머신 비전의 미래, 한계를 넘어서다

GigE, USB 3.0, CoaXPress

머신 비전(Machin Vision)분야가 급격하게 변화함에 따라 기존에 흔히 사용되고 있는 카메라 링크(Camera Link), 파이어와이어(FireWire), USB 2.0이 일부 시스템에서는 여전히 편리하게 쓰이지만 가장 까다로운 애플리케이션에서는 한계를 드러내고 있다. 이에 새로운 GigE 비전, USB3 비전, CoaXPress가 경쟁적으로 등장하였다. 이 글을 통해 차기 머신 비전 표준이 될 것으로 예상되는 인터페이스들에 대해 알아본다.

- 마이크로칩 오토모티브 정보 시스템 부문 글로벌 마케팅 매니저
제프 프리먼(Zeph Freeman)-

차세대 인터페이스의 승자는 CoaXPress?
카메라 링크(Camera Link), 파이어와이어(FireWire), USB 2.0이 개발 의도대로 충실히 그 역할을 수행하고 있으나, 이 표준들이 개발된 후에도 머신 비전(Machin Vision)은 급격하게 변화해 왔다. 이 표준들 모두 일부 시스템에서는 여전히 편리하게 쓰이지만 가장 까다로운 애플리케이션에서는 한계를 드러내고 있으며, 따라서 이를 대신하기 위해 GigE 비전, USB3 비전, CoaXPress가 경쟁적으로 등장하였다. 이 표준들은 각기 장단점을 지니고 있으나, 최종 승자의 자리는 CoaXPress가 차지할 것으로 보인다. 경쟁자들보다 비트당 비용이 낮고 유연성이 우수하면서도 오늘날의 엄격한 요건들을 충족시킬 수 있기 때문이다.

산업현장에서 새로운 인터페이스가 필요한 이유
위의 과감한 예측에 대한 근거를 들기 위해, 카메라 링크, USB 2.0, 파이어와이어의 뒤를 이를 이 표준들이 어떻게 활용되는지, 그리고 미래 비전 시스템의 고유한 요구는 무엇인지 살펴보고자 한다. 무엇보다 중요한 사실은 공장에서 더 빠르고 더 높은 제조 쓰루풋(throughput)을 여느 때보다도 더욱 필요로 한다는 것이다. 지금까지 공장 생산성은 비전 검사 시스템에 의해 제약을 받아왔다. 더 높은 쓰루풋을 달성하기 위해서는 비전 시스템이 초고해상도(비압축) 이미지를 훨씬 더 빠른 속도로 캡처하면서도 훨씬 더 빠르게 처리할 수 있어야 한다.
또한 이미지 프로세싱 시스템은 밀리초(milliseconds) 이내로 동영상이나 스틸 이미지를 처리하고 합격/불합격 판정을 할 수 있어야 한다. CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서가 급속하게 발전하면서 이제는 훨씬 더 높은 감도와 속도, 동적 범위, 해상도를 달성할 수 있게 되었다. 4K 해상도를 지원하는 이미지 센서가 보편화되고 있고 실제로도 하나 이상의 제조업체에서 최대 250메가픽셀 해상도에 이르는 센서 제품을 내놓고 있다. 따라서 카메라를 프로세싱 리소스에 연결하는 통신 버스는 훨씬 더 넓은 대역폭과 높은 쓰루풋을 제공해야 하며 카메라 링크, USB 2.0, 파이어와이어의 경우 이에 맞는 충분한 속도를 낼 수 없을 것으로 보인다.
이러한 요구는 제조나 생산 분야에 사용되는 전통적인 머신 비전 애플리케이션에만 국한되지 않는다. 예를 들어 교통 및 자동차 번호판 모니터링, 자율주행 자동차는 아주 높은 선명도와 색 정확도를 달성하는 카메라를 필요로 한다. 또 지연시간 없는 정밀한 영상을 필요로 하는 의료용 영상 장비와 원격 수술 시스템에서도 사용되고 있다. 또 다른 까다로운 애플리케이션들로는 비디오 감시, 항공기 인포테인먼트, 고속 보드-대-보드 통신, 방위 및 항공우주 시스템이 있다.
이 모든 애플리케이션들은 이전의 한계를 훨씬 더 뛰어넘어야 한다. 이 애플리케이션들의 요구를 충족하기 위해서는 우선 신호 경로 전반에 걸쳐 초당 최대 1200MB(MB/s)에 이르는 고대역폭을 달성하고, 이어서 점차적으로 더 높은 데이터 속도를 달성해야 할 것이다. 긴 케이블이 필요한 시스템의 경우 되도록 저렴한 케이블과 커넥터 솔루션을 사용하면서도 이처럼 높은 속도를 처리할 수 있어야 한다.
CoaXPress를 채택하는 카메라 및 프레임 그래버 장비 회사의 수는 계속 늘어나고 있다. CoaXPress를 사용할 경우 경쟁 솔루션들에 비해 4배 더 빠른 속도와 10배 더 긴 거리로 구현 비용을 최소화하면서도 고속 디지털 이미징으로 가장 편리하게 전환할 수 있기 때문이다.
통신 버스의 유용성이 극대화되려면 간소함(플러그-앤-플레이가 이상적), 맞춤화 능력, 비트당 비용이 최저일 것, 그리고 하드웨어를 거의 추가하지 않고도 성능을 확장할 수 있는 능력을 모두 갖추어야 한다. 이 점을 염두에 두고 살펴보면 애플리케이션들에 대한 각 표준의 적합성 여부를 확인할 수 있다. <표 1>은 차세대 머신 비전 버스 표준들을 비교한 것이다.

카메라 링크
카메라 링크는 완성도 높은 표준으로 널리 사용되고 있다. 하지만 부피가 크고 비싼 케이블을 사용하며 케이블 길이가 4~10m라는 한계가 있다. 카메라 링크는 255MB/s(베이스)~850MB/s(80비트)의 데이터 속도를 제공하며, 일부 최신 제품은 GenICam을 지원한다. 커넥터를 현장에서 설치할 수 없으므로 일부 환경에서는 중대한 문제가 될 수 있다.

GigE 비전
GigE 비전은 Cat 5나 Cat 6 케이블을 사용해서 최대 115MB/s에 이르는 데이터 속도를 제공한다. GigE 비전은 널리 사용되는 이더넷을 기반으로 하므로 전세계에 수백만 개가 구축되어 있는 기존 네트워크를 활용할 수 있다. GigE 비전은 최대 100m의 케이블 길이와 멀티 카메라 애플리케이션을 지원하며 트리거링(triggering)이 가능하다.
마지막으로 모든 이미지 캡처 애플리케이션에서처럼, 비압축 이미지 파일의 경우 최대 해상도를 나타내지만 파일 크기가 훨씬 크다. GigE 비전을 기반으로 한 시스템은 전송 전에 이미지를 압축하고 후에 복원해야 하므로 지연시간을 유발하는데, 일부 애플리케이션에서는 이러한 지연시간을 허용하지 않는다. GigE 비전을 사용해서 비압축 데이터를 전송할 수 있지만 대역폭이 115MB/s에 불과하므로 문제가 될 수 있다.

USB3 비전
USB3 비전은 USB 3.1 표준을 기반으로 하므로 다양한 애플리케이션에 보편적으로 사용되고 있고, 프레임 그래버(frame grabber) 카드를 필요로 하지 않으며 GenICam 프로그래밍 인터페이스를 사용한다는 장점이 있다. 하지만 프레임 그래버를 사용하지 않기 때문에 CPU 사용량이 늘어난다. 또한 최대 데이터 속도가 400MB/s으로 베이스 카메라 링크보다 그다지 높지 않아서 현재 일부 현재 센서들과 거의 모든 차세대 센서들을 완벽하게 지원하지는 못한다. 게다가 모든 USB 규격과 마찬가지로 케이블 길이가 대략 3m로 아주 짧다.

CoaXPress
새로운 머신 비전 표준에 속하는 CoaXPress는 처음부터 카메라 링크의 뒤를 이를 표준으로 그 모든 단점들을 해결하도록 설계되었다. 그 예로 이 4개 표준 중 CoaXPress만이 유일하게 트리거링을 위한 비디오 및 카메라 컨트롤이 가능하며, 표준 BNC 또는 DIN1.0/2.3 커넥터를 사용하여 최대 100m 길이의 단일 규격형 75옴(ohm) 동축 케이블을 통해 최대 13W의 전력을 공급한다. 또한 비대칭 고속 점-대-점 오픈 직렬 통신 표준으로서 로열티 없이 사용할 수 있고, GenICam을 지원하며, 단일 케이블로 1200MB/s까지 제공하는 로드맵이 가능하다.
CoaXPress는 하이엔드 애플리케이션에만 사용할 수 있다는 생각은 잘못된 것이다. 로우엔드 애플리케이션에서는 CoaXPress를 사용해서 비압축 파일을 전송할 수 있으므로 지연시간이 제로에 가깝다. 대역폭 요건이 115MB/s 미만, 케이블 길이가 150m 미만이고 케이블을 통한 전력 공급이 필요하지 않다면 CoaXPress가 필요하지 않을 수도 있다. 하지만 동축 케이블은 저렴하면서도 차폐가 가능해 다른 케이블 유형에 비해서 EMI에 대한 내성이 더 우수하며, 자동으로 케이블 손실 균등화를 이뤄 도달 가능한 거리를 늘릴 수 있다. 또한 BNC 및 DIN1.0/2.3 커넥터를 현장에서 손쉽게 설치할 수 있다. 단일 케이블을 사용한 최대 데이터 속도는 600MB/s이고, 거의 무한대로 확장할 수 있으나 이는 애플리케이션이 수용할 수 있는 케이블 수에 의해서만 한정된다. 예를 들어 4개의 케이블을 사용하면 최대 거리는 그대로 유지하면서 2400MB/s의 데이터 속도를 달성할 수 있다. 추가 케이블을 최대 6개 레인까지 동시에 사용하면 RG6 동축 케이블 사용 시 40m 이상의 거리에서 최대 3600MB/s까지 다운링크 속도를 달성할 수 있다.

동축 케이블을 사용하면 또 다른 이점들이 있다. 동축 케이블은 기존의 많은 아날로그 시스템에 이미 사용되고 있기 때문에, 다른 표준들에 비해 더 높은 해상도의 디지털 카메라로 손쉽게 업그레이드 할 수 있으며 비용이 덜 든다. 또한 아무렇게나 마구 구부려도 되고, 화학물질이나 여타 오염물질에 대해 내성이 뛰어나고, 여타 환경적 요인들을 견딜 수 있는 수백 가지의 75옴 케이블을 사용할 수 있다. 그리고 차동 와이어나 다중 와이어를 사용할 때 문제가 될 수 있는 스큐(skew)로 애를 먹을 일이 없다.
CoaXPress는 미래의 이미징 요구를 충족하도록 설계되었으면서도 위나 아래로도 확장이 가능하므로, 하이엔드가 아닌 엄청나게 많은 애플리케이션들에 사용할 수 있다. 최대 성능이 필요하지 않다면 더 저렴한 부품들을 사용해서 CoaXPress 시스템을 구축할 수 있다. 바로 이러한 이유로 다양한 애플리케이션과 시장 분야에서 CoaXPress 표준은 갈수록 인기를 더해가고 있다.

열광적인 호응
액티브 실리콘(Active Silicon)과 아디멕(Adimec)은 CoaXPress 개발을 주도한 두 회사로, CoaXPress는 공식적으로 2009년 11월에 출시되었다.
액티브 실리콘의 최고 기술 책임자인 크리스 베이논(Chris Beynon)은 “우리는 카메라 링크가 대역폭 한계에 다다르고 있다는 사실을 인식했고, SDI 방송 표준으로부터 동축 케이블의 여러 이점들을 깨닫게 되었다. 이를 통해 고속 동축 기반 이미징 표준이 훌륭한 산업용 솔루션이 될 수 있겠다는 아이디어를 얻었으며, 7년이 지난 지금 처음의 그 희망은 현실이 되었다. CoaXPress는 컴퓨터용 초고속 이미징을 위한 표준으로 널리 자리잡고 있다.”고 말했다.
아디멕의 CEO/CMO인 주스트 반 쿠아익(Joost van Kuijk) 박사도 같은 생각이다. “아디멕은 CMOS 이미지 센서의 가능성과 기업들의 센서 활용 요구를 토대로, 더 높은 데이터 속도를 제공하는 산업용 비전 카메라의 필요성을 예상하고 CoaXPress를 일찍 도입하였다. 또한 전혀 새로운 인터페이스 표준으로 CoaXPress를 이용하면서, 더 길고 유연한 케이블을 써서 단일 케이블로 전력 및 컨트롤을 모두 처리할 수 있으므로 통합과 구현 작업이 훨씬 간편해졌다.”고 설명했다.

프레임 그래버 업체들도 자사 제품 라인에 CoaXPress를 통합했을 때의 이점을 잘 알고 있다. 비트플로우(Bitflow)의 영업 디렉터인 도날 와이드(Donal Waide)는 “프래임 그래버 업체들에게는 초당 메가바이트 비용이 현저하게 내려갔다. 이 비용이 카메라 링크로 데이터를 전송할 때에 비해 평균적으로 1/3밖에 들지 않는다. CoaXPress 카메라는 카메라 링크에 비해 종종 2배에서 심지어 4배까지 속도가 더 빠르며, 이에 따른 비용을 비교해 본 고객들로부터 열광적인 호응을 얻고 있다.”고 밝혔다.
매트록스(Matrox)의 제품 매니저인 마이클 치(Michael Chee)는 “CoaXPress를 도입함으로써 매트록스 이미징은 기존의 카메라 인터페이스 표준에서는 달성할 수 없었던 기능과 혜택을 제공하는 첨단 이미지 캡처 보드를 선보이게 되었다. 이를 통해 사용자들은 비용 효율적인 고성능 이미징 애플리케이션을 개발할 수 있는 우수한 툴을 갖게 되었다. 매트록스는 앞으로도 계속 마이크로칩과 협력하여 더욱 혁신적인 이미지 포착 솔루션을 제공할 것이다.”라고 말했다.

최적화된 CoaXPress 성능
앞서 언급했듯 CoaXPress 케이블을 사용하여 특정 데이터 속도를 유지하면서 거리를 극대화하기 위해서는 균등화(equalization) 기술이 중요한 요소이다. 마이크로칩의 600MB/s CoaXPress 칩셋은 이 파라미터를 극대화하기 위해 독자적인 자동 적응식 균등화 알고리즘을 사용하여 케이블 감쇠로 인한 디지털 신호 저하 문제를 해결한다. 균등화기는 케이블 때문에 유발되는 주파수 종속 손실을 계산하고 이를 보정한다.<그림 1 참고>
이 칩셋은 2개의 QFN 소자, 즉 트랜스미터인 EQCO62T20과 리시버인 EQCO62R20를 포함하고 있다. EQCO62T20과 EQCO62R20은 600MB/s 속도로 최대 40m의 케이블 거리를 지원하며, 두 디바이스 모두 단일 1.2VDC 전원을 사용해서 140mW의 극히 낮은 전력을 소모한다.
이보다 속도는 낮지만 저렴한 제품인 EQCO31T20과 EQCO31R20은 300MB/s 속도로 최대 100m를 지원한다. 이 칩셋을 리피터로 사용하면 그 거리를 몇 배로 늘릴 수 있다. 카메라 컨트롤은 동축 케이블 상에서 전이중(full-duplex) 20Mb/s 업링크 채널을 통해 이루어진다. 트랜스미터 IC는 카메라로 통합되고 리시버는 프레임 그래버나 시스템 헤드 엔드로 통합되어 양방향 시그널링을 제공한다. 또한 이 제품들을 지원하기 위해서 리시버 (호스트) 평가 보드와 트랜스미터 (카메라) 평가 보드가 제공된다.
마이크로칩의 CoaXPress 제품 로드맵은 2세대 CXP-12를 포함하며, 이 제품은 최대 1200MB/s 다운링크 데이터 속도, 최대 42Mb/s 동시 업링크 속도를 지원하며, 단일 동축 케이블을 통해 전력이 공급된다.
 
요약
GigE 비전, USB3 비전, CoaXPress는 차세대 머신 비전의 주요 표준으로 경쟁 중인 세 가지 표준으로, 특정 환경에서 사용하기에 매력적인 특성들을 각기 갖추고 있다. 하지만 CoaXPress는 거의 모든 애플리케이션에서 가장 매력적인 솔루션이다. 구상 단계부터 CoaXPress는 거의 보편화된 카메라 링크의 모든 기능들을 수행하는 동시에 그 표준의 취약점들을 극복하도록 설계되었다. 또한 미래의 머신 비전 요구를 충족할 수 있을 만큼 경제성 뛰어난 로드맵을 제공한다. 그 결과, 경쟁 관계에 있는 여러 표준들 중에서도 600MB/s CoaXPress는 가장 낮은 비용과 가장 높은 성능, 그리고 가장 적은 소비전력을 자랑하고 있다.

자료제공 | 마이크로 칩(www.microchip.com)