1948년 탄생한 바코드가 현재 Auto ID 분야에서 가장 핫한 수요를 보이고 있다. 바코드 정보량의 한계가 2D 바코드로 극복되었고, DPM을 통해 반영구적 마킹이 가능해졌다. 또한, 바코드는 머신비전과 융합하며 무궁무진할 가능성을 열고 있다.
그림 1. 라온피플의 머신비전 솔루션
일본의 ‘잃어버린 10년’을 되풀이하지 않을지에 대한 우려 속에서 제조업계의 새로운 돌파구로 ‘산업 자동화’가 지속적으로 거론되고 있다. 그리고 이를 해결하기 위한 패러다임으로 인더스트리 4.0, 스마트 팩토리 등 미래 지향적인 산업 자동화 콘셉트들이 속속 등장하고 있다. 이 미래 지향적 콘셉트 속에 꼭 빠지지 않는 기술이 바로 머신비전 기술이다.
오토메이션 분야에서 머신비전은 균열, 에지, 색상, 형태, 패턴 등을 검출하여 제품이나 부품의 결함을 검사하기도 하고, 위치를 추출하여 로봇 가이드 정보를 제공하기도 한다. 이러한 머신비전 기술 중에서 1D/2D/DPM 바코드 정보를 판독하는 것이 바코드 기술이다.
한편, 현재 Auto ID 분야에서는 바코드, RFID가 가장 널리 사용되고 있으며, 스마트카드, 지문, 홍채 등 새로운 인식 기술도 등장하고 있다. 흥미로운 사실은 최근 500개의 최종 벤더를 대상으로 진행된 Auto ID 수요조사에서 1D 바코드, 2D 바코드, PDF417 바코드가 RFID보다 높은 수요가 있었고, DPM, OCR 등 머신비전 기반의 수요도 높게 나타났다.
이 글에서는 Auto ID로 바코드를 사용할 경우의 장점과 사례를 살펴보고, Auto ID로 적용된 바코드를 판독할 때의 기술적 난제들과 이를 해결하는 방법을 라온피플의 사례와 함께 살펴본다.
왜 바코드인가
바코드 식별을 통한 자동화는 구축비용이 상대적으로 저렴하고, 도입 후의 효율성 증가와 비용 절감 효과가 크다.
Auto ID로 바코드를 사용하면 모델별 가격, 수량, 판매 장소 등을 통계적으로 정확히 파악할 수 있기 때문이다. 자동화를 통해 생산성이 향상되고, 인건비를 절감할 수 있으며, 오류와 재고가 감소하고, 기업이 외부환경에 민첩하게 반응할 수 있게 된다.
1. 생산성 향상
Auto ID 분야에서의 바코드 식별은 단일 기술로서 생산성 향상에 가장 큰 효과를 주는 기술로 평가되고 있다. 산업계와 응용 분야에 따라 바코드 도입 시 생산성이 많게는 35~45%까지 상승하고, 투자 회수 기간도 6개월~2년 정도면 충분하다.
2. 인건비 감소
기존에는 사람에 의해 제품이 식별되었다면, 바코드를 도입한 이후에는 바코드 판독 장비에 의해 식별될 수 있다. 통상적으로, 감소된 인원당 3,000만원~6,000만원 정도의 비용 절감 효과를 가져 온다.
3. 재고 감소
바코드 ID 통계 정보는 안정적인 재고율 정보를 제공할 수 있다. 재고율이 감소하면 쓸모없는 제품 생산이 줄어들고, 유통/물류 센터 운영 경비와 재고 유지비도 같이 줄어들게 된다. 안정적인 유통을 위해 15~30%의 재고 유지비용을 사용한다고 가정할 때 안전 재고율을 5%만 낮출 수 있더라도 엄청난 비용 절감 효과를 이루어 낼 수 있다.
표 1. 머신비전과 바코드 솔루션의 특징 비교
4. 오류 감소/신속성 증가
사람에 의해 식별되는 정보는 오류가 있을 수 있다. 하지만 바코드 판독 장비에 의한 식별은 오류가 적고 대규모 정보 활용에 적합하다.
바코드 라벨링을 통한 제품 인식부터 물류, 유통까지의 과정이 바코드로 관리될 경우 신속한 시장 대응이 가능해진다.
그림 2. DPM(Direct Part Marking) 판독 시의 제약사항
도전과 과제
소비자용 1D 바코드 리더기는 판독률이 높은 편이다. 그래서인지 산업용 바코드 리더기도 바로 판독 결과를 보이는 요술 방망이일 것으로 생각하는 경우가 많다. 하지만 산업용의 경우는 바코드를 새기는 환경, 재질, 조명 상태 등등이 매우 다양하고, 어떤 환경에서는 바코드 판독이 어렵거나 도전적인 상황에 직면하게 되는 경우도 있다. 바코드 AUTO ID가 적용된 생산 라인에서 바코드 판독이 이루어지지 않는다면 오토메이션 효과를 얻기 힘들다.
1. 난이도 높은 2D DPM 바코드 판독
2D DPM(Direct Part Marking) 바코드는, 부품에 직접 마킹된(DPM) 2D 바코드를 의미한다. 2D를 사용하는 이유는 정보를 많이 담기 위함이며, 이를 DPM 형태로 마킹하는 이유는 반영구적인 사용이 가능하기 때문이다. 자동차, 전자, 반도체, 디스플레이 분야에서 DPM을 활용하는 경우 로트(Lot) 추적, 진위 판별, 부품 추적이 가능하므로, 엄청난 생산성 향상을 이루어 낼 수 있어 DPM 바코드 사용이 점차 증가하고 있다.
하지만 DPM 바코드는 라벨 타입으로 마킹되는 경우와 같이 쉽게 판독되지 않는다. DPM 바코드를 일반 바코드 스캐너로 판독하는 경우 해독 불가능한 이미지가 추출되기 때문이다. DPM 많이 사용되는 재질은 금속형으로 바코드 판독 시 심한 난반사가 발생하고, 마킹 상태도 고르지 못하며, 밝은 부분과 어두운 부분과의 명암차가 낮아 판독이 어렵다.
2. 육안으로 보이지 않는 초소형 바코드
전자기기, 반도체 분야는 소형화의 특성상 부품에 마킹되는 바코드 사이즈가 작을 수밖에 없고, 자동차 분야 또한 모듈, 부품 단위까지 바코드의 활용이 늘어나면서 바코드 사이즈가 작아지고 있다.
예를 들어, LCD 모듈상의 바코드는 2D 매트릭스 형태의 DPM 바코드가 2.5mil(1mm×1mm) 크기를 갖는데 이는 육안으로는 관찰되지 않는 정도의 작은 사이즈이다. 초소형 사이즈 판독을 위한 광학적 설계나 고화질 카메라가 사용되지 않는 경우 바코드 사이즈가 작아 바코드 심벌을 디코딩할 수 없게 된다.
표 2. Auto ID 바코드 활용 분야
3. 고속/멀티 바코드 판독 문제
고속 생산라인의 바코드 ID를 카메라로 촬영하면 흩날리는 이미지를 취득하게 되므로 바코드 판독에 문제가 발생한다. 고속 생산라인 속도보다 바코드 디코딩 시간이 길어지게 되어도 바코드를 판독하지 못하는 문제가 발생한다.
생산라인에서 여러 물체가 동시에 이송되는 경우도 마찬가지이다. 바코드를 실시간으로 동시에 판독하지 못한다면 AUTO ID가 적용될 수 없다. 일반적인 산업용 바코드 리더기는 한 번에 하나의 바코드만을 판독할 수 있으므로, 멀티 바코드 판독을 위해서는 전용 설계가 필요하게 된다.
그림 3. DPM 판독에 최적화된 라온피플 바코드 리더기
4. ‘바코드+머신비전’ 융·복합 솔루션 과제
머신비전의 솔루션과 AUTO ID의 솔루션 결합은 인더스트리 4.0에 부합하는 미래 지향형 솔루션으로 혁신적인 생산량 증대를 가져올 수 있다. 하지만 불량 검사, 패턴 매칭, 위치 등 머신비전 솔루션은 자체가 기술 장벽이 높고, 이를 바코드와 융·복합화하여 동시에 판독하는 데는 더 어려운 기술 난제가 존재한다.
표 3. 라온피플 고속 바코드 솔루션/멀티 바코드 솔루션
바코드 판독을 위한 기술
1. DPM 판독
DPM 판독을 위한 첫 번째 난제는 바코드 이미지 추출이다. 이를 해결하기 위해서는 DPM 판독을 위한 전용적인 광학 설계가 필요하다. 예를 들어, 금속 재질에 DPM 바코드는 이미지 추출 시 난반사가 일어나 바코드 이미지가 보이지 않는데, 조명을 디퓨저 형태로 은은하게 변경함으로써 난반사를 막을 수 있다. DPM은 금속 이외에도 여러 재질에 직접 마킹될 수 있는데, 그 재질에 부합하는 렌즈/조명 설계나 자동초점이 필요하다.
그림 4. 라온피플 바코드 리더기를 이용한 1mm×1mm 바코드 판독 사례
최적의 광학 설계 이후에는 적응적 비전 알고리즘이 요구된다. 지워진 코드 정보, 바코드 정보가 담긴 ROI와 배경과의 구분, 기울어진 바코드와 입체적인 바코드의 해석, 밝고 어두운 부분 간의 명암비를 극복하기 위해서는 다양한 비전 알고리즘으로 영상 전처리가 이루어져야 한다.
2. 초소형 바코드 판독
초소형 바코드는 매우 좁은 영역을 세밀하게 마킹하므로 고분해능을 관찰할 수 있는 고화질 카메라가 요구된다. 그리고 미세 물체를 확인하는 현미경의 광학적 특성이 중요하듯이, 초소형 바코드 이미지를 추출하기 위해서도 광학(렌즈, 조명) 설계가 잘 이루어져야 한다. 마지막으로 협소한 공간상의 바코드는 심벌이 불균일하게 마킹되므로, 이를 적응적으로 해석할 수 있는 비전 알고리즘이 필요하다.
표 4. 라온피플 바코드 리더기의 장점
3. 고속/멀티 바코드 판독
고속 바코드를 판독하기 위해서는 글로벌 셔터(Global Shutter)가 이용되어야 한다. 셔터란 비디오 캡처 과정 중 센서가 노출된 시간을 의미하는데, 롤링 셔터(Rolling Shutter)는 장면의 다른 부분을 다른 시간대에 캡처하기 때문에 이미지가 흔들리지만, 글로벌 셔터는 전체 장면을 캡처하여 메모리에 동시에 저장함으로써 고속 이미지를 안정적으로 취득할 수 있다.
멀티 바코드를 판독하기 위해서는 넓은 관찰 영역(FoV:Field of View)을 살펴볼 수 있어야 하며, 멀티 바코드별로 관심 영역(RoI:Region of Inter-est)이 설정되어야 하므로 고화소 카메라가 요구된다.
그림 5. 라온피플 융복합 솔루션 사례
4. ‘바코드+머신비전’ 융·복합 솔루션
머신비전 카메라는 바코드 리더기보다 높은 사양의 하드웨어를 요구한다. 즉, 바코드가 머신비전과 융·복합화 된 솔루션을 제공하기 위해서는 머신비전과 동급 또는 그 이상의 하드웨어 성능을 제공해야 한다.
따라서 PC BASED 기반의 머신비전 솔루션이 바람직하며, PC 제약 없는 독립형 장치(Stand Alone) 기반의 경우 멀티 코어 기반의 기가급 CPU가 필요하다.
그리고 바코드와 머신비전 솔루션을 동시에 제공하기 위해 시스템, FPGA, 비전 소프트웨어의 공용 아키텍처 기반으로 사용자에게 유연한 융복합 서비스를 제공할 수 있어야 한다.
표 5. 라온피플 비전 소프트웨어 툴
라온피플 바코드 솔루션의 특장점
라온피플은 컴퓨터 비전과 영상신호 처리 분야에서 15년 이상의 경력을 가진 베테랑들이 주축 되어 5년간 머신비전 솔루션을 개발했으며, 100여 개 고객사를 통해 안정성을 검증받았다. 최근에는 바코드 판독 솔루션에 대한 시장의 요구에 대응하여 R&D를 집중적으로 강화했고, 현재 세계 유수 제품과 경쟁 가능한 바코드 솔루션을 저렴하게 보급하고 있다.
맺음말
머신비전 분야는 최첨단 기술이 집약된 분야로 일반 사람들에게는 친숙하지 않다. 반면 바코드는 세상에서 가장 널리 사용되는 인식 기술이며, 머신이 아닌 사람의 비전으로도 확인 할 수 있다. 그런 측면에서인지 바코드 기술 집약적 산업으로 고려하지 않는 경우가 많다.
하지만 2D, DPM 바코드가 시장을 리드하고, OCR, 검사, 패턴 매칭을 동시에 수행할 수 있는 머신비전 융복합 솔루션이 요구되면서 바코드 분야 또한 점차 기술 오리엔트 환경으로 변화하고 있다.
최근 글로벌 바코드 리더기 업체들도 바코드 Auto ID를 신성장 동력으로 인식하고 R&D를 집중하면서 그 영향력을 점차 강화해 가고 있다.
표 6. 라온피플 바코드 리더 제품군
안타까운 사실은 바코드 기술 분야에 R&D 투자가 부족한 국내 기업들이 도태되고 있다는 사실이다. 바코드 판독을 위한 핵심 기술을 외국에서 비싸게 들여와 비싼 원가로 제품을 생산하고, 국내 기업 간의 판매 경쟁이 과열되면서 마진폭이 줄어들어 기업 경영이 악화되는 악순환이 반복되고 있다.
이를 해결하기 위해서는 산업 자동화 각 분야의 핵심 기술 국산화를 통해 고부가 제품을 생산하여 해외 제품의 의존도를 낮추고, 머신비전 각 분야가 협력적인 생태계를 구축하여 경쟁력을 강화한 후, 세계 경쟁력을 키워 생태계의 파이를 넓혀가는 윈-윈 모델이 조성되어야 한다.
최태욱 라온피플 기획팀장
