머신 비전의 감초 ‘프레임 그래버’

고속·고성능으로 탈바꿈 … 인터페이스에 맞는 선택이 중요

프레임 그래버는 프레임을(frame) 잡는다(grab)는 이름에서 알 수 있듯 이미지를 획득하기 위해 만들어진 장치이다. 즉 카메라가 받아들인 현실 이미지를 컴퓨터가 받아들일 수 있는 디지털 영상으로 변환해 보관하는 역할을 한다.  

프레임 그래버는 영상 데이터를 획득하여 이를 PC 혹은 시스템이 읽을 수 있는 디지털 이미지로 변환 및 저장해준다. 아날로그 혹은 각 디지털 신호별 주사속도에 맞추어 입력된 영상을 특수한 영상 저장용 메모리에 보관하게 된다. 프레임 그래버가 어떤 모습인지 상상하기 어렵다면 컴퓨터의 그래픽 카드를 생각하면 된다. 현재까지의 프레임 그래버 역시 PC 혹은 시스템과 연결되는 경우가 많기 때문에 기본적인 모습도 메인보드나 그래픽 카드와 같은 PC부품과 크게 다르지 않다.

구성과 원리

프레임 그래버를 구성하고 있는 부분들은 크게 영상을 획득할 수 있는 입력 및 출력 파트, 환경설정을 위한 논리 파트, 트리거와 프레임 버퍼 등으로 나뉜다.

이 중 입력 파트에서는 각 카메라가 촬영한 이미지를 받아들여 연산을 하도록 돕는 역할을 한다. 출력파트는 입력파트가 처리를 마친 영상을 시스템으로 전송한다. 프레임 버퍼는 데이터 신호를 기록해 디스플레이 화면으로 출력한다. 트리거는 다른 회로에 적당한 계기를 주어 필요한 동작을 일으키는 장치이다. 프레임 그래버에서는 이미지를 획득하거나 외부 장비 제어를 위한 명령을 내리는 스위치 정도로 이해할 수 있다. RAM의 한 종류라고 볼 수 있는 프레임 버퍼는 화상을 풀 컬러로 기억할 수 있다는 특징이 있다. (출처: 전자용어사전)

구성에 이어 이제 원리를 알아보자. 카메라가 촬영한 이미지는 연결선 및 커넥터를 통해 프레임 그래버로 이동한다. 프레임 그래버는 획득 컨트롤러(acquisition controller)를 통해 카메라로부터 자료를 취득한다. 이때 아날로그 프레임 그래버의 경우 ADC(Analog Digital Converter)가 아날로그 형식의 자료를 디지털 신호로 변환한다. 디지털 프레임 그래버의 경우이 과정이 없다.

디지털 신호가 된 자료들은 처리 부분으로 보내기 위해 순서대로 정리된다. 이때 프레임 그래버 안에 달린 메모리가 직접 자료를 정렬한다. 이를 DMA(Dirct Memory Access)라고 부른다. DMA는 CPU 대신 자료를 정렬함으로써 전체 작업 속도를 원활하게 조절한다. 이 역할은 메모리 컨트롤러(Memory Controller)부가 한다.

메모리 컨트롤러가 자료를 정렬하고 나면 자료들은 CPU 및 호스트 인터페이스로 넘어가게 된다. 호스트 인터페이스는 사용자가 자료를 직접 볼 수 있도록 영상을 출력한다. 이때 사용자가 결과를 손쉽게 보기 위해 이미지에 조작을 가할 수도 있다. CPU와 사용자는 출력된 자료와 샘플 자료를 비교해 적합/부적합 판단을 내린다.

또한 부적합 검체물이 나오거나 새로운 작업이 필요하게 되면 사용자 및 CPU는 프레임 그래버를 통해 카메라 제어나 조명 등 작업환경을 조작한다. 이때는 자료가 들어온 반대 방향으로 명령이 입력된다.

주요 특징

프레임 그래버에는 로컬 버스(Local Bus)가 있다. 로컬 버스란 CPU와 확장 기판을 연결해주는 컴퓨터 슬롯 버스이다. 말하자면 컴퓨터 메인보드에 주변 장치를 장착하는 데에 쓰이는 장치이다. 이는 CPU와 다른 장치를 직접 연결하는 것에 비해 처리 속도를 원활하게 한다. 여러 버스들이 한데 연결되어 있으면 과부하나 병목 현상을 일으킬 수 있기 때문이다. 이 로컬 버스에는 대표적으로 PCI버스와 AGP버스 등이 있다. PCI버스는 개인용 PC의 메인보드에 있는 램 슬롯 등에서 볼 수 있는 형태이다. AGP버스는 고급 그래픽 포트라고도 하며 그래픽 카드 슬롯에 많이 이용되어왔으나 PCI익스프레스 버스로 대체되는 추세에 있다. (출처: 위키백과) 또한 프레임 그래버는 트리거(Trigger)라는 것을 가지고 있다. 프레임 그래버에서 트리거는 사용자가 카메라를 쉽게 조작하기 위한 장치이다. 프레임 그래버 제조사가 제공하는 소프트웨어를 설치한 뒤 트리거를 사용하게 된다면 노출 시간을 직접 조절할 수 있는 등 카메라 조작이 용이해진다.

선택 시 주의사항

프레임 그래버는 어떤 영상 인터페이스를 받아들여 어떤 방식으로 PC에 전송하느냐에 따라 몇 가지 종류로 나눌 수 있다. 우선 가장 크게 아날로그 방식과 디지털 방식으로 나뉘게 된다. 아날로그 방식 중에서도 NTSC·PAL과 같은 표준형 아날로그 방식과 흔히들 프로그레시브 스캔(Progressive scan)이라고 부르는 비표준형 아날로그 방식으로 나눌 수 있다. 디지털 방식 역시 CoaXPress·GigE·CameraLink 등으로 종류가 달라진다. 이는 머신 비전 인터페이스 종류와 같다.

머신비전 인터페이스 종류별로 속도나 케이블 길이와 같은 특징 및 장단점이 모두 다르므로 작업환경에 적합한 인터페이스를 선정하는 것이 가장 중요하다. 특히 주의할 점은 인터페이스에 알맞은 프레임 그래버를 선택하지 않으면 이미지 획득이 불가능하다는 점이다. 인터페이스를 고려하지 않고 프레임 그래버를 구매한다면 카메라 출력 선과 프레임 그래버 입력 단자가 맞지 않아 사용이 불가능할 수도 있다. 또한 프레임 그래버를 처음 구매하면 프레임 그래버와 카메라의 인터페이스를 일치시킬 필요가 있다. 작업에 사용되는 카메라가 어떤 신호를 출력하는지 인식시켜야 하는 것이다. 거기에 프레임 그래버가 제공하는 트리거를 사용하기 위해 반드시 필요한 작업이기도 하다. 이는 보통 시스템 파일로 만들어 프레임 그래버가 설치된 폴더 안에 넣음으로써 해결된다.

업계 동향

프레임 그래버는 점점 고속·고성능화되어가는 머신 비전 사업을 가장 잘 반영하고 있다. CPU와 RAM 사양을 높여 이미지 획득 속도를 더욱 빠르게 하며 카메라와 연결할 수 있는 슬롯 수를 늘리는 등 점점 고성능화가 이루어지고 있는 것. 프레임 그래버는 각 머신 비전 인터페이스별 기술을 집약시켜놓은 집적체이기도 하여 고성능화는 더욱 가속화될 전망이다. 특히 최근 개발이 활발한 인터페이스인 10GigE나 CameraLink-HS등 초고속 기술들이 도입됨에 따라 점점 고화질·고성능 프레임 그래버들이 출시될 것이라고 업계는 예상하고 있다.

최근 프레임 그래버는 대부분 4포트를 지원하는 추세이다. 즉 한 프레임그래버로 4대의 카메라를 동시에 작동할 수 있다는 것이다. 하지만 프레임그래버의 성능이 좋아지고 머신 비전의 활용도 또한 높아지면서 그 이상의 카메라를 연결하는 것이 가능해질 전망이다. 실제로 GigE 인터페이스 카메라의 경우 인터넷 공유기 형식의 GigE스위치를 사용하면 더욱 많은 카메라를 연결할 수 있다(출처: 바슬러).

올 3월 이후로 출시된 프레임 그래버는 몇 종류가 있다. 한국내쇼날인스트루먼트에서 출시한 NI PCIe-1473R 모델은 FPGA이미지의 처리 기능이 있는 CameraLink 타입 프레임 그래버이다.  

20MHz~85MHz 픽셀 클럭 주파수에서 최고 10 탭, 80비트 이미지 수집을 지원하며 2개의 Camera Link 케이블을 통한 850MB/s 대역폭을 자랑한다. 또한 Power over Camera Link (PoCL)을 지원하며 카메라 전원 공급을 위해 PoCL 케이블과 함께 사용하거나 또는 케이블 없이 사용할 수 있다는 특징이 있다. 매트록스에서 출시한 Radient-eCL 모델은 PoCL 기능을 자랑하며 최대 2Gbps의 대역폭으로 무장했다. 최대 Base 카메라 4대 혹은 Full 카메라 2대를 연결할 수 있다. 또한  최대 10-taps 85MHz를 지원하며 Quad Base(eCL-QB), Dual Full(eCL-DF) 카메라링크 인터페이스를 지원한다.

ADLINK에서 야심차게 내놓은 GIE64+모델은 GigE포트를 4개나 지원하며 각 포트별 1000mb/s 전송 속도로 총 4000mb/s의 속도를 자랑한다. Power over Ethernet (PoE)기능은 물론이고 IEEE 1588 및 PTP기술도 지원하여 폭 넓은 활용이 가능하다. 하나의 케이블로 전원 공급 및 신호 전달이 가능하다는 것 또한 매력적이다.

글 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com