반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 다니엘 노구치(Daniel Noguchi), 온세미 수석 제품 마케팅 매니저

비전 기술은 많은 자동화 활동에서 중요한 역할을 하며, 점점 제조와 엔터테인먼트, 운송, 의료 분야에서 필수적인 요소가 되고 있다.

분석과 인공 지능(AI)의 발전으로 더욱 빠르고 정확한 이미징에 대한 요구가 계속 증가하면서, 차세대 고급 비전 시스템이 등장했다. 이러한 시스템은 고속 풀 이미지 글로벌 셔터 센서를 중심으로 구축된다. 글로벌 셔터는 피사체의 완전한 모습을 즉각적으로 포착할 수 있기 때문에 매우 중요하다.

글로벌 셔터 기반 시스템은 흔들림, 왜곡, 공간 에일리어싱 등 비전 시스템과 관련된 일반적인 시각적 아티팩트를 제거함으로써 속도와 정확성을 개선해 운영 효율성을 높인다. 글로벌 셔터는 바코드 스캐닝, 머신 비전(machine vision, MV), 자율 이동 로봇(autonomous mobile robot, AMR) 등의 애플리케이션에서 선호하는 이미징 기술로 빠르게 자리 잡고 있다.

글로벌 셔터: 장점과 특징

글로벌 셔터 이미지 센서는 모든 픽셀을 동시에 캡처한다. 또한, 장면을 한 줄씩 스캔하는 롤링 셔터 이미지 센서와 달리 왜곡 없는 이미지 캡처를 보장한다.

이렇게 동기화된 작동 방식은 제품이 카메라 앞을 빠르게 지나가는 공장 조립 라인과 같이 빠르게 움직이는 물체가 있는 시나리오에서 특히 유리하다. 글로벌 셔터 이미지 센서를 사용하면 각 픽셀이 정확히 같은 순간에 장면을 기록하므로 왜곡 없이 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 이 기능은 움직이는 물체의 바코드를 정확하게 캡처해야 하는 바코드 스캐닝, 머신 비전, AMR, AR/VR 제어와 같은 애플리케이션에서 매우 중요하다.

그림 1. 글로벌 셔터 애플리케이션

바코드 스캐너

바코드는 재고, 주문 처리와 같은 빠르고 안정적인 스캔 작업을 위해 데이터를 효율적으로 인코딩한다. 누구나 바코드 스캔을 실패해 다시 스캔해야 하는 비효율적인 상황을 보거나 경험한 적 있을 것이다. 글로벌 셔터는 바코드 판독 시 대부분의 오류와 부정확성을 제거할 수 있지만, 이는 불필요한 빛을 억제한 경우에만 가능하다. 글로벌 셔터 센서의 성능을 정량적으로 평가하는 방법은 글로벌 셔터 효율(global shutter efficiency, GSE)이라는 지표를 사용하는 것이다. GSE가 높을수록 원치 않는 빛을 더 잘 억제하므로, 처리 속도가 향상되고 사람의 개입이나 재스캔이 필요하지 않다.

자율 이동 로봇(AMR)

스테레오 구성으로 사용되는 글로벌 셔터 이미지 센서는 공장과 창고에서 경로를 계획하거나 장애물 충돌을 피하는 데 도움이 되는 비전 기반 SLAM(simultaneous localization and mapping) 애플리케이션을 가능하게 한다. 이 센서는 AMR이 다양하고 복잡한 환경에서 효율적이고 안전하게 탐색할 수 있도록 지원한다.

가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR)

글로벌 셔터 이미지를 사용하면 여러 소스의 입력을 더 쉽게 동기화할 수 있으며 프레임 속도를 더 빠르게 제공할 수 있다. 이러한 기능은 더 나은 VR, AR, MR 경험을 만드는 데 도움이 된다.

그림 2. 온세미 글로벌 셔터 이미지 센서의 애플리케이션

머신 비전을 위한 글로벌 셔터 솔루션

온세미는 하이퍼럭스 SG(Hyperlux SG)라는 글로벌 셔터 센서 제품군을 개발했다. 이 제품군은 ARX383, AR0145, AR0235의 세 가지 이미지 센서로 구성된다. 이 센서는 글로벌 셔터의 장점을 활용하고 여러 주요 애플리케이션에 이상적인 특정 기능을 제공한다.

이러한 센서는 비전 기반 SLAM을 가능하게 하고, 공장과 창고에서 경로 계획을 세우고 장애물 충돌을 방지하는 데 도움을 준다. 이를 통해 AMR은 다양한 환경에서 효율적이고 안전하게 탐색할 수 있다.

하이퍼럭스 SG 이미지 센서는 향상된 GSE 덕분에 바코드 스캔, AV, VR, MR과 같은 기타 애플리케이션에서 동급 최고의 효율성을 제공한다. 또한, 높은 GSE와 프레임 속도는 이러한 애플리케이션에서 필수적인 뛰어난 충실도와 이미지 품질을 보장한다. 사용자는 저전력 옵션과 서브샘플링 모드를 사용할 수 있어 특정 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 이미지 품질을 맞춤 설정할 수 있다. 이러한 센서는 여러 시점에서 동기화된 이미지 캡처를 가능하게 해 3D 모델과 깊이 맵(depth map)을 만드는 데 기여할 수 있다.

그림 3. 온세미 하이퍼럭스 SG 제품군

AR0235는 하이퍼럭스 SG 제품군 중 가장 큰 해상도를 제공한다. AR0235는 1/2.8인치, 2.3Mp CMOS 디지털 이미지 센서로 1920(H) x 1200(V)의 액티브 픽셀 어레이를 갖추고 있다. 초당 120프레임에서도 움직이는 장면을 정확하고 빠르게 캡처하는 데 최적화된 글로벌 셔터 픽셀 설계를 적용한 것이 특징이다. 이를 통해 전체 해상도를 제공하고 저조도 조건, 밝은 조건, 혼합 조명 조건 모두에서 선명하고 노이즈가 적은 이미지를 제공한다.

AR0235 센서는 높은 각속도 관리에 탁월해 모션 아티팩트를 크게 줄여준다. 향상된 GSE는 이전 세대보다 두 배 향상된 성능을 보여준다. 이러한 발전 덕분에 빠르게 움직이는 물체의 이미지를 캡처하고 비디오를 녹화하는 데 매우 효과적이다.

그림 4. 온세미 AR0235 이미지 센서

AR0235 구조는 산업용 애플리케이션에도 적합하다. 글로벌 셔터 센서는 바코드 스캔 애플리케이션에 널리 사용되고 있지만, 그 고유한 특성으로 다양한 산업 환경에서도 적합하다. 예를 들어, AR0235의 정밀하고 빠른 이미지 캡처 기능은 결함 감지와 일관된 품질 표준 유지에 이상적이다. AI, 첨단 로봇 공학과 같은 기술이 융합된 인더스트리 4.0의 지속적인 발전으로 향후 AR0235의 더 많은 잠재적 활용을 기대해 볼 수 있다. 

온세미는 VGA에서 최대 2.3MP에 이르는 완벽한 이미지 센서 포트폴리오를 갖추고 있어, 빠르게 움직이는 물체가 있는 다양한 애플리케이션에 적합한 센서를 제공한다. 온세미의 하이퍼럭스 SG 제품군은 업계를 선도하는 GSE와 고속 프레임 속도를 제공한다. 이러한 기능을 통해 고객은 모션 아티팩트 없이 고품질 이미지를 캡처하는 안정적인 카메라를 설계할 수 있다.

향상된 글로벌 셔터 효율성: 이전 세대 제품에 비해 하이퍼럭스 SG 센서는 두 배 이상의 놀라운 글로벌 셔터 효율 향상을 자랑한다. 이러한 발전을 통해 노출과 판독값을 정확하게 동기화해 모션 아티팩트를 최소화할 수 있다.

고속 성능: 초당 120프레임의 빠른 캡처 속도를 자랑하는 하이퍼럭스 SG 센서는 빠르게 변화하는 환경에서도 선명하고 왜곡 없는 이미지를 제공한다.

콤팩트한 폼 팩터: 하이퍼럭스 SG 센서는 소형 폼 팩터로 설계돼 제한된 공간에 설치하기 적합하다. 콤팩트한 설계 덕분에 다양한 디바이스와 시스템을 원활하게 통합할 수 있다.

효율적인 전력 소비: 이러한 센서는 에너지 효율을 우선시한다. 작동 중 전력 소비를 줄임으로써 배터리 수명을 연장하고 전체 시스템 에너지 요구 사항을 줄인다.

자동 노출 기능: 내장된 자동 노출 기능은 특히 빠르게 움직이는 피사체를 촬영할 때 최적의 이미지 품질을 보장한다. 노출 설정을 동적으로 지원해, 수동 개입 없이 중요한 순간을 포착하는 데 집중할 수 있다.

온세미는 더 나은 미래를 만들기 위해 혁신을 주도하고 있다. 산업 시장에 중점을 두고 바코드 스캔, 머신 비전, AMR, AR/VR을 비롯한 다양한 애플리케이션과 시장의 발전을 가속화하고 있다. 

온세미의 하이퍼럭스 SG 이미지 센서 제품군에서 볼 수 있듯이, 글로벌 셔터 기술의 발전은 현대 비전 시스템의 효율성과 정확성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 이 센서는 높은 GSE, 빠른 프레임 속도, 고속으로 움직이는 물체를 왜곡 없이 처리하는 기능 등을 특징으로, 바코드 스캔과 머신 비전부터 AMR, AR/VR 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 적합하다.

이 센서는 에너지 효율적인 설계와 콤팩트한 형태 덕분에 공간 제약이 있고 전력에 민감한 지능형 시스템에 통합하기에 이상적인 옵션이다. 센서가 산업에 미치는 영향은 이미 상당하지만, 자동화와 AI 기반 프로세스가 계속 성장함에 따라 글로벌 셔터 센서의 중요성은 더욱 두드러질 것이다.