안정적인 USB 3.0 카메라 시스템 설치

USB3 Vision은 3년 전에 공개된 독립적인 화상 처리 표준으로서 시장에서 널리 사용되고 있다. 그 이유는 표준을 따르는 카메라 제조업체의 수가 점점 늘고 있으며, 호환되는 주변 장치의 수가 급속히 증가하고 있기 때문으로 보인다. USB3 Vision 표준은 IT 시장에서 흔히 접할 수 있는 새로운 USB 3.0 인터페이스를 바탕으로 한다. 노트북, PC, 그리고 심지어 태블릿과 스마트폰에도 USB 3.0 인터페이스가 내장되어 있다. 비전 기술 분야에서 USB 3.0은 IEEE 1394 Firewire와 같은 구형 인터페이스를 빠르게 대체해나가고 있다. Basler가 작성한 이 글을 통해 USB 3.0 카메라 시스템 설치의 장점과 주의할 점에 대해 알아보자.

- 프로덕트 매니저 Jana Bartels

USB 3.0 전환의 장점
인터페이스를 전환할 때는 항상 비용과 일정 수준의 위험이 뒤따르기 마련이므로 가볍게 취급해선 안 된다. 그렇다 하더라도 USB 3.0 고유의 많은 장점들은 인터페이스를 전환해야 할 이유가 되며 특히 다음과 같은 기준이 충족될 경우에는 더욱 그렇다.
• 기존에 사용하던 기술이 수명을 다한 경우. 경험적으로 볼 때 수명이 다한 기술을 바탕으로 한 하드웨어는 가격이 오르고 찾기 어려워지기 때문이다.
   - 이 기준은 현재 FireWire에 해당되며 USB 2.0의 경우에도 가까운 미래에 시작될 것으로 예측된다.

• 기존 대역폭으로는 더 이상 비전 시스템을 위한 현재, 그리고 미래의 요구 사항을 처리할 수 없을 경우. 높은 프레임 속도, 더 높은 해상도, 그리고 대체 이미지 형식이 점점 더 필요해지고 있지만, 현재의 인터페이스로는 이를 실현할 수 없을 경우.
   - FireWire (IEEE 1394b: 최대 대역폭 64MB/s) 및 USB 2.0(최대 40MB/s)의 사례가 여기에 해당된다.

• 통합에 따른 일회성 비용이 총 소요비용 절감을 통해 합리화 될 경우.
   - 아래의 샘플 계산<표 1>에서 볼 수 있는 것과 같이 FireWire 또는 프레임그레버 기반 인터페이스(‘아날로그’또는 ‘Camera Link 기반’)로부터 전환할 때의 사례가 여기에 해당된다.

모든 기준들이 USB 3.0으로 전환해야 할 필요성을 대변한다. 다음 <표 1>은 표준에 대한 자세한 내용 및 안정적으로 USB 3.0 카메라를 설치하기 위해 고려해야 할 사항들을 보여 준다.

USB3 Vision 기술 사양

USB 3.0은 또한 비동기식으로 신호를 전송하고 패킷을 명시적으로 전달하는 ‘호스트 디렉티드(host directed)’ 프로토콜을 통해 동작한다. 카메라는 비동기 프로세스를 사용해 데이터 전송 준비가 되었을 때 이를 알려줄 수 있다. 이러한 메커니즘은 USB 2.0의 ‘폴링(polling)’메커니즘에 비해 시스템 오버헤드와 CPU 로드를 크게 줄여준다. 또한 USB 3.0을 FireWire에 필적할 만한 위치로 끌어올렸다.
카메라, 케이블 및 소프트웨어 솔루션 분야 유명 제조업체들이 USB3 Vision 표준을 제정하고 머신 비전 시장에 USB 3.0 인터페이스를 소개하기 위해 경쟁하고 있는데, Basler가 이러한 흐름에 앞장서 변화를 이끌고 있다. 표준은 모든 사용자에게 명확한 혜택을 제공하며 소프트웨어와 하드웨어를 교환할 수 있기 때문에 융통성이 훨씬 커진다. 모든 기능을 명확히 이용할 수 있고 안정적인 화상 전송을 예상할 수 있다.
AIA(Automated Imaging Association)는 표준 확립 및 표준 준수를 관리하고 있다. USB3 Vision 표준의 공식 로고(그림 2)는 장치 또는 케이블이 표준 사양에 맞는지 테스트를 통과한 뒤 등록 절차를 거친 제조업체만 사용할 수 있다.
요약하면 USB3 Vision 표준은 다음과 같은 기술적 혜택을 제공한다:
• 낮은 CPU 로드: Zero Copy (Direct Memory Access, DMA)로 이미지 캡처에 필요한 CPU 로드가 매우 낮아진다.

• 다양한 이미지 크기: USB3 Vision을 이용하면 뛰어난 URB(USB Request Blocks)를 완성하거나 공개하는 소위 ‘short’ 및 ‘zero-length’에서 생성된 다양한 크기의 이미지를 USB 3.0 카메라에서 전송할 수 있다. 실제 이미지 크기는 ‘트레일러’ 패킷을 통해 호스트에 전달된다.

• 낮은 지연 및 지터 시간: 양방향 통신 옵션을 통해 아무런 지연 없이 언제든 호스트가 작업을 시작할 수 있다.

• 시스템 안정성: 케이블 및 기타 액세서리에 대한 요구 사항에 대한 정의가 같아 데이터 전송 중의 오작동 가능성을 방지한다.

안정적인 USB 3.0 카메라 시스템 설치
USB 3.0 호환 카메라 시스템을 설치하기 전에 확인해 보아야 할 사항들이다:
• 어떤 PC 하드웨어를 사용하는가? 어떤 구성 요소를 설치할 예정인가? 또는 업그레이드가 필요한가?

•  어떤 케이블이 필요한가? 액티브와 패시브 USB 3.0 케이블 중 어떤 것이 필요한가?

• 하나의 시스템에서 USB 3.0 카메라를 여러 대 사용해야 하는가?

• 어떤 소프트웨어를 사용하는가?

USB 3.0 출시 초기 일부 사용자들은 안정적 설치, 특히 액세서리의 안정적 설치를 위해 애쓰는 등 어려움이 있었다. 하지만 이러한 문제점은 이제 해결되었다. USB3 Vision 표준은 액세서리의 최저 성능 사양도 규정한다. 신기술을 최대한 활용하고 최고의 안정성을 달성하기 위해서는 카메라를 포함한 시스템의 개별 구성 요소를 신중히 선택하는 것이 중요하다.
케이블, 카드 및 USB 3.0 인터페이스가 있는 기타 구성 요소들은 저렴한 가격덕분에 이미 전 세계적으로 가전기기에 널리 사용되고 있다. 일부 사용자들은 이들 구성 요소를 자신들의 머신 비전 애플리케이션에 사용하려 하는데 이는 저렴한 가격 때문인 경우가 많다. 하지만 주의해야 할 것은 이들 액세서리는 대개 USB3 Vision 표준 인증을 받지 않았으며 산업용 애플리케이션에서의 엄격한 요구 사항을 처리할 수 없다는 점이다. 결국 이미지가 자주 누락되거나 심지어 시스템 전체가 가동 중단되기도 한다. 여기에서 카메라 결함이 문제인 경우가 있긴 하지만 사실은 잘못 선택한 액세서리가 문제를 일으킨 경우가 많다.

개별 구성 요소 간 상호 작용은 USB 3.0 기반 화상 처리 시스템 설치에서 매우 중요하며 신중히 검토되어야 한다(그림 3 참조). 이러한 이유로 Basler는 모든 카메라 모델과 모든 액세서리 구성 요소를 테스트하고 테스트에 합격 후에 판매를 위해 출시한다. 예를 들어 카메라가 높은 대역폭에서만 전송 하는 경우, 구성요소 및 다양한 카메라 모델 간 상호 작용에 제한이 따를 경우, 문서로 작성되어 해당 구성 요소들은 카메라와 함께 판매하지 않거나 제한 사항을 명시한 상태에서만 판매한다. 이것이 사용자가 시스템 전반에 표준 액세서리를 사용할 때 기대할 수 있는 가장 큰 장점인 안정성과 신뢰성이다.

핵심 구성 요소
앞에서 언급한 바와 같이 개별 구성 요소 간 상호 작용은 USB 3.0 기반 화상 처리 시스템 설치에서 매우 중요하며 신중히 선택해야 한다. 다음은 특히 관심을 가져야 할 구성 요소이다.

칩셋, 메인보드 및 시스템
Intel 7 시리즈(Ivy Bridge), Intel 8 시리즈(Haswell) 또는 Intel 9 시리즈(Broadwell) 칩셋 메인보드는 USB 3.0 호스트 컨트롤러 덕분에 USB 3.0 지원 기능을 내장하고 있다. 그러므로 안정적인 USB 3.0 시스템 설치를 위해서는 Intel 7, 8, 9 시리즈 칩셋을 권장한다.

케이블
Camera Link 또는 GigE Vision과 같은 표준과 달리, USB3 Vision은 케이블 연결 및 호환되는 케이블의 주요 요구 사항을 규정한다. 최대 케이블 길이는 높은 주파수 특성 간 비율, 동선의 두께와 소위 USB 3.0 전압 강하가 발생하기 전에 사용 가능한 최대 케이블 길이 간 관계를 바탕으로 정의된다. Basler는 최대 길이 8m의 패시브 케이블부터 20m 길이의 스크루 다운 커넥터가 달린 하이브리드 케이블까지 케이블 테스트 및 인증한 후 액세서리로 공급하고 있다.
케이블은 구체적인 애플리케이션에 따라 서로 다른 기술 사양을 충족시켜야 한다. 스크루 다운 USB 3.0 Micro B 플러그는 카메라에 사용되며 USB 3.0 Standard A는 허브나 PC에 사용된다. USB 3.0 표준 A 플러그와 이에 상응하는 USB 2.0 잭이 매우 비슷하기 때문에 플러그 또는 잭에 특수 기호 또는 청색 레이블을 사용해 USB 3.0 기능을 표시한다. 다음 기호(그림 4)는 USB 3.0 SuperSpeed 연결을 의미 한다.

케이블 길이를 선택할 때는 USB3 Vision과의 호환성 검사를 받았는지 확인하는 것이 중요하다. 패시브 케이블은 최대 8m까지 사용할 수 있으며 액티브 및 하이브리드 케이블은 최대 길이 20m까지 사용할 수 있지만 가격이 훨씬 비싸다. 이렇게 긴 케이블이 필요한 애플리케이션의 경우 GigE 카메라도 대안으로 검토해 보아야 한다. 특정 구성에서는 이 카메라가 훨씬 저렴할 수 있기 때문이다.

호스트 어댑터
사용할 수 있는 USB 3.0 대역폭은 사용할 USB 3.0 칩셋 및 메인보드 칩셋에 따라 달라진다. 내장형 USB 3.0 단자(예: Ivy Bridge 이상의 Intel 프로세서에 적용됨)를 사용해 메인보드에 카메라를 연결할 수 있는 옵션은 항상 존재한다. 사용할 수 있는 내장형 USB 3.0 단자가 없을 경우 PCI Express 카드를 설치할 수 있다.
사용 가능한 모든 대역폭을 활용하기 위해 Basler는 최소한 PCIe 2.0/2.1(레인별 최대 데이터 전송 속도 500MB/s) 지원 메인 보드 사용을 권장한다. 메인보드에서 PCIe 1.0/1.1 연결만 지원할 경우 데이터 전송 속도는 레인당 최대 250MB/s로 감소된다. 이런 경우에 Basler는 여러 개의 레인을 가진 PCI Express 카드를 권장한다(예: PClex4). PCIe 슬롯은 일반적으로 USB 3.0 어댑터와 같은 연결된 장치에 전력을 공급한다. 사양에 따르면 표준 슬롯에 의해 공급되는 출력은 최대 25W이지만 LP형 카드는 최대 10W이다. 따라서 LP형 카드를 사용할 때는 PCIe 카드를 꽂은 뒤 내부 전원 어댑터로부터 +12VDC를 공급하는 기존 전원 공급 장치 커넥터를 통해 전력을 공급하는 것이 좋다.
대체로 하드웨어를 선택할 때는 관련 카메라 제조업체의 화이트 리스트를 참조하는 것이 유익하다. 이 리스트에서는 호환성 문제를 피하기 위한 권장 사항을 제시한다. Basler의 카메라는 다음 호스트 어댑터와 사용하는 데 이상이 없음이 입증되었다:
• Fresco Logic FL1100 호스트 컨트롤러

• Renesas USB 3.0 호스트 컨트롤러 칩셋

• Intel Ivy Bridge / Haswell 칩셋

허브
허브는 1:n 연결 이라 불리는 PC의 호스트에 여러 대의 USB 3.0 카메라를 연결하는 역할을 한다. 이 설치에서 허브는 USB 3.0 ‘업스트림’ 포트의 대역폭으로만 동작하기 때문에 허브의 개별 ‘다운스트림’ 포트가 해당 대역폭을 ‘공유’만 할 수 있도록 주의해야 한다.

특별한 관심이 필요한 문제
비전 시스템의 안정성을 보장하려면 다음 열 가지를 준수하는 것이 중요하다:
• 인증된 액세서리만 사용하기. 저품질 액세서리를 사용할 경우 전체 비전 시스템에 문제가 생길 수 있다.

• Basler 화이트 리스트 사용하기. 화이트 리스트에는 다양한 호스트 컨트롤러(카드 및 온보드) 및 해당 대역폭, 케이블 및 허브, 그리고 잠재적 한계가 나열되어 있다.

• 항상 관련 호스트 컨트롤러에 맞는 최신 드라이버 사용하기. 단, 카메라 제조업체가 호스트 컨트롤러를 테스트한 뒤 사용해야 한다.
• 케이블 길이는 긴 것보다는 짧은 것이 좋다. ‘갖고 있으면 좋은’ 길이가 아니라 실제로 필요한 케이블 길이를 신중히 검토해야 한다.

• 불필요하게 케이블을 비틀거나 구부리지 말기. 전송 효율이 저하될 수 있다. 케이블을 옮기거나 구부려야 할 경우 로봇 케이블 또는 케이블 드래그 체인과 함께 동작하도록 설계된 케이블을 사용하는 것이 좋다.

• 연결된 모든 카메라의 대역폭을 고려해야 한다. 누적 대역폭은 연결된 구성 요소의 잠재적 최대 대역폭을 초과할 수 없다.
    - pylon 카메라 소프트웨어 제품군에 포함되어 있는 것과 같은 대역폭 관리 프로그램 사용하기.
    - 실제로 필요한 대역폭만 이용하려면 관리 프로그램 안에서 대역폭을 조정해야 한다.

• PC에서 CPU의 부하 지켜보기.

• 꼭 필요한 경우가 아니면 허브 사용 피하기.

• 가장 안정적인 연결을 제공하는 포트 이용하기. 이는 PC의 포트 또는 허브 간에 차이가 있을 수 있다.

• 시스템 장비 또는 환경에서 가동 중단으로 이어질 수 있는 전자파 적합성(EMC) 문제 확인하기.

발생할 수 있는 문제
비전 시스템을 설치할 때 문제가 발생할 수 있다. 대부분의 문제는 간단한 원인으로 인해 발생하며 비교적 신속하게 해결할 수 있다.

‘전압 강하’와 관련된 케이블 문제
저품질 USB 3.0 케이블은 ‘lost images(이미지 누락)’와 같은 오류 메시지가 발생하거나 카메라와 호스트 간 연결이 완전히 단절될 수 있다. 이로 인해 USB 3.0 시스템이 신뢰할 수 없거나 불안정하다는 인상을 줄 수 있다. 이 문제는 케이블 길이가 증가하면 문제가 더 빈번해 지기 때문에, 케이블을 신중하게 선택하는 것이 중요하다.

초고속 USB 3.0 카메라 및 전체 USB 3.0 대역폭 사용
초고속 고해상도로 작동해 USB 3.0의 이론적인 최대 대역폭을 사용하는 USB 3.0 카메라를 사용할 때는 카드, 메인보드 또는 허브가 제공하는 이론적인 최대 대역폭을 초과하지 않도록 주의해야 한다.

PC CPU 과부하
시스템 내에서 여러 대의 USB 3.0 카메라를 사용하면 PC와 CPU에 과부하가 걸릴 위험이 증가한다. 이럴 경우 비전 시스템 가동이 중단될 수 있다. 때문에 CPU 로드를 항상 지켜봐야 한다.

USB 3.0 시스템에서의 전자기 간섭과 관련된 가동 중단
모든 전자 기기와 마찬가지로, USB 3.0 장치는 전자파 적합성과 관련된 간섭에 취약하다. 이는 주로 카메라의 접지 부족과 관련된 카메라 시스템 근접부의 간섭 신호로 인한 것이다.

USB 3.0 카메라를 바탕으로 한 멀티 카메라 시스템 설치
USB 3.0 멀티 카메라 시스템 설치를 위한 기본 방법은 두 가지가 있다. 하나는 1:1 연결이고 다른 하나는 호스트와의 1:n 연결이다.

1:1 연결
1:1 연결(그림 5)에서는 호스트 컨트롤러에 원하는 만큼의 카메라 대수가 직접 연결되고 병렬 구성으로 동작한다. 각각의 카메라는 특정 볼륨의 대역폭을 필요로 하므로 호스트 컨트롤러와 메인보드 또는 PC의 최대 대역폭을 초과하지 않도록 주의해야 한다.
이는 카메라의 성능(속도 및 해상도)에 좌우된다. 전체 시스템에 문제가 생기기 쉬우므로 이 구성에서 길이가 5미터 이상인 패시브 케이블을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 각각의 카메라가 초과 대역폭을 사용하도록 설계되어 있어 메인보드 또는 PC의 최대 대역폭을 초과할 경우 pylon 카메라 소프트웨어 제품군의 대역폭 관리자를 사용해 대역폭을 제한하는 것이 바람직하다.

1:n 연결
1:n 연결의 경우(그림 6) 카메라와 허브를 PC의 호스트 컨트롤러에 연결하고 병렬 구성으로 실행한다. 한 개의 포트 및 허브의 개별 카메라, 그리고 다른 포트에 연결된 모든 카메라는 동일한 전체 대역폭 풀을 만들기 때문에 호스트 컨트롤러의 최대 대역폭을 초과하지 않도록 주의해야 한다. 여기에서 전체 대역폭은 개별 카메라의 성능(속도 및 해상도)에도 좌우된다. 전체 시스템에 문제가 생기기 쉬우므로 이 구성에서 길이가 5미터 이상인 패시브 케이블을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 각각의 카메라가 초과 대역폭을 사용하도록 설계되어 있어 호스트의 최대 대역폭을 초과할 경우 pylon 카메라 소프트웨어 제품군의 대역폭 관리자를 사용해 대역폭을 제한하는 것이 바람직하다.
이 구성에서 호스트에 직접 연결된 개별 카메라의 대역폭은 ‘Device Link Throughput Limit’ 카메라 변수를 사용해 지정할 수도 있다. 그러면 해당 개별 카메라에 사용할 수 있는 추가 대역폭을 비워 허브의 다른 포트에 부착된 카메라에 사용할 수 있다.
허브에 연결된 모든 대역폭은 포트별로 배분되며, 이 때 연결된 개별 카메라의 대역폭도 고려해야 한다.

요약
수년 내에 USB3 Vision 표준이 시장에서 더 널리 보급될 것으로 예측되며 GigE와 함께 USB 3.0이 주요 인터페이스가 될 것이다.
이는 안정적이고 융통성 있는 인터페이스인 USB 3.0의 상태가 반영된 것 이다. 가장 큰 장점은 간단한 설치와 손쉬운 사용이다. USB 3.0 초기의 어려움은 이제 해결되었다. 모든 잠재적 장애물을 감안하고 기술적 요구 사항을 확보하고 나면 안정적인 USB 3.0 카메라 시스템 구축에 문제가 될 것은 아무 것도 없다. 

자료제공 | 바슬러(www.baslerweb.com)

<박스 기사>
지멘스, 설계 자동화 및 산업용 소프트웨어 공급업체 멘토그래픽스 인수

지멘스가 멘토그래픽스(Mentor Graphics)를 45억 달러에 인수하는 합병 계약을 체결했다고 발표했다.
이번 인수로 인해 지멘스는 멘토그래픽스의 전자 IC 및 시스템 설계, 시뮬레이션과 제조 부문에 이르는 탄탄한 솔루션 기반을 확보함으로써 지멘스의 디지털 엔터프라이즈 소프트웨어 포트폴리오를 한층 강화하게 되었다.
이러한 기능들은 오늘날의 자율 주행차와 같은 스마트 커넥티드 제품(smart connected products)에 필수적이다. 이러한 솔루션 역량 결합으로 지멘스는 기계(mechanical), 열(thermal), 전자(electronic), 임베디드 소프트웨어 툴을 제공하게 되었으며 이를 통해 지멘스의 고객은 혁신성 향상, 생산 효율성 증가, 현장의 제품 운영 최적화를 꾀할 수 있게 되었다. 이로써 지멘스는 업계 최초로 전체 라이프사이클에 걸쳐 기술 영역 전반의 품질, 효율성, 유연성, 안정성 그리고 속도를 최적화를 이룰 수 있게 되었다.
독일지멘스의 조 케저 회장은 “지멘스의 멘토그래픽스 인수는 차세대 산업의 새로운 기준이 되고자 하는 지멘스의 비전 2020의 일환으로 이뤄졌다. 멘토그래픽스는 지멘스의 디지털 리더십을 확대하고 업계를 선도해 나감에 있어서 매우 적합하고 완벽한 포트폴리오를 갖췄다.”고 말했다.
독일지멘스 경영이사회 멤버인 클라우스 헴리히 부회장은 “멘토그래픽스 인수로 지멘스는 세계 최상급 산업용 소프트웨어 포트폴리오를 보강할 수 있게 되었다. 아울러 지멘스의 강력한 기계, 소프트웨어 솔루션에 전기와 전자 시스템에 대한 설계, 테스트, 시뮬레이션 역량을 강화 할 수 있게 되었다.”고 말했다.
멘토그래픽스는 주요 시스템 전문 기업과 IC/반도체 분야의 다양한 기업 고객을 보유하고 있으며 IC 설계, 테스트, 제조 분야, 전자기기 설계와 분석, 자동차 시장 등과 같은 신흥 시장을 포함한 전략 산업 부문의 글로벌 리더로 평가 받고 있다.
또한 멘토그래픽스는 미국 오레곤 주, 윌슨빌에 본사를 두고 있으며 2016년 1월 31일에 끝난 회계연도 기준으로 약 12억 달러의 매출을 달성했다. 지멘스는 이러한 긍정적인 이익률이 앞으로도 계속될 것으로 전망하고 있다. 특히 멘토그래픽스가 합류할 지멘스 디지털팩토리 사업본부의 PLM(제품수명주기관리) 소프트웨어 사업에 상당한 기여를 할 것으로 바라보고 있다. 

자료제공 | 지멘스(www.siemens.com)