KAYA Instruments / 카메라 인터페이스의 미래 추세
시장에 있는 다양한 종류의 카메라는 머신비전과 방송 애플리케이션용으로 설계되고 개발됐다. 매년 점점 많은 이미지 센서가 출시돼 더 크고 빠른 비디오 스트림을 제공한다. 대부분의 하이엔드 카메라는 품질이 높은 CMOS 이미지 센서로 만들어졌다.
그러나 이미지 센서는 픽셀 수, 프레임 속도, 셔터 유형, 광학 형식, 색상과 기타 많은 세부 사항의 측면에서 매우 다르므로 카메라 성능의 상한선을 압박한다. 또한 최신 카메라에는 카메라 링크, CLHS, CoaXPress, 기가비트 이더넷, HD-SDI/3G-SDI, USB, FireWire 등의 다양한 인터페이스가 있다. 각 인터페이스에는 특수 유형의 프레임 그래버(frame grabber)와 케이블이 필요하다.
해결책을 찾기 위해 확인해야 할 사항
작업 흐름(workflow)과 기술 요구 사항에 적합한 방식으로 가격 대비 최고성능 해결책을 찾아야 한다. 고려할 질문은 다음과 같다.
- 시스템의 기술적 요구 사항을 결정한다면, 필요한 해상도와 프레임 속도 그리고 카메라(센서)의 성능은 어떤 것이 필요한가?
- 최소 대역폭 또는 데이터 속도는 어떻게 되는가?
- 확실히 필요로 하는 최소 거리(케이블 길이)는 얼마인가?
- 인터페이스를 위해 케이블이 얼마나 필요한가?
- 전력 소비량은 얼마나 되며, 케이블의 미터당 비용은 얼마인가?
- 대역폭의 GByte 당 비용은 얼마이고, 호스트 측에서 어떤 처리 성능이 필요한가?
카메라 인터페이스 중 어느 것도 차세대 센서를 위한 전체 대역폭을 제공할 수 없다. 때문에 해결책을 찾는 게 쉽지 않다.
여러 요소 때문에 제약된 환경
카메라 링크는 오래된 기술이며 짧고 값비싼 케이블로 대역폭이 제한된다. GigE와 10GigE Vision의 신호 처리에는 팩(pack)과 언팩(unpack)이 필요하므로 패킷 배달과 실시간 측면에서 시스템의 신뢰성을 떨어뜨린다.
또한 전력 소비가 매우 높으며 CPU 부하 요구사항에 대해서도 언급하지 않는다. HD-SDI는 사용자의 해상도 수행 카메라로 제어 전송을 못 하며, 동일한 케이블을 통해 카메라에 전원을 공급할 수 없다. USB3 Vision은 데이터 오프 로딩 때문에 PC의 사양에 상당히 의존한다. 또한 케이블 길이가 3m를 넘으면 작동하지 않는다. CoaxPress는 20Gbps 이상의 대역폭(예 : 40Gbps 데이터 전송 속도에 필요한 케이블 8개) 이상을 필요로 할 때 복잡해진다. 이를테면 케이블이 커지고 전체 해결책이 매우 비싸다.
광섬유 인터페이스
광섬유 인터페이스는 제한이 거의 없으므로 ‘뭘 할 수 있는가’에 대한 해답을 줄 수 있다. 이유는 간단하다. 광섬유 케이블은 유연하고 장거리(수십 km) 전송을 지원한다.
또, 내구성이 뛰어나며 대역폭이 크다. 파장거리 멀티 플렉싱 기술(wavelength multiplexing technology)을 사용하면 단일 광케이블을 통해 100Gbps 이상 전송할 수 있다. 광섬유 케이블은 오늘날 사용되는 다른 케이블 유형보다 훨씬 저렴하다(예 : 광섬유 케이블의 가격은 CXP 케이블 가격의 약 10%이고 카메라 링크 케이블의 가격은 1%이다). 이는 효율적이고 검증된 해결책이다. 특히 통신 분야에서 널리 사용되기 때문이다.
기존 카메라 인터페이스의 단점과 한계 때문에 머신비전 업계는 더 나은 해결책을 요구하게 됐다. 때문에 40Gbps의 지속 전송 속도를 지원하고, 집계를 통해 최대 80Gbps까지 확장할 수 있는 광섬유 인터페이스의 새로운 개발이 이뤄졌다.
인터페이스 디자인의 논리적 활용도는 매우 적어서 카메라 내 FPGA의 전력 소비를 고려해야 한다.
기술과 경제를 고려했을 때 최상의 선택은, 광섬유 인터페이스(기가비트 이더넷이 아닌)와 광섬유 프레임 그래버 및 고속 카메라를 포함하는 광섬유 비디오 수집 시스템이다. 파이버 프레임 그래버용 파이버 IP는 저렴한 가격(혹은 무료)으로 제공될 수 있다. 시중에는 광섬유 인터페이스를 갖춘 초고속 카메라가 거의 없지만, 업계를 선도하는 이미지 센서로 빨리 발전하고 있다.
일부 카메라는 명목상의 프레임 속도가 빠르고(2000fps 이상), 다른 일부는 뛰어난 해상도(예 : 20메가 픽셀)를 갖고 있다. 또 다른 일부 모델은, 고해상도와 빠른 프레임 속도 조합을 갖고 있다. 로컬 모니터용 3G SDI 출력은 이 카메라의 추가 기능이다. 가변 렌즈 마운트와 렌즈 옵션을 고려해야 한다. SDK와 비전 애플리케이션 또한 매우 중요하다. 프레임 그래버 가격에는 소프트웨어 비용이 포함돼야 한다.
파이버 비디오 시스템은 산업 검사, 자동차 및 차량 애플리케이션, 로보틱스, 모션 분석, 우주 및 지형 분석, 의료 연구와 과학, 스포츠 방송, 군수와 국방, 교통 제어, 3D 애플리케이션 및 기타 산업 분야 등 다양한 분야에서 완벽한 해결책이다.
카메라와 프레임 그래버는 Genicam과 GenTL에 호환돼야 한다. Matlab 사용자는 프레임 그래버로 고속 카메라를 사용할 때 얻을 수 있는 이점을 누리고, 가장 효율적인 방법으로 이미지 처리를 수행하기 위해 제품을 작업 흐름에 통합할 수 있다.
MVTec Halcon과 내쇼날 인스트루먼트 지원 LabVIEW가 중요하다.
따라서 비디오 수집 작업 흐름을 완료하려면 초고속 디지털 비디오 레코더가 필수적이다. 응용 분야가 다른 경우에는 산업과 군사용으로 유용할 수 있는 견고한 디자인이어야 한다.
또한 디지털 비디오 레코더는 운송 및 해상 인증을 받을 수 있으므로 자동차 산업과 다양한 운송 애플리케이션에서 효율적으로 사용할 수 있다. 광 인터페이스가 있는 고속 비디오 레코더의 고유한 기능 중 하나는 최대 40Gbps의 레코딩 속도이다. 녹음 시간은 사용된 저장 공간에 따라 다르지만 1시간이 될 수 있다. IRIG나 GPS를 사용해 정확한 타임스탬프를 제공할 수도 있다.
자료 제공 : KAYA Instruments(www.KAYAInstruments.com)
