머신비전 이미징 시스템 디자인 혁신을 위한 5가지 기술 동향
Pleora
머신비전 업계의 이미징 분야에서 효율성과 비용, 성능 개선을 목표로 한 지속적인 혁신이 있다. 이를테면 지난 1년 동안 새로운 USB3 Vision™ 제품은 이미징 애플리케이션을 위한 더 높은 대역폭의 플러그 앤 플레이 솔루션 설계를 주도해 왔다. 여기에서는 이미징 시스템 디자인에 영향을 줄 것으로 예상되는 5가지 기술 동향을 소개한다.
‘Off-the-Shelf(기성품)’으로 대체
규모가 큰 IT와 소비자 시장을 위한 기술의 용도를 변경해서 효율을 높이고, 비전 애플리케이션의 비용을 낮추는 데 도움 되는 시도가 증가하고 있다. GigE Vision®은 IT 연결성 표준을 빌려 아날로그, Camera Link Base, LVDS와 같은 독점적인 연결성과 레거시 솔루션을 대체했다.
최근에는 USB3 Vision이 운송과 커넥터 기능(주로 소비자 가전과 컴퓨터 연결용으로 개발됨)을 활용해 쉽게 쓰고 유지보수하며 업그레이드할 수 있는 비전 시스템을 구현했다.
빈 피킹(bin picking) 로봇(그림 1)에서 외부 프레임 그래버는 기존 Camera Link 카메라를 USB3 Vision 카메라로 변환한다. 압축되지 않은 비디오(전력 혹은 제어와 함께)는 분석과 디스플레이에 쓰이는, 컴퓨터의기존 포트에 USB 3.0 케이블로 낮고 일관된 대기 시간과 함께 전송된다. 더 얇고 가벼운 USB 3.0 케이블은 로봇 애플리케이션을 위한 넓은 범위의 움직임을 가능하게 해준다.
더욱 유연하고 라우팅이 쉽기 때문에 짧은 작업 시간 동안 작업 셀을 신속히 설정하고 분해할 수 있다.디자이너와 제조업체의 경우 DIY 또는 산업별 해결책을 위해 기성 기술(off-the-shelf technologies)을 채택하는 것이 비용을 절감하고 유용성을 향상하는 핵심 방법이다.
데스크톱 컴퓨터에서 벗어나는 것
모든 시장에서 데스크톱 컴퓨터를 벗어나 랩톱 컴퓨터와 태블릿 피시를 선호하는 쪽으로 변하고 있다. 컴퓨팅 플랫폼을 선택한 것은 GigE Vision이 지속적으로 성장하고 USB3 Vision 솔루션이 빨리 출현한 원동력 중 하나였다.
이미징 데이터는 두 표준에서 모든 컴퓨팅 플랫폼의 기존 이더넷이나 USB 3.0 포트로 직접 스트리밍 된다. 레거시 인터페이스 표준은 PCIe 프레임 그래버가 엔드 포인트에서 이미징 데이터를 캡처해, 시스템을 주로 데스크톱 PC로 제한하도록 요구한다. 일반적으로 컴퓨터 제조업체가 인터페이스 선택에서 (Firewire[파이어와이어]는 사라지고 Thunderbolt[썬더볼트]를 채택하는 것으로 보아) USB 3.0 조합으로 바꾸는 것으로 보인다.
데스크톱 컴퓨터와 랩톱 컴퓨터를 넘어서, 이미징 작업이나 프로세스가 자동화되고 반복되는 애플리케이션에서 임베디드 시스템으로 전환하는 경우도 있다.
높은 프로세싱 기능과 작은 폼 팩터의 임베디드 프로세싱은 산업용 로봇 애플리케이션을 위한 이미지와 비디오 프로세싱에 매력적이다. 임베디드 프로세싱으로 비전 시스템 성능을 네트워크의 다른 지점에 쉽게 배치할 수 있다. 또한 전력 효율은 운영 비용을 낮추고 출력을 감소해 다른 전자 부품의 조기 고장을 방지한다.
빠른 전송
종종 새로운 기술의 원동력으로 속도가 요구된다. 머신비전에서 USB3, 10GigE, 무선 기술의 진보는 설계자에게 더 많은 대역폭과 시스템 설계 유연성을 제공할 것이다.
USB 3.1의 데이터 전송 속도는 USB 3.0 두 배 이상이며 Camera Link의 모든 변형을 지원하는 데 필요한 대역폭을 제공한다. 설계자는 케이블에 최대 100와트의 전력을 공급하고, 카메라의 외부 전력 요구 사항을 제거함으로써 비전 시스템의 비용을 더욱 절감할 수 있다.
기존 USB3 Vision 표준은 거의 또는 전혀 수정하지 않아도 성능 향상을 지원한다. 스위치와 NICS, 케이블 링, 그리고 SFP+ 모듈을 포함해 10GigE 인프라의 비용이 계속해서 감소하고 있다. 이에 따라 비전 애플리케이션에 10GigE를 채택하는 경우가 늘고 있다.
10GigE의 핵심 시장은 완벽한 네트워크 비전 시스템을 구축할 수 있는 고속 웹 검사 분야이다. 설계자가 이더넷의 고유한 멀티 캐스팅 기능을 저비용 기성품 장비와 함께 활용해 분산 처리를 할 수 있다는 점이 중요하다.
그림 2에 나와 있듯이 외부 프레임 그래버는 Camera Link Medium 또는 Full 카메라를 10GigE로 변환하고, 기성품 GigE 스위치를 써서 여러 컴퓨팅 플랫폼에 이미지 데이터를 전송한다. 이로써 설계자는 컴퓨터를 각 카메라에 연결하지 않고 여러 유형의 결함에 대해 개별 컴퓨터를 최적화할 수 있다.
또한 이미징 시스템 설계자는 무선 비디오 전송 기회의 중요성을 알게 됐다. IEEE 802.11n 무선 링크로 150Mb/s를 지원하는 비디오 인터페이스 솔루션을, 더 높은 대역폭의 IEEE 802.11ac 제품과 함께 쓸 수 있다. 차세대 무선 비디오 솔루션은 VGA 해상도, 초당 30fps, 흑백 또는 Bayer 컬러로 실행되는 3개의 GigE Vision 카메라를 지원한다. 이 밖에도 가정용 무선 HDTV 연결에 필요한 단거리 비전 애플리케이션 즉, 무선 홈 디지털 인터페이스(WHDI, Wireless Home Digital Interface)를 바탕으로 하는 잠재력이 있다.
병렬 컴퓨팅
FPGA(Field Programmable Gate Array, 프로그램이 가능한 반도체의 일종)와 CPU가 일부 이미징 작업을 수행하기 위해 GPU로 대체되고 있다. GPU는 하위 작업으로 분리해 병렬로 수행할 수 있는 이미징 작업에 적합하다. 이미지 분석 소프트웨어 패키지(상용과 오픈 소스 모두)는 처리 속도를 높이기 위해 GPU를 활용한다.
GPU는 독립형 칩이나 프로세서 칩셋이 내장된 대부분의 노트북과 데스크톱 마더보드에서 쓸 수 있다. 그동안 GPU는 프로그래밍하기 어려웠다. 그러나 툴 체인(tool chains)이 업그레이드되면서 GPU 프로그래밍은 표준 C++를 사용해 CPU를 프로그래밍하는 것과 비슷해졌다. 거의 모든 비전 애플리케이션에서 GPU 기반 시스템의 시장 진입 시간 이점(time-to-market)은 대기 시간, 지터, 전력의 사소한 절충보다 중요하다.
압축
압축은 제조업체가 더 경제적이며 쓰기 쉬운 멀티스크린 이미징 시스템을 설계할 수 있는 새로운 기회이다. 많은 비전 애플리케이션에서 처리와 분석에 쓰이는 비압축 비디오를 모니터링과 보안, 예약을 위해 운영자에게 전달할 수도 있다. 수십~수백 대의 카메라에서 압축되지 않은 비디오를 중앙 집중식 운영 센터로 보내면 실용적이지 않다. 그 대신 비디오를 압축해 유무선 네트워크로 전송할 수 있다.
설계자가 이미징 애플리케이션을 위해 고려해야 하는 두 가지 압축 유형이 있다. 손실 압축(‘복구할 수 없는’이라고도 하는)은 원본 이미지의 일부 정보와 선명도를 잃는다. 예시로 DVD와 인터넷 비디오 스트리밍에 널리 쓰이는 H.264가 있다. 50:1 이상의 압축 비율로 데이터 크기를 줄이는 데 탁월하지만 대기 시간은 길어진다. 이미지 품질의 손실은 눈으로 감지할 수 없다. 이미지 스트림을 원격으로 보거나 녹화할 때 몇 초의 지연은 아무런 영향을 미치지 않는다.
이 유형의 압축은 최종 사용자가 여럿 있는 비전 애플리케이션에 이상적이다. 예를 들어, 제조 라인에서 GigE Vision 카메라의 비압축 비디오를 처리와 분석 플랫폼으로 전송할 수 있다.
비디오를 트랜스 코더 게이트웨이(Transcoder Gateway)로 멀티 캐스팅할 수 있으며, 트랜스 코더 게이트웨이는 H.264로 비디오를 압축하고 운영 센터로 전송한다. 운영자는 시설을 원격으로 모니터링할 수 있으며 나중에 분석할 수 있도록 주요 이벤트를 기록할 수 있다.
JPEG-LS나 JPEG 2000의 특정 모드처럼 복구할 수 있거나 수학적으로 무손실인 압축 기술은 훨씬 낮은 압축률을 갖지만 원래 정보는 그대로 보존된다.
따라서 복구 지연 시간이 짧은 시스템에 적합한 복구를 할 수 있지만, 데이터 속도는 기존 케이블에서 지원할 수 있는 것보다 높을 필요가 있다. 예를 들어, 1080p 컬러 비디오를 GigE 케이블로 스트리밍하거나 Camera Link Full 비디오를 USB 3.0 케이블로 전송할 수 있다. 그 결과 디자이너는 저렴하고 쉽게 쓸 수 있는 케이블로 고해상도 이미지를 제공함으로써 시스템 기능을 향상할 수 있다.
자료 제공: Pleora(www.pleora.com)
