머신비전용 인터페이스 기술 정리

아날로그 버스부터 GigE까지 … 초고속 기술과 한판대결

GigE(Gigabit Ethernet) 기술은 비전시스템에서 널리 활용된다. 머신비전 인터페이스로 각광받는 기술들 중에서도 특히 관심이 뜨거운 이유이다. 현재 머신비전 인터페이스는 단순히 영상을 처리하는 시기를 지나, 고해상도·고용량 영상을 더 신속하고 정확하게 처리할 수 있어야 하는 시대를 맞이했다. 이런 환경에서 GigE 인터페이스는 현재 어떤 위치를 점하고 있으며, 경쟁기술들에는 어떤 것이 있을까?(참고로 향후 각광받을 머신비전용 기술동향은 본지 5월호 참조)

최근에야 고해상도·고용량·고속 인터페이스를 필요로하는 이들이 늘었지만, 그보다 예전 기술들이 가지고 있는 목적은 간단했다. 그것은 이미지 데이터를 물리적인 센서로부터 분석하고 동작을 취할 수 있는 프로세싱 유닛으로 전환하는 것. 쉽게 말해 머신비전 인터페이스란 이미지를 받아들여 분석하기 위해 필요한 기술이다. 요즘 보기에는 속도도 답답하고 딱히 특이할 것도 없지만 이 기술들은 향후 머신비전 업계를 지배할 기술들의 근간이 되는 것들이다.

Analog Camera Bus

산업용 아날로그 카메라는 카메라로부터 아날로그 비디오 신호를 전송하기 위해 동축 케이블을 사용한다. 카메라에서 전송되는 아날로그 비디오 신호는 TV에서 비디오 신호를 방송하는 것과 동일한 복합 비디오 형태를 가진다. 컬러 비디오 신호에 대한 두 가지 표준은 NTSC(National Television Systems Committee)와 Phase PAL(Alternative Line)이다. NTSC는 북미·일본 등에서 주로 사용되며 PAL은 일반적으로 유럽에서 사용된다. 흑백 비디오 신호에 대한 비디오 표준은 EIA(Electronic Industries Association) RS170과 CCIR(Consultative Committee for International Radio)이다. RS170은 북미에서, CCRI은 유럽에서 주로 사용한다. 아날로그 카메라는 보통 40MHz미만의 픽셀 클럭 속도를 가지며, 대부분 클럭 주기당 단 1픽셀만을 전송한다. PAL 표준(11MB/s를 약간 상회하는 속도로 데이터 전송)에서 최고의 처리량이 발생한다.

아날로그 카메라 버스는 도입된 지 굉장히 오래 지난 인터페이스로 매우 저렴하다. 하지만 프레임 그래버 가격이 높기 때문에 가격 면에서의 장점은 단숨에 사라지고 만다.

Camera Link

디지털 비디오 시장에서 저렴한 맞춤형 케이블이 보급되고 광범위한 디지털 전송이 시작되었지만, 매우 다양한 전송방법 때문에 어려움을 겪는 이들이 적지 않았다. 그에 따라 디지털 비디오의 고속 전송을 위한 표준인 AIA(Automated Imaging Association) 개발이 시작되었다. 이것이 바로 Camera Link의 시초이다. 카메라 링크는 카메라와 프레임 그래버간의 케이블, 커넥터 및 신호 기능을 정의한다.

카메라 링크는 머신 비전 카메라를 위해 특별히 제작된 고속 시리얼 디지털 버스로, 모든 카메라 버스 중에서도 최고의 처리량을 자랑한다. 다양한 애플리케이션을 처리하기 위해 세 가지 계층의 대역폭 구조(Base, Medium, Full)을 제공한다. Base 구성 카메라는 최고 255Mb/s(3bytes×85 MHz)로 수집한다. 일반적인 Base 구성 카메라는 50frames/s 또는 그 이상에서 1M 픽셀 이미지를 수집할 수 있다. Medium 및 Full 구성 카메라는 각각 최고 510MB/s, 680Mb/s로 수집한다. 일반적인 Full 구성 카메라는 500frames/s에서 1280×1024 이미지를, 또는 100frames/s 이상에서 4M 픽셀 이미지를 수집한다.

Camera Link 스펙은 최대 10M 길이의 케이블을 사용한다. 이는 모든 Camera Link 준수 카메라 및 수집 디바이스와 함께 작동하는 표준화된 케이블이다. Base 구성 카메라는 케이블 한 개를, Medium과 Full 구성 카메라는 두 개를 사용한다. 하지만 Camera Link 카메라는 카메라로부터 이미지를 수집하는 방법, 카메라와 통신하는 방법, 수정이 필요한 기능 등을 소프트웨어에 입력하기 위한 특수 카메라 구성 파일을 필요로 한다. 그만큼 사용에 어려움과 불편함이 따른다.

USB

USB는 원래 소비자 가전 시장을 겨냥하여 개발되었으나 점차 산업 시장에서도 모습을 보이기 시작한 인터페이스이다.

USB 1.1은 웹 카메라를 구동시킬 정도의 대역폭만 가지고 있었지만, USB 2.0으로 넘어오면서 비디오 스트리밍을 위한 충분한 대역폭을 갖게 되었다. 그렇기에 USB 2.0은 상대적으로 저성능 및 저가형 카메라가 있는 머신 비전 애플리케이션을 주 파트너로 삼는다.
USB는 프레임 그래버가 필요하지 않다는 면에서 비용 효율성이 높다. 또한 현존하는 카메라 버스 중 가장 저렴하며, 따라서 비용에 민감한 분야에서 널리 사용된다. 개별적인 전원 케이블이 필요하지 않다는 것도 장점이다. 반면 케이블 길이가 통상 5미터 미만으로 짧다는 점은 단점으로 작용한다.

IEEE 1394

IEEE 1394 케이블이 어떻게 태어났는지를 보기 위해서는 1995년 12월로 거슬러 올라가야 한다. IEEE 1394는 본래 애플에서 1986년부터 ‘파이어와이어(FireWire)’라는 코드명으로 개발하던 규격인데, 이후 애플 외에도 소니·IBM·텍사스인스트루먼트 등의 업체들이 개발에 참여하게 되었다. 그 결과 1995년에 IEEE 1394라는 업계 표준 규격으로 정식 발표되었다. (자료출처:네이버, IT 동아)

이미지 작업을 위한 컴퓨터의 주변기기로 태어난 USB와 달리 IEEE 1394는 이미지 작업을 위한 전문 기기로 제작됐다. IEEE 1394a의 초기 속도는 100Mb/s였는데, 이는 USB 1.1이 1.5Mb/s인 것과 비교했을 때 굉장히 높은 수치이다. 또한 아날로그 카메라와 비슷하거나 조금 더 향상된 처리량을 제공하는 것도 특징이다. 해상도와 프레임 속도 면에서 사용자의 편의에 따라 선택할 수 있는 경우의 수가 매우 많다. 160×120부터 시작해 1600×1200의 해상도, 1875frame/s부터 2400frames/s의 전송 속도까지 표준 폭이 넓다.

IEEE1394 카메라는 표준 저가형 케이블을 사용한다는 특징이 있다. 그러면서도 CPU에 메모리를 의존하여 프레임 그래버를 요구하지 않는다는 장점도 갖고 있다. 1394 Trade Association에서 발족한 실무 그룹 IIDC에서는 카메라의 기본 쿼리(query) 및 컨트롤을 허용하는 vendor-agnostic 하드웨어 레지스터 맵을 정의하는데, 이로 인해 여러 다른 하드웨어 및 소프트웨어 간의 상호운용성이 촉진되었다.

GigE Vision

GigE Vision은 2006년에 도입됐다. 다른 기술에 비해 비교적 근래에 개발된 인터페이스인 것. Automated Imaging Association에서는 일부 회원사와 함께 GigE Vision이라 불리는 Gigabit Ethernet에 구축된 심층적인 산업용 카메라 표준을 정의했다. AIA는 12개의 창립 회원사로 시작해 2012년 현재 50여개의 회원사가 가입되어있다.

Gigabit Ethernet은 소비자 산업 및 애플리케이션에 있어 상대적으로 높은 대역폭, 긴 케이블 길이를 자랑한다. 따라서 보안 및 장거리 비전 애플리케이션에 적합하다.

이더넷은 원래 주변기기를 연결하기 위해 만들어진 것이 아니었다. 이는 USB나 IEEE 1394 등의 장비가 가진 목적-주변기기와 컴퓨터 간의 연결을 위한-과 차이점을 보인다. 이는 Gigabit Ethernet이 플러그 앤 플레이 알림을 제공하지 않는 이유이기도 하다.
IEEE802.3 통신 패킷은 TCP 혹은 UDP 프로토콜을 사용하여 전송되지만 GigE Vision은 높은 전송속도를 얻기 위해 UDP를 사용한다는 차이점이 있다. TCP 혹은 TCP/IP 기술은 패킷 전송과 패킷 순서가 보장되어 패킷이 보내진 순서대로 전송이 되지만 속도가 느리다는 단점을 가진다. 하지만 UDP 프로토콜은 패킷의 전송이나 순서가 보장되지는 않지만 고속으로 전송하는 것이 가능하다.

UDP 프로토콜은 빠른 속도로 패킷을 전송하는 대신 패킷이 사라지거나 순서가 뒤바뀔 위험이 있다. 그렇기에 GigE Vision은 단순히 UDP만을 사용하면서 순서와 신뢰도를 얻기 위해 특별한 프로토콜을 추가하게 되었다. 카메라를 제어하기 위한 프로토콜인 GVCP(GigE Vision Control Protocol)와 애플리케이션의 카메라 데이터 흐름을 위한 프로토콜인 GVSP(GigE Vision Stream Protocol)이 그것이다.

GVCP는 명령을 보낸 후 메시지가 장치에 도착하지 않을 경우를 탐지하기 위해 타임아웃 컨디션 신호에 카운터를 구현하게 된다. 타임아웃이 되면 애플리케이션은 리퀘스트 ID를 증가하지 않고 장치에 도착하지 않았던 명령을 재전송한다.

GVCP는 두 번째 패킷을 보내기 전에 반드시 카메라로부터 인증메시지를 받도록 설정되어있다. 인증메시지를 받기 전에는 두 번째 패킷을 보내는 것이 불가능하다. 이로 인해 작업순서가 엉키지 않는 것이 가능하다. 이를 플로우 컨트롤(Flow Control)기술이라고 한다. CVSP는 패킷 리센드(Packet Resend) 역할을 주로 수행하는데, 이는 애플리케이션에서 패킷의 누락을 감지하면 패킷 재전송 요청을 보내는 것을 말한다. GVCP와 GVSP가 유동적으로 작동함으로써 작업환경에서 오류가 나더라도 최대한 빠른 복원이 가능해진다.

GigE Vision은 125Mb/s의 이론상 최고 대역폭을 자랑하나 하드웨어 제한 및 소프트웨어 오버헤드 현상으로 인해 실질적 최대 대역폭은 100Mb/s에 가깝다. 이 수치는 IEEE 1394b와 동일하며, Camera Link에 버금간다. 또한 비용 효율성이 IEEE 1394와 유사할 정도로 저렴하다. 프레임 그래버를 요구하지 않는다는 점 역시 장점이다.  또한 GigE Vision은 케이블 길이에서도 각광을 받고 있다. GigE Vision은 100여 m에 달하는 케이블 길이를 자랑한다. 이는 아날로그에 필적할 정도로 긴 길이. 따라서 보안 및 모니터링 애플리케이션에서 아날로그를 대체할 수단으로 떠오르기도 했다.

하지만 GigE가 가장 매력적인 이유는 네트워크 가능성에 있다. 스위치·허브·리피터 같은 네트워크 장치를 이용하면 한 컴퓨터를 통해 여러 대의 카메라를 동시에 운용할 수 있다.

스위치를 계속 장착함으로써 컴퓨터의 성능이 받쳐주는 한 무한정으로 확장할 수 있다는 것이 GigE 카메라가 갖는 가장 커다란 특징이다. 거기에 무선 연결을 통해서도 GigE Vision을 활용할 수 있으니 편리함은 더욱 증대된다. 무선 브릿지와 액세스포인트만 있다면 인터넷 선이 없어도 정보를 주고받을 수 있다. 단, 케이블 연결에 비해 대역폭이 낮아진다는 단점이 있다. 접속 가능한 거리나 전송 속도가 벽과 노이즈와 같은 환경의 영향을 받는 등 연결 품질을 보장하지 못한다는 점도 고려해야 한다.

이와 같은 GigE Vision 시스템은 서버로부터 랙이나 에러가 발생하는지를 보는 웹 검사, 고속도로 등에서 과속을 감지하고 통행료를 집행하는 등의 지능형 교통 시스템(ITS), 병 등에서 라벨 검사(분당 300개의 병을 감지할 수 있다) 등 여러 분야에서 사용될 수 있다.

자료제공 |한국NI, 이오비스, 바슬러 등  정리 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com