전문가에게 들어보는 CoaXPress 최신동향(Ver1.1)과 전망

이 문서를 통해 CoaXPress에 대한 간단한 정의와 최신 버전인 1.1버전으로 넘어오면서 생긴 변화를 중점적으로 살펴본다. 이 문서를 통해 CoaXPress 인터페이스 사용자들은 물론 머신비전 시장을 알아가는 이들이 CoaXPress에 조금 더 친숙하게 다가갈 수 있기를 기대한다.
자료제공 | NED(www.ned-sensor.co.jp), 이민구 매니저

CoaXPress(약어로CXP라고 한다)는 동축 케이블(Coaxial cable)을 통해 디지털 데이터를 고속으로 전송(케이블 당 최대 6.25Gbps)할 수 있는 차세대 인터페이스 규격이다. 일반적인 동축 케이블을 이용해 영상을 전송하며, 화상 데이터 전송과 트리거 그리고 GPIO제어 및 전원 공급 기능을 1개의 케이블만으로 구현할 수 있다.

2010년 12월에 JIIA(Japan Industrial Imaging Association, 일본산업영상협회)에서 최초로 규격화를 진행했고, 이후 2011년 3월에 AIA와 EMVA로부터 승인을 획득하였다. 이로 인해 CoaXPress는 AIA와 EMVA 그리고 JIIA, 즉 G3로부터 국제표준으로 인정받았다. 이후 표준화가 진행됨에 따라 다양한 CoaXPress 제품이 시장에 나오며 상호접속을 실현하고 있다.

2013년 현재, CoaXPress는 세계 유수의 머신비전 쇼에서 주요 머신비전 벤더들이 참가를 표명하는 등 국제시장에서도 실질적인 메인스트림으로 자리잡고 있다.

인터페이스의 표준화
2010부터 2011에 걸쳐, 국제 표준으로 인정받은 CoaXPress규격의 초기 컨소시엄 멤버는 다음과 같다(현재는 30여 회사를 넘어 점점 증가하고 있다). NED는 컨소시엄 초기 멤버로서 CoaXPress 규격을 보급하기 위해 노력하고 있다.
 

개발 배경
최근 몇 년간 머신비전 애플리케이션은 지속적으로 발달을 거듭하고 있다. 이에 따라 고속·고해상도 카메라 역시 속속 출시되고 있다. 그러나 사용자들은 점점 더 많고 빠른 데이터 전송을 요구하므로 카메라 인터페이스 규격은 확장의 한계에 부딪혀있다.

현재 머신비전 시장에서 널리 사용되고 있는 카메라 인터페이스의 종류는 여러 가지가 있다. 그래서 이런 인터페이스가 오히려 애플리케이션의 요건을 한정해버리거나 카메라 혹은 보드의 성능을 제한하는 사례도 발생하고 있다. 이는 다시 말해 지금까지의 애플리케이션이 모든 면에서 뛰어난 것은 아니었으며 단점이나 한계 역시 명백했다는 이야기가 된다.

이를테면 고속 CMOS 센서의 등장에서 대표적 한계를 엿볼 수 있다. 기존의 CCD 및 초기의 CMOS 센서가 낼 수 있는 아웃풋(전송 속도와 전송 대역폭)은 카메라링크 표준으로 충분히 구현할 수 있었다. 하지만 카메라링크의 전송 속도 및 대역폭(85MHz×10Tap = 850MHz / 850MHz×10bit = 6.8Gbps)을 넘어서는 고속·고해상도 센서가 등장함에 따라 문제점이 발생하게 되었다. 고속 CMOS 센서를 탑재한 카메라는 기존보다 더 빠르게 데이터를 출력할 수 있지만, 카메라링크라는 인터페이스의 한계로 인해 최대 전송속도가 제한을 받게 된 것.
 

이런 인터페이스의 문제점과 제한을 극복하기 위해 Adimec(네덜란드)와 EqcoLogic(벨기에)사가 새 기술을 개발하기 시작했다. 이들은 동축 케이블을 이용해 고속 데이터를 장거리까지 전송할 수 있는 새로운 디지털 인터페이스 기술을 개발했는데 그것이 CoaXPress다. 이 기술은 채널당 6.25Gbps 속도, 4개 링크를 자랑하며 최대 25Gbps 속도로 데이터를 전송할 수 있어 지금까지의 한계를 극복할 수 있는 표준으로 부상했다.

두 회사는 단지 기술 개발에 그치지 않고 카메라와 프레임그래버 그리고 케이블 메이커들과 협력 체계를 구축해 동축 케이블을 사용한 인터페이스를 만들기에 이르렀다. 바야흐로 새로운 인터페이스, CoaXPress가 탄생하는 순간이었다.

이후 CoaXPress 기술의 보급과 동시에 각 메이커들이 만든 기기들을 원활히 호환하기 위해 JIIA에서 CoaXPress 규격을 제정했다.

>> CoaXPress의 특징

이렇게 탄생한 CoaXPress는 지금까지의 머신비전 인터페이스 표준들과 비교했을 때 어떤 차이가 있을까? 지금부터 CoaXPress의 주요 특징에 대해 알아본다.
 
간단한 접속

CoaXPress가 가진 가장 큰 장점은 기존 케이블보다 접속 및 연결이 월등히 편리하다는 점이다. CoaXPress는 저가 시장의 동축 케이블을 그대로 사용할 수 있다. 이렇게 하면 5m당 8달러 정도의 적은 가격으로도 케이블을 구축할 수 있다. 하나의 케이블으로 PC-카메라 간 양방향 데이터 전송이 가능하다는 점도 장점이다. 

높은 속도
카메라에서 프레임그래버로 이미지를 전송하는 다운링크는 1.25Gbps부터 최대 6.25Gbps 속도로 전송이 가능하며, 컨트롤과 트리거 등을 조작하는 업링크 속도는 프레임그래버부터 카메라까지 약 20.83Mbps 속도를 달성할 수 있다. 더 높은 속도가 필요하면 여러 케이블을 동시에 연결해 사용할 수 있다. 최대 4개의 케이블을 연결할 수 있으므로 최대 속도가 다른 표준에 비해 높은 편이다.

편의성
CoaXPress는 한 개의 케이블만으로도 다운로드와 업로드 그리고 카메라 전원 공급까지 여러 동작을 동시에 실현한다. 앞서 설명했던 대로 CoaXPress의 링크 속도는 다운로드를 할 때에는 최대 6.25Gbps 속도를, 업로드를 할 때에는 최대 20.80Mbps 속도를 자랑한다. 거기에 채널당 DC 24V/13W의 전원도 공급할 수 있어 타 머신비전 인터페이스에 비해 사용이 간편하다. 뿐만 아니라 활용 사례에 적합한 다운로드 속도를 1.25·2.5·3.125·5.0·6.25Gbps 등 다섯 종류 중에서 선택할 수 있다.
 

데이터 신뢰성(Data Integrity)
CoaXPress는 측정하여 얻은 결과에 대해 높은 신뢰성을 자랑한다. 이를 실현할 수 있는 것은 CoaXPress가 가지고 있는 몇 가지 기능 덕이다.

① Redundant Coding: 동일한 데이터를 3회 송신하고 다수결 회로로 판정한다.
② CRC-32（IEEE-802.3 Ethernet): 통신 데이터의 에러를 체크한다.
③ Link Test: 케이블이 데이터를 전송하는 품질을 평가하기 위해 탑재한 표준이다.
④ Bit Error Test: 사용자가 다운링크와 업링크 사이의 전송 에러율을 간단하게 측정할 수 있다. 이를 자세히 설명하면, CoaXPress는 장치-케이블-호스트 사이의 전송 품질을 테스트할 수 있는 기능을 가지고 있다. 이때 디바이스는 정해놓은 시퀀스 데이터를 전송하고, 이를 수신하는 호스트는 동일한 시퀀스 데이터와 비교하여 Bit Error Rate(RER)를 측정한다.
 

링크 테스트 모드는 아날로그카메라에서 디지털카메라로 업그레이드하였을 때 링크의 견고성(robustness)를 검증하는 데에 사용할 수도 있다.

실시간 제어
CoaXPress는 화상 데이터·트리거 및 GPIO제어 등 각종 작업을 실시간으로 수행할 수 있다. 단, 기본적으로 카메라와 프레임그래버 사이에 고정 지연시간(3.4㎲)이 있다.
또한 원활한 제어를 위해 각 패킷타입에 대해 우선순위를 정해놓고 있다.

UpLink Trigger 동작
CoaXPress는 지터(Jitter)를 최소한으로 억제하기 위해 트리거 발생과 트리거 패킷송신의 시간차 정보를 트리거 패킷으로 갖고 있다. 이 기능을 통해 CoaXPress는 ±4ns의 지터를 실현한다.

>> CoaXPress의 최신 기술들

Power over CoaXPress(PoCXP)
최근 Power over CoaXPress, 즉 PoCXP라는 기능이 새로 등장했다. 이 기능을 지원하는 카메라 등의 장치는 1개의 케이블로 최대 24V·13W의 전원을 이용할 수 있다.
 

PoCXP 기능을 사용하면, 케이블이 장치와 접촉했을 때 프레임그래버 등의 호스트가 접속된 장치에 전원 공급이 필요한지 자동적으로 판단하고, 전원 공급이 필요한 경우 전력을 공급하게 된다. 또한 호스트는 단락 및 과전류 보호회로를 보유하고 있다.

디바이스 디스커버리(플러그 앤 플레이)
디바이스 디스커버리는 기존 카메라 데이터를 프레임그래버에 전달하기 위해 수동으로 설정하던 작업을 자동으로 설정할 수 있는 기능이다. 카메라 동작 클럭·데이터 폭·화소 수 등이 이에 해당한다.
디바이스 디스커버리 기능을 이용하면, 호스트(프레임그래버 등)가 접속된 장치(카메라 등)의 Bit Rate·접속 형태·패킷 사이즈 등을 자동으로 검출하여 호스트와 디바이스 사이의 접속을 확인할 수 있다. 구체적으로 Auto bitrate, link setup, device detection, data packing format, bit depth 등의 요소들을 자동으로 검출한다.
 
GenICam 대응
최근 GenICam에 대응하는 애플리케이션이 점차 증가하고 있다. CoaXPress 역시 GenICam 기능을 탑재해 한층 더 진화했다.
 

GenICam 대응 기능을 활용하면, 애플리케이션에서 XML 파일(디바이스의 레지스터 구성)을 읽어 간단하게 장치를 조작할 수 있다. 이때, 장치가 바뀌어도 애플리케이션이 동일하다면 같은 작업을 수행할 수 있다는 점이 매력적이다.  CoaXPress의 GenTL Producer(Transport Layer API)는 GenICam 내의 GenTL 사양서를 바탕으로 하고 있다. 또한 GenTL Producer는 GenTL Consumer와 함께 각기 다른 GenTL Producer간의 호환성을 보증한다.

CXP 규격별 접속 예
CoaXPress는 규격별로 다양한 방법으로 접속할 수 있다.

>> 다른 인터페이스와의 비교

·시스템 구성 비교

·사양 비교

·차세대 인터페이스 간 특징 비교
위의 표에서는 CoaXPress가 카메라링크 HS 및 10GigE 비전과 비교해 어떤 매력이 있는지 알아보기 위해 각 차세대 인터페이스들의 특징을 비교한다.

CoaXPress는 단순히 하이엔드 애플리케이션에만 초점을 맞추고 있지 않다. 아날로그부터 디지털 시스템에 이르기까지, 그리고 로우엔드에서 하이엔드 애플리케이션에 이르기까지 폭넓은 분야에서 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있다.

>> FAQ

아래 문답은 CoaXPress를 실질적으로 사용하고자 할 때 드는 의문들을 임의로 제시해 이에 대한 NED의 답변을 덧붙인 것이다. CoaXPress를 이용하고자 하는 이들에게 실질적으로 도움이 되는 자료다.

실제 전송속도는 수치적으로 얼마나 되나.
실제로 전송하는 데이터율은 제시된 수치의 0.8배다. 이는 타 인터페이스 규격도 마찬가지다. 예를 들어 CXP-6(6.25Gbps)의 경우, 실제로 전송하는 데이터율은 약 5.00Gbps가량이다.

이는 전송의 8할은 데이터 정보를 갖고 나머지 2할은 클럭 정보를 보내기 때문이다. 또한, 엄밀하게는 패킷화 기능을 이용함에 따라 카메라가 전송하는 데이터 정보 안에는 실질적 데이터 이외의 패킷 정보도 들어있다. 이로 인해 여러 정보를 동시에 보내게 되는 것. 때문에 속도는 약간 더 저하된다.

CoaXPress를 사용하기에 적합한 용도는.
① 데이터 전송속도가 1Gbps를 넘는 경우
② 외부 트리거를 필요로 하는 경우
③ 10m를 넘는 케이블 길이가 필요한 경우

CoaXPress에 대응하는 프레임그래버 제품엔 어떤 것이 있는가.
CoaXPress대응 프레임그래버는 현재 여러 주요 메이커로부터 발표되었거나 혹은 발표될 예정이다. 아래 나열된 예시는 대표적 프레임그래버 메이커들과 제품들이다.

① Matrox(캐나다)의 Radient eV-CXP (CXP-6 Quad), PCIe 2.0 x8
② Aval Data(일본)의 APX-3662 (CXP-6 Dual), PCIe 2.0 x4
③ Active Silicon(영국)의 FireBird Single/Dual/Quad CXP-6, PCIe 2.0 x8
④ BitFlow(미국)의 Karbon-CXP (CXP-6 Dual, CXP-3 Quad), PCIe 2.0 x8
⑤ Silicon Software(독일)의 microEnable 5 CXP (CXP-6 Quad), PCIe 2.0 x8

>> CoaXPress 버전 1.1
CoaXPress가 버전 1.1로 새로이 태어났다. 이번 규격 업데이트는 향후 CoaXPress 인터페이스 카메라의 방향성에 큰 영향을 행사할 것으로 판단된다.
이와 관련해 NED는 2012년 12월 국제화상기기전에서 CoaXPress 버전 1.1 규격에 대한 상세한 내용을 소개한 바 있다. 여기에서는 중점적인 업데이트 내용을 소개한다.

① DIN1.0/2.3에 의한 커넥터의 소형화
② 멀티 커넥터 규격화
③ 고속 Up-Link 프로토콜
④ GenICam 본격 채용(GenICam 2.0 대응)
⑤ 그 외

①DIN1.0/2.3 커넥터 채용

CoaXPress가 버전 1.1로 환골탈태하면서 생긴 가장 큰 변화는 역시 커넥터 부분이다. 기존에 사용하던 BNC커넥터와 함께 DIN1.0/2.3 규격 커넥터를 사용할 수 있게 바뀐 것.

CoaXPress의 DIN1.0/2.3 규격 커넥터는 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있다. BNC커넥터와 비교해 고주파영역에서 뛰어난 전달 특성을 자랑한다. 크기 또한 8mm로 작다.

CoaXPress는 최근 방송용 기기에도 본격적으로 진출하고 있다. 머신비전 이외 분야에서 CoaXPress가 활약하게 됨으로써 새로운 커넥터가 더욱 활성화되고 동시에 가격도 낮아질 것으로 전문가들은 예측하고 있다.

② 멀티 커넥터 규격화

CoaXPress 버전 1.1에서는 여러 케이블을 하나로 묶은 새로운 형태의 케이블을 사용한다. 이로 인해 한 카메라에 여러 채널을 연결해 속도를 높이는 CoaXPress의 특징을 십분 활용할 수 있는 셈.

멀티 커넥터를 허브 등 각각 여러 개의 케이블로 나누어 접속하는 것도 가능하며, DIN1.0/2.3 케이블과 기존 BNC케이블 사이의 연결도 할 수 있어 활용도가 높아질 전망이다.

③ 고속 Up-Link 프로토콜

CoaXPress 버전 1.1은 고속 업링크 기능을 자랑한다. 지금까지 CoaXPress는 다운링크와 업링크를 동일한 채널로 사용했다. 하지만 이제 특정한 채널을 업링크 전용 채널로 지정할 수 있게 되었다. 다시 말해 한 개의 채널 대역폭을 업링크 전용으로만 사용할 수 있게 된 것.

기존에는 다운링크와 업링크가 같은 채널로 지정되어있었기에 20.83Mbps 속도로밖에 업링크할 수 없었으나, 업링크 전용 채널을 사용함으로써 6.25Gbps 속도로 업링크할 수 있게 되었다. 이로 인해 실시간 트리거 제어 작업에서 발생하던 고정 지연시간(4ns)을 더욱 단축시킬 수 있다. 뿐만 아니라 다운링크와 업링크를 동시에 사용하면서 생길 수 있는 제어 오류 문제도 방지할 수 있다.

④ GenICam 본격 채용(GenICam 2.0 대응)
앞서 설명하였다시피, CoaXPress 버전 1.1부터는 GenICam을 본격적으로 대응할 수 있게 제작하였다. 이에 GenICam 2.0 프로토콜과도 호환할 수 있게 되었다.

GenICam은 여러 머신비전 인터페이스 사이에 소통을 도와 사용자에게 편의성을 제공하기 위해 만들어졌다. CoaXPress 역시 GenICam를 지원함으로써 여타 인터페이스 사이에 있던 장벽을 넘어 사용자가 더욱 폭넓게, 더욱 편리하게 사용할 수 있는 발판을 마련했다.

⑤ 그 외
CoaXPress가 버전 1.1로 넘어가면서 생긴 특징으로는 ▲IIDC2 규격화에 대응해 향후 IIDC2에서도 사용할 수 있게 된 것 ▲DIN1.0/2.3 커넥터를 사용할 수 있게 됨으로써 물리 특성 규정을 재정리하게 된 것 ▲링크 프로토콜이나 상위 호환성을 개선하는 등 통신 프로토콜 규정을 재검토함으로써 프로토콜을 최적화한 것 등을 들 수 있다.

NED의 CoaXPress 카메라 로드맵
CoaXPress 버전 1.1은 머신비전 시장에 커다란 변화를 몰고 왔다. CoaXPress가 버전 1.1로 넘어가면서 생긴 특징들이 이후 발표 및 출시되는 모든 카메라에 적용될 것이라고 한정지을 수는 없다. 하지만 NED를 포함한 여러 CoaXPress 인터페이스 제작사들은 고속화와 소형화라는 과제를 충족시킬 수 있는 제품을 차례차례 발표해 나갈 예정이다.
대표적으로 NED는 하이엔드 기종인 XCM16K04GT4CXP를 포함, 그 외에도 미들라인 클래스인 4K부터 8K까지 다양한 기종을 통해 CoaXPress 버전 1.1에 대응하고 있다.