멀티 카메라 시스템용 인터페이스 및 PC 카드 비교
Basler
1. 멀티 카메라 시스템용 카메라 인터페이스
PC 카드와 카메라를 함께 사용할 경우, 사용자는 인터페이스를 선택하게 된다. 이 중 가장 중요한 것은 USB 3.0, CXP 2.0 및 GigE(기가빗 이더넷)이다. 이러한 인터페이스 각각에는 고유한 장점과 단점이 있으므로 애플리케이션 분야에 따라 적절한 인터페이스를 선택해야 한다.
본문은 멀티 카메라 시스템과 관련하여 이러한 장단점을 살펴보고 해당 시스템에 가장 유리한 인터페이스를 정의한다. 아울러 멀티 카메라 시스템에서 가장 중요한 구성 요소인 PC 카드에 대해서도 논의한다. PC 카드는 카메라에 대한 인터페이스를 형성하고 원활한 이미지 수집 및 전송을 위해 설치되어 아날로그 카메라 신호를 디지털화한다.
1.1 CoaXPress 2.0
CoaXPress(CXP)는 최근 몇 년 사이에 산업용 이미지 처리의 새로운 표준으로 자리 잡았다. 2008년에 발표되어 현재 10년 넘게 구축되어 온 CoaXPress 인터페이스를 사용자가 선택했다면, 반드시 CXP-12 인터페이스 카드 또는 CXP-12 프레임 그래버를 사용해야 한다.
이 둘의 차이점은 가격과 기술 설계에 있다. 예를 들어 프레임 그래버에는 사전 처리 및 기타 이미지 처리 기능이 포함되어 있기 때문에 기술적으로 더욱 정교하다. 대부분의 애플리케이션에서는 카메라가 여러 대인 경우에도 저렴한 인터페이스 카드만으로 충분하다.
CXP 인터페이스는 빠른 속도 또는 높은 해상도 및 실시간 동작이 필요한 애플리케이션에 최적으로 사용할 수 있다. 즉, CoaXPress2.0은 높은 데이터 속도와 지연 시간을 달성할 수 있다. 사용자는 CoaXPress 2.0과 같은 고속 인터페이스를 통해 최신 이미지 센서의 기능을 최대한 활용하고 애플리케이션에서 최대 성능을 구현할 수 있다. 이 인터페이스의 장단점을 요약하면 다음과 같다.
장점
* 매우 높은 대역폭(채널당 12.5Gbps)으로 CoaXPress 구성 요소들을 플러그앤플레이 연결
* 최대 40 미터의 케이블 길이를 높은 대역폭으로 사용 가능
* 데이터 전송 및 동축 케이블을 통한 전원 공급으로 카메라와 PC 간의 연결 설정
* 프레임 그래버 기술을 사용된 카메라와 결합하여 매우 짧은 지연시간으로 멀티 카메라 시스템(4대의 카메라로 제한)에서도 매우 정밀한 카메라 동기화 가능
단점
* 프레임 그래버등과 같이 인터페이스 기술에 필요한 개별 구성 요소는 비용이 많이 들기 때문에 전체 시스템 비용이 상승할 수 있음.
* CXP 카메라는 크기가 더 큼. 소형인 USB 3.0 또는 GigE 카메라에 비해 크기가 큰 경향이 있음. 이는 빠른 속도로 작동하여 더욱 많은 열을 발생시키는 센서의 크기가 상대적으로 크기 때문임.
1.2 USB 3.0
USB3 Vision 표준은 2013년 초에 출시됐다. USB 3.0은 산업용 이미지 처리 애플리케이션에 적합하게 만들기 위해 필요한 모든 요소를 정의한다. 이 표준은 커넥터 및 케이블 특성 외에도 USB 3.0 장치와 USB 3.0 호환 소프트웨어 간의 통신에 대해 설명한다. USB 3.0는 소비자 시장에서 널리 사용되는 표준으로 인정받았기 때문에 대부분의 하드웨어는 USB 3.0을 지원한다. 이 인터페이스의 주요 장단점을 요약하면 다음과 같다.
장점
* 350 MBps 이상의 높은 대역폭
* 별도의 프레임 그래버로 인한 추가 비용 발생 없음.
* 플러그 앤 플레이, 특히 다양한 PC 설정을 기반으로 하는 애플리케이션에 대해 많은 유연성 제공
* USB 3.0 하드웨어를 광범위하게 사용 가능. PC에서 가장 작은 PC 카드에 이르기까지 최신 디바이스는 대부분 USB 3.0 임베디드 연결을 갖추고 있음.
* 낮은 CPU 부하
* USB3 Vision 표준
* 비용 효율성
단점
* 멀티 카메라 시스템이 가능하지만 최대 대역폭은 개별 카메라에 의해 제한됨. 이로 인해 4대 이상인 복잡한 멀티 카메라 시스템을 구현하기가 어려움.
* 최대 8m의 짧은 케이블 길이
1.3 GigE Vision
기가빗 이더넷(GigE)은 2006년부터 산업용 이미지 처리 부문에서 확립된 표준이다. 설치된 애플리케이션 수로 측정하면 현재 산업용 카메라에서 가장 빠르게 성장하는 인터페이스 기술이다. 기가빗 이더넷의 인기 비결은 주요 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 기능 때문이다. 기존 인터페이스에서 문제였던 케이블 길이 제한은, 멀티 카메라 시스템에 유리한 기가빗 이더넷에서는 문제가 되지 않는다.
또한 여러 대의 카메라를 하나의 PC와 결합하는 것은 훨씬 간편하고 비용 효율적이다. 또한 이 인터페이스 기술은 기존 IT에서 널리 사용되기 때문에 표준 구성 요소뿐만 아니라 풍부한 노하우가 존재한다. 기가빗 이더넷은 제조업부터 멀티 카메라시스템이 자주 사용되는 지능형 트래픽 시스템에 이르기까지 수많은 이미지 처리의 분야에서 이미 지배적으로 사용되고 있다. 이 인터페이스의 장단점을 요약하면 다음과 같다.
장점
* 멀티 카메라 시스템을 위한 간단한 인프라와 최소한의 하드웨어요구 사항
* 1Gbps에서 최대 10Gbps까지의 데이터 전송 속도
* 향후 높은 요구 사항을 위한 확장성
* PoE(Power over Ethernet)를 통한 단일 케이블 솔루션과 최대 100 미터의 최대 케이블 길이 이용 가능. 추가 네트워크 구성요소(예: 스위치)를 연결하여 확장 가능
* PTP(Precision Time Protocol)를 통해 추가 케이블을 연결하지 않고도 카메라를 동기식 또는 실시간으로 작동 가능
* 프레임 그래버 불필요
* GigE Vision 표준
* 비용 효율성
단점
* 이미지 획득에 필요한 CPU로드는 일반적으로 약 10~15%이지만, 머신 비전에 최적화된 드라이버 및 설정을 사용할 경우 CPU부하가 3~8%로 최소화 될 수 있음.
2. GigE Vision과 가능한 조합
제시된 세 가지 인터페이스 기술 중 GigE Vision 인터페이스는 더욱 단순한 인프라, 최대 케이블 길이 및 비용 효율성으로 인해 멀티 카메라 시스템에 가장 적합한 기술이다. 그러나 여러 대의 카메라를 사용하기 위해서는 적절한 수의 포트가 포함된 데이터 전송 속도를 지원하는 PC 카드가 필요하다.
기존 PC에는 대부분 기계 제어를 위해 사용되는 GigE 포트가 하나만 설치되어 있기 때문에 이러한 카드는 멀티 카메라 시나리오에서 반드시 필요한 요소이다. 또한 머신 비전 카메라에는 연결된 포트에 대한 전체 대역폭이 필요하다. 따라서 포트의 대역폭으로 인해 분배기(일반적으로 스위치)를 사용하여 여러 대의 카메라를 PC의 포트에 연결하는 방식은 사용할 수 없다. 앞에서 언급한 PC 카드는 하나의 포트에서 더욱 높은 대역폭을 지원할 수 있어 이러한 문제에 대한 해결책을 제공한다.
따라서 1Gbit 및 1, 2 또는 4개의 포트가 포함된 GigE 인터페이스 카드는 일반적으로 머신 비전용 PC 카드로 사용된다. 드물지만 사용자는 많은 포트를 제공하는 인터페이스 카드를 사용할 수 있다. 따라서 단일 인터페이스 카드는 시스템 오류를 유발할 수 있는 추가 네트워크 구성 요소를 제거하여 시스템 복잡성을 크게 줄일 수 있다. 또한 PoE 기능을 사용하면 단일 케이블 솔루션을 구현할 수 있으므로 애플리케이션에 복잡한 전원 공급 장치가 필요하지 않다.
따라서 이 시스템은 USB 카메라 설정처럼 다루기 쉬우며 GigE 인터페이스의 추가적인 장점을 제공한다. 1Gbit 인터페이스 카드 외에 10Gbit 인터페이스 카드도 시중에서 구할 수 있다. 예를 들어 최대 대역폭, 즉 최고 속도로 10대의 1Gbit 카메라를 작동할 수 있다. 스위치를 연결하면 카메라가 10대 이상인 카메라 설정을 실현할 수도 있다.
또한 산업용 카메라 제조업체는 이미 빠른 인터페이스 기술을 점점 많이 사용하고 있으며 가까운 장래에 더욱 늘어날 것이다. 1Gbit 이상의 카메라는 해당 10Gbit 인터페이스 카드와 함께 사용할 수 있으므로 카메라의 전체 성능을 활용할 수 있다.
현재는 머신 비전 요구 사항을 충족하는 5Gbit 인터페이스 카드가 없기 때문에 대부분의 경우 사용자는 이전 버전과의 호환이 필요한 이 시나리오에 10Gbit 인터페이스 카드를 사용한다. 그러나 두 개의 포트가 있는 10Gbit 인터페이스 카드를 사용하면, 여러 GigE 카메라를 최대 성능으로 사용할 수 있으므로 실제 문제가 되지 않다.
3. 애플리케이션 시나리오
멀티 카메라 설정에서 GigE 카메라를 사용할 경우, 다른 시나리오도 발생할 수 있다. 1~4대의 카메라가 있는 애플리케이션에서는 트리거 케이블을 사용하여 카메라에 전원을 공급할 수 있다. 즉, 인터페이스 카드의 PoE 기능이 더 이상 절대적으로 필요하지 않게 된다.
반면 5~8대의 카메라를 사용하는 경우에는 트리거링이 소프트웨어를 통해 제어되므로 인터페이스 카드의 PoE 기능이 활용되어 하나의 케이블만으로 카메라에 전원을 공급할 수 있다. 물론 소프트웨어를 통한 트리거링 작업은 4대 미만의 카메라에서도 사용할 수 있다. 그러나 이러한 설정에서는 시스템 복잡도가 낮기 때문에, 사용자는 추가 트리거 케이블을 사용하고 PoE 기능을 필요로 하지 않는다.
1개의 포트가 포함된 10GigE 인터페이스 카드와 10GigE 스위치가 결합된 경우 최대 10대의 1Gbit 카메라를 사용할 수 있다. 마찬가지로, 이러한 결합 방식은 2개의 포트가 포함된 10GigE 인터페이스 카드로 최대 20대의 카메라를 연결하는 경우에도 적용된다.
4. 활용 사례
3D 삼각 측량, 스포츠 및 모션 애플리케이션, 품질 검사 및 조립 라인 애플리케이션 등 여러 대의 카메라를 사용해야 하는 경우가 많다. 축구 경기에서 골 장면을 캡처할 때에는 정확하게 정의된 지점에서 여러 이미지를 캡처하는 것이 중요할 수 있다.
4.1 철도 검사
철도 선로에 대한 정기 검사는 철도 교통의 안전을 보장하기 위해 중요하다. 현대의 철도 회사에서 사용하는 많은 검사 기술 중에서 녹화된 철도 이미지를 기반으로 하는 초음파 검사는 특히 유용하고 신뢰할 수 있는 방법이다. 검사를 수행하는 검사 차량에는 GigE 카메라 4대가 설치되어 상단과 측면에서 선로를 검사한 후 불량 여부를 확인한다. 멀티 카메라 설정은 열차의 품질 관리 작업에도 사용되며, 이 작업은 움직이는 열차의 개별 탑승칸과 바퀴에 결함이 있는지를 확인한다.
이 애플리케이션 예제에서 화물 열차는 50~60km/h의 속도로 선로를 따라 이동하며 3개의 GigE 카메라(노반(rail bed)에 설치된 카메라 1대와 선로 옆에 설치된 카메라 2대)를 통해 결함 여부에 대한 검사가 진행된다. 캡처된 차대와 바퀴의 이미지는 전문가가 이미지의 장애 및 결함을 면밀히 검사하는 제어실로 전송된다. GigE 인터페이스가 있는 카메라를 사용하는 과정에서 결정적인 요소는 검사 시스템과 제어실을 쉽게 연결할 수 있는 긴 케이블이다.
4.2 스포츠 애플리케이션
카메라 기반의 전산화된 테니스 분석 시스템은 모든 수준의 테니스 선수가 경기 능력을 향상시킬 수 있도록 도와준다. 이 시스템은 5대의 카메라를 사용하여 게임 또는 교육 세션의 모든 측면을 디지털 방식으로 기록한다. 카메라는 공과 선수의 모든 움직임을 캡처 및 기록하고 각 장면을 자동으로 분류한다.
프로 축구를 위해 특별히 설계된 강력한 비디오 및 통계 분석 프로그램은 필드의 모든 인치를 캡처하는 3대의 GigE 카메라를 사용한다. 그 다음에는 독점 소프트웨어가 3개의 이미지를 코너 별로 구분된 하나의 고해상도 실시간 필드 보기로 매끄럽게 결합한다.
그 결과 모든 필드를 포함하는 초고해상도 비디오가 생성되고 팬 및 줌 기능이 포함되어, 사용자가 표시된 비디오를 완벽하게 제어할 수 있다.
4.3 어셈블리 라인 애플리케이션
이 자동차 애플리케이션에서 소프트웨어는 이미지를 분석하고 물체의 크기를 확인하며 모든 구성 요소가 제대로 있는지 확인한다. 검사 환경은 벽, 바닥 및 천장에 수십 대(최대 100대)의 GigE 카메라가 설치된 검은 방 또는 캐비닛으로 구성된다. 예를 들어 전면 프레임과 같은 검사 대상 오브젝트는 생산 라인에서 캐비닛으로 이동된다.
카메라는 캐비닛에 최적으로 설계된 조명을 사용하여 모든 측면에서 물체를 촬영한다. 각 카메라와 LED 조명이 정확하게 정의된 주기에 따라 작업을 수행하기 때문에 이미징 프로세스에는 몇 초 밖에 소요되지 않다.
PoE(Power-over-Ethernet) 인터페이스는 필요한 케이블 수를 줄이고 유지관리 및 설치 작업을 단순화한다. 수십 대의 카메라는 GigE 전송을 통해 단일 소프트웨어로 제어된다. 1초도 안 되는 짧은 시간 내에 프로그래밍이 가능한 빠른 전자 셔터 속도는 빠르게 움직이는 생산 라인에서 효과적인 이미징 애플리케이션이 이루어지도록 한다.
4.4 물류
인터넷 거래, 경제적인 생산 및 효율성이 점점 향상되는 현시대에는 신속하고 적시에 이뤄지는 상품 배송이 중요하다. 빠르고 안정적인 물류는 부가가치 프로세스 영역에서 회사의 핵심 구성 요소에 해당한다. 자동화된 시스템은 상품의 발송 및 배송, 그리고 재료 공급 프로세스를 보다 빠르고 안정적으로 만드는 데 많은 도움을 준다. GigE 인터페이스는, 최대 100미터의 케이블 길이로 이 애플리케이션에 이상적이다. 또한 멀티 카메라 시스템은 대형 창고에서 매우 효율적으로 사용할 수 있으며 다양한 프로세스를 최적화할 수 있다.
4.5 소매
소매 산업에는 안정적인 카메라 기술이 필요하다. 카메라 시스템은 역 자동 판매기 또는 현금 인출기 등에서 다양한 방식으로 사용할 수 있다. 멀티 카메라 설정은 고객 번호 및 특성 기록 기능도 지원한다. 따라서 소매 부문에서는 카메라를 사용하여 어떤 고객이 어느 지점에 오래 멈춰 있는지, 어떤 포스터를 더 오래 보며, 어떤 항목을 가지고 시간을 보내고, 어떤 상품을 무시하고 지나가는 지를 추적한다.
소매업체는 획득한 데이터를 사용하여 매장에서 상품 진열을 최적화하고 궁극적으로 많은 구매자를 유치한다. 계산원 없이 고객이 자동판매기에서 스스로 결제하는 셀프 체크아웃 시스템으로의 전환 추세가 증가하고 있다. 카메라는 고객인식 및 결제를 처리한다. GigE 인터페이스 기술은 멀티 카메라 시스템의 단순한 인프라와 애플리케이션에 필요한 긴 케이블로 이러한 수요에 선제적으로 대응하고 있다.
5. 결론 및 전망
기가빗 이더넷은 케이블 길이 및 멀티 카메라 기능에서 유연성이 가장 뛰어난 인터페이스이다. 따라서 다양한 유형의 애플리케이션에서 계속 중요한 역할을 할 것이다. 따라서 인터페이스 카드는 전반적인 애플리케이션에서 매우 중요하다. GigE 카메라 및 인터페이스 카드를 선택하고, 사용할 때에는 시스템의 품질을 보장하기 위해 GigEVision 표준을 적용하고 이를 준수하는 것이 중요하다. 머신 비전 애플리케이션의 높은 요구 사항을 충족하기 위해서는 테스트 및 승인이 완료된 제품을 사용하는 것이 핵심이다.
다만 산업용 카메라를 위한 궁극적인 만능 솔루션은 존재하지 않는 다는 것을 유념해야 한다. GigE, USB 및 CoaXPress는 아마도 미래의 인터페이스 환경을 지배할 것이지만 일부 애플리케이션에는 특정한 인터페이스 기술이 필요할 것이다. 이때 인터페이스 어드바이저와 같은 선택 툴은 시스템에 적합한 인터페이스를 선택하는 데 도움이 된다. 또 다른 도구인 비전 솔루션 가이드는 애플리케이션에 적합한 카메라와 PC 카드와 같은 호환 가능한 구성 요소를 선택할 수 있도록 지원한다.
호환 가능한 PC 카드 선택 요령
* PC의 온보드 호스트 컨트롤러가 이미 주변 디바이스에 의해 사용되고 있는 경우 오작동을 방지하기 위해 전용 PC 카드를 사용하는 것이 좋다.
* 제조업체에서 테스트하고 승인을 완료한 드라이버를 사용한다.
* PC 카드의 전용 칩셋은 컴퓨터의 연산 자원을 절약할 수 있다.
* 일부 PC 카드는 카메라에 직접 전기를 공급한다. 이렇게 하면 추가 케이블과 전원 어댑터가 필요하지 않다.
자료 제공: Basler(www.baslerweb.com)
