용도에 적합한 카메라 종류 및 인터페이스

최상의 카메라는 단순하게 스펙의 상향화로 결정되지 않는다. 카메라를 구성하는 이미징 시스템에 대한 이해가 우선되고 환경과 상황에 맞게 적절한 시스템을 구성할 수 있는 지식을 갖춰야 한다. 아날로그, 디지털 카메라부터 Progressive Scan, Interlaced Scan 형식 및 Firewire, GigE 인터페이스 등에 이르기까지 카메라 종류, 디지털 인터페이스, 전원 및 소프트웨어와 같은 파라미터를 이해하고 시스템으로 구현할 수 있어야 최상의 카메라를 사용할 수 있는 것이다.

1. 카메라 종류 및 특징

아날로그, 디지털 카메라
일반적으로 카메라는 아날로그와 디지털의 두 가지 종류로 구분된다. 아날로그 카메라는 연속으로 변화하는 실시간 전기 신호를 전송하는 방식을 사용한다. 이 신호의 주파수와 진폭은 아날로그 출력 장치에 의해 영상 정보로 해석된다. 따라서 아날로그 방식에서는 영상 신호의 품질과 해석 방식이 영상 이미지 결과에 영향을 미치게 된다.

아날로그 데이터 전송 방식은 일반적으로 디지털 카메라에 비해 가격이 저렴하며 덜 복잡해 일반적인 비디오 용도로는 비용 대비 효과적이고 간단한 솔루션이 될 수 있다. 하지만 해상도(TV 주사선 수)와 Frame Rate에 모두 한계를 갖고 있어 용도가 확대되면 단점을 드러낸다.

예를 들어, 미국에서 가장 일반적인 아날로그 비디오 신호 형식 중 하나인 NTSC 형식은 800 TV lines(보통은 525), 초당 30프레임으로 제한돼 있다. 또한 PAL 표준은 625 TV lines, 초당 25프레임으로 한정돼 있다.

아날로그 카메라는 Electronic Noise에 매우 취약한데 케이블 길이 및 커넥터 유형과 같이 간과하기 쉬운 요소들로 인해 Electronic Noise가 발생되곤 한다.

디지털 카메라는 전기적 신호 형태로 이진 데이터(0과 1의 흐름)를 전송하는 방식을 사용한다. 빛의 강도에 해당되는 특정 Pixel 전압은 연속적이지만 아날로그에서 디지털로의 변환 과정은 이를 불연속적인 과정으로 만들고 0(검정)과 2N1사이의 Grayscale 값(N은 인코딩 비트 수)을 할당하게 된다. 그러고 나서 출력 장치가 이진 데이터를 비디오 정보로 변환한다. 디지털 카메라는 아날로그 카메라와 다른 고유의 두 가지 차이가 있다.

① 카메라를 떠날 때와 출력 장치에 도달할 때의 디지털 비디오 신호가 정확히 동일하다.
② 비디오 신호는 한 방향으로만 해석될 수 있다.

이러한 차이점들로 인해 신호 전송과 디스플레이 출력 장치에 의한 해석 모두에서 오류가 제거된다. 아날로그 카메라와 비교하면 디지털 카메라는 보통 더 높은 Resolution, 더 높은 Frame Rates, 더 적은 Noise, 더 다양한 기능을 제공할 수 있다. 하지만 디지털 카메라는 일반적으로 아날로그 카메라에 비해 더 많은 비용이 든다. 또한 기능팩이 탑재된 디지털 카메라는 필요한 기본 기능인 비디오 시스템들만 설정하더라도 아날로그 대비 복잡해지고 대부분의 경우 케이블 길이가 더 짧게 제한된다.

Interlaced, Progressive Scan 카메라
카메라를 센싱 방법에 따라 분류하면 Interlaced, Progressive, Area, Line Scan 방식으로 나눌 수 있다. 쉽게 비교하려면 Interlaced, Progressive 그리고 Area, Line으로 묶는 것이  좋다.

통상적인 CCD 카메라는 센서 전체에 걸쳐 Interlaced Scanning을 사용하고 센서는 홀수 Field(예 : 1, 3, 5행…)와 짝수 Field(예 : 2, 4, 6행…)의 2개 Field로 분류된다. 이 Field들은 다시 결합돼 전체 프레임을 생성하는 것이다.

예를 들어, 30fps의 Frame Rate를 사용하면 각 Field를 판독하는데는 1/60초가 걸린다. 대부분의 용도에서 Interlaced Scanning은 문제를 유발하지 않지만 고속으로 이동하는 피사체를 촬영할 때에는 두 번째 Field를 스캔 시 이미 피사체가 이동해 버리기 때문에 약간의 문제가 생길 수 있다. 이로 인해 이미지 결과에 Ghosting 또는 Blurring 효과가 생기게 된다.(그림 1a, 1b)

그림 1a을 보면 Interlaced Scanning Sensor를 사용해 촬영할 때 왜곡이 어떻게 일어나는지 알 수 있다. 이와 대조적으로 Progressive Scanning 방식은 Line을 순차적(예: 1, 2, 3, 4행…)으로 스캔해 고속 이동 피사체를 촬영할 때 생기는 문제를 해결한다.

하드웨어 선택 시 Progressive Scanning 결과는 표준화돼 있지 않아 주의해야 한다. 일부 Progressive Scan 카메라에서는 아날로그 출력 신호를 제공하지만 해당 이미지를 표시할 수 있는 모니터는 거의 없다. 그러므로 아날로그 이미지를 디스플레이용으로 디지털화하기 위해 Capture Board를 사용하는 것이 바람직하다.

Area Scan, Line Scan 카메라
Area Scan 카메라에서 Imaging Lens는 Sensor Array에 촬상될 피사체에 초점을 맞추고 도출된 이미지는 재구성을 위해 Pixel 레벨에서 샘플링된다.(그림 2a) 이러한 특징은 이미지가 빠르게 움직이지 않거나 피사체가 크지 않다면 편리하게 사용된다. 우리에게 익숙한 디지털 휴대용 카메라가 Area Scan 방식 카메라의 한 예이다.

Line Scan 카메라에서는 Pixel이 선형으로 배열돼 매우 긴 Array 형성이 가능하다.(그림 2b) 긴 Array는 한 번의 노출에서 읽어야 할 정보의 양을 감소시키고 Column Shift Registers 또는 Multiplexers가 없어 판독 속도를 증가시킨다. 다시 말해 피사체가 카메라를 지나 움직일 때 이미지가 Line별로 촬영돼 소프트웨어를 통해 재구성되는 것이다.

TDI(Time Delay and Integration), Line Scan 카메라
기존 Line Scan 카메라에서 센서는 피사체를 지나 움직이는 이미지를 Line 하나씩 구성시킨다. 재구성된 이미지의 각 Line이 Linear Array의 짧은 노출 한 번에 촬영되기 때문에 아주 적은 빛이 집광된다. 결과적으로 상당한 광량의 조명이 필요하다.(예 : 복사기, 문서 스캐너 등) 대안은 TDI(Time Delay and Integration) Line Scan 카메라다. 이 방식에서는 여러 개의 Linear Array가 나란히 배치된다.

첫 번째 Array가 노출된 뒤 전하는 인접 Line으로 전송된다. 피사체가 Line 간 분리 간격을 이동할 때 첫 번째의 맨 위에서 두 번째 노출이 이루어지는 방식이다. 따라서 피사체의 각 Line이 반복적으로 촬영되고 각각의 Line에 노출이 추가된다.(그림 3a, 3b) 이로 인해 Noise가 감소해 신호가 증가되는 것이다. 또한 Pixel Array의 노출이 피사체의 움직임, 조명의 발광이 동기화되는 Triggering 개념을 증명한다.

2. 인터페이스 종류 및 특징

디지털 카메라 인터페이스
Transmission Noise, Distortion, 기타 신호 품질 저하가 전송되는 정보에 영향을 주지 않는 디지털 카메라는 날이 갈수록 인기가 높아졌다. 출력 신호가 디지털이므로 전송 과정에서 손실되는 정보가 거의 없기 때문이다. 디지털 카메라 사용자가 늘어남에 따라 여러 가지 디지털 인터페이스도 대응 가능하도록 이미징 기술이 발전해왔다. 디지털 카메라가 상용화되기 전인 약 10년 전만 하더라도 이미징 범위에 따른 인터페이스 범위는 매우 좁았다. 하지만 요즘은 Firewire, Camera Link, GigE, USB를 포함한 대부분의 범용 인터페이스를 사용할 수 있다.(표 3)

카메라 선택을 위해서는 수많은 기준이 있다. 하나의 기준으로 다양한 조건을 충족시킬 수는 없듯이 항상 최고인 단일 인터페이스 옵션이란 존재하지 않으니 사용 용도에 가장 적합한 장치를 선택해야 한다. Asynchronous 또는 Deterministic Transmission이 Data Transfer Receipts를 허용해 양방향 통신으로 인한 Delivery Over Timing 발생 시 신호 무결성을 보장할 수 있다. Isochronous Transmission에서는 스케줄에 따라 패킷이 전송돼(예 : 125μs 간격) Timing을 보장하지만 높은 전송 속도에서는 패킷이 누락될 가능성이 있다. 이러한 기준들을 참고해 용도에 적합한 인터페이스를 선택해야 하는 것이다.

Capture Board
이미지 처리에는 대개 컴퓨터를 사용한다. Capture Board는 사용자가 아날로그 카메라 신호를 분석할 때 컴퓨터로 출력할 수 있게 돕는 역할을 한다. 또는 이미지 처리를 위해 아날로그 신호(NTSC, YC, PAL, CCIR)를 디지털화하는 ADC(Analogto Digital Converter)가 Capture Board에 포함돼 있다. 실시간으로 신호를 볼 수 있게 해주는 Board도 있에 사용자는 이미지를 캡처해 나중에 조작 및 인쇄가 가능하다.

Capture Board에는 기본적인 캡처 소프트웨어가 포함돼 있어 사용자가 이미지를 저장하거나 열어볼 수 있다. Capture Board라는 용어 자체가 디지털 카메라 인터페이스에서 데이터를 가져와 해석하는데 필요한 PCI 카드를 의미하지만 표준 컴퓨터 커넥터를 기반으로 하지는 않는다.

FireWire(IEEE 1394, IIDC DCAM)
IEEE 1394라고도 하는 Firewire는 컴퓨터 포트가 널리 보급돼 있는 덕분에 인기 있는 Serial, Isochronous 카메라 인터페이스다.

Firewire.a는 전송 속도가 가장 느린 인터페이스 중 하나이지만 Firewire.a와 Firewire.b 모두 여러 개의 카메라 연결이 가능하고 Firewire 케이블을 통해 전원을 공급받을 수 있는 장점이 있다. 커넥터 디자인 상 전원 핀이 신호핀에 합선돼 포트나 기기에 손상을 가져올 가능성이 있어 Hot-Swap이나 Hot-Plugging은 권장되지 않는다.

Camera Link
Camera Link는 주로 자동 검수 및 공정 제어와 관련된 머신비전 용도로 특별히 개발된 고속 Serial Interface 표준이다. 사용을 위해서는 Camera Link Capture Card가 필요하며 카메라에 별도의 전원을 공급해야 한다. 또한 Low-Voltage Differential Pair LVDP Signal Line에 추가 데이터 전송과 최대 대역폭을 유지하기 위한 Asynchronous Serial Communication Channel이 제공되기 때문에 특수 배선이 필요하다.

Single-Cable 기반 구성으로는 비디오 전용 255MB/s로 전송이 가능하다. Dual Outputs(최대 구성)을 이용하면 Camera Parameter 송수신 라인을 통해 초고속 용도에서 더 많은 데이터 전송 공간(680MB/s)을 확보할 수 있다.

Camera Link HS(High Speed)는 Camera Link 인터페이스의 확장형으로 보다 빠른 속도(2100MB/s, 15m)를 지원한다. 광섬유 케이블을 이용하면 300미터까지 케이블 길이를 늘릴 수 있다.

GigE(GigE Vision)
GigE는 Gigabit Ethernet 인터넷 프로토콜을 기반으로 고속 카메라 인터페이스용 표준 Cat5, Cat6 케이블을 사용한다. P2P(카메라와 카드 직접 연결)가 아닌 연결 방식을 사용할 경우 전체 대역폭을 고려해야 하지만 Switches, Hubs, Repeaters와 같은 표준 Ethernet 하드웨어를 여러 대의 카메라에 사용할 수 있는 강점이 있다.

GigE Vision에서 Camera Control Register는 EMVA GenICam 표준을 준수한다. 일부 카메라에서 사용할 수 있는 Link Aggregation(LAG, IEEE 802.3ad)은 여러 개의 Ethernet 포트를 병렬로 사용해 데이터 전송 속도를 높이고 Multi-Casting을 통해 프로세서 부하를 분산시킨다. 또한 지원되는 네트워크 PTP(Precision Time Protocol)는 같은 네트워크에 있는 많은 카메라를 시계 방향으로 동조시킬 수 있어 조합된 노출 사이에 고정된 Delay 관계를 허용해 기기는 Hotswap이 가능하다.

GigE Vision 표준은 10GigE 네트워크 표준을 토대로 고속 데이터 전송을 지원한다. 10GigE는 긴 케이블 길이를 지원하면서도 Camera Link와 USB 3.0보다 빠른 속도를 구현할 수 있는 것이다.

USB(Universal Serial Bus)
USB 2.0은 일반적으로 컴퓨터에 기본 탑재돼 있어 널리 쓰이는 인터페이스다. 속도가 빠른편(최대 속도 480Mb/s, USB 주변 장치의 수에 따라 최대 속도가 달라진다)은 아니지만 거의 모든 컴퓨터 매장에서 쉽게 케이블을 구할 수 있고 사용이 간편해 보편적으로 사용된다.

새로 출시된 USB 3.0은 USB 2.0의 Plug-and-Play의 장점을 유지하면서 보다 빠른 데이터 전송 속도를 제공해 기존 단점을 보완했다.

CoaXPress
CoaXPress는 단일 케이블로 6.25Gb/s의 데이터를 전송하며 케이블 길이를 100미터까지 늘릴 수 있는 고성능 인터페이스다. 케이블 수를 늘려 최대 25Gb/s까지 속도를 올릴 수도 있고 POE와 같이 Power-over-Coax가 옵션으로 지원된다. CoaXPress는 Frame Grabber가 필요하다.

카메라 전원 공급이 미치는 영향
대부분의 카메라 인터페이스는 신호 케이블을 통해 원격으로 카메라에 전원을 공급하는 것을 허용한다. 그렇지 않을 경우에는 대개 HIROSE 커넥터(Trigger Wiring 및 I/O) 또는 표준 AC/DC 어댑터 연결을 통해 전원을 공급한다.

카드나 포트를 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있더라도 별도의 전원 연결을 이용하면 효과적 운용이 가능하다. 예를 들어, Firewire 카메라를 Daisy Chaining 방식으로 연속 연결하거나 노트북에서 시스템을 실행하는 경우가 추가 전원을 사용해야 할 좋은 예이다. 또한 대형, 고속 센서 및 내장형 FPGA를 갖고 있는 카메라도 신호 케이블을 통해 공급받을 수 있는 것보다 더 많은 전력을 필요로 하기 때문에 추가 전원 공급이 유용하게 사용되는 것이다.

PoE(Power over Ethernet)
특정 카메라에서 GigE 케이블을 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있는 Power Injector를 사용할 수 있다. 공장 바닥이나 실외용으로 사용할 때와 같이 공간적인 제약으로 인해 카메라에 자체 전원 공급 장치를 장착할 수 없는 경우는 Power Injector가 중요하다. 공간적인 제약을 해소하기 위해 카메라나 컴퓨터에 연결되는 표준 케이블의 배선 중간에 Injector를 추가한다. 하지만 모든 GigE 카메라가 PoE를 지원하는 것은 아니다. 다른 인터페이스와 마찬가지로 최대 성능이 필요하면 신호 케이블과는 별도로 전원을 공급해야 한다.

PoE 공급 전압은 표준형 카메라가 공급할 수 있는 것보다 더 높은 전압을 표준 기준으로 사용한다. 이로 인해 더 많은 전자 부품이 필요해지고 전력 낭비가 증가돼 Thermal Noise 발생을 초래한다. 따라서 PoE는 이미지 품질 손실을 방지하기 위한 정교한 방열 설계를 필요로 한다.

아날로그 CCD 출력 신호
아날로그 비디오 신호는 Frame Rate, 디스플레이 라인 수, Display 및 Blanking 전용 시간, Synchronization, Bandwidth, 신호 규격 등의 기준 형식이 있다. 미국에서 EIA(Electronic Industries Association) 흑백 버전 신호는 RS170으로, 컬러 버전은 RS170A로 규정하며 이는 NTSC(National Television Standards Committee)로 더 잘 알려져 있다. RS170과 NTSC는 복합 신호로 모든 색상과 강도 정보가 하나의 신호에 결합돼 있음을 의미한다.

Chrominance(색상)를 Luminance(색상 강도)와 구분하는 몇 가지 복합 신호(YC 및 RGB)가 있다. CCIR은 유럽 흑백 표준이고 PAL, SECAM은 유럽 컬러 표준이다.
※ 참고 : 적절한 이미지를 얻으려면 카메라와 디스플레이 형식이 동일해야 한다.

데스크톱에 비해 PCIe 카드 성능이 뒤처지는 노트북
대부분의 디지털 카메라 인터페이스가 노트북 컴퓨터에 연결될 수 있지만 고화질·고속 이미징 애플리케이션용으로 표준형 노트북을 사용하는 것은 좋은 선택이 아니다.

노트북 데이터 버스가 최대 전송 속도를 지원하지 못하거나 고성능 카메라와 소프트웨어의 모든 장점을 활용할 수 없는 경우가 빈번하기 때문이다. 특히 대부분의 노트북에 장착된 표준 Ethernet 카드는 데스크톱 컴퓨터에서 이용할 수 있는 PCIe 카드에 비해 성능이 현저히 떨어진다.

SDK, 범용 소프트웨어
일반적으로 이미징 소프트웨어와 관련해서는 두 가지 선택이 가능하다. 하나는 카메라 전용 SDK(Software Development Kits)이고 다른 하나는 타사의 범용 소프트웨어를 사용하는  것이다. SDK에는 사용자 정의 프로그램 개발을 위한 코드 라이브러리와 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스, 코딩 등의 복잡한 과정이 전혀 필요 없고 단순히 이미지 보기 및 Acquisition 프로그램으로 구성돼 프로그램 개발이 보다 용이하다.

범용 소프트웨어에는 NI LabVIEW, MATLAB, OpenCV 등이 포함된다. 이를 사용할 때는 카메라 표준(GenICam, DCAM, GigE Vision)에 알맞게 작동시켜야 한다. 동시에 여러 대의 카메라와 여러 가지 인터페이스를 지원하곤 하지만 작동 여부를 확인하는 것은 전적으로 사용자에게 달려 있다.

최적의 카메라 조합으로 이루는 최상의 결과
이처럼 이미징 용도로 수많은 카메라, 인터페이스, 전원 요구 사항, 소프트웨어 등이 존재한다. 각각의 장, 단점을 이해해야 어떤 용도로든 최적의 조합을 구성할 수 있다. 적합한 카메라 조합을 구성한다면 필요한 것이 고속 데이터 전송, 긴 케이블, Daisy Chaining 중 무엇이든 최상의 결과를 얻을 수 있을 것이다.

출처 | 에드몬드 옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)