머신 비전 솔루션의 최적화 - GigE Vision
Emergent Vision
GigE Vision의 큰 장점은 높은 데이터 및 프레임 속도, 낮은 CPU 오버헤드, 케이블 길이 옵션, 경제성 및 단순성 등이다. 머신 비전 애플리케이션의 고속 솔루션에 대한 수요로 인해, 제조업체는 구성 요소에 대한 다양한 선택을 할 수 있다. 프레임 그래버는 하나의 옵션이다.
그러나 기존 고속 네트워크 카드 기술로 드라이버 수준을 변경하면 프레임 그래버의 기반기술과 동일한 성능과 저렴한 비용으로 100GigE 이상의 속도를 달성할 수 있다. 본문은 GigE Vision 카메라의 간략한 타임라인(즉, 인터페이스의 세부 사항, 장점 및 이점)과 10GigE ~ 100GigE를 사용하여 제조 및 기타 분야에서 머신 비전 솔루션의 최첨단을 유지하는 방법을 소개한다.
GigE 카메라 진화에 대한 배경
Emergent Vision Technologies는 2010년 10GigE 인터페이스를 갖춘 최초의 카메라를 출시해 업계의 주목을 받았다. 이어 2018년 최초의 25GigE 카메라를, 2020년에는 100GigE 카메라를 연이어 출시했다(그림 1).
오늘날 많은 GigE Vision 솔루션과 액세서리를 선택할 수 있다. 일반적으로, 카메라는 해상도와 프레임 속도에 좌우되며 이는 고속 이미징 애플리케이션을 정의하는 요인이다. 악세서리와의 통합도 이미지 획득 프레임워크에서 중요한 역할을 한다. 우수한 머신 비전 기술 회사는 솔루션에 대한 완전한 이해를 제공하고 초고속 애플리케이션을 제공하기 위해 잘 테스트된 아키텍처에 대한 조언을 제공한다.
기존의 GigE를 최적화
기존의 GigE 프레임 획득 모델이 그림 2에 나와 있다. 1 GigE가 최적이 아닌 경우, 고성능 드라이버 구현을 위해 Intel PRO/1000 기반 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 선호된다. 그림 3에 표시된 최적화된 GigE 모델은 RDMA(Remote Direct Memory Access) 및 RoCE(RDMA over converged Ethernet)를 제공한다. 이 시스템은 CoaXPress(CXP)와 동일한 낮은 지터 및 대기 시간으로 낮은 CPU 사용량과 프레임을 제공한다.
RDMA에 최적화된 GigE 모델은 원격 운영 체제 및 CPU를 사용하지 않고, 한 호스트(스토리지 또는 컴퓨터)의 메모리에서 다른 호스트의 메모리로 직접 접근한다. RoCE는 이더넷 네트워크를 통한 RDMA의 효율적인 데이터 전송을 가능하게 하는 표준 프로토콜로서 하드웨어 RDMA 엔진 구현으로 오프로드 전송을 한다. 이 설계 네트워크는 낮은 대기 시간과 CPU 부하 및 높은 대역폭으로 성능을 최적화한다.
GigE 비전의 장점
IEEE 표준화와 GigE 솔루션의 성공으로 제조업체는 하드웨어, 소프트웨어 및 액세서리에 대한 많은 옵션을 갖게 되었다. 예를 들어, GigE Vision 솔루션은 기성품 NIC 또는 FPGA 카드를 사용하여 100GigE 카메라에 직접 연결할 수 있으므로 시스템의 복잡성을 줄인다. 이미징 시스템 설계에서 핵심은 보다 발전된 머신 비전에 대한 요구이다.
예를 들어, 그래픽 처리 장치(GPU)는 빠른 속도, 3D 이미징 및 딥 러닝과 관련된 애플리케이션에서 사용이 증가됐다. GPU를 통합하면 AI 솔루션을 도입하여 고급 이미징 시스템을 구동할 수 있다. AI 처리 기술의 주요 발전은 NIC와 GPU를 하나의 카드 솔루션으로 결합한 NVIDIA의 BlueField-2이다. 이러한 혁신은 머신 비전 및 이미징 기술의 기능을 계속 발전시키고 확장한다.
GPU는 빠른 데이터 전송 및 증가하는 프레임 속도를 지원한다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 듀얼 NIC와 NVIDIA Xavier GPU가 있는 2개의 25GigE 카메라는 드론 시스템 배포를 위한 정확한 아키텍처를 제공한다.
이미징 솔루션이 공장에서 이동됨에 따라 복잡성을 줄이는 GigE Vision의 능력은 OEM에게 중요해졌다. 또한 저렴한 범용 트랜시버 부품을 제공하는 SFP+(10G), SFP28(25G) 및 QSFP28(100G)을 통해 단일 모드 광섬유는 최대 10km 이상을 실행할 수 있다. 케이블 길이는 감시, 운송 및 스포츠 기술과 같이 카메라가 PC에서 멀리 떨어져 있어야 하는 애플리케이션에서 매우 중요하다.
GigE 카메라의 이점은 다음과 같다.
•‣ 초고속 데이터 및 프레임 속도
•‣ 장거리를 커버할 수 있는 액세서리 및 케이블링 옵션
•‣ PTP(정밀 시간 프로토콜)와 카메라 동기화
•‣ 카메라 멀티플렉싱 및 멀티캐스팅, 낮은 CPU 오버헤드, 낮은 대기 시간 및 지터
•‣ IEEE 표준화로 인한 강력한 업계간 수용
•‣ 경쟁력 있는 비용 및 성능
실제 사례 및 비교: GigE Vision vs CoaXPress
그림 5의 GigE Vision 솔루션은 24개의 10GigE 카메라, PTP 동기화를 위한 스위치, 이중 100G 링크로 24개의 카메라를 다중화하고 이미지 프레임을 시스템 메모리에 배치하기 위한 단일 슬롯 100G 이중 NIC를 보여준다. 동등한 CXP 시스템에는 3개의 8진수 프레임 그래버가 필요하다. 이 예에서 10GigE와 CXP6의 차이점은 표 1에 나와 있다.
그림 6의 또 다른 실제 배포는 12개의 25GigE 카메라, 스위치 및 이중 100G NIC를 보여준다. CXP 시스템이 이 설정과 동일한 수준의 성능을 달성하려면 12개의 CXP12 카메라와 3개의 개별 CXP12 프레임 그래버가 필요하다. 먼 거리를 위해 광섬유 CXP 옵션을 배포하려는 사람들은 BOM에 6개의 광섬유 어댑터를 추가해야 하므로 프로젝트의 총비용이 더욱 증가한다.
그림 7의 또 다른 예에서는 듀얼 100G NIC에 연결된 2개의 100GigE 카메라로 구성된 GigE Vision 설정과 동일하도록 4개의 CXP-12 프레임 그래버와 함께 각각 8개의 포트가 있는 2개의 CXP12 카메라가 필요하다.
여러 대의 카메라로 작업할 때 정밀 타이밍 및 타임스탬프는 외부 트리거 없이도 이미징 시스템이 내부 시간 기반 명령을 기반으로 예약 및 동기화된 동시 수집을 실행하는 데 도움이 된다. 많은 이미지와 데이터를 단일 스트림으로 결합하려면 컴퓨팅 및 처리 능력이 필요하다. GigE 카메라 및 액세서리는 여러 대의 카메라를 실시간으로 정확한 스트림으로 결합한다. 저렴한 이더넷 스위치의 가용성은 시스템 설계자가 1us에 다중 카메라 동기화를 위해 IEEE1588 PTP를 활성화할 수 있는 간단한 방법을 제공한다.
트리거 옵션이 있으면 GigE 카메라 애플리케이션을 통합하고 확장하는 데 도움이 된다. 예를 들어 고객이 NIC에서 카메라를 트리거한다면 Emergent에는 전면 패널 트리거 포트가 있는 자체 듀얼 포트 25Gb NIC 및 단일 포트 100Gb NIC가 있다. 또한 앞서 언급한 FPGA 카드에도 IO 포트 기능이 있다.
소프트웨어를 통한 GigE 통합 및 운영
GigE가 업계에서 널리 채택되면서 고려해야 할 소프트웨어 옵션이 많이 있다. 한 가지 예는 미리보기, 캡처 및 저장을 위한 모든 카메라 기능을 제어하는 eCapture 무료 뷰어 소프트웨어이다. 고급 기능에는 관심 영역(AOI), 통합 제어 및 밝기, 감마 및 프레임 속도 제어를 포함한 표준 처리 기능이 있다.
eSDK 소프트웨어 개발 키트를 사용하면 최종 사용자, 시스템 통합업체 및 OEM이 Emergent Vision Technologies 카메라를 자체 소프트웨어 및 장비에 통합할 수 있다. Emergent는 또한 개발 리소스가 제한적이거나 초고속 비전 기술에 대한 전문 지식이 없는 사용자를 위해 AOI 및 체적 캡처와 같은 다양한 애플리케이션을 위한 턴키 소프트웨어인 eCapture Pro를 제공한다.
미래의 고속 이미징 인터페이스
이미징 속도의 발전은 고속 애플리케이션를 위한 새로운 이미지 센서의 출현에 의해 주도된다. 많은 애플리케이션은 고해상도 이미지가 필요하다. 가장 빠른 인터페이스가 없으면 프레임 속도가 요구 사항을 충족하지 못할 수 있다. 10GigE, 25GigE, 50GigE 및 100GigE와 같은 인터페이스는 가상 현실, 체적 캡처, 스포츠 분석 및 자동 광학 검사와 같은 애플리케이션의 고해상도, 고속 요구 사항을 충족한다.
GigE Vision의 추가 이점으로는 낮은 서버 활용도, 단순화된 시스템 아키텍처, 멀티캐스트 비디오 기술, 경쟁력 있는 비용 및 성능, 출시 기간 단축 등이 있다. 이러한 이점을 통해 GigE Vision 솔루션은 여러 산업 분야에 걸쳐 이미징 애플리케이션을 확장할 수 있었다.
자료 제공: Emergent(www.emergent.com)
