복잡한 이미징 시스템 설계의 단순화

기가비트 이더넷 및 USB3.0을 통해
실시간 비디오 전송의 설계, 비용 및 성능 혜택

이미징 시스템은 점차 시장이 확대되고 응용 프로그램이 복잡해짐에 따라 제조업체들의 도전과제가 심화되고 있다. 따라서 이미징 시스템은 간단하면서도 비용 효율이 이루어질 수 있도록 유지 및 확장이 이루어져야 하는 것이 요구사항이다.
이 글은 Pleora Technologies사가 제공한 기술자료로 GigE VisionⓇ과 USB3 Vision™ video interfaces가 의료, 교통, 군사용 애플리케이션에 사용되는 복잡한 이미징 시스템의 유용성과 디자인을 어떻게 단순화하는지에 대해 설명한 내용이다.

GigE VisionⓇ and USB3 Vision™ 스탠더드 소개
이미징 기술은 자동화 작업, 결정 안내, 효율 개선을 위한 실시간 분석을 제공함으로써 제조 혁명을 일으켰다. 오늘날, 산업용 애플리케이션에 최적의 이미징 제품은 시장 확대를 넘어 비용 및 성능의 이점을 제공하고 있다.
예를 들어, 고속 카메라, 센서 및 프로세서로 인해 고속도로와 철도를 모니터링하고 관리하는 지능형 교통 관리 시스템의 개발이 가능하게 되었다. 병원 수술실의 실시간 비디오 네트워크는 가이드 절차를 도울 광범위한 환자 데이터와 인력을 제공하는 다른 이미지 소스를 통합했다.
이미징 시스템에 대한 시장 기회 확대와 응용 프로그램이 더 복잡해짐에 따라, 제조업체들은 증가하는 도전과제에 직면하고 있다. 시스템은 점점 더 상세한 분석을 제공해야 하고, 동시에 직관적이고 쉽게 사용할 수 있어야 한다. 예산 압박으로 시스템은 기존의 영상 장비에 대한 투자를 최소화하면서도 더 나은 성능을 제공해야 한다. 최종적으로, 시스템은 간단하면서도 비용 효율이 이루어질 수 있도록 유지 및 확장이 이루어져야 한다.
이러한 문제에 대응할 수 있도록, 주요 설계 결정은 비디오 인터페이스(컴퓨터나 모니터에 이미지 센서에서 데이터를 전송하는 데 사용되는 기술)를 선택한다. 비디오 인터페이스는 전체적인 영상 시스템의 작은 부분이지만, 최종 제품의 편의성, 비용 및 확장성에 큰 영향을 미친다.
이러한 설계 결정에 대한 도움을 줄 수 있도록 제조업체는 산업시장에 폭넓게 채택이 되고 있는 비전 스탠다드로 관심을 돌리고 있다. 이 글에서는 GigE VisionⓇ 및 USB3 Vision™ 스탠더드를 소개하고 있고, 단순화 방안, 경비절감, 그리고 영상시스템의 설계 속도 향상 등을 집중 조명하고 있다.

비전표준에 대한 간단한 역사
이미징 기술이 1980년대와 1990년대 초반에 연구실에서 제조 현장으로 이동함에 따라, 비디오 인터페이스는 종종 독점 디자인을 기반으로 했다. 이러한 고객 맞춤 제품은 요구 성능을 충족하는 프로세싱 컴퓨터와 카메라 사이에서 두 지점 간의 연결을 제공하였다. 그러나 도입된 다중 벤더 시스템의 통합 문제와 보다 가치 있는 프로젝트에서 벗어난 내부 R&D 자원을 개발하고 유지하기 위해서는 비용이 많이 발생했다.
기존의 방송, 통신 및 가전제품 표준 또한 머신 비전에 응용되었다. 2000년에 도입된 Camera LinkⓇ는 처음으로 특정 목적을 위해 만들어진 머신 비전 표준이었다. 이미징 시스템이 더 복잡한 작업을 수행하고, 최종 사용자는 사용하기 쉽고 저렴한 솔루션을 찾기 때문에, 기존 인터페이스에 의해 야기되는 한계는 명확하다.
<표 1>은 비디오 인터페이스 표준의 주요 특성을 비교한다.
이러한 각 인터페이스는 이미지 분석용 컴퓨터나 관찰용 디스플레이 패널 혹은 카메라와 엔드 포인트 사이의 전용 연결이 필요하다. 이미지가 여러 화면 또는 디스플레이에 걸쳐 표시되는 응용 프로그램에서 이러한 제대 연결에 필요한 케이블은 비용이 많이 들게 되고, 복잡해지고, 관리 및 확장하기가 어려워진다.
또한, 데이터를 캡처하기 위해 이러한 인터페이스는 각 엔드 포인트에서 PCIe 프레임 그래버를 필요로 한다. 이것은 사용될 수 있는 컴퓨터의 종류를 제한하고, 부품의 비용을 끌어올리게 되고, 복잡하게 된다. 최종 사용자는 특정 운영 체제 및 처리 구성 시스템을 위한 드라이버 작성을 인터페이스에 의존하고, 지원을 받기 위해 특정 프레임 그래버 업체에 제한 될 수밖에 없다. 또한, 실시간 비디오 네트워킹을 위한 고가의 전환 장치가 요구된다.
이러한 한계를 인식한 카메라 제조업체, 부품 공급 업체 및 최종 사용자는 GigE 비전 및 USB3 비전 표준을 만들기 위해 집중한다. 이더넷이나 USB3.0 케이블을 통해 낮고 일관된 대기시간과 함께 압축되지 않은 전체 화질 영상의 전송을 가능하게 함으로써, 글로벌화 된 공개형 스탠다드는 설치, 업그레이드, 이미징 시스템 유지가 용이하도록 한다.
이 새로운 표준이 넓게 채택됨에 따라, 기성품 비디오 인터페이스 제품은 기존 카메라의 피드로부터 보다 더 다루기 쉬운 GigE 비전이나 USB3 비전 비디오로 전환 또는, 카메라와 이미지 장치에서 비전 표준 통합 연결로의 전환이 용이하게 된다.

GigE 비전의 기본
2006년에 시작된 GigE 비전은 산업용 애플리케이션에 가장 널리 사용되고 있는 비디오 인터페이스 표준이며 의료, 운송 및 보안 시장에서 튼튼한 기반을 다져 놓고 있다. GigE, 10 GigE, IEEE 802.11n 무선 솔루션을 포함한 GigE 비전 인터페이스와 함께 이미징 자료는 직접적으로 컴퓨팅 플랫폼의 이더넷 포트로 직접 전송된다. 영상은 노트북, 태블릿, 단일보드 컴퓨터, 임베디드 플랫폼을 포함한 어떤 종류의 컴퓨터에서나 표시될 수 있기 때문에 PCIe 프래임 그래버가 필요하지 않다.
장거리 GigE 케이블(카메라 링크용 10미터와 대비되는 표준 Cat 5/6 구리 케이블을 초과하여 100미터까지 이르는)은 처리 및 분석 장비가 속도 저하 없이 열악한 운영환경을 벗어난 곳에 위치하여 작동이 가능하게 한다. 예를 들어, 의료 이미징 애플리케이션에서, 처리 및 분석을 위해 사용되는 컴퓨터와 랩탑은 멸균 장비 비용을 줄이기 위해 수술실의 외부에 위치 할 수 있다. PoE(Power over Ethernet)는 카메라의 고정된 전원장치로부터의 자유로운 시스템 배치를 단순화할 수 있는 ‘One-cable’ 설치를 가능하게 한다. GigE 비전은 무선 솔루션을 통해 소재, 설정 및 유지 보수비용을 줄이기 위해 모든 케이블링을 제거한다.
GigE 비전 표준이 도입되었을 때, 그것은 주로 카메라와 컴퓨터의 제대연결에서 장거리 케이블에 대한 평가였다. 오늘날, 디자이너들은 실시간으로 전환되는 비디오 네트워크를 구축하기 위해 이더넷 네트워킹의 유연성을 사용하고 있고, 네트워크는 한 카메라가 여러 엔드 포인트, 카메라에 또는 한 엔드 포인트, 두 개의 조합에 비디오를 전송하는 것을 가능하게 한다. 이것은 비디오가 여러 화면과 다른 장소의 사용자들에게 쉽게 배포거나 여러 이미지 자료가 결합되어 하드웨어나 소프트웨어를 교체하며 원격녹화장치에 보낼 수 있다는 것을 의미한다.

네트워크화 된 수술실에서 GigE 비전
의료 이미징 시스템은 이미지 출처로부터 컴퓨터나 화면으로 신뢰성 있게 실시간 혹은 낮은 대기시간으로 고화질 이미지를 전송하는 비디오 인터페이스를 필요로 한다. 예를 들어, 투시 진단은 정확한 수술 결정을 내릴 수 있도록, 표시 화면에 평면 패널 검출기(FPD)에서 화상의 고속 전송에 의존한다. 기술적 성능 외에도, 새로운 의료 영상 시스템은 종종 이미지 소스 또는 디스플레이 패널 추가를 수용 할 수 있도록 기존 장비와 쉽고 완벽하게 통합하고 확장해야 한다.

GigE 비전과 고속철도 점검
철도검사는 멀티 카메라, 멀티 스펙트럼 이미징 시스템이 화물을 모니터 하고 차와 철도 부품을 검사하는 복잡한 응용 프로그램이다. 고급 비전 시스템은 보다 상세하고 빠른 검사, 또한 효율을 최대화하고 중단 시간을 줄이면서 안전성을 개선하기 위해 더 많은 정보를 제공한다
자동 철로측면 검사 시스템(그림 2)에서, 일련의 카메라가 트랙과 과선 신호대를 따라 움직이는 기차의 주요 구성요소의 이미지를 포착한다. 카메라 링크 풀 카메라는 일반적으로 높은 대역폭으로 인해 시스템 내에 배치되어 있지만, 디자이너는 카메라의 제한된 범위의 케이블 연결 및 네트워킹 지원의 부족분을 감안해야 한다.
대안으로, 10 GigE 외부 프레임 그래버는 카메라 링크 풀 카메라를 멀티 포인트, 저렴한 실시간 비디오 네트워크, 장거리 이더넷 케이블링과 상용 스위칭으로 통합하게 함으로써 GigE 비전 호환 카메라로 변형할 수 있다.
이 예시에서, 외부 프레임 그래버의 통합된 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 여러 위치의 센서, 카메라, 조명을 동기화 시키며, 이미지 획득 프로세스를 작동시킨다. 외부 프레임 그래버는 카메라 링크 풀 카메라에서 압축되지 않은 GigE 비전 호환 비디오 스트림으로 이미지를 변환한다
그 후에 비디오는 카메라 링크 풀의 최대속도인 6.8 Gb/s로 산업표준 섬유 케이블을 통해 컴퓨터의 포트로 직접 전송된다. 1000+ 미터 이상의 10 GigE 케이블 범위에서, 처리 및 이미지 분석 장비는 철도 바로 옆에서 보다 안전한 장소나 운영 센터로 이동 할 수 있다. 결함이 발견되면, 시스템은 기차 운행을 중단 시킬 수 있는 관리자에게 상세한 실패 이미지를 메시지와 함께 전달하지만, 상황이 심각하지 않을 경우 평상시 스케줄을 유지한다.
모바일 철도 검사 시스템에서, 카메라 링크 풀 카메라는 철로 및 부품의 손상 감지를 위해 철도 차량이나 서비스 차량에 설치된다. 외부 프레임 그래버는 이미지 자료를 카메라 링크 풀 카메라로부터 분석을 위한 온보드 워크스테이션으로 집계 및 전송된 GigE 비전 호환 비디오 스트림으로 변환한다. 결함이 확인되면, 이미지는 해당 GPS 정보와 겹쳐 무선으로 운영센터에 송신된다.

USB3 비전의 기본
USB 인터페이스는 널리 소비자 및 PC 애플리케이션에 채용되었지만 대역폭은 압축되지 않고 가공되지 않은 실시간 이미지 분석을 필요로 하는 비전 응용프로그램에는 불충분했다. 이것은 USB2.0의 10배의 대역폭을 제공하는 USB 표준(USB3.0 이나 수퍼 스피드 USB라고 불리는)의 세 번째 주요 버전과 함께 바뀌었다. 실시간 비디오 연결을 위한 USB3.0의 가능성을 인식하고, 머신 비전 산업은 2013년 USB3 비전 표준을 발표했다.
GigE 비전을 위해 성공적으로 개발된 개념을 기반으로 하여, USB3 비전 자료는 직접적으로 기존의 컴퓨터 포트에 일관적인 3Gb/s 속도로 전송된다. 이것은 카메라 링크 Base Configurations의 성능을 능가하고, 데이터를 캡처하기 위해 여러 케이블의 PCIe 또는 프레임 그래버 없이도 Medium Configuratoins에 비할 만하다. 프레임 그래버 카드의 필요성을 제거함으로써, 설계자는 노트북, 태블릿, 임베디드 프로세서를 이용할 수 있다.
USB3.0 비디오 인터페이스는 저비용, 성능 향상을 돕기 위한 컴퓨팅  지원과 저속도를 넘어 장점을 제공한다. 유연하고 가벼운 ‘플러그 앤 플레이’ USB 케이블은 부피가 큰 케이블과 기존 인터페이스의 커넥터 보다 저렴하고 설치가 간단하다. 신뢰성과 사용 편의성을 향상시키려면, USB3 비전 표준은 케이블을 위한 커넥터를 명시해야 한다. 비디오, 제어 데이터 및 전원은 케이블링 복잡도를 감소시키고 카메라의 외부 전원 장치의 필요성을 제거한 단일 케이블을 통해 전송된다
거리는 USB3.0 인터페이스에게 마지막 장애물로 남아있다. 이러한 사실은 USB3 비전 표준에 의해 묘사된 원래의 3미터 범위를 훨씬 상회하는 이미지 출처와 처리장치 사이의 거리를 확장해 주는 중계기 및 활성구리와 광학 케이블 솔루션이 설명해 주고 있다.

USB3 비전과 의료 이미징과 로봇공학
USB3.0의 플러그 앤 플레이의 성능은 의료 이미징 응용프로그램의 광범위한 비용, 성능 및 신뢰성의 이점을 가능하게 한다.
현미경 응용 프로그램에서, 외부 프레임 그래버는 유비쿼터스 컴퓨팅 플랫폼 지원 활용 및 USB3.0의 케이블링을 단순화하면서 제조 업체가 기존의 카메라, 센서, 광학을 유지 할 수 있게 한다. USB3 비전 외부 프레임 그래버는 분석 및 디스플레이를 위해 노트북으로 직접 전송된 이미지 자료를 기존 카메라 링크 현미경 카메라에서 USB3 비전 통합 비디오로 변환한다. 얇고 가벼운 USB3.0 케이블은 부피가 큰 카메라 링크 케이블보다 노선을 쉽고 빠르게 설치하고 검사 역의 해체를 허용하는 ‘플러그 앤 플레이’를 쉽게 연결한다.
내시경 이미징 시스템의 경우, 제조업자들은 HD-SDI 및 SD-SDI 비디오를 USB3 비전 영상(그림 3)으로 변환함으로써 하드웨어 기반의 기록 장치의 비용을 줄일 수 있다. 이전에는 이러한 기록 시스템은 HD-SDI 비디오 연결을 지원하도록 맞춤 설계된 처리 보드에 의존했다.
하드웨어 설계의 일부로서 작은 공간에서 포함된 비디오 인터페이스를 채용한 영상이 자동으로 PC에 포함된 기존의 포트에 직접 전송되어 USB3 비전 스트림으로 변환된다. 결과적으로 제조자는 저비용 임베디드 컴퓨팅 플랫폼을 채용하면서 비디오 인터페이스 개발과 연관된 비용을 피할 수 있다.
마찬가지로, 제조업체는 전용기기 설계 없이 기록 및 제어기능을 제공하기 위한 USB3 비전 외부 프레임 그래버를 사용할 수 있다. 외부 프레임 그래버는 컴퓨팅 플랫폼의 USB3.0 포트에 직접 낮은 대기시간으로 기성 케이블을 통해 전송하는 USB3 비전 영상으로 기존의 HD-SDI 및 SD-SDI 카메라와 비디오 프로세서의 비디오를 변환한다. 최종 시점에서 데이터 캡처를 위해 PCIe 프레임 그래버의 필요성을 제거함으로써, 제조업체는 단일 컴퓨팅 플랫폼과 분리된 데스크톱 PC 및 기록 장치를 대체 할 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어 기반 녹화 기능은 분석 및 디스플레이에 사용되는 노트북에 이식 될 수 있다.

로봇 공학 분야에서, 제조업체는 적극적으로 전문가가 가정에 있는 환자에게 치료를 제공 할 수 있는 원격 시스템을 개발하고 있다. 시각, 청각, 전술적 기술은 제로에 가까운 대기 시간에 함께 모든 작업이 대면 방문 수준에 필적하는 치료를 재현해야 한다. 이 장치는, 정확하게 탐색 프로세서에 카메라에서 영상 데이터의 순간 전송을 필요로 한다.
USB3 비전 비디오 인터페이스에서, 비용, 중량, 및 전력 소모를 줄이기 위해 임베디드 프로세싱 아키텍처로 이동할 때 제조자는 성능 요건을 충족 할 수 있다. 원격로봇에서(그림 4), 검사 및 탐색 카메라의 이미지는 외부 프레임 그래버에 의해 USB3 비전 호환 비디오 스트림으로 변환된다. 또한, 내장된 비디오 인터페이스 하드웨어는 제품에 직접 USB3.0 비디오 연결을 통합하는 간단한 방법으로 카메라 제조업체에 제공된다.
비디오, 전력, 데이터 제어는 통합 단일 보드 컴퓨팅 플랫폼에 전송하기 위한 고 대역폭, 신축성, 저비용 USB 케이블을 통해 전송된다. 로봇 내에서의 PCIe 프레임 그래버를 제거함으로써, 설계자는 시스템의 복잡성, 부품 수 및 비용을 줄일 수 있다. 또한, 로봇의 중량 및 전력 소모를 감소시키는 것은 전하 사이에서 긴 수명으로 변환하는 배터리 수명을 연장한다.
이미지 시스템 설계의 단순화
대게 잘 만들어진 표준은 제조업체 및 최종 사용자를 위한 디자인, 비용, 성능 향상의 적절한 조합을 제공하지 못한다. 머신 비전 시장을 위해, 산업 협회, 제조업체 및 공급 업체는 설계, 시스템 통합 및 유용성을 단순화한 세계적인 표준 세트를 만들기 위해 힘을 모았다.
이러한 기준은 산업 자동화 응용프로그램의 중요 기술로서 비전의 설립을 도왔고, 시스템 제조업체들은 프로세스를 자동화하고 시장을 넓히는 범위에서 성과 개선을 추구하기 때문에 중요하다. GigE 비전 및 USB3 비전 호환 비디오 인터페이스는 기존의 표준 또는 사용자 정의 솔루션을 기반으로 시스템을 보다 저렴하고 사용하기 쉽게 하는 영상 시스템의 새로운 세대를 가능하게 한다.
새로운 시장에서 영상의 지속적인 발전을 구동하기 위해 제조업체들은 높은 수준의 성능을 제공하면서 저렴한 비용으로 솔루션을 제공하기 위해 압력을 받고 있다. 올바른 비디오 인터페이스를 선택하는 것은 이러한 문제를 해결하는데 핵심 단계이다.

Pleora Technologies사에 대해

Pleora Technologies사는 고성능 프레임 그래버와 기가비트 이더넷을 통한 비디오 전송을 위해 임베디드 하드웨어를 발명하고 USB 3.0과 무선에 대한 비디오 인터페이스 시장을 이끌고 있다.
이런 혁신의 정신으로 Pleora 엔지니어들은 신뢰할 만한 비디오 인터페이스를 국방, 의료, 산업 자동화 분야의 시스템 제조업자와 카메라 제조업자들에게 제공한다. Pleora Technologies사는, 시장 출시 시간과 위험, 비용을 줄이는 엔드 투 엔드 솔루션을 제공한다.

Pleora의 풍부한 솔루션 구성의 포트폴리오는 GigE 비젼과 호환 가능한 엔드투 엔드 플랫폼과 기존 이미징 시스템의 개량 및 새로운 제품 디자인의 네트워크 기반의 비디오 요구 사항들을 충족하는 맞춤형 USB3 비전을 제공한다.
개선 프로그램의 경우, Pleora의 iPORT 외부 프레임 그래버가 효율적으로의 기존의 비디오 소스에서 GigE 비전 또는 USB3 비전 호환 비디오 스트림으로 피드를 변환 할 수 있다. 새로운 플랫폼의 경우, 비디오 인터페이스 하드웨어 및 IP 솔루션이 포함 된 iPORT가 처음부터 호환되는 GigE 비전 USB3 비전을 만들고, 새로운 세대의 고해상도 카메라로 직접 구축 할 수 있다.
모든 시나리오에서, 처리 및 분석을 위해 사용되는 컴퓨터는 프레임 그래버 필요없이, GigE 비전 또는 USB3 비전 링크를 시스템 메모리로 실시간 스트리밍이 가능하게 하는 Pleora의 eBUS SDK와 장착 될 수 있다. 이 소프트웨어 수트로 디자이너들은 신속하게 API(Application programming interface)를 사용하는 GigE, 10 GigE, USB3.0 및 무선을 통한 비디오 전송을 지원하기 위한 프로토 타입 및 생산 준비 소프트웨어를 배포 할 수 있다.

자료제공 | 다트비젼(www.datvision.com)