가장 적합하고 효율적인 카메라 인터페이스 선택 가이드
오늘날의 산업용 카메라에는 다양한 유형의 케이블과 커넥터가 사용된다. 비전 시스템에 가장 적합한 카메라 인터페이스를 결정하는 것은 이 기사에서 살펴볼 몇 가지 요인으로 귀결된다. 대역폭 용량, 케이블 길이 및 추가 하드웨어 지원과 같은 추가 요소는 각 인터페이스에 대해 그리고 현재 이러한 인터페이스와 함께 사용할 수 있는 카메라 모델의 몇 가지 예도 살펴본다. 이 기사의 목적은 산업용 및 과학용 영역 스캔 카메라 시장에서 사용할 수 있는 인터페이스와 각각의 주요 기능을 탐색하고 이해하는 것이다.
카메라 인터페이스
산업용 카메라와 과학용 카메라는 다양한 이미지 센서(카메라 이미저) 옵션으로 놀라운 속도와 해상도를 제공할 수 있다. 카메라 기술은 센서 디자인이 있는 프런트 엔드뿐만 아니라 카메라 인터페이스가 있는 백 엔드에서도 계속 진화하고 있다. 새로운 커넥터와 새로운 케이블을 비전 시스템에 도입함으로써 더 높은 대역폭과 더 안정적인 데이터 전송으로 이미징 애플리케이션의 경계를 계속 확장하고 있다.
• USB3 카메라
사용하기 가장 쉬운 디지털 인터페이스는 USB(Universal Serial Bus)라고 해도 과언이 아니다. 이 플러그 앤 플레이 인터페이스는 1996년부터 사용되어 왔으며 그 동안 몇 가지 중요한 개선 사항이 있었다. 주로 USB3로의 진화는 기가비트 속도를 향한 추진으로 이미징 산업을 변화시켰다. 이제 USB3는 이미징 산업의 필수 요소가 되었으며 훨씬 더 빠른 속도로 계속 발전하고 있다.
USB3의 첫 번째 반복은 USB 3.0이었지만 이 이름은 USB 3.1 Gen 1로 여러 번 변경된 다음 USB 3.2 Gen 1로 변경되었다. 이로 인해 USB는 USB2의 480Mbit/s 속도 제한을 넘어 최대 5Gbit/s까지 향상되었다. USB3 커넥터는 다양한 제품에 널리 보급되어 왔지만, 산업 및 과학 이미징 시장에서 표준이 고착될 방법을 찾은 것은 놀라운 일이 아니다.
이것은 새로운 Teledyne Lumenera Lt 시리즈 보드 레벨 카메라에 있는 1/2.8" 센서만큼 작은 소형 센서가 있는 카메라(그림1 참조)에서 가까운 장래에 시장에 출시될 Teledyne Imaging 카메라에서 사용할 수 있는 대형 APS-C 센서에 적용된다.
<그림1> Lt 시리즈 보드 레벨 카메라(왼쪽) 및 Lt 시리즈 카메라(P-IRIS 포함, 오른쪽).
USB3 표준과 함께 사용되는 다양한 커넥터가 있다. 표준 USB3 Type-A와 같은 커넥터는 카메라에서 이미지를 캡처하는 데 사용되는 컴퓨터 및 기타 호스트 장치에서 가장 일반적으로 발견된다. USB3 Type-B 및 USB3 Micro-B는 최대 10m 길이의 케이블을 고정하는 데 도움이 되는 잠금 커넥터로 인해 산업용 카메라 본체에서 가장 흔히 볼 수 있는 두 가지 커넥터이다. USB가 컴퓨터 및 기타 많은 전자 장치의 표준 커넥터가 되었기 때문에 카메라에서 이미지 데이터를 전송하는 데 필요한 하드웨어는 이미 대부분의 장치에서 사용할 수 있다. 프레임 그래버, 고유 구성 요소 및 케이블을 구입할 필요 없이 USB3 카메라는 비용 효율적인 설정을 제공하며 비전 시스템에 예상치 못한 비용을 추가하지 않고도 대량으로 배포할 수 있다.
물리적 인터페이스뿐만 아니라 GenICam 일반 프로그래밍 인터페이스를 기반으로 하는 USB3 Vision을 통한 소프트웨어 지원도 있다. USB3 Vision을 사용하면 새 카메라로 업그레이드한 후 많은 비전 시스템에서 동일한 소프트웨어 플랫폼을 사용할 수 있다. 동일한 표준화된 USB3 Vision 소프트웨어에서 지원하는 Lt-C/M4020B 보드 레벨 카메라와 같은 카메라를 사용함으로써 설계자는 호환성에 대한 걱정 없이 비전 시스템의 물리적 구조를 변경할 수 있다. USB3 Vision 플랫폼을 기반으로 하는 많은 소프트웨어 패키지가 있다. 제조업체와 원하는 기능에 따라 소프트웨어 선택 범위를 좁힐 수 있다. USB3 Vision 소프트웨어의 예로는 Teledyne Imaging에서 제공하는 LuCam 및 Sapera가 있다.
• GigE 카메라
GigE Vision을 사용하여 2006년부터 신뢰할 수 있는 고속 이미지 캡처가 가능해졌다. Cat5 및 Cat6과 같은 이더넷 네트워크 케이블 을 사용함으로써 산업용 카메라는 GigE Vision 표준을 사용하여 다양한 속도를 달성할 수 있다. 가장 일반적인 속도는 1 Gbit/s에서 시작하여 산업용 이미징 산업 내에서 최대 5 Gbit/s까지 올라간다.
GigE Vision 표준은 인터넷 프로토콜 표준을 기반으로 하며 AIA에서 규제한다. GigE 카메라를 통해 네트워크 하드웨어를 비전 시스템에 통합함으로써 사용자는 원격 위치에서도 여러 대의 카메라를 제어하여 24시간 사용할 수 있는 이점이 있다. 완전한 GigE Vision 시스템을 갖추면 사용 중인 모든 카메라를 동일한 소프트웨어 플랫폼에서 실행할 수 있다. 물리적으로 존재하지 않고도 카메라는 PTP(정밀 시간 프로토콜)를 사용하여 동기화된 타임스탬프와 함께 작동할 수 있다. 즉 다중 카메라 토폴로지는 GigE를 염두에 두고 비전 시스템을 개발하는 데 있어 주요 이점이다.
<그림2> 네트워크 케이블에 연결된 Genie Nano 1GigE 카메라
<그림3> Genie Nano 1-GigE 카메라
• 1GigE 카메라
이름에서 알 수 있듯이 1GigE 카메라는 1Gbit/s의 속도를 낼 수 있다. 이러한 유형의 대역폭은 <그림2>와 같이 표준 네트워크 케이블을 통해 호스트 PC 또는 네트워크 스위치로 전송된다. 네트워크 스위치 사용의 가치는 PTP와 같이 연결된 많은 장치를 쉽게 동기화할 수 있는 기능이다. 그러나 PTP는 카메라 간의 타임 스탬프가 동기화되도록 하는 방법으로만 사용되므로 Teledyne DALSA의 GigE 카메라와 같은 고유한 추가 기능을 구현하여 GigE 비전 시스템에서 카메라를 완전히 동기화하여 해당 지점에서 이미지를 캡처해야 한다.
즉, 카메라가 이미지를 촬영할 것으로 예상되는 시점과 이미지가 캡처되는 시점이 일치하지 않도록 많은 카메라에서 이미지 획득을 엄격하게 제어할 수 있다. GigE 카메라의 또 다른 중요한 측면은 최대 100미터의 케이블 길이로 공장 자동화 및 검사와 같은 애플리케이션에서 지속적으로 사용하기 위해 이러한 속도를 안정적으로 유지할 수 있다는 것이다.
<그림4> Gen ie Nano 5GigE 카메라
• 5GigE 카메라
5GigE 카메라는 최대 5Gbits/s 속도에 도달할 수 있다. 이것은 대역폭이 5배 향상된다는 것을 의미하지만 5GigE 카메라 및 인터페이스 사용과 관련된 비용은 1GigE보다 약간 높을 뿐 훨씬 더 적다. 가격의 실제 차이는 카메라의 센서 선택으로 귀결된다. 향상된 속도는 5GBASE-T 링크 속도를 통해 달성된다. 따라서 5GigE 비전 시스템은 비용 증가로 이어질 수 있지만 시스템이 허용할 수 있다면 속도 증가는 훨씬 더 크다. 최대 데이터 처리량이 필요한 애플리케이션을 위해 Teledyne DALSA는 Genie Nano 5GigE 카메라 라인업을 제공한다. Genie Nano 5GigE 카메라 세트는 <그림4>에서 볼 수 있으며 표준 Genie Nano 카메라 본체와 Genie Nano XL 폼 팩터를 특징으로 한다.
표준 GigE 카메라가 달성한 속도는 TurboDrive로 향상되어 잠재적으로 표준 데이터 속도를 두 배로 높일 수 있다. Teledyne DALSA의 이 고유한 업그레이드를 통해 595Mbytes/s의 일반적인 5GigE 연결이 거의 두 배인 최대 985Mbytes/s의 속도에 도달할 수 있다. 완전히 다른 하드웨어에 의존하는 대신 TurboDrive는 Teledyne DALSA 카메라의 기존 GigE 연결을 사용하여 속도를 20-150% 높일 수 있다.
<그림5> Teledyne DALSA Genie Nano 카메라 크기
이러한 성능 업그레이드로 인해 비전 시스템이 데이터 손실 위험에 노출되지는 않지만 대신 TurboDrive를 사용하는 카메라는 종종 두 배 빠른 프레임 속도로 실행될 수 있다. 이를 통해 조립라인 이미징과 같은 애플리케이션이 프레임 속도 증가로 인해 두 배의 속도로 실행되어 효율적으로 생산 속도가 두 배로 빨라진다. 이 기술은 <그림5>와 같이 1/4"에서 APS-H 센서 형식에 이르는 다양한 Genie Nano GigE 제품(1GigE 및 5GigE 포함)에서 사용할 수 있다.
• CoaX프레스
USB3 또는 GigE 카메라와 달리 CoaXPress(CXP)는 프레임 그래버에 연결해야 하는 동축 케이블을 사용한다. 프레임 그래버의 또 다른 이름은 캡처 카드이다. 이들은 카메라에서 오는 이미지 데이터를 처리하는 데 도움이 되는 호스트 컴퓨터에서 찾을 수 있다. CXP 카메라로 이미지를 캡처하려면 프레임 그래버가 필요하지만 성능이 크게 향상된다는 이점이 있다.
프레임 그래버는 이미지 데이터를 처리하고 시스템의 전체 대역폭을 증가시키기 위해 전체 비전 시스템에 더 많은 용량을 제공하는 호스트 컴퓨터에 대한 물리적 업그레이드 역할을 한다. 개별 CXP 카메라의 대역폭은 카메라 뒷면의 여러 커넥터와 프레임 그래버를 활용하여 데이터 흐름을 위한 더 많은 채널을 열어 증가시킬 수 있다. Teledyne DALSA Xtium 시리즈 프레임 그래버의 예는 <그림6>에서 컴퓨터 뒷면에 배치될 패널에 있는 4개의 동축커넥터와 함께 볼 수 있다.
<그림6> Xtium2 CXP PX8 시리즈 프레임 그래버.
<그림7> Genie Nano XL CXP 카메라의 뒷면.
CXP 카메라는 <그림7>과 같이 카메라 후면에 최대 4개의 커넥터를 가질 수 있다. 이 인터페이스는 각 채널에서 6.25Gbit/s 속도를 낼 수 있다. 이 모든 채널이 하나의 프레임 그래버에 연결되면 비전 시스템은 대역폭을 최대화할 수 있다. 단일 채널 속도에 4를 곱하고 Genie Nano CXP 카메라가 장착된 비전 시스템은 최대 25Gbit/s의 속도에 도달할 수 있다. 이러한 속도는 CXP6 표준의 일부이며 최대 35미터 길이의 동축 케이블로 달성할 수 있다.
<그림8> Genie Nano Camera Link Cameras
• 카메라 링크
<그림8>에 표시된 Camera Link는 카메라와 프레임 그래버 간의 연결을 개선하기 위해 안정적이고 단순한 디자인을 제공한다. Camera Link는 소형 카메라용 Mini Camera Link 커넥터, PoCL(Power over Camera Link) 및 PoCL-Lite(훨씬 더 작은 PoCL 케이블)와 같은 새로운 옵션인 Camera Link 2.0의 대대적인 업데이트와 함께 2000년에 처음 개발되었다. Camera Link 카메라의 속도는 기본 구성에서 단일 케이블로 255Mbyte/s에 도달하고 Deca 구성에서 두 개의 케이블로 최대 850Mbyte/s에 도달할 수 있다.
또한 카메라 1대를 케이블 2개로 연결하는 대신 비전 시스템에서 카메라 2대를 더블 베이스 구성으로 프레임 그래버 1대에 연결할 수도 있다. 이를 통해 호스트 PC는 하나의 인터페이스를 통해 여러 대의 카메라를 제어할 수 있다. Teledyne DALSA는 CamExpert 및 GenICam을 준수하는 Sapera LT를 통해 Camera Link 카메라에 대한 소프트웨어 지원을 제공한다. 업데이트된 소프트웨어를 통해 Camera Link를 사용하는 비전 시스템은 더 나은 센서 기술이 계속 발전함에 따라 새 모델로 업그레이드할 수 있다.
<그림9> Falcon4 86M Camera Link HS 전면 및 후면 모습.
• 카메라 링크 HS
Camera Link가 개발한 기반 위에 구축된 CLHS(Camera Link HS)는 SFP, SFP+, CX4 및 광섬유 케이블과 같은 표준 케이블링 솔루션을 사용하여 길이와 속도를 극대화하고 있다. 이러한 옵션을 사용하면 CLHS 카메라는 구리 케이블로 최대 15미터, 광섬유 케이블로 최대 5000미터 범위에 걸쳐 연결할 수 있으며 처리량은 레인당 최대 8.4 Gbit/s이고 단일 케이블에서 최대 7개 레인이다. CLHS 카메라의 예는 <그림9>에서 볼 수 있으며 중형 포맷 Falcon4 86M 카메라를 특징으로 한다.
M 프로토콜을 사용하는 레인당 3.125Gbit/s 및 X 프로토콜을 사용하는 최대 10.3Gbit/s의 CLHS는 다른 인터페이스보다 훨씬 빠르게 Falcon4의 86메가픽셀 센서만큼 큰 센서의 이미지를 제공할 수 있다. 이 중형 센서 크기는 더 작은 Genie Nano 1GigE 카메라와 비교할 때 <그림10>에서 시각화할 수 있다 (1GigE 연결보다 60배 더 큰 유효 대역폭 증가)
<그림10> 더 작은 Genie Nano 1GigE 카메라와 Falcon4 86M 간의 크기 대비.
Falcon4 제품 라인은 고해상도 86M 모델과 <그림11>에 표시된 Falcon4-CLHS M4480을 모두 갖추고 있으며 Teledyne e2v Lince11M 센서를 사용하여 초당 609프레임의 높은 프레임 속도로 매우 많은 수의 이미지를 전송할 수 있다. 프레임 그래버는 호스트 CPU의 작업 부하를 최소화하고 온보드 데이터 전송 엔진(DTE)으로 이미지 획득에 집중하는 데 도움이 될 수 있다. Xtium은 또한 Teledyne DALSA의 Trigger to Image Reliability 프레임워크와 함께 제공되어 이미지 데이터가 트리거링, 이미지 캡처 및 데이터 전송을 통해 손상될 가능성이 없도록 보장한다.
<그림11> Falcon4-CLHS M4480
오버헤드 및 인코딩
각 인터페이스는 이론상 최대 대역폭에 도달할 가능성이 있다. 그러나 이 숫자는 카메라에서 호스트 장치로 데이터를 전송하는 것과 관련된 많은 실제 오버헤드를 무시한다. 각 인터페이스에는 어떤 형태의 인코딩이 있으며 이것은 두 개의 유사한 카메라 간에 다를 수 있다. 예를 들어 두 카메라의 센서가 동일하지만 하나는 1GigE를 사용하고 다른 하나는 5GigE를 사용하는 경우 인코딩이 달라진다. 인코딩은 카메라에서 이미지 데이터를 수집하는 컴퓨터와 같이 장치가 데이터를 호스트로 보내기 전에 데이터를 얼마나 효율적으로 패키징하는 지에 대한 척도이다.
USB3, 1GigE 및 CXP는 8/10 인코딩을 사용하므로 인코딩 프로세스에서 대역폭의 약 20%가 손실된다. 5GigE 인터페이스는 약 3%의 오버헤드로 훨씬 더 효율적인 64/66 인코딩을 사용한다. Camera Link는 동일한 종류의 오버헤드를 사용하지 않는 대신 대역폭 손실이 약 5%인 인터페이스이다. 이 제한은 카메라 시계와 동기화하는 이미지 데이터 세트(데이터 라인이라고 함)의 결과인 이미지 프레임 사이의 간격으로 인해 발생한다.
후속 제품인 CLHS도 64/66 인코딩을 사용한다. 그러나 CLHS의 대역폭을 최대화하는 것과 관련된 더 시급한 문제는 프레임 그래버 대역폭 제한에서 비롯된다. 대부분의 프레임 그래버 설계는 여전히 Camera Link HS만큼 빠른 인터페이스의 이론적 속도를 충분히 활용할 수 없다. 또한 많은 프레임 그래버가 호스트 컴퓨터와 통신하는 데 사용하는 8레인 PCI Express(PCIe) 3.0 인터페이스는 아직 일부 산업용 인터페이스와 동일한 대역폭 잠재력에 있지 않다. 이 제한은 PCIe 4.0으로 사라지기 시작하고 향후 업데이트는 프레임 그래버 기술에 더 일반적으로 적용된다.
비전 시스템의 얼마나 많은 부분이 실제 대역폭 잠재력에 영향을 미치는지에 대한 복잡성은 단순한 인터페이스 그 이상이다. 카메라 센서는 비전 시스템이 출력할 수 있는 잠재적인 대역폭과 관련하여 인터페이스보다 훨씬 더 중요하다. 센서의 클럭 속도 및 나머지 비전 시스템과 통신하는 센서 인터페이스를 포함하되 이에 국한되지 않는 사양에 따라 카메라가 출력할 수 있는 데이터의 양은 GigE와 같은 물리적 인터페이스(USB, CXP 또는 CLHS)를 넘어 크게 달라질 수 있다.
<그림12> 다양한 카메라 인터페이스와 대역폭 비교
결론
다양한 카메라 인터페이스를 모두 사용할 수 있으므로 특정 이미징 응용 프로그램에 가장 적합한 인터페이스를 결정하는 것이 어려울 수 있다. 그러나 각 인터페이스가 제공하는 대역폭, 동기화, 배포 용이성 및 케이블 길이를 이해하면 결정을 내리기가 훨씬 쉬워진다. <그림12>와 같이 각 인터페이스의 대역폭을 비교하면 얼마나 많은 이미지 데이터를 수집할 수 있는지의 차이가 명확해진다.
CXP 또는 CLHS 카메라를 사용하면 비전 시스템에 훨씬 더 높은 대역폭을 제공하지만 프레임 그래버가 필요하지 않거나 불가능한 애플리케이션에서는 USB 및 GigE와 같은 옵션이 좋은 선택이 된다. 특정 시스템에 가장 적합한 인터페이스를 결정하는 것은 애플리케이션의 요구 사항에 달려 있다.
자료제공: Teledyne DALSA(www.teledyne.com)
