디지털 카메라 옵션 선택 요령

디지털 카메라 인터페이스 비교

현재 카메라 시장에는 다양한 옵션들이 있다. 산업용 카메라를 처음 도입하기 위해 조사해보면 해상도, 센서, 인터페이스 등 많은 선택지 때문에 머리가 아플지도 모른다. 카메라 선택 요령에 대해 알아본다.

디지털 카메라는 용도별 요구 사항에 따라 차이가 있는 다양한 인터페이스 옵션과 함께 사용할 수 있다. 두 가지 USB 포맷과 같은 일부 포맷은 단일 인터페이스를 통해 비디오 출력 및 전원을 공급해 설치 프로세스를 아주 간편하게 해준다. 다른 포맷에는 추가 전원 공급 장치가 필요할 수 있지만 보다 높은 데이터 전송 속도와 같은 장점을 제공하며 이는 카메라가 출력할 수 있는 초당 프레임 수에 영향을 주거나 더 많은 수의 장치를 동시에 지원한다.

USB(Universal Serial Bus)
USB 3.0은 빠른 속도와 간편함 때문에 컴퓨터에서 흔히 애용되는 인터페이스 중 하나이다. 최대 가용 속도는 USB 구성 요소 개수에 따라 좌우되며, 버스 전송 속도는 5GB/s로 고정된다. USB3 비전에서의 카메라 제어 레지스터는 EMVA의 GenICam을 기반으로 한다. USB3 표준은 이전 버전과 호환되는 컴퓨터 규격에 적합하지 않지만, 일부 USB 3.0 카메라는 이전 버전과 호환되기 때문에 훨씬 낮은 속도의 USB 2.0에서도 운용이 가능하다.
USB 2.0은 USB 3.0이 갖는 플러그 앤 플레이(plug-and play)의 이점을 특징으로 하지만, 데이터 전속 속도가 480MB/s로 USB 3.0보다 훨씬 느린 단점이 있다. 케이블은 USB 2.0과 3.0을 위해 판매되는 컴퓨터 부품과 쉽게 호환된다.

GigE(GigE Vision Standard)
GigE는 기가비트 이더넷(gigabit ethernet) 인터넷 프로토콜을 기반으로 하며 고속 카메라 인터페이스용으로 표준 Cat 5e 및 Cat 6 케이블을 사용한다. P2P(카메라와 카드 직접 연결)가 아닌 연결 방식을 사용할 경우 전체 대역폭을 고려해야 하지만 스위치(switch), 허브(hub) 및 리피터(repeater)와 같은 표준 이더넷 하드웨어를 여러 대의 카메라에 사용할 수 있다.
GigE 비전에서 카메라 제어 레지스터는 EMVAGenICam 표준을 기반으로 한다. 일부 카메라에서 사용할 수 있는 옵션인 LAG(Link Aggregation)는 여러 개의 이더넷 포트를 병렬로 사용해 데이터 전송 속도를 높여준다. 일부 카메라에서 지원되는 네트워크 TPT(Precision Time Protocol)는 동일한 네트워크상에 연결된 여러 카메라의 클락(clock)을 동기화할 수 있어 조합된 노출 사이에 고정된 딜레이(delay) 관계를 허용한다.

Camera Link
Camera Link는 주로 자동 검수 및 공정 제어와 관련된 머신 비전 용도로 특별히 개발된 고속 시리얼 인터페이스 표준이다. 사용하려면 Camera Link 캡처 카드가 필요하며 카메라에 별도의 전원을 공급해야 한다. LVDP(Low-voltage differential pair) 신호 선과 더불어, 데이터 전송 시 대역폭을 최대로 유지시켜주는 비동기식 시리얼 통신 채널들이 제공되기 때문에 특수 케이블 배선이 반드시 필요하다. 단심 케이블을 기반으로 구성할 경우 비디오 전용 255MB/s 전송이 가능하다. 듀얼 출력(최대 구성)을 이용하면 별도의 카메라 파라미터 송수신 라인을 통해 초고속 용도에 서 더 많은 데이터 전송 공간(680MB/s)을 확보할 수 있다.

FireWire(IEEE 1394.b/IIDC DCAM Standard)
FireWire는 다른 이름으로 IEEE 1394.b로도 불리는 동기식 카메라 인터페이스로서 컴퓨터의 FireWire 포트에 널리 이용된다. FireWire.b는 여러 대의 카메라와 연결할 수 있게 해주며, FireWire 케이블을 통해 전원을 공급한다. 단, 핫스왑이나 핫플러그는 추천하지 않는다. 이는 커넥터의 디자인상 파워핀부터 시그널핀까지의 길이가 짧아지기 때문에 포트나 장치에 잠재적인 손상을 일으킬 수 있다. FireWire.a는 속도가 느린 FireWire의 구 버전으로서 현재는 더 이상 사용되지 않는다.

캡처 보드(Capture Boards)
이미지 처리에는 컴퓨터가 주로 사용되며, 이는 아날로그 카메라를 사용할 경우 디지털 인터페이스가 필수임을 의미한다. 캡처 보드는 사용자가 아날로그 카메라 신호 분석을 위해 컴퓨터로 출력할 수 있게 해주며, 더 나아가 이미지 처리를 위해 아날로그 신호(NTSC, YC, PAL, CCIR)를 디지털로 전환해주는 ADC(analog-to-digital converter)를 포함한다. 캡쳐 보드를 이용하면 사용자는 이미지의 캡처 및 저장을 통해 추후에 이미지를 조정하거나 인쇄할 수 있게 된다. 캡처 보드에는 기본적인 캡처 소프트웨어가 포함되어 있어 사용자가 이미지를 저장하거나 열어 볼 수 있다. 캡처 보드라는 용어는 디지털 카메라 인터페이스에서 데이터를 가져와 이를 해석하는 데 필요한 카드를 의미하기도 하지만 표준 컴퓨터 커넥터를 기반으로 하지는 않는다.

카메라 전원 공급
대다수의 카메라 인터페이스는 USB와 같은 단심 케이블을 통해 간접적으로 카메라에 전원을 공급한다. 그렇지 않을 경우에는 대개 광속 커넥(trigger wiring 및 I/O) 또는 표준 AC/DC 어댑터 연결을 통해 전원을 공급한다.

PoE(Power over Ethernet)
PoE 카메라는 GigE 케이블을 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있다. 이는 카메라를 공장에 설치 할 때나 실외에서 사용할 때 공간적인 제약으로 카메라에 전원 공급 장치를 장착할 수 없는 경우 중요한 역할을 한다. 이럴 경우 카메라 및 컴퓨터에 연결되는 표준 케이블의 배선 중간에 인젝터를 추가하면 된다. 하지만 모든 GigE 카메라가 PoE를 지원하지는 않는다.

노트북 및 카메라
많은 디지털 카메라 인터페이스가 노트북 컴퓨터에 연결될 수 있지만 고품질 또는 고속 이미징 애플리케이션을 위해서는 표준형 노트북 사용을 피하는 것이 좋다. 노트북의 데이터 버스가 최대 전송 속도를 지원하지 못하거나 고성능 카메라 및 소프트웨어의 모든 장점을 활용할 수 없는 경우가 빈번하기 때문이다. 특히, 대부분의 노트북에 사용되는 이더넷 네트워크 고속 인터페이스 카드는 데스크톱 컴퓨터에서 이용할 수 있는 PCIe 카드에 비해 훨씬 낮은 수준의 성능을 갖고 있다.

카메라 소프트웨어
일반적으로 이미징 소프트웨어와 관련해서는 두 가지 선택이 가능하다. 하나는 카메라 전용 SDK(software development kits)이고 다른 하나는 타사의 범용 소프트웨어를 사용하는 것이다. SDK에는 사용자 정의 프로그램 개발을 위한 코드 라이브러리와 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스, 그리고 코딩이 전혀 필요 없고 단순한 기능을 제공하는 간단한 이미지 보기 및 획득 프로그램이 포함되어 있다. 범용 소프트웨어를 사용할 때는 카메라 표준(GenICam, DCAM, GigE Vision)의 작동성을 보장하는 것이 중요하다. 범용 소프트웨어에는 NI LabVIEW, MATLAB, OpenCV 등이 포함된다. 범용 소프트웨어는 여러 대의 카메라를 실행하고 여러 가지 인터페이스를 지원하지만 작동 여부를 확인하는 것은 전적으로 사용자에게 달려 있다.

센서 크기
카메라 센서의 활성 영역 크기는 시스템의 FOV(field of view) 및 기본 배율(PMAG) 결정에 중요하다. 이미징 렌즈에 의해 결정된 고정 배율을 적용하면 센서가 클수록 FOV가 더 커진다. 그림 1과 표 2에 표시된 바와 같이 표준 에어리어 스캔 센서 크기에는 몇 가지가 있다. 이들 표준에 사용되는 용어의 기원은 TV 방송용 이미저에 사용된 비디콘(Vidicon) 진공관으로 거슬러 올라간다. 따라서 센서의 실제 규격에 차이가 있음을 유념해야 한다.
하지만 이들 표준 대부분은 4:3(가로:세로)의 종횡비를 유지한다. 이미징 용도에서 자주 발생하는 한 가지 이슈는 이미징 렌즈의 특정 센서 크기 지원 능력이다. 센서가 렌즈 디자인용으로 너무 크면 비네팅(이미징 렌즈의 가장자리를 통과하는 빛의 감쇠)으로 인해 이미지 결과가 흐려지고 가장자리로 갈수록 품질이 저하될 수 있다. 이미지 범위 가장자리가 어두워지기 때문에 이것을 터널 효과라 부른다. 센서 크기가 작아지면 비네팅 문제는 발생하지 않는다.

CCD VS CMOS 센서
CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 차별화된 센서 테크놀로지로서 빛을 전자 신호로 전환해준다. 이러한 CCD는 각각의 픽셀 전하를 전압으로 변환하고 완충 저장 장치에 저장 후 싱글 노드를 통해 아날로그 신호로 전송한다. CMOS 센서는 전하-전압 변환이 픽셀 레벨에서 완료된다. 예전에는 이러한 변환 처리가 균등하지 못한 출력을 낳기도 했다.
CMOS에 적용된 보다 진보된 기술은 지난 수년간 광량이 충분하지 못한 환경과 여러 용도에서 발생하는 빛의 비균일성을 상당히 줄여줌에 따라 고급 CMOS 센서는 동급의 CCD 성능을 능가할 수 있게 됐다. 이외에도, CMOS는 전력 소비가 CCD에 비해 낮기 때문에, 공간적 제약이 있는 용도에 매우 유용하게 사용할 수 있다. 저급의 CMOS 센서일지라도 대략 3㎛ 미만의 픽셀 사이즈를 갖고 있어 이미지 품질 면에 있어서 여전히 CCD를 능가한다.

스펙트럼 특성
용도별 요구 사항에 따라 카메라가 색상을 재현할 수 있는 능력은 득이 될 수도 혹은 안 될 수도 있다. 흑백, 싱글 칩 컬러, 그리고 쓰리칩 컬러 카메라를 비교한 내용이 표 4에 있다.

흑백 카메라
실리콘 장치인 CCD와 CMOS 센서는 350~1050㎚의 파장에 민감한데 가용 파장 범위는 보통 400~1000㎚ 사이로 주어진다. 이 감도는 센서의 스펙트럼 응답 곡선에 의해 표시된다(그림 2 참고). 하지만, 대부분의 고품질 컬러 카메라와 일부 흑백 카메라는 특히 VIS 스펙트럼에서의 이미징을 위해 적외선(IR) 차단 필터를 제공한다.

컬러 카메라
고체 센서는 광전효과를 바탕으로 하며, 결과적으로 추가 검토 없이는 색상을 구분할 수 없다. 컬러 CCD 카메라에는 싱글칩과 쓰리칩 두 가지 유형이 있다. 싱글칩 컬러 CCD 카메라는 일반적인 저가 이미징 솔루션을 제공하며, 모자이크 광학 필터를 사용해 서로 다른 픽셀들이 특정 파장의 빛에만 반응하도록 한다.
그런 다음 소프트웨어를 통해 RGB 신호로부터 트루 컬러 정보를 삽입하는 ‘디베이어링(de-bayering)’ 알고리즘을 이용해 컬러 이미지가 재구성된다. 컬러 인식을 위해 더 많은 픽셀이 필요하기 때문에 싱글칩 컬러 카메라는 흑백 카메라에 비해 해상도가 낮다.
3CCD 카메라는 프리즘을 이용해 입사 스펙트럼의 각 부분을 서로 다른 칩으로 전달해 해상도 문제를 해결하도록 고안됐다. 3CCD 카메라는 대개 아주 높은 해상도와 정확한 컬러 재현 성능을 제공하지만, 감광성이 낮고 가격이 높다.

프레임 속도 및 셔터 스피드
프레임 속도는 1초에 표시되는 전체 프레임 수를 의미한다. 고속 카메라에서는 피사체가 FOV를 통과할 때 더 많은 피사체 이미지를 촬영할 수 있도록 더 빠른 프레임 속도를 선택하는 것이 좋다. 셔터 스피드는 센서의 노출 시간에 반비례한다. 노출 시간은 센서에 의해 수집된 입사광의 양을 제어한다. 카메라 블루밍(과다 노출이 원인)은 조명을 줄이거나 셔터 스피드를 높여(노출 시간 감소) 제어할 수 있다.
시스템의 최대 프레임 속도는 센서 판독 속도, 인터페이스의 데이터 전송 속도, 그리고 픽셀 수(프레임 당 전송되는 데이터 양)에 의해 좌우된다. 때로는 픽셀 비닝 또는 AOI(area of interest) 제한을 통해 해상도를 줄임으로써 더 높은 프레임 속도에서 카메라를 작동할 수 있다. 디지털 카메라의 경우 수십 마이크로초에서 수 분까지 노출을 할 수 있지만 가장 긴 노출은 CMOS에 비해 암전류와 노이즈가 적은 CCD 카메라를 통해서만 가능하다. 

글로벌 셔터 VS 롤링 셔터
글로벌 셔터는 모든 픽셀이 동시에 노출 및 샘플링 되고, 판독이 순차적으로 이루어지며 모든 픽셀에 대해 집광이 동시에 시작되고 중지된다는 점에서 기계식 셔터와 비슷하다. 반면에 롤링 셔터는 노출, 샘플링, 그리고 판독을 순차적으로 수행한다. 이는 각각의 이미지 라인이 약간 다른 시간에 샘플링 됨을 의미한다. 움직이는 피사체의 경우 롤링 셔터에 의해 왜곡될 수 있다. 이 효과는 롤링셔터로 포착된 라인들을 결합할 때 생기는 현상인데, 암막상태에서 스트로브 조명을 사용해 최소화할 수 있다. 이 문제는 저속에서는 발생하지 않는다는 점을 유념해야 한다. CMOS 용 글로벌 셔터 구현에는 표준 롤링 셔터 모델에 비해 보다 복잡한 센서 설계가 필요하기 때문에 일부 CMOS 센서에는 이용할 수 없다. 그림 3은 글로벌 셔터와 롤링 셔터를 비교한 내용이다.
비동기 셔터(asynchronous shutter)는 글로벌 및 롤링 셔터와 대조적으로  픽셀의 트리거 노출(triggered exposure)을 의미한다.
즉, 카메라가 이미지를 촬영할 준비가 되어 있지만 외부 트리거 신호(triggering signal)를 수신하기 전에는 픽셀을 활성화하지 않는다. 이는 셔터 내부의 트리거링으로 생각할 수 있는 일반적인 일정한 프레임 속도(constant frame rate)와는 대조적이다.

에어리어 스캔 카메라 VS 라인 스캔 카메라
용도별 요구 사항에 따라 시스템 구축 담당자는 에어리어 스캔 또는 라인 스캔 카메라를 선택해야 한다. 에어리어 스캔 카메라에서 이미징 렌즈는 센서 배열에 이미지 처리될 피사체에 초점을 맞추고, 재구성을 위해 이미지가 픽셀별로 모두 한꺼번에 샘플링 된다(그림 4 참고).
이러한 특징은 이미지가 빠르게 움직이지 않거나 피사체가 아주 크지 않을 때 적합하다. 라인 스캔 카메라에서는 픽셀이 선형으로 배열되며, 피사체가 카메라를 지나 빠르게 이동할 때 이미지가 라인별로 촬영된 뒤 소프트웨어를 통해 재구성된다(그림 4 참고). 선형 배치는 에어리어 스캔 장치에 비해 훨씬 높은 해상도을 제공할 수 있으며 에어리어 스캔 센서에서는 2,500픽셀이 일반적으로 최대 수평 해상도이다. 선형 장치에서는 수평 해상도가 12,000픽셀 이상인 경우도 종종 있다. 하지만 라인 스캔 카메라에서는 이미지를 구성하려면 카메라와 관련해 피사체를 정교하게 이동해야 해서 통합 작업이 훨씬 어려워진다. 표 5에서는 에어리어 스캔 카메라와 라인 스캔 카메라에 대해 간략하게 게재했다. 

출처 : Edmund Optics(www.edmundoptics.com)