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유리용기가 고온에서의 안정성과 화학적 안정성 특성이 있어[1] 다양한 환경에서 사용되었고, 특히 산업현장에서 큰 영향을 끼쳤다[2]-[4]. 그러나 유리용기는 큰 충격과 응력에 취약하다는 단점이 있다. 유리용기의 파손이 일어날 시 높은 확률로 유리용기 속의 시료를 오염시킨다. 또한, 유리용기에서 누출된 시료에 의한 사고가 일어날 위험성이 커진다[5]. 지속적인 시료의 오염과 누출은 물적 피해와 인명 피해를 야기하는 원인이므로 이를 미연에 방지하여야 한다.

유리용기 파손은 크게 두 가지 종류가 있다. 그림 1의 (a)와 같이 유리용기 일부가 떨어져 나갈 정도의 파손을 파열이라고 하고, (b)와 같은 파손을 균열이라고 한다. 유리용기에 파열이 발생하면 유리용기의 파편이 산재하여, 시료가 오염되거나 외부로 누출되어 다른 사고들로 이어진다. 표면에 균열이 발생할 시 큰 파손인 파열로 이어질 가능성이 존재한다. 유리용기의 파열은 파손 부위에 따라 다르게 나타난다[6]. 그림 1의 (a)는 외부에 파열이 일어난 이미지이다. 그림 1 (c)는 내부에 파열이 일어난 이미지로, 파열부위에서 빛의 난반사가 일어난다.

Fig. 1. 
Image of glass bottle defect, (a) Defect on the outside of glass bottle, (b) Crack on the inside of glass bottle, (c) Defect on the inside of glass bottle

유리용기의 파손으로 인한 피해를 방지하기 위한 다양한 파손 검출 방법이 존재한다[7]-[9]. 그 중 하나는 파손 의심 영역 면적 분석을 이용한 파손 검출 방법이다[7]. 단일 조명으로 촬영된 이미지의 각 행과 열에서 별도로 중심을 계산하고 최다 빈도인 중심을 중심점으로 설정한다. 이후 유리용기의 입구를 극 좌표계를 이용하여 직사각형 형태로 만든다. 빛에 의해 반사된 수평선을 파손이 없는 영역으로 지정하고, 수평선의 상하 위치변화가 문턱 값보다 낮을시 제거한다. 그 후, 파손 의심 영역의 크기가 문턱 값을 넘어갈 시 파손으로 검출하는 방법이다. 그러나 파손이 크게 일어나 유리용기 입구에서 난반사가 일어나지 않을시 해당 부위를 파손이 없는 부분으로 인식하는 경우가 있다. 또한, 문턱 값은 환경의 밝기 변화에 민감하여 유리용기 속 시료의 양이나 색상에 영향을 많이 받고, 오차가 커지는 한계점이 있다.

이러한 한계점을 최소화하기 위하여 본 논문에서는 다중 조명을 이용한 영상 개선 및 유리용기 입구 면적 변화 분석을 이용한 파손 검출 시스템을 제안한다. 먼저 유리용기의 노이즈를 효과적으로 제거하기 위해 조명의 높이에 따라 난반사되는 이물질의 영역과 휘도의 세기가 다른 점을 이용한다. 조명의 위치가 다른 이미지를 촬영하여 노이즈를 제거하고 비용 함수를 통한 중심점 탐색을 진행한다. 마지막으로 유리용기 입구의 두께를 측정하여 면적 변화에 따른 파열 검출과 휘도 변화에 따른 균열 검출을 진행한다. 본 시스템을 이용하여 기존의 시스템 대비 유리용기 파손의 오 검출과 미 검출을 감소시키며, 정확도를 향상 목적으로 한다.

논문의 구성은 다음과 같다. 2장은 본 논문에서 제안하는 시스템의 구성, 유리용기 내부의 이물질을 제거하는 영상 개선 알고리즘, 비용 함수를 이용하여 유리용기의 중심점을 찾는 알고리즘 그리고 유리용기의 파손을 검출하는 알고리즘을 설명한다. 3장에서는 시스템을 구현하고 실험을 통해 확인한 결과에 대해 설명한다. 4장에서는 결론으로 본 논문의 한계점에 관하여 기술한다.

본 논문에서 검사에 사용되는 유리용기는 평균적으로 46.5 mm의 반지름을 가지며, 입구의 두께는 3.5 mm이다. 일반 유리용기보다 입구가 넓기에 시료와 내벽에 묻은 이물질에 의해 빛의 난반사가 발생한다[6]. 시스템은 그림 12와 같이 구현하였고, 그림 12의 (a)는 외부에 존재하는 빛을 차단하는 암실이며, (b)는 실제로 시스템을 설계한 모습으로 그림 2의 (a)를 바탕으로 설계하였다. 카메라는 IMPERX사의 CLB-B2520C를 사용하였으며, 상세스펙은 표 1에 기재하였다. 카메라 렌즈는 Arducam사의 C1508ZMD4를 사용하였으며, 상세스펙은 표 2에 기재하였다. 광원의 상세스펙은 표 3에 기재하였다.

Fig. 12. 
Implementation of the system

유리용기의 파손 검출 결과의 비교는 그림 13을 통해 확인한다. 빨간색으로 표시한 영역은 파열이며, 파란색으로 표시한 영역은 균열이다.

Fig. 13. 
Comparison of glass bottle defect detection results, (a) Glass bottle mouth image, (b) Result of defect and crack detection using analysis of bottle mouth region modification detect algorithm, (c) Result of defect detection using proposal method, (d) Result of crack detection using proposal method

그림 13의 (a)는 유리용기 입구의 이미지로 2개의 파열과 1개의 균열을 가지고 있다. 그림 13의 (b)는 파손 의심 영역 면적 분석 알고리즘을 이용하여 얻은 파손 검출의 이미지로 작은 파열을 검출하지 못했으며, 균열 검출에서 오 검출하였다. 그림 13의 (c)는 제안방법을 이용하여 얻은 파열 검출로 모든 파열을 제대로 검출하였다. 그림 13의 (d)는 제안방법을 이용하여 얻은 균열 검출로 모든 균열을 제대로 검출하였다. 본 논문에서 제안하는 시스템의 효과를 정량적으로 확인하기 위하여 식 (7)을 이용하였다[15].

식 (7)에서 C_ref는 실제 파손이고, C_D는 알고리즘을 통해 판별한 파손이다. RMSE는 실제 파손과 검출 파손의 차이를 정량적 평가한 것으로 오류를 비교하기 위해 사용한다. 파손 의심 영역 면적 분석 방법과 제안 방법을 이용하여 RMSE값을 얻었으며, 유리용기 4개의 RMSE 평균값을 표 4에 기재하였다.

파손 의심 영역 면적 분석 방법을 이용하여 얻은 평균 RMSE값은 2.50인 반면, 제안 방법을 이용하여 얻은 평균 RMSE값은 1.22로 작은 값을 가진다. 파손 의심 영역 면적 분석 방법을 사용 하였을 때 평균 오류가, 제안 방법을 이용하였을 때의 평균 오류보다 두 배가량 크다. 또한, 점근표기법으로 비교하였을 때, 제안방법은 N²의 시간 복잡도를 가지고 기존 방법은 logN의 시간 복잡도를 가진다. RMSE값과 시간 복잡도를 비교하였을 때, 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 방법보다 시간이 오래 걸리나 유리용기 파손 검출 시 오류가 적으며, 더 높은 정확도를 가진다. 하단 조명을 사용한 본 논문의 시스템은 유리용기 내벽의 이물질을 효과적으로 제거함으로써 이미지 개선에 기여하였다. 이러한 접근 방식은 유리용기 파손 검출의 정확도를 높이는 데 중요한 역할을 하였고, 이로 인한 검출 오류를 크게 줄이는 데 도움이 되었다.

유리용기는 충격에 취약하다는 단점이 있으며, 충격에 의한 파손 발생 시 사고로 이어질 위험성이 존재한다. 파손에는 파열과 균열 두 종류로 구분되며, 이를 탐지하는 다양한 파손 검출 방법들이 존재한다. 기존의 파손 검출 방법들이 가지는 한계점을 최소화하기 위하여, 다중 조명을 이용한 영상 개선 및 유리용기 파손 검출 시스템을 제안하였다.

유리용기의 노이즈를 영상 처리를 이용하여 제거하기 위해 시스템의 하단 조명을 여러 층으로 구성하여, 유리용기의 노이즈를 휘도 색 공간에서 제거하였다. 비용함수를 이용한 여러 점에서의 오차를 비교하여, 유리용기의 중심점과 ROI를 얻었다. 유리용기 입구의 두께 변화를 측정하여 파열을 검출하고 휘도 차원에서 균열을 검출하였다.

파손 의심 영역의 면적 분석 방법과 제안방법을 이용하여 파손 검출의 정확도를 비교하였다. 정량적 평가를 이용한 오류 비교를 위하여 RMSE를 사용하였다. 파손 의심 영역 면적 분석 방법을 이용한 검출 결과의 평균 RMSE값은 2.5이며, 본 논문에서 제안하는 방법의 평균 RMSE값은 1.22이다. RMSE의 값이 클수록 오류의 정도가 크며, 작을수록 오류의 정도가 작다. 그 결과 다른 방법에 비해 제안 방법의 정확도가 높다는 것을 확인하였다.

본 논문의 시스템 한계점으로, 유리용기의 입구면적에 따른 파손 검출 시간의 지연이 일어난다. 또한, 유리용기 속 시료의 양 변화가 크게 일어나거나, 유리용기 내벽의 이물질이 균열을 덮을 시 정확도에 영향을 미친다. 이러한 변화를 일으키는 문제에 관하여 추가적인 연구 및 보완의 필요성이 존재한다.