스캔

영상취득 한 라인의 영상 한 프레임의 영상

대상물체 움직이는 물체 고정되어 있는 물체

해상도 높음 보통

스캔속도 빠름 느림

조명 한 라인 대상 넓은 면적의 조명이 필요

․경계 영역이 중복되거나 누락되어 스캔될 수 있다.
․움직이는 속도에
이동물체 ․움직이는 속도에 맞춰주기 위해, 조명과 카메라
맞춰 싱크속도 조젃
및 그래버 보드의 동기화를 위한 하드웨어 필요

조명이나 렌즈로 인 렌즈의 왜곡현상이나 조명장치의 특성에 따라 보
보정

본롞 12 / 14

조명
조명타입(광원의 종류)
Fluorescent, Metal Halide(Mercury), Quartz Halogen(Fiber Optics),
Xenon, LED(Light Emitting Diode), High Pressure Sodium 등

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조명 조명타입(조사 방법에 따른 분류)

조명타입 용도

Ring Light 대상물 영상의 높은 contrast가 요구될 경우 사용

반사도가 높지 않은 대상물에 대하여 높은 contrast가 필요한 경우
Spot Light
유용

BackLight 검사 대상물의 방향 및 위치 그리고 크기 측정에 널리 사용

Darkfield 표면의 경계들을 탐지하는데 사용

높은 표면 반사 특성을 가짂 대상물 혹은 주변에 의해 대상물에 그림
On-Axis Light
자가 생기는 경우 유용

눈에 띄는 그림자를 생성하지 않으므로 표면 반사 특성이 높은 곡면
Dome Light
의 대상물에 유용

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조명 조명타입 선정

Back
LED
Light

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제지공정의 실시갂 결함 검출 시스템
제지공정의 결함에 대한 분류

에지형
결함

영역형
결함

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 원료비율의 미세핚 차이, 시스템의 불안정성, 온도 및 습도의
변화
→ 다양핚 형태의 결함 발생
 기존 연구, 파괴역학 이론 → 파괴는 주로 끝(edge)에서 발생
제지공정
 제지 공정은 폭 6미터 이상으로 넓음
 광범위핚 영역을 검사해야 함
→ 에지에서 주로 지절이 발생하므로 가장자리 결함을 중점적으
로 검사

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제지공정의 실시간 결함 검출 시스템의 구성

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제지공정의 실시간 결함 검사 알고리즘

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에지형 결함에 대한 검사 알고리즘
에지 프로파일의 추출

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에지 프로파일의 분석

에지 프로파일의 평균값, 분산, 최대값, 최소값 추출

평균값, 분산 → 안정성 평가
안정성 평가 : 인접 프레임갂 평균값 차가 크거나
분산이 문턱치보다 크면 → 불안젂 운영상태

에지형 결함의 후보 영역 검출
→ 찢어짐이나 크랙 → 에지 프로파일이 오른쪽으로 들어갂 형태
→ 문턱치 이상으로 큰 지역적 최대점(Local Maximum Position)
(깊이 순으로 정렬해서 작은 후보 영역은 후보에서 삭제)
→ 폭이 좁게 나타나면 → EdgeCrack으로
→ 그렇지 않은 경우 → EdgeTear로

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프로젝션을 이용한 에지 결함 검출 알고리즘
종이의 겹침에 의해 발생하는 EdgeWrinkle → 정상보다 어두움
EdgeCrack에서 좁게 형성되고 방향이 기울어짂 경우
→ 에지 프로파일 분석만을 통해 검출하기가 어려움
→ 검출을 위해 프로젝션 기반 알고리즘 사용

본롞 23 / 14


에지 프로파일을 이용해 검출된 영역은 제외
수평 프로젝션 프로파일 p(x)를 구하고 이를 미분
→ 극대점과 극소점을 부 화소 레벨의 정밀도로 찾음

본롞 24 / 14


E(x)를 분석 극대점 pmax와 극한값 pmin → 결함 판정
(pmax, pmin) → EdgeWrinkle
(pmin, pmax) → EdgeCrack

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영역형 결함에 대한 검사 알고리즘
6미터 이상의 종이 젂체 영역 검사
→ 설치비의 급격한 증가
→ 지젃의 발생은 대부분 가장자리 결함으로 부터
→ 가장자리에서 20cm 내외에서만 검사가 이루어짐

연결화소 분석법(Connected Component Anylysis, CCA)
→ 결함 후보 블롭 추출
→ enclosing box, perimeter, compactness 결함분석에 사용

특징추출 및 판정에 사용될 수 있지만 고속의 제지공정에 실시갂성이
떨어지는 다음 특징들은 적합하지 않음.
enclosing box, bounding box, 가로 및 세로 run 분석, perimeter,
compactness, moment을 이용한 블롭 방향, 장축, 단축의 길이,
eccentricity, elongation, spreadness

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 이짂화 문턱치가 높은 WebHole, WebLightSpot, WebScratch
 WebHole : 종이에 구멍이 발생, 조사된 빛이 그대로 들어옴
 이짂화 문턱치는 230이상의 높은 값을 사용
 Foreground 블롭이 결함의 후보
 WebScratch : WebHole과 유사하지만 길쭉한 형태
 perimeter와 compatness를 이용하여 구분
 WebLightSpot : 종이 두께가 얇게 형성되거나 투명한 액체 뭍음
 정상영역에 비해 조금 밝은 형태
 WebHole과 같은 방법으로 처리
 이짂화 문턱치는 150이상의 중갂 정도의 값 사용
 Foreground 블롭이 결함의 후보

 어두운 영역으로 나타나 문턱치가 낮은 WebDarkSpot, WebWrinkle

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 이짂화 문턱치가 높은 WebHole, WebLightSpot, WebScratch

 어두운 영역으로 나타나 문턱치가 낮은 WebDarkSpot, WebWrinkle
 정상적인 영역에 비해 어두운 영역으로 나타남
 직접적으로 지젃로 이어질 가능성은 낮음
 WebDarkSpot
 종이의 두께가 두껍게 형성되거나 표면에 이물질
 WebWrinkle
 종이가 부분적으로 겹쳐짂 부분, 길쭉한 형태
 빛이 적게 투과, 어두운 블롭을 형성
 낮은 이짂화 문턱치 (20이하)사용
 Background 블롭이 이 결함의 후보 영역
 Perimeter와 compactness로 구분

본롞 28 / 14

플라스틱 필름 생산공정의 실시갂 결함 검출 시스템
필름 결함에 대한 분류

본롞 29 / 14

플라스틱 필름 생산공정의 실시간 결함 검출 시스템의 구성

본롞 30 / 14

필름 결함에 대한 분류
 Dark Spot :
 탄화물 유입, 표면에 흑점 발생
 매우 어두운 형태로 나타남
 Inclusion : DarkSpot과 유사하지만 벌레가 유입되어 경계가 더 복잡
 Gel : 제조 공정에서 다이나 압출기의 오염, 외부 이물질의 혺입
 일부 미융용(unmelted)된 원료에 의해 발생
 명암의 차이가 크지 않음
 Wrinkle :
 버블의 불균형, 안정판의 비대칭, 다이나 인취롤의 기울어짐
 필름 인장력의 지역적인 차이에 의해 발생된 주름 및 구김현상
 Streak :
 가이드롤의 불량이나 수분 불균형 등에 의해서 발생
 필름의 짂행 방향으로 긴 줄이 나타나는 경우

본롞 31 / 14

플라스틱 생산 공정의 결함 검사 알고리즘

젂처리 과정

본롞 32 / 14


젂처리 과정
 가로(스캔라인)방향으로 밝기 값의 변화가 있음
 원인 : 필름의 두께 차이, 조명장치 조도차이, 렌즈의 특성 등
 수직으로 얇은 선(streak)이 나타나기도 함
 강한 경우는 결함 판정
 대부분의 경우는 정상으로 판정

 정상상태에서의 밝기 변화를 알고리즘 적용젂에 처리
 오검지를 막을 수 있음

본롞 33 / 14


젂처리 과정
 영상의 평균 밝기 Iavg와 화소의 위치별 평균 밝기 Iavg(x) 계산
 영상내에서 동일한 갂격으로 16개 스캔라인의 밝기정보 이용
 젂체 영상 사용시 보다 계산량을 줄일 수 있음

 심각한 streak는 앞서 계산한 Iavg(x)를 분석하여 검출
 평균 밝기가 젂체 평균에 비해 과도하게 차이나는 경우
 ( |Iavg-Iavg(x)| > Tstreak )
 Streak 결함이 발생한 것으로 판단

본롞 34 / 14


취득된 영상에서 결함을 검출하기 위한 과정은 크게 두 부분으로 나눔

결함 검출 과정
(Detection Process)  결함이 있는 영역을 추출하는 과정

결함 분류 과정
(Classification  검출된 결함을 정확히 분류하는 과정
Process)

본롞 35 / 14

결함 영역 검출을 위해 먼저 검사할 결함에 대한 정의가 필요
⇒ 실제 현장의 요구를 반영
⇒ Dark Spot, Inclusion, Fish-eye, Gel, Wrinkle로 정의
⇒ 두 그룹으로 분류
 Dark Spot, Inclusion
A그룹  명암의 차이가 비교적 큼
 정상 영역에 비해 어두움

 Fish-eye, Gel, Wrinkle
B그룹  상대적으로 명암의 차이가 적음
 텍스쳐의 형태로 나타남

본롞 36 / 14

결함 검출 알고리즘 구성

고찰을 바탕으로 결함 검출 알고리즘을 구성

 명암의 차이가 크고 어두운 결함
A그룹  연결화소 분석법 이용
 이짂화 문턱치 미세조절 없이 안정적으로 결함 블롭 추출

 Fish-eye, Gel, Wrinkle
B그룹  상대적으로 명암의 차이가 적음
 텍스쳐의 형태로 나타남

본롞 37 / 14


 탄화물의 유입등에 의해 생긴 흑점 (Dark Spot)
A그룹
 벌레등의 삽입 (Inclusion)

복잡도(compactness) Dark Spot
•경계가 복잡하지 않고 완만

검출된 결함 분류
Inclusion
•경계가 복잡, 모기나 하루
원형도(Roundness)
살이 등

본롞 38 / 14


B그룹  대부분 특정핚 텍스쳐의 형태로 나타남

지역적 이짂패턲 (Local Binary Pattern) 텍스쳐 분석 기법
연산자 ⇒ 이짂패턲 코드 생성
⇒ 히스토그램 를 구함

각 결함별 모델 히스토그램과 유사도 측정

, 와 는 히스토그램
N : 히스토그램 전체 명암도 개수

본롞 39 / 14

모의 시스템
현장 환경의 열악함(고온, 다습, 빠른 이송속도로 위험)
→ 영상이 제대로 들어오는지 확인이 필요

본롞 40 / 14

조명
라인스캔 카메라의 빠른 싱크속도
→ 전압의 안정성 조명의 품질이 그대로 영상에 반영

본롞 41 / 14

조명
라인스캔 카메라의 빠른 싱크속도
→ 전압의 안정성 조명의 품질이 그대로 영상에 반영

본롞 42 / 14

제지공정의 실시간 결함 검출 시스템의 구성

카메라
하우징

본롞 43 / 14

실험 결과

• 최대 스캔율 68Hz
• 종이 이송 속도 1600m/분
• 스캔라인 사이의 실제 거리 : 0.39mm

• 초당 33~34 프레임 획득
• 영상 저장시에 저장속도 시스템 사양 한계
• 실험을 위한 영상 획득시 초당 10~15 프레임 저장
• 결함이 랚덤하게 발생
• 저장되지 않은 영상도 랚덤

• 빠짂 영상을 제외하더라도 실험홖경은 같음

본롞 44 / 14

실험 결과

제지공정에서 취득한 영상으로 테스트를 짂행
100장의 이미지 X 10회
결함은 무작위로 발생(집중되는 시갂, 안나오는 시갂 존재)
20회씩 프로그램 돌렸을때 결함은 모두 검출

결함이 발생된 영상 500개
1mm 이상인 결함은 모두 발견(현장요구사항 2mm이상)
결함의 분류 확률 발생횟수

EdgeTear 5회 1%

EdgeCrack 15회 3%

Hole 479회 95.8%

지절 1회 0.2%

총계 500개 100%

본롞 45 / 14

결함 유형별 결과 영상

EdgeTear

본롞 46 / 14


EdgeCrack

본롞 47 / 14


Hole

본롞 48 / 14


지절 발생

본롞 49 / 14


이물질

불안정
상태

접힘 현상

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플라스틱 필름 생산공정의 실시간 결함 검출 시스템의 구성

조명장치

카메라
설치위치
하우징

본롞 51 / 14

실험 결과

생산공정에서 취득한 영상으로 테스트를 짂행
100장의 이미지 X 10회
결함은 무작위로 발생(집중되는 시갂, 적게 나오는 시갂 존재)
20회씩 프로그램 돌렸을때 결함은 모두 검출

카메라와 검사 대상 필름의 거리 2m
넓은 FOV와 먼 거리로 인해 투과성이 높은 필름에 조명 사용
DarkSpot과 Gel이 비슷한 형태의 블롭 형성

본롞 52 / 14


 넓은 FOV와 강핚 조명으로 인핚 Gel의 이짂화
재분류
 Dark spot과 Gel이 비슷핚 형태로 나와 분류 필요

충실도(Box-fit) Dark Spot
•경계가 복잡하고 충실도 낮음

검출된 결함 분류

Gel
원형도(Roundness) •경계가 완만 충실도 높음

본롞 53 / 14


Gel

본롞 54 / 14


Dark spot

본롞 55 / 14


Wrinkle

본롞 56 / 14


시스템 불량
(사람지나감)

/

Inclusion

본롞 57 / 14

결론
 제지공정에서는 에지형과 영역형 결함으로 분류
 지젃의 가장 큰 원인인 에지 결함에 초점
 → 주요 결함인 EdgeTear, EdgeCrack, Hole의 검출 및 안정적 동작

 플라스틱 필름 제조공정에서는 명암기반과 텍스처기반으로 분류
 검출 목표인 Dark spot, Gel, Wrinkle의 검출과정이 안정적으로 동작

 실험실에서의 모의 검사 결과 모듞 결함을 누락 없이 검출함
 현장에서는 결함이 발생한 영상만을 저장
 매우 작고 검출이 어려운 결함들도 잘 검출

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향후 과제
 제지공정에서의 빠른 종이 이송속도
 → 모듞 영상을 저장할 수 있는 시스템의 적용이 필요

 플라스틱 필름 제조공정에서의 넓은 FOV와 강한 조명
 FOV를 줄이고 해상도를 높여서 텍스처 형태의 관찰이 필요

 제지 공정과 플라스틱 필름 공정에서
 → 다른 유형의 웹 공정 호일, 고무, 직물 등의 분야에 적용하여 다양한 결
함 검출에 홗용할 필요성이 있음

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