10 GigE, 머신 비전 작업을 위한 고속 카메라, 시스템 아키텍처에 대한 애플리케이션 요구사항 충족
Baumer
GigE VisionⓇ 호환 인터페이스 내에서, 10개의 GigE 카메라는 통합이 쉬워 1.1GB/s 대역폭으로 고해상도 처리량의 애플리케이션 분야에 이상적이다. GigE VisionⓇ의 10가지 표준 이점과 시스템 아키텍처에 대한 권장 사항을 소개한다.
1. 소개
이미지 처리 시스템은 새로운 센서 기능과 높은 처리 성능을 갖춘 호스트 시스템으로 인해 더욱 까다로운 요구 사항을 충족해야 한다. 이전에는 VGA 해상도(640×480px)로 충분했지만 현재의 애플리케이션은 적어도 HD해상도(1920×1080px)를 요구한다. 50Mpx의 센서 표준이 되었다.
더 높은 해상도에 대한 요구를 충족하기 위해서는 카메라가 높은 프레임 속도를 제공해야 한다. 고해상도와 고속 프레임은 카메라와 호스트 시스템 간의 대역폭에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. GigE VisionⓇ은 1.1 GB/s 대역폭의 10GigE는 증가하는 요구 사항을 충족하고 널리 사용되는 GigE 인터페이스를 제공하고, 지식과 경험에 대한 액세스를 유지하는 이상적인 솔루션이다.
2. 10 GigE VisionⓇ
10 GigE VisionⓇ 표준은 산업 이미지 처리에서 고해상도 센서와 매우 높은 프레임 속도를 제공한다. 10~1.1GB/s의 대역으로 대역폭을 증가시킨다.
2.1. 케이블
10 Gigabit 연결에 사용되는 표준 구리 케이블(Cat6, Cat6a, Cat7)은 최대 100m길이를 지원한다. Cat6케이블은 최대 55m길이까지 사용할 수 있고 Cat 6a 과 Cat7케이블을 더 길게 사용할 수 있다. 광섬유 케이블은 전기 및 전자기장에 대한 내성으로 인해 문제가 있는 환경에서도 먼 거리를 확보하고 안정적인 데이터 전송을 보장한다.
10 Gigabit 이더넷은 PoE +(Power-over-Ethernet)를 지원해 카메라 연결 비용을 줄인 동시에 카메라 연결에 사용되는 케이블 수를 줄여 시스템 오류도 줄여준다.
2.2. 대체 인터페이스 표준
Camera LinkⓇ 또는 CoaXPress와 같은 표준은 기존의 애플리케이션 방식이었다. 그러나 최근 프레임 그래버와 사전 조립된 케이블이 필요하므로 구매와 시스템 통합 측면에서 복잡하고 비용이 많이 드는 솔루션으로 전환됐다. 이것이 애플리케이션을 권장하지 않는 이유다.
소형 ARMⓇ 기반 보드에서 작동하는 ‘최첨단 컴퓨팅’은 프레임 그래버 사용으로 인해 충분하지 않을 수 있다.
2.3. 호환성과 신뢰성
10 Gigabit 이더넷은 10년 동안 대규모 데이터 센터에 구축되어 성숙한 기술을 갖췄다. 일반적인 제품은 초기 채택자의 산업용 이미지 처리 환경에서 직접 구현할 수 있다. 10 GigE는 이미 GigE VisionⓇ 2.0 표준에 설명되어 있다. 버전1의 변경 사항은 무시할 수 있으므로 GigE VisionⓇ 1.0 표준과 호환되는 카메라는 10 Gigabit 이더넷에서 문제없이 작동한다.
카메라 통합을 위한 애플리케이션 소프트웨어는 물리적 이더넷 인터페이스와 완전히 독립적이므로 변경할 필요가 없다. 이미지 처리 애플리케이션은 매우 안정적이고 작동을 보장한다. 필요한 검사 작업을 수행하려면 24/7 작업으로 호스트가 모든 개별 이미지를 수신해야 한다. 이를 보장하기 위해 10 GigE는 GigE VisionⓇ 표준에서 알려진 패킷 재전송 기능을 사용한다.
2.4. 속도와 대기 시간
10GigE 사용의 주요 이점은 높은 전송 속도이다. 1.1 GB/s 인터페이스는 GigE Vision 보다 10배 빠르며 Camera Link Full보다 35% 빠르다. 높은 대역폭 외에도 대기 시간, 즉 호스트 요청과 응답 도착간의 지연 시간이 크게 개선됐다. GigE 시스템에서 50㎲~125㎲의 대기시간이 표준으로 사용됐지만 10GigE는 5㎲~50㎲의 대기 시간을 제공한다.
2.5. IEE1588 PTP
산업혁명 4.0과 사물인터넷(IoT) 확산 관점에서 멀티 카메라 시스템에서는 정확한 시간 동기화가 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 이유로 정밀 시간 프로토콜(IEE1588 PTP)은 이더넷 표준의 필수 부분이다. 10 GigE VisionⓇ PTP는 수백 나노초 내에 다양한 시스템 구성 요소를 동기화하고 지터를 최소화한다.
2.6. 멀티 캐스트
GigE는 높은 프레임 속도에서 흥미로운 일부 기능을 제공한다. 이더넷 클라이언트는 멀티 캐스트(multicast)를 사용하여 여러 수신자에게 데이터 패킷을 보낼 수 있다. 이는 여러 호스트 시스템(이미지 기능을 감지하는 시스템과 이미지 보관, 모니터링을 위한 시스템)에 쉽게 처리 능력을 할당 할 수 있는 방법이다.
2.7. 비용
프레임 그래버가 필요없는 10 Gigabit 이더넷은 처음부터 저렴한 비용을 표준으로 설계됐다. 최대 4개의 포트가 있는 고성능 표준 네트워크 어댑터는 가격이 저렴해서 많은 공급 업체에서 사용할 수 있다. 일반적인 구리 케이블도 비싸지 않으며 현장에서 쉽게 조립할 수 있다. 고객의 개별 케이블 어셈블리는 시스템 비용을 줄이고 동시에 다른 인터페이스에 비해 크게 재고를 줄인다. 오류가 발생하면 즉시 현장에서 케이블을 쉽고 빠르게 교환할 수 있다.
비용 측면에서 또 다른 이점은 GenICam ™ 호환성이다. 이미지 처리 산업에서 특정 시나리오의 많은 애플리케이션 요구 사항은 편리하게 충족된다. 수년간의 경험을 바탕으로 고객 별 소프트웨어 프로젝트를 돕고 위험을 최소화 할 수 있다.
2.8. 역 호환성 및 미래 호환성
이더넷 네트워크의 최대 전송 대역폭은 가장 느린 네트워크 구성요소(예: 네트워크 어댑터, 스위치, 라우터, 카메라)에 의해 제한된다. 역 호환성(reverse compatibility) 때문에 10 GigE VisionⓇ에도 동일하게 적용된다. 새로운 기술에 투자한다는 것은 미래에 투자하는 것을 의미한다. 10 Gigabit 이더넷은 다음 이더넷 업그레이드를 위해 기존 지식에 계속 액세스 한다.
10 Gigabit 이더넷은 2010년에 출시되어 이더넷 표준이 상당히 발전한 이래로 꾸준히 사용되어 왔다. 현 전 세계의 데이터 센터에서 40 Gigabit 이더넷 네트워크를 운영하고 있으며 100 Gigabit 이더넷 개발도 꾸준히 추진되고 있다. 구글과 같은 인터넷 거인들에 의해 Tb 이더넷(Terabit Ethernet)이라는 이름으로 계속 속도를 증가시키고 있다.
3. 호스트 시스템 요구 사항
호스트 PC를 선택할 때는 높은 전송률과 24시간 작동시 100% 이미지 데이터 전송 요구 사항을 충족해야 한다. 가장 최악의 시나리오는 병렬 또는 백그라운드 프로세스로 인해 호스트 시스템에서 짧은 중단이 발생해 이미지가 손실되는 것이다. 이때 전체 컴포넌트 체인이 10GigE 데이터 양을 요구하는 데이터 스트림을 처리할 수 있어야 한다.
10GigE 대역폭은 i7-7820X 프로세서가 있는 시스템에서 이미 테스트했다. 그 결과 전체 이미지 수신에 전체 처리 능력의 약 5%가 필요하다는 것을 입증했다. 하나의 대안이지만 가격 대비 성능, 높은 클럭, 터보 주파수 측면에서 잘 작동했다.
시스템 메모리는 필요한 대역폭을 지원해야 한다. DDR3-1866 메모리 모듈은 최대 14.9 GB/s의 데이터 속도를 제공한다. 그러나 이미지 전송은 메모리 용량뿐만 아니라 다른 프로세스와 운영 체제 자체도 소비하므로 시스템 구성은 항상 메모리 대역폭을 고려해야 한다. 최대 시스템 대역폭을 위해서는 네트워크 카드가 필요 하고 여기에 PCIe 버스가 사용된다.
1~16 레인의 대역폭과 함께 다른 레벨(PCIe 1, 2, 3 및 4)은 혼동될 수 있다. 따라서, 설치된 네트워크 카드의 슬롯은 최소한 PCIe 3 세대에서 작동해야 하며 4개의 레인을 제공해야 한다. 슬롯은 중간 칩셋 없이 CPU에 직접 연결해야 한다. 일반적으로 메인 보드 설명서는 다양한 PCle 슬롯 속성을 설명한다. 전송 오류는 종종 운영 체제 백그라운드에서 실행중인 프로세스로 인해 발생한다. 바이러스 백신 소프트웨어 및 인덱싱 서비스에 의한 버스트는 전체 시스템의 성능에 상당한 영향을 미치기 때문에 고려해야 한다.
4. 요약
10GB 이더넷 대역폭에서의 데이터 처리는 어려운 작업이지만 네트워크 표준 요소는 아니다. 다양한 제조 상황, 저렴한 가격, 이더넷 유연성으로 고속 이미지 처리에 Baumer LX 또는 QX 시리즈와 같은 10 GigE 카메라를 배치할 수 있다. 10 GigE 카메라는 Terabit 이더넷의 진화를 위한 호환성을 갖춰 필요한 대역폭을 충족하고 차세대 머신 비전에 자신의 경험과 지식을 전달한다.
자료제공: Baumer(www.Baumer.com)
