초고속 인터페이스 기술동향_USB 3.0 Vs. CameraLink-HS Vs. 10GigE Vs.Coa

머신비전은 검사하고자 하는 물체를 산업용 카메라와 광학으로부터 영상을 입력받아 컴퓨터로 분석 처리하는 것을 말한다. 응용분야로는 반도체, 디스플레이, PCB, 솔라, LED 등의 생산라인에서 활용되고 있다.

산업이 발전함에 따라 머신비전 시장에서는 고해상도의 영상을 빠르게 처리해야 하는 요구가 대두되고 있다. 이를 해결하기 위해 아날로그 인터페이스 기술뿐만 아니라 디지털 인터페이스도 진화해야만 했다. 최근 머신비전 시장의 핫이슈는 바로 초고속 인터페이스 기술들이다.

라온피플의 이석중 대표이사는 “최근 2~3년 사이, 비전시장에서 변화는 인터페이스가 아날로그에서 디지털로 전환한 것”이라며, “특히 올해는 USB 3.0 Vision, CameraLink-HS, 10GigE, CoaXPress 등 초고속 인터페이스  기술들의 스펙이 결정되는  중요한 해가 될 것”이라고 설명했다.

머신비전 인터페이스는 전송속도, 최대 케이블 길이 등 다양한 항목들로 평가된다.

기본 인터페이스 평가

이런 평가 기준을 바탕으로 평가된 기존 머신비전 인터페이스들은 특성과 현장상황에 따라 사용되고 있다.
USB의 경우, 저렴하고 사용이 편리한 장점을 지니고 있으며, 짧은 케이블 길이와 신뢰성 문제가 제기되고 있다.
IEEE-1394a 또한 USB와 비슷한 수준으로 평가받고 있다. 비전전용 인터페이스 기술답게 카메라링크는 많은 장점으로 시장에서 선호되지만 전송거리 확장을 위해선 커넥터가 필요한 문제가 있다.
GigE는 전송거리 확장에 메리트를 제공하지만 패킷 로스가 발생할 수 있는 신뢰성 문제가 제기된다.

초고속 인터페이스의 필요성

이렇듯 각 인터페이스 기술마다 장단점이 있으며, 한계를 지니고 있다.
또한 시장에서는 고상해상도의 이미지를 신속히 처리하는 기술을 요구하고 있다. 특히 카메라의 수준이 높아도 PC에서 처리하기 힘든 상황이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 초고속 머신비전 인터페이스가 속속 등장하며 치열한 시장경쟁을 예고하고 있다.

USB 3.0 Vision

USB는 현재까지 누적 수량으로 100억개 이상 팔린 역사상 가장 성공한 PC 인터페이스이다. 1996년 USB 1.0(12Mbps)을 시작으로 2001년에 USB 2.0(480Mbps), 2008년에 USB 3.0(5Gbps)이 나왔다.

머신비전에 USB3.0을 적용했을 때, 300MB/sec 이상의 속도 확보와 플러그&플레이 기능, 케이블을 통해 최대 4.5W 정도까지의 전력공급, 저가 시스템 구현 등의 장점이 있다. 단점은 케이블 길이가 5~8m 수준으로 짧으며, 다수의 카메라 적용 시 Device ID 인식과 처리 문제, 신규 인터페이스와의 호환성 및 아직 다수의 제품이 출시되어 있지 않았다는 것이다. 이런 USB3.0을 머신비전에 적용할 때 호환성을 확보하기 위한 표준이 USB3 Vision이다. USB3 Vision은 GigE Vision 스펙과 마찬가지로, ‘Feature Level’ 수준에서 표준화된 카메라 동작을 보장한다. 2011년 9월 Kick-off 미팅을 시작으로 현재 EMVIA, AIA, JIIA 등의 동의 아래 표준을 제정 중이며, 2012년 11월 스펙을 확정할 예정이다.

CameraLink-HS

CameraLink-HS는 CameraLink의 한계인 데이터 터리, 확장성과 유연성 문제, 데이터 복수 등을 극복하기 위해 나왔다.
CameraLink-HS의 설계 목표는 300MB/sec부터 16GB/sec까지 최고 수준의 밴드위스 확보, 기존 CX4 케이블로 10m까지, 광케이블을 이용해 1000m 이상 가능한 케이블 길이, 네트웍 표준이 아닌 FG와 카메라 사이의 전용 인터페이스로 한정, 낮은 대기시간을 갖는 실시간 신호 등의 완전한 비전 인터페이스 제공 등의 성능과 만족할 만한 가격이다. CameraLink-HS는 2009년 11월에 Teledyne Dalsa가 HS-Link 카메라와 프레임 그래버를 이용해 그 개념과 가능성을 입증했으며, 작년 11월에 1차 Draft가 배포됐으며 5월 중에 공식 버전이 확정될 예정이다.


10GigE(GigE Vision)

2006년 발표된 GigE Vision은 Gigabit Ethernet을 통해 영상 데이터와 제어 신호를 주고 받을 수 있는 프레임워크를 제공한다. 10GigE은 3.125Gbps 고속 IO 사용, GigE Vision Protocol 구현 등 주요 FPGA 업체인 알테라와 자일링스에서 지원함으로써 구현이 쉬워졌다. 또한 3개 이상의 10GBase-T PHY 공급 업체가 있다.
현재 10GigE의 이슈는 고속 센서와 PHY 부분의 열을 효과적으로 발산시킬 방법이 필요하고 90도 타입의 RJ45 Jack과 PC-Card 가격이 아직 1GigE 대비 상대적으로 비싼 점이다. 또한 전송된 패킷을 재정립해야 함으로 CPU에 점유율이 크다는 단점도 있다.
10GigE에 주목해야할 점은 가격하락에 있다. 머지않아 가격이 떨어질 것이 예상되고 GigE Vision 가격대로 떨어지면 광케이블이란 장점으로 시장이 확대될 것으로 전망된다. 전문가들은 PC 카드를 비롯한 전반적인 시스템의 가격이 올해를 기점으로 하락할 것으로 예상하고 있다.

CoaXPress

동축 케이블(Coaxial Cable)로 고속 디지털 데이터를 전송(최대 6.25Gbps)할 수 있는 새로운 카메라 디지털 인터페이스 규격이다. CoaXPress는 2007년 Adimec과 EqcoLogic이 공동 개발을 시작하여, 2008년 Vision Show에서 데모 시현으로 시작됐다. 2009년 초 다수의 카메라 및 FG 업체가 컨소시움 결성했으며, 이 컨소시움에서 1차 스펙을 만들고 표준화 작업을 시작했다.

JIIA(Japan Industrial Imaging Association)에서 2010년 12월 AIA(Automated Imaging Association)/EMVA(European Machine Vision Association)으로부터 승인을 획득하고 규격화함으로써 국제표준으로 인정 받았다.
CoaXPress의 장점는 영상 데이터, 제어신호, GPIO, Trigger 신호 및 전원까지 모두 하나의 케이블로 처리할 수 있는 점이다. 또한 기존 아날로그 동축 케이블도 사용이 가능한 유연성과 신뢰성도 높다.

이런 장점으로 CoaXPress는 데이터 전송속도가 １Gbps를 넘는 경우, 외부 트리거를 필요로 하는 경우, 10m를 넘는 케이블 길이가 필요한 경우에 적합히다.
또한 CoaXPress 대응 프레임 그래버 보드는 Matrox(Canada), Aval Data(Japan), Active Silicon(UK), BITFLOW(US), Silicon Software (DE) 등의 업체가 발표할 예정이다.