고속·실시간 전송으로 진화한 머신비전 인터페이스 ‘CoaXPress 2.0’
머신비전 분야에서 카메라 인터페이스는 단순한 연결 수단이 아니라, 전체 시스템 성능을 결정하는 핵심 요소다. 그 중에서도 동축 케이블(Coaxial Cable)을 기반으로 한 CoaXPress(CXP)는 고속 데이터 전송, 장거리 안정성, 실시간 동기화 기능을 모두 갖춘 표준으로 자리매김했다.
이 기사에서는 CoaXPress의 발전 과정과 최신 버전인 CXP 2.0, 그리고 향후 기술 확장 방향을 살펴본다. 이 글은 JAI가 자사 홈페 이지(www.jai.com)를 통해 게재한 백서 「CoaXPress v.2.0 소개 -머신 비전 애플리케이션을 위한 고속 통신 표준」을 기반으로 작성됐다.
▲ CXP 기반 고속 머신비전 카메라로 고해상도 이미지 센서와 4채널 CoaXPress 포트를 갖춘 산업용 카메라이다. 단일 동축 케이블로 데이터 전송과 전원 공급, 트리거링을 동시에 수행한다.
평범한 케이블의 재발견
CXP 인터페이스는 평범한 동축 케이블을 채택해 그 단순한 구조와 유용한 특성, 그리고 다용성을 적극적으로 활용하고 개선했다. 2011년 초부터 CXP 표준과 개발을 감독해 온 일본 산업이미징협 회(JIIA)는 CXP를 ‘비디오 및 정지 이미지 전송을 위한 비대칭 고속 포인트 투 포인트 직렬 통신 표준’으로 정의한다.
이 표준은 카메라, 프레임 그래버, 기타 구성 요소 등 장치들이 동축 케이블을 통해 통신하는 방법을 규정한 것이다. CXP 표준은 비디오, 이미지 및 데이터 전송을 위한 고속 다운링크와 프레임 그래버를 통한 트리거링 및 장치 제어를 위한 업링크 채널을 모두 지원한다. 또한 단일 케이블로 전원 공급까지 가능하다.
‘CoaXPress’라는 이름은 ‘동축(coaxial)’과 ‘익스프레스(express)’ 의 합성어로, 75Ω 임피던스의 단일 동축 케이블을 전송 매체로 사용하며 Camera Link나 GigE Vision보다 더 빠른 프레임워크를 제공한다. 또한 DIN 및 마이크로 BNC 커넥터에 통합된 잠금 장치로 공간 절약과 안정적인 결합이 가능하다. 정전기 노이즈는 고속 데이터 전송 시스템에서 성능 저하를 초래할 수 있으나, 동축 케이 블을 사용하는 CXP 표준은 간섭 문제가 거의 발생하지 않는다.
표준의 발전 과정
CXP 표준은 2008년에 처음 발표되어 2011년 초 CoaXPress V1.0 으로 공식 출시되었다. 이 버전은 채널당 1.25Gbit/s(CXP-1)부터 최대 6.25Gbit/s(CXP-6)의 데이터 속도를 지원했으며, 4개의 CXP-6 채널을 구성하면 총 25Gbit/s의 전송 속도를 실현할수 있었다. 이후 2011년 말에 마이너 릴리스인 V1.1이, 2년 뒤에는 개선 버전이 발표되어 성능과 기능이 향상되었다. 2019년에 발표된 CoaXPress V2.0은 채널당 10Gbit/s(CXP-10)와 12.5Gbit/ s(CXP-12)를 추가해 전송 속도를 대폭 확장했으며, 이전 버전과의 완벽한 호환성을 유지했다.
고속 전송과 장거리 연결
CXP V2.0은 긴 케이블을 통해 높은 데이터 속도를 제공하도록 설계되었다. 단일 동축 케이블만으로 고속 캡처 카드와 고성능 카메라를 직접 연결할 수 있으며, 채널당 최대 12.5Gbit/s의 속도로 비디오 및 정지 이미지 데이터를 전송한다. 동시에 카메라 제어, 트리거 신호 전송, 전원 공급도 수행할 수 있다.
4 x CXP-12 구성 시 50Gbit/s의 속도를 지원하며, CXP-12 기준 약 30m, CXP-1 기준 약 200m의 케이블 길이를 사용할 수 있다. 더 두꺼운 케이블이나 광섬유 기반 연장 장치를 사용하면 전송 거리를 더욱 늘릴 수 있다. CXP 케이블은 일반 이더넷보다 비싸지만 Camera Link 케이블보다 경제적이다.
<표> CXP-3, CXP6 및 CXP-12의 Gbps 처리 속도 및 케이블 길이
* 참고 1: 최대 케이블 길이는 케이블의 직경과 품질에 영향을 받는다. 따라서 케이블 제조업체의 사양에 따라 표에 표시된 범위 내에서 최대 케이블 길이가 달라질 수 있다.
향상된 데이터 전송과 실시간성
CXP는 고대역폭 및 낮은 지연 시간 특성을 통해 머신비전 시스템의 실시간 처리에 최적화되어 있다. 포인트 투 포인트 구조로 1~10µs의 짧은 지연 시간을 제공하며, CPU 개입 없이 카메라에서 메모리로 직접 데이터 전송이 가능하다. 또한 프레임 버퍼링을 최소화해 2~3µs 수준의 이미지 캡처-프레임 그래버 전송 지연을 실현하고, 트리거 응답 시간도 약 2µs에 불과하다. 정확한 클록 동기화로 지터를 최소화해 고정밀 애플리케이션에서 안정성을 보장한다.
CXP는 결정론적 전송을 통해 데이터 변동이나 지연을 최소화하고, 일정한 타이밍으로 데이터를 전송한다. GenICam 표준을 준수하는 카메라와 함께 사용할 경우, 여러 카메라 간 동기화가 용이하다. CRC(순환 중복 검사)는 데이터 무결성을 보장하며, 오류 발생 시 재전송 요청으로 복구할 수 있다. CRC는 8bit~32bit의 오버헤드를 추가하지만 전송 효율에 미치는 영향은 미미하다.
▲ 동축 케이블을 통해 머신비전 카메라에서 고속으로 영상 데이터를 전송하는 장면을 시각 화한 이미지이다. 고속 데이터 흐름과 산업용 설비 간 연결성을 표현했다.
멀티 카메라 및 확장성
CXP의 멀티레인 구조는 여러 대의 카메라를 동시에 운용해야 하는 애플리케이션에 적합하다. 최대 4대의 카메라를 4 x CXP-12 프레임 그래버에 연결할 수 있으며, 카메라당 12.5Gbit/s의 대역 폭을 제공한다. V2.0에서는 멀티 리시버 기능이 도입되어 데이터를 분할하거나 복제 전송할 수 있다. 이 기능은 중복 전송이나 여러 시스템에서 동일한 비디오 피드를 처리해야 할 때 유용하다.
전원 공급 및 트리거링
CXP는 단일 케이블로 전원 공급과 트리거 신호 전송을 모두 수행할 수 있다. PoCXP는 케이블당 최대 13W(24V DC)를 공급하며, 별도의 전원선이 필요 없는 간결한 배선을 제공한다. 또한 양방향 트리거링을 지원해 외부 장치에서 카메라로, 혹은 카메라에서 외부 장치로 신호를 주고받을 수 있다.
손쉬운 플러그 앤 플레이
CXP 표준 장치는 호환되는 프레임 그래버에 연결되면 자동으로 인식된다. 시스템은 카메라와 프레임 그래버 간 데이터 속도, 패킷 크기, 설정을 자동 협상하며, 수동 설정이 필요 없다. 대부분의 시스템은 자동 인식 드라이버를 제공하지만 복잡한 시스템에서는 추가 설정이 필요할 수도 있다.
CPU 부하를 줄여주는 인터페이스 카드
머신비전 시스템은 이미지 캡처 후 데이터를 RAM으로 전송하는 과정에서 CPU 병목이 발생할 수 있다. CXP 인터페이스 카드는 DMA(Direct Memory Access)를 사용해 CPU 개입 없이 데이터를 메모리로 직접 전송하여 오버헤드를 최소화하고 처리 속도를 높인다. DMA는 실시간 애플리케이션에서 지연을 줄이고 CPU 효율을 극대화한다.
인터페이스 기술 비교
CXP는 높은 대역폭, 짧은 지연 시간, 긴 케이블 길이, 그리고 결정 론적(Deterministic) 특성이 요구되는 작업에 특히 뛰어난 성능을 발휘한다. 이러한 이유로 까다로운 머신비전 애플리케이션, 특히 고속 검사·정밀 측정·로봇 비전 등에서 이상적인 인터페이스로 평가된다.
• CoaXPress(CXP): 매우 높은 데이터 처리 속도와 긴 케이블 길이를 지원하며, 여러 개의 케이블을 사용해 더 높은 대역폭으로 확장이 가능하다. 다만, 시스템 구축 비용이 비교적 높고, 프레임 그래버 등 특정 전용 인프라가 필요하다.
• Camera Link: 중간 속도의 애플리케이션에 적합하며, 표준화된 인터페이스로 광범위한 장비 호환성과 높은 안정성을 제공한다. 그러나 최신 표준에 비해 케이블 길이가 짧고 데이터 속도가 낮아, 고해상도·고속 이미징 환경에는 한계가 있다.
• GigE Vision: 케이블 길이가 길고 기존 이더넷 네트워크 인프라와 쉽게 통합할 수 있어 설치가 간편하며, 비용 효율성이 높다. 하지만 CXP나 Camera Link에 비해 데이터 속도가 느리고, 네트워크 혼잡이나 트래픽 상황에 따라 성능이 제한될 수 있다.
• USB3 Vision: 통합이 쉽고, 비용이 저렴하며, 설정이 간단해 빠른 구축이 가능하다. 그러나 CXP나 Camera Link 에 비해 데이터 처리 속도가 낮고, 케이블 길이가 짧아 대규모 또는 고속 애플리케이션에는 부적합하다.
도입시 고려해야 할 과제
CXP는 표준 PC 아키텍처에 포함되지 않아 프레임 그래버 또는 캡처 카드가 필요하다. 고해상도 카메라의 전력 소비가 13W를 초과하면 다중 레인 전원 공급 설계가 필요해 비용이 증가한다. 따라서 PoCXP 사용이 비효율적이거나 지원되지 않는 경우도 있다.
주요 적용분야
CXP는 고속 데이터 전송과 실시간 처리가 요구되는 산업, 과학, 보안, 방송, 영화 제작 등 다양한 분야에서 활용된다. 의료, 생명과학, 방산 산업에서도 적용 가능하며, 아날로그 케이블 기반 시스템의 디지털 전환이 용이하다. 산업 현장에서는 낮은 지터와 짧은 대기 시간, 고속 트리거링으로 롤 기반 검사, 반도체, PCB 검사에서 강점을 보인다.
CXP는 기존 동축 케이블 시스템과 통합이 용이하고, 긴 전송 거리와 고속 데이터 처리 성능으로 방산과 의료 애플리케이션에서 유용하다. 대표적인 활용 예로는 상황 인식, 표적 추적, 국경 감시, 실시간 수술 영상 전송 등이 있다.
CoaXPress 2.1으로의 진화
CoaXPress(CXP)는 동축 케이블을 통해 카메라와 프로세싱 플랫폼을 연결하는 고속 직렬 통신 표준으로, CoaXPress 2.0은 채널당 최대 12.5Gbit/s의 전송 속도와 전원·트리거 통합 기능을 제공한다. 최근 발표된 CoaXPress 2.1은 광섬유 전송을 지원해 확장성과 안정성을 더욱 강화했다. CXP는 머신비전 인터페이스의 진화를 이끌며, 차세대 산업용 영상 표준으로 자리 잡고 있다.
자료제공: JAI(www.jai.com)
