머신 비전 연결 인터페이스 Camera Link, CoaXPress, GigE Vision 특징 비교

Adimec

요약

머신 비전, 의료, 군사용 이미징 시스템 등의 다양한 요소를 연결하기 위해서 몇 가지 비디오 인터페이스 옵션이 있다. 최고급의 성능에서 Camera Link 및 GigE Vision과 같은 표준은 지난 10년 동안 사용자에게 좋은 서비스를 제공해 왔다. 그러나 카메라 성능 개선 및 인터페이스 기술의 혁신과 더불어 시스템 제조업체의 새로운 요구로 인해 두 번째 고속연결 옵션이 개발되고 있다. 여기에는 CoaxPress, Camera Link HS와 10 GigE Vision이 포함된다.

케이블/연결 미디어가 시스템 업그레이드 비용의 최대 50%를 차지할 수 있으므로 물리적 인터페이스 고려는 매우 중요하다. 전환을 고려할 때 시스템 개발자는 비용(초기 및 장기), 속도, 구현 용이성 등 다양한 기준에 걸쳐 신중하게 균형을 맞춰야 한다. 그 외에도 특정 애플리케이션에 가장 적합한 연결 대안을 선택하기 위해선느 사용, 전원, 공급 업체 지원과 물리적 연결 요구 사항 등을 고려해야 한다.

본문에서는 카메라 인터페이스 옵션과 향후 몇 년 안에 새로 등장하는 인터페이스에 대해 살펴본다. 결론은 모두 각각 이미징 시스템에 존재하는 다양한 문제를 해결하기 위해 고유한 접근 방식이 필요하다.

비디오 인터페이스의 진화

비전 시스템에서 향상된 센서와 고해상도 카메라의 채택이 증가함에 따라, 시스템 개발자는 새로운 수준의 성능과 품질을 이용할 수 있게 되었다. 그러나 카메라에서 생성된 대량의 데이터는 카메라와 호스트 이미지 처리 시스템을 연결하는 기존의 인터페이스 기술에 부담을 준다. 최근까지는 이미징 애플리케이션을 위해 2가지 선택이 있었다. 더 빠른 속도를 위한 Camera Link다. 그러나 짧은 케이블 길이가 문제였다. 또는 더 긴 케이블을 위한 GigE Vision은 속도가 느렸다. 본질적으로 절충이 이루어져야 했다.

결과적으로, 필요한 대역폭을 지원하고 효율적인 비용으로 확장 가능한 접근 방식을 제공하기 위해서 카메라 인터페이스를 개선하는데 중점을 둔 몇 가지 경우가 있다. 먼저 카메라 종속 시스템 개발자는 특정 애플리케이션 요구 사항을 평가하고 사용 가능한 옵션 간의 차이점을 이해해야 한다. 기본 성능 이외의 중요한 고려 사항은 다음과 같다.

•- 기존 시스템 아키텍처와 쉽게 통합 할 수 있는 기능

•- 연결 매체의 유연성

•- 향후 요구 사항을 충족시키는 솔루션의 확장성

•- 애플리케이션을 위한 물리적 인프라

•- 필요한 전송 거리

•- 전체 구현 비용

•- 인터페이스 기반의 제품 가용성

인터페이스를 고려할 때 현재 가용성 상태와 향후 비전 시스템 구현을 위한 업계 지원 여부를 이해하는 것이 중요하다. 제품 로드맵과 함께 표준을 확장할 수 있으므로 비용이 많이 들지 않기 때문이다. 이미징 시스템의 다양한 요소를 연결하는 옵션은 지난 10년 동안 크게 발전했다. 1980년대와 1990년대에 표준 인터페이스가 혼란스러워지면서 지난 10년 동안 공통 인터페이스 프로토콜을 설정하는 데 극적인 개선이 있었다. 이 분야에서 산업이 발전함에 따라 주요 공급 업체의 지원이나 기존 인프라를 활용하여 채택 및 구현을 보다 용이하게 함으로써 몇 가지 인기 있는 접근 방식이 최고 수준으로 상승했다.

가장 널리 사용되는 표준은 Camera Link, GigE Vision, USB 2.0 및 IEEE1394b(FireWire)다. USB 2.0과 FireWire는 대량의 제품으로 제공되지만 성능 및 연결 제약(주로 거리 제한)으로 인해, 비전 시스템 시장(그리고 대부분의 USB 2.0 소비자 제품)의 유용성이 제한적이다. 앞에서 언급했듯이 고급 이미지 시스템 개발자는 인터페이스 옵션으로 Camera Link와 GigE Vision에서 선택했다.

2000년대 후반, 앞서 설명한 인터페이스가 차세대 머신 비전 시스템 요구 사항을 제공할 수 있는 능력 측면에서 한계에 도달하고 있음이 분명했다. 그 결과 케이블 거리, 유연성, 필요한 카메라 수 및 전력 요구와 같이 물리적 요구 사항을 해결하는 솔루션 뿐만 아니라 훨씬 더 높은 대역폭이 필요했다. 또한 사용자가 보다 새롭고 더 성능이 좋은 시스템으로 전환함에 따라 장기적으로 시스템의 총 구현 및 유지 관리 비용이 평가 조건이 되고 있다.

최근 몇 년 동안 CoaXPress, Camera Link HS, 10 GigE Vision과 USB3 Vision을 포함한 Camera Link와 GigE Vision을 능가하는 몇 가지 새로운 인터페이스 표준이 만들어졌다. 새로운 구현 대안으로는 FireWire과 LightPeak 그리고 HD-SDI/3GSDI의 속도 업그레이드가 있지만, 이전 모델과 마찬가지로 특수 애플리케이션에 반응한다.

다음은 Camera Link와 GigE Vision의 강점과 차세대 표준을 살펴본다.

CamEra 링크

카메라 링크는 컴퓨터 비전 직렬 통신 프로토콜이다. 표준은 AIA(Automated Imaging Association)에서 유지 관리한다. 2000년에 처음 시작되었으며 최초의 진정한 비전 시스템 인터페이스 표준으로 인정받았다.

Camera Link는 처음에 커넥터를 표준화하고 케이블의 전선 수를 줄이며 출력 수, 비트 깊이 및 속도 측면에서 확장성을 제공하기 위해 개발되었다. 저비용 구성 요소를 기반으로 하므로 초기 구현 비용을 낮췄고 라이센스 또는 로열티 비용이 필요하지 않다. 2000년대에 Camera Link의 가장 큰 매력은 성능과 표준 케이블 및 커넥터였다. 여전히 다음의 이점을 제공하고 있다.

•- 입증된 기술

•- 6Gbps(자주 수용이 가능)

•- 낮은 대기 시간

그러나 사용자들은 Camera Link의 성능이 더 이상 여러 고급 애플리케이션에 충분하지 않다는 것을 다음과 같이 깨달았다.

•- 케이블 길이는 제한적이며 최대 길이는 10미터다.

•- 속도는 2개 케이블에서 최대 6Gbps(1개 케이블에서 2Gbps)로 제한된다.

•- 동축 케이블 또는 이더넷과 같은 다른 표준 연결 방법에 비해 더 비싸고 성능이 낮은 맞춤형 케이블이 필요하다.

•- 필요한 케이블도 부피가 크고 유연하지 않다.

•- 더 빠른 속도를 위한 미래 로드맵이 없다.

이러한 제한으로 Camera Link의 미래는 중급에서 하위 애플리케이션으로 통합되거나 새로운 인터페이스 표준으로 인해 더 이상 사용되지 않을 것으로 보인다.

GiGE ViSion

GigE Vision 인터페이스 표준은 2006년에 시작되었으며 AIA에서 관리한다. 이름에서 알 수 있듯이 인터넷 프로토콜 표준을 기반으로 한다. 이더넷 인터페이스는 PC 마더 보드에 내장되어 표준 네트워크 인터페이스 카드 또는 GigE 인터페이스가 장착된 프레임 그래버를 통해 제공된다. 지속적인 1Gbps로 최대 성능을 얻으려면 프레임 그래버가 필요하다.

이 표준의 주요 장점은 기존 네트워크 인프라(예: Cat-5 UTP 이더넷 케이블)를 사용하여 다음과 같은 이점이 있다.

•- 장거리 연결(100 미터)

•- 저비용 케이블

•- 네트워크 애플리케이션에 적합(실제로 비전 시스템에서 일반적이지 않음)

•- 추가 비용과 지원 혜택을 위한 표준 인터페이스 칩, 스위치 및 허브

Camera Link와 마찬가지로 GigE Vision의 사용에는 다음과 같은 제한이 있다.

•- 1Gbps가 필요한 타이밍이 중요한 애플리케이션은 PC의 CPU 및 메모리를 오프로드하기 위해 프레임 그래버가 필요하므로 GigE Vision의 비용이 든다.

•- GigE Vision은 고급 시스템에서 중요한 요구 사항인 실시간 트리거링을 지원하지 않는다.

•- 프레임 그래버 없이 작업 할 때 소프트웨어 및 드라이버 설치가 더 복잡하고 다른 카메라 관련 인터페이스보다 더 많은 기술 지원이 필요하다.

2011년에는 다음을 지원하는 GigE Vision 2.0이 시작되었다.

•- 10Gbps 물리 레이어

•- 다중 케이블

•- 압축 기술

•- 작은 이미지

•- 실시간 트리거링 기능의 향상

CoaXPrESS

CoaXPress는 2007년 초에 Camera Link의 모든 제한을 극복하도록 설계됐다. 대역폭, 인프라 비용과 용이성 측면에서 많은 이점을 제공했다. 구현 및 확장성이 높은 CoaXPress 디지털 비디오를 사용하면 유연하고 효율적 비용인 단일 케이블로 제어, GPIO, 트리거링 및 전원을 관리할 수 있다. CoaXPress는 카메라를 프레임 그래버에 연결하는 지점간 직렬 인터페이스다. 카메라와 호스트 사이의 물리적 매체는 하나 이상의 75ohm 동축 케이블이다. 동축 케이블을 사용하면 케이블 손실을 자동으로 균등화하여 더 먼 거리에서 작동할 수 있다. 따라서 CoaXPress의 기본 이점은 표준보다 장거리에서 더 높은 성능을 제공할 수 있다는 것이다.

CoaXPress는 원래 JIIA(Japan Industrial Imaging Association)에서 주최하는 로열티가 없는 공개 표준이다. 2010년 12월에 CoaXPress 표준 버전 1.0이 발표되었으며 2011년 3월에 AIA 및 EMVA는 글로벌 표준 승인을 받았다. 카메라, 프레임 그래버, 케이블 솔루션 그리고 드라이버 공급 업체를 포함한 머신 비전 공급 회사가 사용했다.

표준의 동축 사용은 고유한 성능 외에도 다른 매체(예: 연선)에 비해 많은 이점을 제공한다(CoaXPress는 단일 케이블을 통해 최대 6.25Gpbs를 제공하며 무제한의 케이블로 확장 가능하다). 동축 케이블은 고해상도 디지털 카메라로 업그레이드해야 하는 아날로그 카메라를 포함한 많은 레거시 시스템에서 사용되고 있다.

애플리케이션에 따라 선택할 수 있는 수백 가지의 동축 케이블이 있다. 표준 RG59/RG6 유형, 카메라 이동을 위한 얇고 유연한 케이블, 여분의 길이나 소음이 많은 환경을 위한 고품질 케이블 등이다. 시스템 업그레이드 비용 중 최대 50%는 케이블 연결일 수 있으며, 동축 사용은 매우 중요한 이점이다(한 보고서에 따르면, 최신 군용 항공기를 아날로그에서 디지털 연결로 업그레이드하는데 드는 비용은 비행기 당 150,000$ 였다).

비용 효율성 외에도 동축 케이블은 매우 길 수 있다(CoaXPress는 최대 130 미터 전송 지원). 또한 BNC 커넥터의 현장 설치가 쉽고 효율적이다. 동축 케이블에는 차동 또는 다중 전선을 사용하는 케이블에서 흔히 발생하는 왜곡 문제가 없다. 케이블을 통한 전원 공급은 시스템 개발자에게 중요한 고려 사항이다. CoaXPress를 사용하면 대부분의 시스템 요구(케이블 당 13W)를 수행할 수 있는 전원 공급 장치를 통해 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않다. 이는 많은 야외 응용 분야에서 매우 중요하다.

GenICamTM(카메라용 일반 인터페이스, Generic Interface for Cameras)은 CoaXPress 표준의 일부 이므로 특정 인터페이스 기술은 사용자 API(응용 프로그래밍 인터페이스, application programming interface)와 분리되어 있다. 따라서 인터페이스와 카메라의 특정 물리적 계층에 관계없이 표준 소프트웨어 개발이 가능하다.

이 표준에는 실시간 트리거 지원도 포함되어 있어 고속 영역 스캔과 라인 스캔과 같은 중요한 애플리케이션 타이밍에 적합하다.

CamEra Link HS

Camera Link HS는 AIA(Automated Imaging Association)에서 관리하는 표준이다. 이 인터페이스는 원래 HS Link라는 단일 회사 이니셔티브를 기반으로 하며 Camera Link의 속도 제한을 극복하도록 설계됐다. 2012년 5월 현재 Camera Link HS는 글로벌 표준이다. Camera Link HS는 자체적으로 하나의 새로운 표준이다. Camera Link를 통해 증가된 대역폭, 확장된 전송 거리 및 감소된 케이블 링 복잡성을 제공하지만 이전 표준을 대체하는 플러그 인은 아니다.

Camera Link HS over Camera Link에서 가장 크게 개선된 것은 속도 영역이다. 두 케이블에서 3.125Gbps 속도를 지원하며 성능을 확장하려면 여러 케이블이 필요하므로 시스템 구현 문제가 발생할 수 있다. Camera Link HS는 GenICamTM 표준 통신 프로토콜도 사용한다. 필요한 CX-4 Infiniband 케이블은 고정식 애플리케이션에 가장 적합하며 구부러질 경우 안정성 문제가 발생한다.

케이블은 다른 대안에 비해 상대적으로 비싸다. 필요한 커넥터도 비싸고 현장에 설치할 수 없다. 동축 케이블을 포함한 대체 케이블이 가능하다. Camera Link HS는 매우 유능한 접근 방법이지만 전체 이점을 실현하려면 구현 및 유지 관리 비용이 많이 든다. 또한 광범위한 응용 분야에 아직 침투하지 못했다. 결과적으로, high-end 라인 스캔 카메라 기반 머신 비전 시스템의 주요 발판 이외의 많은 애플리케이션에 대한 요소가 제한되어 있다.

10 GiGE ViSion

‘10 GigE Vision’ 이라고도 불리는 10개 이상의 GigE Vision은 2006년에 시작되어 AIA에서 관리하는 차세대 GigE Vision 인터페이스 표준이다. 고속 데이터 전송 속도를 제공한다(단일 케이블 당 10Gbps와 4개 케이블에서 최대 40Gbps). GigE Vision과 마찬가지로 10 GigE Vision은 이더넷 기반 연결 인프라를 사용하고 긴 케이블 길이를 지원한다. 실시간 트리거링이 포함될 예정이다.

표면상에서 10 GigE는 GigE Vision에 존재하는 속도와 트리거링의 한계를 해결하는 것으로 보이지만 전력 소비 및 비용이 증가한다. 10 GigE Vision의 전원은 최대 6 또는 7W로 매우 높다. 프레임 그래버도 항상 필요하다. 10 GigE의 성능 기능은 명확하지만 비용과 구현 문제로 인해 이미지 시스템에 대한 실용적인 솔루션으로서의 가치는 떨어진다.

USB3 ViSion

USB3 Vision 인터페이스는 표준 USB 3.0 인터페이스를 기반으로 하며 대부분의 PC에서 곧 표준이 될 USB 3.0 포트를 사용한다(Windows7 서비스 팩과 Windows8 기본 지원 예정). 이 표준은 2013년 1월에 발표되었다. USB3 Vision은 최대 5GB/s의 대역폭을 제공한다. 전원과 데이터는 동일한 케이블을 통해 전송되며 GenICamTM 일반 프로그래밍 인터페이스를 사용한다.

USB 2.0과 마찬가지로 최대 케이블 길이는 비교적 짧다. 공식 사양은 3m이지만 특수 케이블로 최대 10m까지 작동할 수 있다. USB3 Vision은 USB 2.0보다 10배 빠르지만 Camera Link Base보다 약간 빠르며 최신 센서의 전체 프레임 속도를 사용할 수 없다.

포트가 6개 이상인 USB 허브가 없기 때문에 USB3은 GigE Vision만큼 높은 카메라 수의 애플케이션으로 확장되지 않는다. 프레임 그래버가 필요하지 않지만 처리량에 따라 고급 CPU가 필요할 수 있다.

요약

최신 이미징 시스템의 요구 사항에는 인터페이스에 대한 다각적인 접근 방식이 필요하다. 성능이 가장 중요하지만 연결 거리, 구현 및 비용, 전원 공급 장치, 타이밍 및 장기 공급 업체 지원과 같은 다른 요구 사항도 동시에 평가해야 한다. Camera Link HS과 10 GigE Vision은 이전 세대 인터페이스의 속도 제한을 극복하고 길이가 매우 긴 케이블이나 매우 빠른 속도가 필요하지 않을 때 좋은 옵션이 될 수 있다. USB3 Vision은 Camera Link의 속도 제한 또는 케이블 길이 제한을 극복하지 못한다.

CoaXPress만이 이전 세대의 모든 부적합성을 없앤다. 가장 광범위한 시스템에 물리적 연결 매체를 통해 초고속 성능을 제공한다. 기존 인프라와 플러그 앤 플레이 방식의 솔루션으로 더 빠른 속도를 제공하면서, 더 길고 유연하며 유지 관리가 쉬운 케이블을 사용할 수 있다.

자료 제공: Adimec(www.adimec.com)