CMOS & USB3.0, 머신비전 현재와 미래를 잇는 다리
2012년 한해 머신비전 업계를 뜨겁게 달군 화제가 있다면 단연 인터페이스 기술 동향이다. 독일 슈투트가르트에서 열린 VISION 2012에서 심도 깊은 논의를 진행할 정도로 머신비전 인터페이스의 향후 행보는 많은 이들의 관심을 모았다. 많은 전문가들의 의견이 오가는 가운데 머신비전 업체 중에서도 중견업체인 Basler가 새로운 진단을 내놓았다.
CMOS 기술 동향
CMOS 센서 기반이 떠오른다
Basler는 CMOS 센서를 기반으로 한 라인스캔 카메라에 주목했다. Basler의 racer시리즈는 2k에서 12k 해상도를 제공하며 GigE 또는 CameraLink 인터페이스로 만들어졌다. racer카메라는 새로운 CMOS 기술을 이용하여 높은 성능을 제공하는 것이 특징이다. racer카메라는 작고 컴팩트한 산업용 하우징으로 되어있어 여러 대의 라인스캔 카메라를 연달아 설치해야 하는 멀티카메라 시스템에 적합하다. 카메라의 폭은 56mm로 기존의 라인스캔 카메라를 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었다.
CMOS 기술만의 장점
racer시리즈에 사용되는 센서는 CMOS를 기반으로 한다. 예를 들어, DR-2k-7같은 제품이 그렇다. 이 제품들과 기존 Basler L100 혹은 runner 시리즈의 TH7814A를 비교하면, Quantum Efficiency가 가시광선 파장 전체 범위에서 같은 방법으로 배포되었다는 것을 볼 수 있다. 또한, racer시리즈에 사용된 CCD 센서는 NIR 범위에서 기존 제품 대비 약간의 우위를 보인다. racer의 픽셀 크기는 기존 카메라에 비해 작지만 머신비전 애플리케이션에 중요한 두 가지 수치는 racer의 뛰어난 이미지 품질을 보증한다:
·다크 노이즈가 겨우 15일렉트론으로 매우 좋으며 다이내믹레인지는 66dB로 요즘 사용되는 CCD 센서와 비슷한 수준을 자랑한다. 낮은 조명에서도 사용이 가능하다는 점은 이미 입증되었으며 이는 낮은 조명을 다루는 라인스캔 애플리케이션에 특히 중요한 부분이다.
·거의 모든 범위에서 높은 감도를 획득할 수 있다. 이는 [도면 1]을 참고하면 된다.
이는 racer시리즈 카메라와 표준 조명(LED) 또는 비용 효율이 좋은 조명을 사용할 수 있도록 하여, 결과적으로 높은 전력의 조명에 들어가는 비용을 줄일 수 있음을 뜻한다.
CMOS 기술의 미래
Basler는 CMOS 기술이 머신비전 애플리케이션과 밀접한 관련을 맺고 있으며, 이 연관성은 더욱 높아져가고 있다고 판단한다. 제품의 규격이나 등급 혹은 애플리케이션에 따라 CCD 센서 대비 CMOS 센서 활용도는 달라진다. 예를 들어, 앞으로의 라인스캔 애플리케이션에 사용하는 카메라는 검사 속도를 높일 수 있다는 점으로 인해 주로 CMOS 기술을 사용하게 될 것이다. 이는 라인스캔 애플리케이션에서 매우 중요한 점이다.
이 외에도 라인스캔 CMOS 기술은 카메라 내부의 열 발생을 낮추며, 밝기가 약한 애플리케이션에서 높은 감도는 높은 다이내믹레인지는 물론 전체 이미지 품질에 영향을 준다. 뿐만 아니라 CMOS 기술은 앞으로 라인스캔 카메라의 가격을 무너뜨리는 주요 요인이 될 수 있다. 따라서 라인스캔에 CMOS 센서 기술을 접목시키는 것이 당분간의 추세이다.
에어리어스캔 애플리케이션, 특히 전자나 반도체 등의 고속 애플리케이션에도 CMOS가 적용되고 있다. 또, 교통 애플리케이션에서도 CMOS는 스미어/블루밍 현상이 없고 NIR의 감도가 좋다는 기술적인 장점 덕에 사랑받고 있다. 하지만 가장 좋은 점은 가격이 매력적이라는 것이다. 에어리어스캔 역시 특정 애플리케이션이 CCD 센서에서 CMOS 센서로 이동하고 있으며, 이는 앞으로 카메라 비용을 낮추는 요인이 될 것이다.
USB3 Vision의 동향
USB3.0 소개
슈퍼스피드 USB로 알려진 USB3.0 기술은 플러그 앤 플레이 범용 직렬 버스 사양의 다음 세대이다. USB2.0의 장점을 살리고 약점을 보완하여 개발되었다. 벌크 전송 방식을 사용하였을 때 USB3.0의 대역폭은 대략 400Mbytes/s이며 이것은 USB2.0의 열 배, IEEE 1394b의 다섯 배 수치이다. USB3.0 역시 대용량의 전력을 전송할 수 있는데, 기존의 USB2.0이 500mA에 불과했던 것에 비해 USB3.0은 900mA의 전력을 전송할 수 있다. 또한 파워 서플라이 없이 여러 장치를 작동시킬 수 있다는 점 역시 큰 장점이다.
최근 USB 기술은 에너지 관리 성능이 개선되는 등 여러 혁신적 움직임을 보였다. 대표적으로 USB3.0은 장치가 여러 가지 대기모드에서 중단모드로 전환할 수 있도록 하는데, 이렇게 함으로써 많은 양의 에너지를 절약할 수 있다.
USB3 Vision 표준
USB2.0은 수 년 동안 인정받고 사용자들에게 산업표준으로 광범위하게 사용되어왔다. 하지만 실제로 산업시장을 이끄는 역할을 하지는 못했다. 특히 이미지 처리 분야와는 불안한 관계를 가지고 있었다. 이렇게 된 이유 중 하나는 인터페이스와 상호운용을 정의하는 표준이 부족했기 때문이다.
이에 카메라, 케이블 및 소프트웨어 솔루션 등의 주요 제조업체가 USB3.0 인터페이스를 이미지 프로세싱 시장에 도입하기 위한 USB3 Vision 표준을 제정하고자 모였다. Basler는 이 표준의 기초를 다듬고 촉진하는 데에 중요한 역할을 맡았다. 표준이 세워졌을 때 장점 중 하나는 모든 사용자가 사용하고 있는 기술에 무엇이 관련되어 있는지를 완전히 알고 있다는 것이다. 소프트웨어 및 하드웨어를 서로 교환해 장착할 수 있을 정도로 유연하며, 이미지를 전송하는 중에 기능과 안정성 면에서 완전히 신뢰할 수 있다. 현재는 AIA(Automated Imaging Association)가 표준의 제정 및 규정 준수를 주관하고 있다.
위의 로고는 USB3 Vision 표준 공식 로고로, 제조하는 장치나 케이블의 엄격한 적합성 테스트를 거친 후 적절하게 등록한 제조업체만 사용할 수 있다.
도면 2는 USB3.0 Vision 표준 구조를 나타낸 것이다.
USB3.0 기술을 사용하면 최근 부상하고 있는 임베디드 시스템에 대한 상당한 이점을 갖게 된다. 또한 이미지 전송을 통해 호스트 측 소프트웨어를 완벽하게 제어할 수도 있게 된다. USB3 Vision 표준 역시 GenICam을 통해 레지스터에 읽고 쓰는 통신방식을 포함한다.
하드웨어
CameraLink나 GigE Vision과는 달리 USB3 Vision 표준은 케이블 연결이나 케이블의 다른 중요한 요구사항에 대해서도 정의하고 있다. 즉, 표준을 따르는 액세서리를 사용했을 경우 안전성과 신뢰성을 확보할 수 있다.
케이블 커넥터는 USB3 Vision에 정의되어 있지만 최대 케이블 길이는 정의되어 있지 않다. 표준은 대신 고주파 특성과 USB3.0 전압 강하를 일으킬 수 있는 케이블 길이의 상관관계에 대해 설명하고 있다. 이는 최대 5.3m 길이의 케이블이 USB3.0의 요구사양을 충족한다는 조사결과를 기반으로 하고 있다. Basler는 여러 제조사에서 만든 케이블들을 테스트하여 인증하며 스크류 잠금장치가 달려있는 10m 길이의 패시브 케이블을 공급한다.
소프트웨어
USB3 Vision에 부합하는 좋은 소프트웨어는 USB3.0를 더 쉽고 간단하게 사용할 수 있어야 한다. Basler의 pylon 소프트웨어는 USB3 Vision 카메라를 지원한다. pylon 드라이버 패키지의 내부 구조는 GenICam 기술에 기반을 두고 있어 최신 카메라 모델과 새로운 기능에 쉽게 접근할 수 있다.
모든 애플리케이션에서 카메라 교체는 기본적으로 플러그 앤 플레이 방식으로 이루어진다. pylon 뷰어는 USB3 Vision 드라이버, GigE Vision 필터 드라이버, IEEE 1394 드라이버, CameraLink 시리얼 통신 드라이버, pylon 뷰어 및 pylon SDK를 포함한다. pylon SDK를 이용해서 원하는 애플리케이션을 자유롭게 개발할 수 있다.
USB3 Vision 표준의 특징 및 장점
·낮은 CPU 점유 : Zero Copy 사용(Direct Memory Access: DMA 가능)이미지 검색에 필요한 매우 낮은 CPU 부하 유지
·가변 이미지 크기 : 사전에 이미지에 대한 정보를 호스트에 제공하여 가변 크기의 이미지 전송 가능
·낮은 지연시간/지터시간 : 양방향 통신이 가능하여 호스트는 지연 없이 언제든 작업을 시작
·시스템 안전성 : 케이블 및 기타 액세서리에 대한 요구사항의 일정한 정의는 데이터 전송중에 일어날 수 있는 기능 장애를 방지
위의 표는 GigE Vision과 IEEE 1394b, CameraLink와 USB3.0 인터페이스를 비교한 것이다.
결론과 전망
현재 머신비전 산업 안에는 다양한 인터페이스가 존재하고 있다. 하지만 디지털 산업용 카메라 인터페이스에 ‘하나로 모든것을 충족하는 것’은 있을 수 없다.
Gigabit Ethernet(GigE)
GigE 인터페이스는 대역폭·케이블 길이·멀티카메라 기능 등 많은 측면에서 가장 기술적인 유연성을 가지고 있다. 따라서 앞으로의 머신비전 시장에서도 특히 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 또 기존 대역폭을 10배 증가시키는 등 현재 표준에 대한 장점이 있는 만큼, 10기가빗 이더넷(10GigE)의 전망은 밝다. 간단히 말하자면, 오늘날의 GigE Vision 기반의 솔루션은 미래지향적인 높은 기술을 제공할 것이다.
CameraLink
CameraLink는 산업용 카메라의 모든 성능 범주를 통틀어 매우 강력한 인터페이스로 사용될 것이다. 오늘날 대부분의 카메라는 CameraLink를 통해 컴퓨터에 연결할 수 있는 버전으로 제공되고 있다. 그만큼 CameraLink의 수요가 높다는 뜻. 또한 CameraLink가 수용할 수 있는 대역폭은 각설탕 크기의 매우 작은 카메라에서 부터 수 메가픽셀의 해상도에 초당 수백 프레임의 속도를 갖는 카메라까지 다양하다. CameraLink는 속도가 빨라서 전송하는 데이터의 양이 큰 라인스캔 카메라의 표준 인터페이스로 자리매김했다.
FireWire
FireWire 인터페이스 카메라는 수 년 동안 사용되어 왔으며 그동안 수천 가지의 애플리케이션에 적용되어 사랑받고 있다. 비용 측면에서 FireWire 카메라는 매우 매력적이다. 그러나 이 기술은 수명 주기의 끝부분에 와있다. 액세서리는 GigE 카메라 액세서리에 비해 조금 비싸고 CameraLink의 주변장치에 비해 훨씬 적다. 하드웨어는 점점 비싸지고 구하기 어려워지고 있다. 또한 FireWire의 대역폭은 현재나 미래의 머신비전 시스템 요구사항(고해상도, 고속 또는 기타 이미지 포맷)을 따르기에 이미 부족하다.
USB3.0
위에서 말한 것처럼, USB3.0 카메라 인터페이스는 GigE인터페이스와 CameraLink 인터페이스 사이의 공간을 채우고 기존의 USB2.0과 FireWire 인터페이스를 대체하기 위해 개발되었다. USB3 Vision 표준은 그 중심 역할을 담당하게 될 확률이 높다. 즉 USB3.0을 사용하는 비전 시스템에서 안전성과 유연성을 사용자에게 제공할 수 있다.
Basler 카메라
지난 11월 6일부터 8일, 독일 슈투트가르트에서 열린 Vision 2012 전시회에서 Basler는 ace 에어리어스캔 카메라 시리즈에 USB3.0 인터페이스를 갖춘 10모델을 처음으로 공개했다. Basler ace 시리즈는 동급 모델 중에서 가장 인기 있는 베스트셀러 카메라 중 하나이며, USB3.0 인터페이스로 약 50종류의 모델을 출시할 예정이다. 모든 Basler ace 카메라는 GigE와 CameraLink 또는 USB3.0 등 모든 인터페이스에 대응하며, 어떤 인터페이스이건 뛰어난 이미지 품질과 가격 대비 성능을 제공한다.
Basler ace USB3.0 카메라는 IEEE1394에서 USB3.0으로의 전환을 부채질할 듯하다. ace USB3.0 카메라의 하우징은 29×29×29mm로 비슷한 사이즈의 이전 카메라, 특히 1394 또는 USB2.0 인터페이스 카메라와 교체가 용이하다. 카메라의 풋 프린트 이외에도 높은 대역폭이나, 실시간 처리 기능과 같은 기술적인 측면은 물론 센서를 선택할 수 있다는 점 등이 사용자의 카메라 교체 동향을 따르게 된다.
Basler는 이 첫 단계로, VGA부터 5메가픽셀의 해상도로 최대 초당 120프레임의 속도를 갖춘 카메라를 출시한다. 카메라는 최신 CCD 센서나 고품질의 Sony CCD 센서를 탑재한다. 중기적으로 ace 플랫폼에 여러 센서, 특히 주로 비용 효율이 좋은 CCD 센서를 결합한 모델을 출시할 예정이다. 이후에도 Basler는 뛰어난 가격 대비 성능비의 카메라를 계속 공급하고자 한다.
Balser에 대하여
Basler는 산업용 애플리케이션·의료장비·교통시스템·비디오감시 분야용 산업용 디지털카메라를 생산하는 기업이다. Basler는 산업 요구에 맞춰 제품을 디자인하며 쉬운 결합, 작은 크기, 우수한 이미지 품질 및 뛰어난 가격대 성능비 제품을 자랑한다. Basler는 1988년에 설립되어 머신비전 기술에 25년 이상의 경험을 가지고 있으며, 자사 기술만을 집적한 고품질 디지털카메라를 개발하고 제조한 지 십오 년을 맞았다. 현재는 300여명의 직원이 독일 아렌스버그의 본사를 비롯, 미국, 싱가포르, 타이완, 한국 지사에 근무하고 있다.
자료제공 | 바슬러(www.baslerweb.com)
