CoaXPress-over-Fiber, 고속 머신 비전의 새로운 지평을 열다
Phantom
표준 이더넷 연결을 통해 CoaXPress 프로토콜을 실행하여 고속 머신 비전 애플리케이션의 처리량을 향상하는 혁신적인 방법을 모색한다.
고속 디지털 이미징은 기존 MV(머신 비전, Machine Vision)의 이점을 확장하여 프로세스 제어 도구에서 진단 도구로 전환한다. 기존 MV 시스템은 상용 기성 이미징 센서, 조명 모듈 및 프로세서를 사용하여 생산 라인을 따라 이동하는 부품을 안내, 검사 또는 식별한다. 인간 작업자와 비교할 때 이러한 시스템은 빠르고 정확하며 반복 가능하여 빠르게 변화하는 제조 환경에서 생산성을 높인다.
고속 스트리밍 카메라는 이러한 기능을 바탕으로 기존 MV 시스템이 캡처할 수 없는 것을 캡처한다. 고해상도, 빠른 프레임 속도 및 스트리밍 기능 덕분에 이 고급 카메라는 반도체 검사, 3D 인쇄 및 우주 왕복선 발사와 같이 실시간 분석 또는 긴 기록 시간이 필요한 까다로운 애플리케이션에서 MV를 가능하게 한다.
그러나 이러한 스트리밍 카메라는 MV 방정식의 일부일 뿐이다. 이러한 시스템이 제공해야 하는 모든 이점을 진정으로 얻으려면 방대한 양의 이미지 데이터를 고속으로 전송하고 처리할 수 있는 케이블 기술과 쌍을 이루어야 한다. 여기에 CoaXPress 케이블 기술이 등장한다.
고속 이미징을 위한 CoaXPress 인터페이스 표준(특히 최근 CoaXPress-over Fiber 확장)은 MV 애플리케이션의 처리량을 크게 향상시키는 동시에 대역폭을 늘리고 비용을 낮추고 시스템 복잡성을 줄이며 더 먼 거리에서도 녹화가 가능하게 한다.
CXP 케이블 기술 소개
고속 이미징을 위한 세계 최고의 프로토콜로서, 구리 CoaXPress(CXP) 케이블 기술은 고속 직렬 데이터를 카메라에서 프레임 그래버로 이동하기 위한 강력한 표준이다.
MV 외에도 의료 영상, 생명 과학 및 국방과 같은 많은 전문 및 산업 영상 애플리케이션에서 역할을 한다. JIIA(Japan Industrial Imaging Association)가 주최하는 CXP는 JIIA, EMVA(European Machine Vision Association) 및 AIA(Automated Imaging Association) 간의 G3 동맹을 통해 글로벌 표준으로 채택되었다.
많은 고속 스트리밍 카메라는 CXP 표준을 사용하여 유용성을 극대화하여 카메라가 대량의 이미지 데이터를 백엔드 프레임 그래버로 직접 전송할 수 있도록 한다. 그곳에서 데이터는 프레임 그래버 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 PCI-e(Peripheral Component Interconnect Express) 버스 표준을 사용하여 컴퓨터 마더보드에 연결된 그래픽 처리 장치(GPU)를 통해 즉석에서 처리된다.
스티칭(stitching)이라는 프로세스에서 카메라는 전송된 이미지를 행으로 나눈 다음 프레임 그래버 FPGA에 도착할 때 이미지를 인터리브 한다. 간단한 알고리즘을 사용하여 각 이미지를 다시 "연결(stitched)"한다. 이 스트리밍 기능은 장기 기록 애플리케이션에서 데이터를 컴퓨터로 다운로드하기 전에 카메라의 RAM에 데이터를 저장하는 시간 소모적인 프로세스를 방지한다.
2011년에 발표된 CXP-6 표준(개정판 1.1)에 따라 각 구리 케이블은 카메라에서 백엔드 수신기 시스템으로 초당 6.25기가비트(Gbps)의 데이터 전송 속도를 처리하도록 장착되어 있다. 예를 들어 Phantom® S990 고속 스트리밍 카메라에서 사용자는 최대 16개의 표준 CXP-6 채널을 활용할 수 있다. 2019년에 출시된 최신 CXP-12 표준(개정판 2.0)은 이 속도를 효과적으로 두 배로 높여 CXP-6과 CXP-12 모두 높은 처리량을 요구하는 고속 카메라에 이상적이다.
최신 CXP-12는 동축 구리 케이블을 통한 12.5Gbps 링크로 구성되어 있는 반면, 4개의 CXP-12 링크는 링크 통합을 통해 50Gbps의 대역폭을 쉽게 달성할 수 있다. 커넥터 측면에서 CXP-6은 푸시-풀 래칭 시스템이 있는 DIN 1.0/2.3 커넥터를 사용하는 반면 CXP-12는 신뢰할 수 있는 푸시 앤 턴, 빠르고 쉬운 연결/분리를 위한 베이요넷 스타일(bayonet-style) 포지티브 잠금장치가 있는 Micro-BNC(HD-BNC) 커넥터를 사용한다.
CXPoF로 더 높은 처리량 달성
최신 CoaXPress 2.0 사양에 대한 추가 기능인 CXPoF(CoaXPress-over-Fiber)는 광섬유를 포함한 표준 이더넷 연결을 통해 수정되지 않은 CXP-12 프로토콜을 실행하는 방법을 제공한다. 즉, 이더넷용으로 설계된 표준 전자 장치, 커넥터 및 케이블을 사용하지만, 프로토콜은 이더넷 또는 GigE Vision 대신 CoaXPress이다.
CXPoF는 CXP-12 표준과 광섬유를 결합하기 때문에 이 업그레이드된 표준은 여러 개의 CXP-6 구리 케이블이 필요하지 않다. Vision Research는 최근 이 기술을 최신 MV 카메라인 Phantom S991에 통합했다(사이드바 참조). 업계 최초의 CXPoF 카메라 모델 중 하나인 이 카메라는 이전 제품인 Phantom S990에 필요한 16개의 구리 케이블과 달리 2개의 광섬유 케이블만 있으면 된다.
Phantom S991에는 더 큰 해상도에서 더 높은 프레임 속도를 제공하고 데이터 처리량을 줄이기 위한 8비트 출력 옵션이 포함되어 있다. 또한 128(수평) x 8(수직)의 해상도 증가가 있어 사용자가 필요한 프레임 속도에 대한 해상도를 최대화할 수 있다.
대역폭 측면에서 CXPoF는 카메라당 총 40Gbps의 단일 QSFP+(Quad Small Form-Factor Pluggable) 트랜시버 모듈에서 4 x 10Gbps를 달성한다. 이는 4개의 구리 동축 케이블을 통한 4개의 CXP-12 링크와 동일한 순 대역폭이다.
예를 들어, Phantom S991은 S990과 동일한 처리량을 제공하지만 두 개의 QSFP+ 트랜시버 모듈과 광섬유 케이블만 사용한다. S991은 또한 Euresys CXP 12 IP Core 및 CoF Bridge와 함께 Kintex® UltraScale+™ FPGA를 사용한다.
카메라 내에서 이 브리지는 이더넷 PCS(Physical Coding Sublayer) 또는 PMA(Physical Medium Attachment) 블록으로 가는 CoaXPress 패킷을 XGMII(10기가비트 미디어 독립 인터페이스) 패킷으로 변환한다. 프레임 그래버 내에서 브리지는 XGMII 패킷도 CoaXPress 패킷으로 변환한다.
CXPoF의 이점
CoaXPress 표준은 고대역폭, 짧은 대기 시간, 높은 안정성 및 뛰어난 신뢰성의 고유한 조합으로 인해 성공적이었다. 고속 카메라에 통합되면 데이터 전송 프로세스가 향상되어 사용자가 매우 빠른 프레임 속도로 고품질 이미지를 얻을 수 있다. CoaXPress-over-Fiber는 이러한 이점을 유지하고 구축한다.
예를 들어 CXPoF는 기존 CXP 표준에 대한 추가 기능이므로 고속 이미징 전문가는 카메라를 업그레이드할 때 동일한 프로그래밍을 활용할 수 있다.
이더넷 구성 요소를 사용하기 때문에 CXPoF는 표준 이더넷 커넥터와 케이블만 필요하므로 비용을 절감할 수 있다. 동시에 400기가비트 이더넷과 같이 더 높은 대역폭으로 발전함에 따라 이더넷의 "자유로운" 진화를 활용한다. 이더넷과 관련된 이점을 얻는 것 외에도 사용자는 광섬유의 모든 이점을 누릴 수 있다.
이 케이블은 작고 가볍다. CXPoF는 새로운 고속 MV 애플리케이션의 문을 여는 동시에 고속 MV가 이미 사용 중인 애플리케이션을 단순화한다.
예를 들어:
• CXPoF는 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 리피터가 불필요하다.
CXP-12 표준 이전에는 사용자가 CXP-6 표준을 광섬유로 변환하기 위해 값비싼 리피터를 배치해야 했다. 이 설정은 또한 잠재적인 실패 지점이 많은 매우 부피가 큰 케이블 인터페이스를 생성했다. CXPoF는 이 설정을 단순화하여 리피터 및 관련 장애 지점이 필요하지 않다.
• CXPoF는 더 먼 거리에서도 녹음이 가능하다.
CXPoF는 MV를 더 먼 거리에서의 녹음이 필요한 애플리케이션으로 확장한다. 이전에는 큰 비용이 들고 복잡한 리피터를 사용해야 했던 작업이었다.
이제 사용자는 최대 몇 마일 떨어진 곳에서 MV 카메라를 간단히 설정할 수 있다. 또한 단일 모드 트랜시버와 케이블을 사용할 수 있으므로 케이블 길이에 제한이 없다. 이 기능은 또한 본질적으로 카메라 오퍼레이터가 녹화 과정에서 멀리 떨어져 있어야 하는 탄도 또는 폭발과 관련된 애플리케이션에 MV를 가져오는 과정을 단순화한다.
• CXPoF는 시스템 복잡성을 줄이다.
고장 지점을 더욱더 줄이기 위해 CXPoF에는 4개가 아닌 2개의 프레임 그래버만 필요로 한다. 녹음 거리와 관계없이 트랜시버 연결 수도 16개의 구리 케이블에서 2개의 광섬유 케이블로 줄어들어 가볍고 안정적이며 이동성이 뛰어난 케이블 설정이 가능하다.
자료 제공: Phantom(www.phantomhighspeed.com)
