실시간 이미징 시스템에서 대기 시간이 비전 응용프로그램에 미치는 영향
Pleora
개요
이미징 시스템 설계자는 대기 시간(latency)1) 성능 데이터를 사용하여 시스템이 얼마나 신속하게 프로세스, 분석, 그리고 일부 애플리케이션에서 이미지를 표시할 수 있는지 결정한다.
낮은 대기 시간은 고속 품질 검사를 가능하게 하며, 최종 사용자가 실시간 영상 데이터를 사용하여 의사 결정을 해야 하는 영상 유도 수술 과 군사 vetronic systems(차량 전자 시스템)과 같은 애플리케이션에 중요하다.
이더넷이 네트워킹 기술로 처음 고려되었을 때 초 단위의 지연이 허용되는 것으로 간주되었다. 예를 들어, CCTV 보안 애플리케이션에서 비디오를 압축하는 데 필요한 시간 때문에 2~3초의 대기 시간이 일반적이다. 이더넷이 실시간 이미징 애플리케이션으로 마이그레이션 되면 지연, 또는 부정확성을 용인할 수 없다.
실시간 비압축 비디오의 필요성은 네트워크에 상당한 부담을 안겨준다. 산업용 비전 시스템에서 유리 대 유리(glass-to-glass) 대기 시간의 임계 값은 130ms 이하다. 이미지 가이드 수술이나 군사 폐쇄형 해치 운전(military closed hatch driving) 애플리케이션의 경우 설계자는 85ms 이하의 종단간 대기 시간(end-to-end latency)을 목표로 한다.
여기서는 대기 시간의 구성 요소에 대한 개요를 제공하고 GigE Vision 링크를 통한 이미지 전송을 위한 대기 시간 테스트 결과를 제공한다.
시스템 대기 시간
비전 애플리케이션에서, 대기 시간에 영향을 미치는 여러 요소, 즉 네트워크 및 프로토콜 아키텍처, 호스트 컴퓨터, 리소스 공유 및 I/O 메커니즘이 있다. 시스템이 트리거 이벤트에서 출력 신호에 이르기까지 전체 활동을 수행하는 동안 시스템 자체는 일반적으로 연속적으로 발생하는 여러 가지 내부 이벤트로 구성된다.
glass-to-lass2) 애플리케이션에서 대기 시간은 노출 및 판독 시간뿐만 아니라 모니터 새로 고침 시간, 캡처된 색상 공간에서 PC 모니터에 표시할 수 있는 색상 공간, 그리고 심지어는 바탕화면 테마로 변환하는 데 필요한 처리 시간이다.
고성능 GigE Vision 구현은 링크의 전송 및 수신 엔드 모두에서 패킷 처리 프로세스를 최적화하여 이더넷의 고유 대기 시간 및 지터를 보완한다. 이미징 소스와 컴퓨팅 포트 사이에 전용 연결이 있는 포인트 투 포인트 애플리케이션은 상대적으로 낮은 대기 시간과 지터를 갖도록 구성되어야 한다. 이와 대조적으로 스위치를 사용하여 여러 이미징 소스와 종단점을 상호 연결하는 복잡한 비전 애플리케이션은 다양한 지연 기회를 제공한다.
한 장치가 단일 자원(예: 단일 이더넷 케이블)을 사용하는 경우 다른 장치는 자원을 쓸 수 있을 때까지 대기해야 한다. 대기 시간이 길어지면 이벤트가 완료되는 데 필요한 대기 시간이 길어지므로 대기 시간 체인(latency chain)을 이해하는 것이 중요하다. 이 증가는 이더넷 아키텍처의 직접적인 반영이며 이미징 네트워크에 있는 장치의 수에 비례한다.
프로토콜 아키텍처 또한 대기 시간에 영향을 준다. 표준 인터넷 트래픽을 통해 TCP는 전송 중에 데이터의 순서가 잘못되거나 손실되지 않도록 보장한다. 데이터는 핵심 인터넷 라우터에서 자주 손실되기 때문에 TCP는 수신자가 모든 데이터 조각을 적극적으로 확인해야 한다고 요구한다.
이는 데이터 전송 이벤트를 완료하는 데 필요한 시간을 상당히 증가시킨다. 비교해 보면, GigE Vision은 예외(데이터 손실)만 수신자가 기록하는 UDP 프로토콜 위에 구현된다. 이러한 가벼운 데이터 전송 방식은 대기 시간과 지터를 줄여주며 짧은 최대 최대 보장 응답 시간을 보장한다. 호스트 컴퓨터와 리소스 공유는 비전 시스템의 대기 시간에 가장 큰 영향을 미친다. 여러 리소스가 프로세스에서 공유된다. 버스, 메모리, CPU, 운영 체제, 코어 이미징, 그리고 그래픽 라이브러리를 포함하여 호스트 컴퓨터에 설치된다.
시스템 대기 시간을 고려할 때 소프트웨어 작업에 필요한 CPU 사용은 종종 간과된다. 네트워크화된 이미징 장치에서 이미지를 수신하는 호스트 컴퓨팅 플랫폼은 모든 해당 PC의 서비스를 공유해야 한다. 대기 시간은 CPU에 처리 오버 헤드가 높은 장치와 소프트웨어로 쉽게 도입될 수 있다.
Glass-to-glass 대기 시간 측정은 사람이 모니터에 표시되는 내용을 기반으로 조치를 취하는 모든 애플리케이션에서 중요하다. 여기에는 영상 유도 수술과 군사 지역 상황 인지 애플리케이션이 있다. 이 값은 이미지와 관련이 없다. 디스플레이 파이프 라인은 glass-to-glass 대기 시간에 상당한 기여를 하기 때문에 디스플레이 없이 처리가 수행된다.
대기 시간 테스트 시스템 개요
Pleora의 내부 지연 테스트 시스템은 전용 워크 스테이션 PC, 오실로스코프, 임베디드 프로세서로 구동되는 LED 라이트, 그리고 포토 다이오드로 구성된다.
glass-to-glass 대기 시간을 측정하기 위해 오실로스코프는 카메라 앞에 있는 LED 조명을 켜는 시간과 포토 다이오드가 PC 모니터에서 이 빛을 감지하는 시간 사이의 시간 지연을 캡처한다. 이 캡처는 대기 시간 외에도 시스템 지터를 이해하기 위해 수백 사이클 이상 반복된다.
‘도입 대기 시간’은 선택한 비디오 인터페이스(이 테스트에서는 기가비트 이더넷을 통한 GigE Vision)의 대기 시간 측정을 설명한다. 예를 들어 LVDS를 통해 이미지를 전송하는 데 걸리는 시간을 가정한다. Camera Link 등을 사용하고 PC의 메모리에 PCIe를 연결하면 대기 시간이 거의 제로에 가까워서 GigE Vision 인터페이스의 지연 시간이 강조됐다.
이 대기 시간을 측정하기 위해 Pleora 제품의 제어 범위 내에 적어도 부분적으로 존재하고 다른 대기 시간 요소와 겹치지 않는 요소만 평가했다. 대기 시간 요소(그림 1)를 고려할 때, 이는 대기 시간 ‘시계’가 센서 판독값의 끝에서 시작하여 사용자의 분석, 또는 표시를 위해 이미지를 쓸 수 있는 시점을 의미한다.
도입 대기 시간 측정은 GigE Vision 수신기가 GVSP(GigE Vision Stream Protocol) 페이로드 데이터를 캡슐화 해제하여 이미지를 적절한 XY 위치의 메모리에 삽입하고 전체 이미지의 메모리 복사본을 사용자 애플리케이션에 수행하는 데 필요한 시간을 포함한다.
‘도입 대기 시간’ 측정은 LVDS 전송 기술과 GigE Vision을 사용하는 시스템 간의 가치 있는 비교를 제공한다.
결과
시나리오 # 1
이 테스트에서 iPORT CL-GigE 외부 프레임 그래버의 도입 대기 시간을 평가했다. iPORT CL-GigE는 Camera Link 카메라의 비디오 데이터를 패킷으로 변환하고 GigE 링크를 통해 전송한다. GigE는 표준 CAT5e/6 케이블을 사용하여 최대 100미터의 케이블 거리를 지원한 기성품 이더넷 스위치를 사용하면 거리를 제한하지 않을 수 있다.
카메라 링크 기반 카메라
- 노출 시간 15.897ms
- 1920 x 1080, mono8
- 40MHz 픽셀 클럭
CL-GigE
- 점보 프레임(이더넷 프레임당 8k 바이트)
- 기가비트 이더넷을 통해 PC에 직접 연결
PC
- Windows 7 Professional, 64비트
- HP Z230 타워 워크 스테이션(@ 3.3GHz 듀얼 Intel Core ™ i5-4590CPU, 8GB RAM)
약 15분에 걸쳐 60Hz 새로 고침 500데이터 샘플이 있는 1080p 모니터
Glass-to-glass 대기 시간
- 평균 (노출 시간 포함) = 69.604ms
- 최소 = 60.400ms
- 최대 = 78.800ms
- 표준 편차 = 4.910ms
도입 대기 시간
- 평균 = 336μs
- 표준 편차 = 38μs
시나리오 # 2
이 테스트에서 시나리오 # 1에서 테스트를 위해 사용된 PC를 Pleora의 vDisplay 외부 프레임 그래버는 FPGA 기반 GigE Vision 수신기다.
카메라 링크 기본 카메라
- 노출 시간 15.897ms
- 1920 x 1080, mono8
- 40MHz 픽셀 클럭 - 51ms 센서 판독 시간
CL-GigE
- 점보 프레임(이더넷 프레임당 8k 바이트)
- 기가비트 이더넷을 통해 PC에 직접 연결
vDisplay 외부 프레임 그래버
- 단일 버퍼 모드
약 500분의 데이터 샘플 약 15분
Glass-to-glass 대기 시간
- 평균(노출 시간 포함) = 59.92ms
- 최소 = 50.4ms
- 최대 = 69.6ms
- 표준 편차 = 4.746ms
자료 제공: Pleora(www.pleora.com)
