Pleora / 군용 차량에서 지역 상황을 인식하기 위한 실시간 비전 시스템 ①
요약
전 세계의 군사 조직이 현대화 프로그램을 가속화함에 따라 육군 요원의 안전성을 높이고 전술상의 이점을 강화할 수 있는 기회 중 하나는, 최첨단 디지털 비전 센서를 육상 차량의 LSA(local situational awareness, 지역 상황 인지) 시스템에 통합하는 데 있다. 이 센서는 이전 세대보다 높은 해상도와 프레임 속도를 제공하며 디지털 이미지 처리를 쉽게 만들므로 야간에도 수 마일 떨어진 곳에서 물체나 사람을 확실히 식별할 수 있다.
이런 센서의 속도와 생성되는 많은 양의 이미지 데이터는 이전의 포인트 투 포인트 연결 토폴로지(point-to-point connection topologies)로는 효율적으로 처리할 수 없다. 차량에는 LSA 기능을 발전시키기 위해 높은 대역폭과 여러 센서 유형을 수용하고 넓은 범위의 구성을 지원하며, 케이블 길이를 연장할 수 있는 첨단 디지털 비디오 네트워크가 필요하다. 네트워크는 상호 운용성과 비용의 효율을 위해 글로벌 표준을 토대로 해야 하며, 앞날의 요구를 받아들이기 위해 쉽게 확장할 수 있어야 한다.
오늘날 이더넷 기술은 세계에서 가장 저렴하고 흔한 데이터 전송 플랫폼이다. LSA vetronics의 높은 성능 요구 사항을 충족하려면 이더넷을 상위층 애플리케이션 프로토콜의 강력한 구현과 함께 써야 한다. 이 프로토콜은 이더넷의 ‘best effort’ 데이터 전달을 보완한다. 때문에 낮고 예측할 수 있는 대기 시간과 높은 신뢰로 비디오를 실시간으로 전송할 수 있다.
표준 이더넷 인프라를 통해 비디오와 제어 데이터를 전송하는 개방형 글로벌 표준인 GigE Vision은 LSA와 같은 중요 미션 비디오 응용을 위한 검증된 상위 레이어 프로토콜 세트다.
Pleora Technologies는 이더넷과 GigE Vision 표준에 기반한 실시간 네트워크 비디오 연결 해결책의 업계 선두 주자이자 전문가다. Pleora는 2003년에 GigE Vision을 공동 설립했으며 기술 발전에 주도적인 역할을 하고 있다.
Pleora는 높은 성능 비디오 네트워킹 요소의 포트폴리오와 협력하여 군 시스템 제조업체나 통합업체와 파트너 관계를 맺고, 개인의 필요에 따라 vetronics 해결책을 맞춤화한다.
Pleora의 참여는 개념 증명으로 시작해서 완전한 통합 지원을 통해 현장 배치와 그 이후도 계속된다. 이런 접근 방식은 제조업체와 통합업체가 vetronics 프로젝트를 가속화하고 비디오 연결 기술과 표준의 발전을 따라잡기 위해 필요한 상당한 엔지니어링 투자를 중단할 수 있게 한다.
소개
최첨단 디지털 비전 센서를 육상 차량의 LSA 시스템에 통합하는 것은 전투 작전에서 부대의 안전과 전술적 이점을 높이기 위한 중요한 기회다. 이 센서들은 전 세대보다 몇 배나 뛰어난 기능을 제공하므로 밤에도 물체나 사람을 확실하게 식별하게 한다.
더욱이 아날로그 센서의 출력과 달리 첨단 센서로 생성된 모든 디지털 이미지 스트림은 정교한 차량 안의 디지털 처리 애플리케이션에 직접 공급돼 감시나 타겟팅과 같은 작업의 정확성을 향상할 수 있다.
다음 세대 비전 센서는 상당한 기회를 창출하지만 여기에는 큰 어려움이 있다. 그들이 만들어내는 선명하고 화질이 높은 이미지 뒤에는 수백만 화소의 고속 디지털 데이터가 있다. LSA 시스템에서 이 데이터의 잠재력을 최대한 활용하려면 매우 높은 신뢰로 즉시 배포하고, 디스플레이하며, 처리해야 한다.
여기서는 차세대 LSA 시스템의 비디오 연결 요구 사항에 대해 설명한다. 여러 가지 연결 기술의 비용과 성능을 비교하고 전송 플랫폼에 표준 이더넷 장비를 쓰는 이점에 대한 분석을 제공한다. 또한, 디지털 LSA vetronics 프로젝트를 위한 GigE Vision 표준의 가치를 설명하며 Pleora가 자사의 네트워크 비디오 연결 해결책에서 이더넷 혹은 GigE Vision 표준을 활용하는 방법에 대한 개요를 제공한다.
비디오 연결 요구 사항
오늘날 차내 시스템은 보통 차에 장착된 여러 종류의 아날로그 혹은 디지털 카메라와 이미지 센서로 구성된다. 그들은 갖가지 데이터 속도로 작동하는 온갖 비디오 포맷을 생성한다. 믹서는 때때로 단일 미션 컴퓨터나 내부에 있는 스마트 디스플레이에서 승무원이 다중 이미지를 보기 위해 아날로그 신호를 결합하는 데 쓰인다. 많은 경우에 비디오는 컴퓨터나 디스플레이로 직접 스트리밍된다.
많은 카메라가 관련된 이러한 포인트 투 포인트 연결은 비용이 많이 들고 복잡하며 관리나 확장이 어렵다. 이런 한계를 극복하기 위해 LSA 시스템에서 가장 중요한 개선점 중 하나는, 첨단 카메라와 센서의 처리량을 처리하고 값비싼 아날로그 카메라와 같은 새로운 장비와 과거의 장비를 공통 토폴로지로 통합하는 네트워크 연결 시스템을 구축하는 것이다. 즉, 지난날에서 앞날을 향한 원활한 경로를 제공하는 네트워크 프레임워크가 필요하다.
모든 장치를 네트워크에 연결하고 같은 언어로 말하면 서로 다른 카메라의 여러 비디오 스트림을 컴퓨터와 디스플레이의 모든 조합에 쉽게 전송할 수 있으므로 LSA가 크게 향상된다. 예를 들어, 적외선 센서의 비디오 피드를 데이 센서(day sensor)의 이미지에 매핑해 승무원에게 관심 지역을 자세히 제공할 수 있다. 또한, 네트워크 토폴로지는 케이블 링과 스케일을 제거하여 증가하는 대역폭 요구를 수용하고 새로운 카메라, 처리 노드, 뷰 스테이션을 추가한다.
이 밖에도 현대의 차내 비디오 연결 시스템은 카메라가 보는 것과 차량 내부의 모니터에 표시되는 것 사이에 실시간으로 유리 대 유리(glass-to-glass) 비디오를 전달할 수 있는, 견고하고 신뢰할 수 있는 전송을 제공해야 한다.
마지막으로 현대의 차내 비디오 연결 시스템은 상호 운영성과 비용 효율성을 위한 표준을 바탕으로 해야 한다.
그림 1은 시스템 제조업체와 통합업체가 차량 LSA 애플리케이션에 쓸 수 있는 세 가지 디지털 비디오 연결 후보 Camera Link®, CoaXPress, Ethernet의 핵심 속성을 비교한 것이다.
Camera Link는 AIA(Automated Imaging Association)에서 2000년에 도입한 디지털 직렬 인터페이스 표준이다. 10m 이하의 직접 링크에서 최대 6.8 Gb/s의 빠른 속도로 이미징 데이터를 전송한다. 케이블 확장기는 Camera Link 연결의 짧은 거리를 늘리는 데 쓸 수 있지만 상당한 비용이 든다. 또한, Camera Link는 포인트 투 포인트 토폴로지에 의존하기 때문에 제한된다.
카메라는 기본적으로 PC의 프레임 그래버에 묶여 있어 시스템 디자인 옵션을 제한한다. 많은 공급 업체가 둘 이상의 카메라를 지원하는 프레임 그래버를 제공하지만, 실제 ‘star’ 배치로 인해 진정한 네트워크 토폴로지의 유연성과 확장성이 제공되지는 않는다.
두 번째 후보인 CoaXPress는 동축 케이블을 통해 실행되는 지점 간 비대칭 직렬 통신의 표준이다. 2009년 소규모 산업 컨소시엄을 통해 도입됐으며 2010년 12월 일본산업이미지협회(JIIA)의 승인을 받았다.
CoaXPress는 6.25Gb/s에서 40m 또는 1.25Gb/s에서 120m의 Camera Link보다 긴 도달 거리를 제공하나 소규모의 벤더 그룹에서만 지원되며 널리 배포하지는 않는다. 더욱이, 구현을 지원하는 데 필요한 두 개의 칩은 오늘날 단 한 개의 공급업체(공급업체가 독점을 깨기 위한 디자인에 라이선스를 부여할 의지는 있지만)에서만 쓸 수 있으며, CoaXPress는 Camera Link와 마찬가지로 네트워크로 연결된 비디오를 지원하지 않는다.
반면에 이더넷은 높은 성능의 실시간 군사, 또는 산업용 애플리케이션을 포함한 세계 대부분의 LAN에 배포되는 오랜 전통의 표준이다. 저렴하고 널리 이용할 수 있는 인프라로 지원된다. 이더넷 플랫폼은 포인트 투 포인트, 포인트 투 멀티 포인트, 멀티 포인트-멀티 포인트, 그리고 멀티-채널 집단을 포함해서 거의 모든 연결 구성을 지원해 탁월한 네트워킹 유연성을 제공한다.
이더넷은 높은 대역폭을 제공한다. 3세대 표준인 GigE(기가비트 이더넷)는 1Gb/s를 제공하며, 현재 시장에서 빠르게 성장하고 있는 4세대인 10GbE는 10Gb/s를 제공한다. 모든 이더넷 세대는 같은 프레임 형식을 쓴다. 그러므로 이미 설치한 장비를 그대로 유지하면서 역 호환성을 보장하고 시스템 업그레이드를 허용한다.
또한, 이더넷은 표준상의 네트워크 노드 간 최대 100m의 범위, 저렴한 Cat 5/6 구리 케이블 링, 스위치 또는 비용 효율적인 광섬유 확장기로 장거리 연결을 제공한다. 광섬유 케이블을 쓰면 장비 간섭 없이 최대 40km의 거리를 달성할 수 있다.
이더넷은 서로 다른 데이터 전송 속도, 새로운 처리 노드, 디스플레이와 센서를 쉽게 수용할 수 있는 확장 가능한 네트워크 구성을 지원한다. 마지막으로 이더넷 포트는 모든 노트북과 견고한 노트북, 그리고 거의 모든 싱글 보드 컴퓨터(SBC)와 내장 처리 보드에 내장돼 있어 PC에서 기존의 프레임 그래버를 장착할 수 있는 어댑터 카드 슬롯이 필요하지 않다.
요약하면 이더넷은 Camera Link와 CoaXPress에 견주어 상당한 이점이 있다. 네트워킹, 처리량, 유연성, 거리와 확장성을 모두 갖춘 고유한 기능을 제공하므로 군용 차량용 디지털 비디오 연결 시스템의 COTS(Commercial Off-The-Shelf, 상업용 기성품) 플랫폼을 위한 최적의 선택이다.
이더넷을 통한 비디오
이더넷은 그림 2와 같이 통신과 컴퓨터 네트워킹을 위한 계층형 7계층 OSI(개방형 시스템 상호 연결) 참조 모델의 계층 2(데이터 링크 계층)에서 작동한다.
이더넷은 MAC(Media Access Control) 주소로 알려진 각 데이터 패킷의 대상 정보를 바탕으로 데이터 라우팅을 표준화한다. 스위치나 NIC(네트워크 인터페이스 카드/칩)와 같은 이더넷 네트워크의 모든 요소는 고유한 MAC 주소를 갖고 있다. 데이터를 IP 패킷으로 포맷하고, 데이터 전송과 흐름 제어를 감독하며, 세션 관리와 사용자 애플리케이션에 대한 정보 포맷 따위의 다른 네트워킹 기능은 OSI 모델의 상위 수준 프로토콜을 통해 처리된다.
이더넷 네트워크는 거의 예외 없이 계층 3에서 IP를 쓴다. 계층 4에서 가장 친숙한 프로토콜이며, 대부분의 LAN(로컬 영역 네트워크)에서 쓰이는 프로토콜은 TCP(전송 제어 프로토콜)이다. TCP는 프로토콜 오버헤드가 심하며 적시에 데이터를 전송하기보다는 정확하도록 최적화돼 있다. 이는 전송을 보장하지만 프로토콜이 순서가 잘못된 메시지, 손실된 메시지의 재전송, 가장 일반적으로 패킷 확인의 동기화를 기다리는 동안 대기하는 시간은 초 단위로 측정된다.
따라서 TCP는 LSA의 업무상 필수적인 vetronics 애플리케이션에는 권장되지 않으며, 낮고 예측할 수 있는 대기 시간을 가진 비디오 데이터의 즉각적인 전송에 의존한다. 이 클래스의 애플리케이션의 경우 계층 4에서 더 나은 선택은 UDP(User Datagram Protocol)다. UDP는 프로토콜 오버헤드가 낮은 TCP보다 간단하다. 데이터 전송을 보장하지 않는 한 가지 주의사항을 포함해 대기 시간이 짧은 네트워크 비디오에 가장 적합하다.
UDP는 TCP보다 좋은 출발점이다. 그러나 다음 두 부문에서 논의한 것처럼 이더넷을 통해 비디오를 전송하는 시스템의 신뢰성, 효율성, 실질성은 여전히 다음과 같은 두 가지 요인에 의해 결정된다.
- 계층 5에서 7까지 사용되는 프로토콜
- 이러한 계층에 구현된 비디오 연결 해결책의 정교함과 품질
GigE 비전 표준
오늘날 Ethernet 네트워크를 통해 비디오와 제어 데이터를 전송하기 위한 OSI Layer 5-7에서 검증된 프로토콜 집합이 GigE Vision 표준에 구현됐다. GigE Vision 표준은 공개돼 있고 전 세계에서 받아들여지고 있다. 2006년 AIA가 도입한 이후 고성능 비디오 애플리케이션용 장비를 개발해서 판매하는 100여 개 하드웨어와 소프트웨어 업체가 채택했다.
이러한 제품의 상호 작용은 계속되는 국제 플러그 페스티벌에서 입증됐으며 적합성 시험을 통해 유지됐다. 높은 성능의 실시간 비디오 애플리케이션을 위한 표준의 가치는 군사, 항공, 의료, 제조 분야를 위한 수천 개의 고유한 제품 설계에서 입증됐다.
그림 3은 GigE Vision 표준이 OSI 모델에 어떻게 적용되는지를 보여준다.
UDP(Universal Datagram Protocol)는 TCP가 아닌 계층 4에서 전송을 처리하는 데 쓰인다. UDP는 단순성, 낮은 오버헤드, 멀티캐스트 지원을 위해 선택됐다. 이는 대기 시간이 짧은 네트워크 비디오에 이상적이지만 데이터 전송을 보장하지는 않는다.
한계를 해결하기 위해 GigE Vision 표준은 비디오 소스가 전송되지 않은 데이터를 비디오 수신기로 다시 보내도록 하는 선택적 메커니즘을 포함한다. 메커니즘은 응용 프로그램에 대한 데이터를 다시 전송할 필요가 없는 경우 해제할 수도 있다. 일반적으로 압축되지 않은 비디오의 일정한 대역폭을 고려한 차내 네트워크에서 패킷은 거의 제거되지 않는다.
이 메커니즘은 표준의 다른 영역과 함께하는 중에도 비디오 전송을 보장하고 재전송 중에도 낮고 예측할 수 있는 대기 시간을 달성하기 위해 GigE Vision 표준의 성능 지향적인 구현을 허용한다.
GigE Vision 표준의 처음 두 버전은 주로 비디오 소스와 호스트 PC의 소프트웨어 사이의 지점 간 연결에 초점을 뒀다. 2010년 1월에 비준된 표준 버전 1.2는 이더넷의 강력한 네트워킹 기능을 더 잘 활용하는, 애플리케이션 아키텍처에 대한 수요를 충족하는 광범위한 업데이트를 포함한다.
버전 1.2는 광범위한 네트워크 연결 요소(기본적으로 GVCP에서 관리할 수 있는 모든 것)를 호환 제품으로 등록할 수 있도록 한다. 이전 버전의 표준에서 다룬 카메라, 외부 프레임 그래버, SDK 혹은 소프트웨어 처리, 디스플레이 애플리케이션 외에도 GigE Vision은 비디오 서버, 하드웨어 비디오 수신기, 비디오 처리 장치, 네트워크 제어 장치와 관리 실체에 대한 정보를 제공한다(그림 4 참조).
버전 1.2가 설치된 GigE Vision 표준은 오늘날의 첨단 비전 센서를 통합한 군용 vetronics 시스템에 필요한 고성능과 풍부한 기능을 갖춘 비디오 네트워크에 가장 적합하다.
2012년 AIA의 GigE Vision 기술위원회가 비준한 GigE Vision 표준 버전 2.0은 고속 전송 표준을 최적화한다. 기술 작업은 그림 5에서 자세히 설명된 대로 5가지 핵심 요소가 있다.
버전 2.0은 표준 텍스트에 공식적으로 10GigE를 포함한다. 다만 이 표준은 이전 버전의 표준을 준수하는 시스템에서 10GigE의 사용을 배제하지 않는다. Pleora를 포함한 일부 벤더는 표준의 정식 출시를 기다리는 대신 시장 수요 증가에 대응하기 위해 10GigE 인터페이스 하드웨어 개발을 추진하고 있다. <다음호에 계속>
자료 제공: Pleora(www.pleora.com)
