샤프의 이미지 처리를 이용한 식품 품질 검사

[시큐리티월드 이토 사카에, 토요다 레오] 샤프의 이미지 센서 카메라는 발매 이래 수십 년 간 외관 검사, 위치 결정 등 다양한 용도로 사용되어 왔다. 사용된 업계도 자동차, 전자 부품, 액정, 인쇄, 출판, 식품 등 분야가 다양하나, 여기서는 식품 제조 라인, 식품 제조 기계에 도입된 사례를 소개하고자 한다.

샤프는 지금까지의 IV-S150 시리즈, IV-S200X 시리즈를 답습한 상위 기종으로 IV-S300 시리즈를 시장에 투입했으며, 이 시리즈는 하드웨어 자체의 고속성과 소프트웨어의 최적화로 인한 처리 속도의 경이적인 스피드, 각종 필터와 알고리즘으로 보강된 뛰어난 정밀도, 나아가서는 지금까지의 개발 경험을 살린 조작성, 이상의 장점을 가지고 있으며 한층 더 식품 업계에 대한 공헌이 기대되고 있다.

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원래 일본에서는 제조물의 품질에 대한 요구가 많으며, 최근 특히 식품의 품질에 대한 요구가 극단적으로 많아지고 있다. 따라서 식품 업계에 있어 품질의 확보는 절대적이며, 만약 품질에서 문제가 발생했을 경우에는 제조사의 사활 문제가 된다.

이처럼 식품 제조사에게 있어서는 상당히 중요한 품질의 확보라 할 수 있는데, 그 수단의 하나로 이미지 처리를 이용한 검사가 중요한 위치를 차지하고 있다.

이러한 검사에는 식품 제조의 택트(Tact)에 영향을 주지 않는 ‘고속’, 품질 확보에 중요한 ‘정밀도’, 제조 현장의 작업원에게 필요한 ‘조작성’이 이미지 처리 제조사에게 요구되고 있다. 샤프에서는 이러한 점들을 장점으로 내세운 최신 모델 IV-S300 시리즈를 발매했다.

장점 실현의 노력
이미지 처리를 이용한 식품의 검사에는 고속, 정밀도, 조작성이 필요한데, 이 3가지를 기본적인 장점으로 내세우고 있으며 문자 검사, 이물질 검사 등의 외관 검사가 구축되어 있다. 우선 기본적인 장점에 대해 서술하겠다.

① 고속
이미지 처리 시스템을 고속화하기 위해서는 이미지 처리의 고속화와 이미지 작업의 고속화를 들 수 있다. 이미지 처리의 고속화에서는 적정 가격 내에서 고속 프로세서의 선정과 그 퍼포먼스를 최대한으로 이끌어내기 위해 OS의 튜닝 실시, 필터의 최적화, 이미지 처리 알고리즘의 개발을 시행했다. 이미지 전송의 고속화에서는 전송 속도가 빠른 카메라를 개발했다.

② 정밀도
이미지 처리의 정밀도 향상을 위해 검출 정밀도를 향상시키는 이미지 처리 알고리즘, 각종 필터를 신규로 개발했다. 또한 고화소로 인한 정밀도 향상을 위해 650만 화소의 카메라를 개발했다. 나아가서는 이 카메라에서도 ①의 고속성을 실현했다.

③ 조작성
이미지 처리에 의한 검사에는 미묘한 조정 작업이 필요하며, 이것이 앞서 말한 고속, 정밀도라는 성능을 발휘하는 키가 된다. 또한 제조 현장의 작업원의 부담을 최대한 줄임으로써 전체적인 생산성 향상의 키가 되기도 한다. 수십 년의 개발 경험, 유저의 피드백을 바탕으로 조작성이 좋은 유저 인터페이스를 구축했다.
이러한 3가지 기본적인 장점을 전제로 아래에서는 식품에 도입된 사례로 ‘문자 검사’, ‘이물질 검사’를 소개한다.

문자 검사
필요성
식품 업계에 있어 품질 확보의 과제로 ‘상미(賞味) 기한’, ‘소비기한’의 인쇄 문자 체크가 있다. 이러한 인쇄 문자는 소비자의 눈에 직접 들어가기 때문에, 날짜 등의 인쇄 내용에 오류가 없어야 하는 것은 물론, 인쇄 문자 그 자체에 결함이나 잔줄, 오염과 같은 오독의 요인이 없어야 하며, 깨끗하게 인쇄될 필요가 있다.

날짜 등의 인쇄 오류는 오퍼레이터에 의한 인쇄기의 조작 실수, 상류 공정에서 지시 실수, 등의 원인을 생각해볼 수 있다. 한편, 인쇄 문자 그 자체의 결함이나 오염, 일그러짐, 문자 누락 등의 인쇄 문자 품질의 저하는 인쇄기의 불량이나 인쇄 문자 대상의 품질 불량 등의 원인을 떠올릴 수 있다.

또한, 이러한 품질 확보를 위한 인쇄 문자 체크에는 전수검사가 필요하나, 최근 자동화되어 있는 제조 라인에서 고속으로 대량 생산되는 제품을 육안으로 전수검사하는 것은 어려우며, 이미지 처리 장치에 의한 자동화가 필수가 되고 있다. 이에 샤프에서는 인쇄 문자 체크를 자동화하기 위해 이미지 처리 장치에 의한 문자 검사를 제공하고 있다.

기능
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	▲그림 1. 문자 검사 화면

샤프의 문자 검사에서는 날짜 오류 등의 인쇄 문자 오류뿐 아니라 인쇄 문자의 결함이나 오염 등의 인쇄 문자 품질을 검사 가능하다.

인쇄 문자 오류에 대해서는 5와 6, 8과 9, 8과 B 등 유사한 문자라도 확실히 판별하며 양부(良否)를 판정한다. 또, 인쇄 문자의 품질에 대해서는 문자의 결함이나 오염뿐 아니라 문자의 변형과 일그러짐에 대해 양부를 판정한다. 이러한 양부 판정의 방법은 후술하겠다.

또한 문자 종류로 영문자, 숫자, 기호와 한자, 히라가나, 가타카나도 검사 가능하기 때문에 날짜와 제조 번호, 제조소 고유 기호 등의 영숫자뿐 아니라 ‘상미기한’과 ‘소비기한’과 같은 한자도 검사 가능하다(그림 1).

인쇄기로는 열 프린터, 레이저 프린터, 잉크젯 프린터, 핫 프린터, 타흔(打痕) 등 다양한 종류에 대응 가능하다. 이러한 검사는 주로 아래의 장점 기능에 의해 실현하고 있다.

장점
장점으로 인쇄 문자 내용, 품질에 대한 검사 방법, 캘린더 기능에 대해 설명하겠다.

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	▲그림 2. 사전

우선 인쇄 문자 내용, 품질에 대한 검사 방법은 미리 좋은 상품을 1문자씩 ‘사전’이라 부르는 메모리에 등록해 둔다. 등록한 사전과 검사 대상을 1문자씩 비교하여 차이가 작을 경우에는 정상, 차이가 클 경우에는 인쇄 문자 오류 또는 품질 저하가 있다고 판단하여 불량품으로 판정한다.

사전은 영숫자, 한자, 히라가나, 가타카나, 기호 중에서 임의의 문자를 등록 가능하며, 하나의 문자에 대해 복수의 정상 패턴을 등록 가능하다. 이에 따라 생산 공정에 있어 인쇄 문자의 상태가 불규칙할 경우에도 안정적인 검사가 가능하다(그림 2).

또한 사전은 1 시스템에 복수 등록 가능하다. 이에 따라 같은 생산 라인에 있어 복수의 폰트를 사용할 경우라도 대응이 가능하다. 불량 판정뿐 아니라 앞서 언급한 문자 검사를 응용한 문자 인식도 가능하며, 품번의 판독 등으로도 이용 가능하다.

다음으로 캘린더 기능에 대해 설명하자면, ‘상미기한’, ‘소비기한’ 등의 날짜나 시간의 인쇄 문자는 생산하는 일시에 따라 변화한다.

일반적으로 현재 일시부터 +N일이 되는데, 이러한 날짜를 그 때마다 오퍼레이터가 입력하면 조작 실수를 일으킬 가능성이 있다. 그래서 IV-S300M 본체에 내장된 시계를 사용하여 정상적인 날짜나 시간의 자동 업데이트를 실현하고 있다.

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	▲그림 3. 문자 검사의 도입 사례

이것은 미리 검사 설정에서 현재 일시의 +N일로 설정해 두면, 날짜가 변할 때 정상으로 판정될 날짜와 시각을 자동으로 업데이트하는 기능이다. 이에 따라 오퍼레이터가 매일 조작할 필요가 없으며, 조작 실수를 없앨 수 있다.

또한 정상으로 판정될 문자는 캘린더 기능에 의한 자동 업데이트뿐 아니라 외부 기기의 통신(시리얼, 이서네트, CC-Link)을 통해 설정 가능하다.

식품 업계의 도입 사례로는 문자 검사는 주로 생산 공장에서 상미기한과 소비기한의 검사에 이용되고 있다. 구체적으로는 빵이나 과자, 라면, 냉동식품, 푸딩이나 젤리, 요구르트, 두부, 그리고 음료 등이 있다.

또, 검사 대상으로는 봉지, 박스, 팩, 병, 골판지 등이 있다(그림 3).
또한 식품 업계 외에 의료품의 외장에 인쇄된 날짜나 품명 등의 검사나 자동차 부품이나 기판에 인쇄된 품번의 판독 등에도 이용되고 있다.

이물질 검사
필요성
인쇄 문자의 검사와 마찬가지로 품질 확보의 과제로 이물질 혼입 등의 방지가 있다.
IV-S300M에는 ‘제어의 눈’으로 배양해 온, 외관 검사용 이미지 처리가 다수 탑재되어 있으며, 이러한 기능을 유저의 이용 상황에 맞춰 구축하는 것이 가능하다.

식품 업계에서의 도입 사례로 인스턴트 식품의 눌음이나 이물질의 유무, 레토르트 식품의 건더기 유무, 빵의 크기나 형태 검사 등이 있다. 또한 용기나 캡의 오염, 라벨의 오부착이나 누락, 과자 상자 등의 인쇄면의 오염이나 찌그러짐, 캠페인 용 씰의 유무 검사 등이 있다.

또, 음료수 보틀이나 병의 충전 용량 검사, 컵라면의 스프나 조미료, 향신료 봉지의 유무나 낫토 용기 내의 겨자, 소스 봉지의 유무 검사 등이 있다(그림 4).

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	▲그림 4. 도입 사례

그 외 장점
IV-S300M은 문자 검사뿐 아니라 유무 검사나 이물질 검사, 치수 검사 등의 외관 검사 외에도, 대상의 위치를 검출하는 서치 기능에 의한 제품의 위치 맞추기, 피킹 등으로도 이용 가능하다. 또한 바코드나 이차원 코드의 판독, 검사가 가능한 코드 리더도 탑재되어 있다(표).

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	▲표. 대응 코드 일람

트레이서빌리티
식품 업계에서도 Needs가 많은 트레이서빌리티에 대한 대응으로 검사한 이미지를 보존하는 기능이 있다. 전부터 검사 이미지의 전수 보존이라는 Needs는 많았으나, 기존에는 고속 생산 라인에 있어 검사 시간, 그리고 이미지를 외부 기기에 보존하는 시간이 생산 택트(Tact)를 따라가지 못해 도입을 보류한 경우가 있었다.

IV-S300M은 USB 3.0의 포트를 탑재하고 있으며 SSD나 HDD 등의 외부 메모리에 대해 검사 이미지를 고속으로 보존하는 것이 가능하다. 고속 이미지 처리와 고속 이미지 보존을 통해 검사 이미지의 전수 보존을 실현 가능하다.

라인업
IV-S300M은 650만 화소, 200만 화소, 25만 화소의 모노크롬 카메라, 200만 화소, 25만 화소의 컬러 카메라를 최대 2대 접속 가능하다. 이를 통해 1대의 컨트롤러를 가지고 하나의 카메라로 문자 검사, 다른 카메라로 외관 검사나 컬러 검사 등도 대응 가능하다.

물론 하나의 카메라로 문자 검사와 외관 검사를 실행하는 것도 가능하다. 또한 같은 시리즈로 최대 4대의 카메라를 접속 가능한 IV-S310도 제공하며, 다양한 공정에서 다양한 검사에 대응 가능하다.

마무리
샤프 매뉴팩쳐링 시스템에서는 식품 업계뿐 아니라 자동차, 반도체, 전자부품, 의약 등 다양한 업계에 대해 이미지 센서를 개발하여 품질 확보, 생산 효율 향상 등을 노력해 왔다.

앞으로도 지금까지 축적해 온 노하우를 활용하여 생산자뿐 아니라 소비자를 위해서라도 더욱더 식품의 품질 확보를 위해 도움이 될 수 있기를 바란다.

[글 시큐리티월드 이토 사카에, 토요타 레오 샤프 매뉴팩쳐링 시스템(sw@infothe.com)]

[월간 시큐리티월드 통권 225호 (sw@infothe.com)]

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