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최신 머신비전 인터페이스 표준 동향(1) 카메라 인터페이스 표준

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[첨단 헬로티]

 

 

머신비전 인터페이스 표준은 비전 기술에 적은 비용과 더 쉬운 사용을 가능하게 하는 다양한 전 세계 머신비전 표준의 포괄적 유형이다. 가이드라인은 다양한 인터페이스, 성능, 렌즈 마운트, 조명 및 시스템 적분기 표준이 포함되어 있다.
디지털 기술은 고속으로 가시광 및 비-가시광 에너지를 포착, 분석 및 사용하는 기능에 혁명을 일으키고 있다. 이에 따라서 제조 자동화, 공정 간소화 및 최적화, 그리고 물리적 환경에 대한 끊임없는 연구 개발을 가능하게 하는 비전 기술의 적용 확대가 가능하게 되었다.

 

1990년대 후반에 이러한 새로운 기술의 출현으로, 더 일반적인 비전 시스템 요소를 표준화함으로써 얻을 수 있는 큰 이점이 있음이 분명해 졌다. 이러한 이점으로 카메라 인터페이스 표준이 개발됨으로써, 비용이 절감되고, 시스템 설계/설치가 간단해지고, 구성품의 상호운용성이 가능하게 되었다.

 

이러한 첫 번째 예로서는 2000년의 Camera Link 표준이었으며, Camera Link HS, CoaXPress, GigE Vision 및 USB3 Vision과 같은 다른 표준으로 유도되었다. 또한 다양한 성능, 렌즈와 조명 표준이 개발되어 비전 기술이 급증하게 하였다.
가이드라인의 목적은 비전 기술이 제공하는 방대한 기회를 전달하여, 현재 작업을 보다 효율적으로 시행하고, 미래의 미개발 응용 프로그램을 찾아내는데 도움이 되도록 하기 위함이다. 앞으로 카메라 하드웨어 인터페이스 표준, 카메라 소프트웨어 인터페이스 표준, 카메라 성능 표준, 렌즈 마운트 표준, 조명 표준, 인더스트리4.0 표준, 시스템 통합(SI) 표준 등에 대해 살펴본다.


카메라 인터페이스 표준
카메라 인터페이스 표준은 카메라가 PC로 연결되는 방법을 성문화하여, 더 간단하고, 효율적인 비전 기술 사용이 가능한 정의된 모델을 제공한다. 비전 시스템은 흔히 다수의 제조업체가 제작한 카메라, 프레임 그래버 및 비전 라이브러리를 포함하는 다양한 구성품으로 구성되어 있다. 인터페이스 표준은 규정 준수 구성품이 매끄럽게 상호운용될 수 있도록 한다. 카메라 인터페이스 표준은 하드웨어와 소프트웨어의 2가지 그룹으로 나누어져 있다.

 

비전 애플리케이션은 카메라 검색과 연결, 카메라 구성, 카메라의 이미지 그래빙 그리고 카메라로 신호를 보낸 비동기식 이벤트의 처리라는 4가지 기본적인 과업을 요구한다.

 

그림2. 카메라 인터페이스 표준으로 제공되는 핵심 기능

 

두 개의 소프트웨어 레이어가 이러한 과업 처리에 도움을 준다. 첫 번째 레이어는 전송 레이어(TL: transport layer)로서, 카메라를 열거하고, 카메라의 저수준 레지스터로 접속하여, 장지의 스트림 데이터를 검색한 후 이벤트를 전달한다. 전송 레이어는 하드웨어 인터페이스 표준으로 통제된다. 인터페이스 형식에 따라서, 전송 레이어는 전용 프레임 그래버 (Camera Link, Camera Link HS, CoaXPress) 또는 버스 어댑터(FireWire, GigE Vision, USB3 Vision)가 필요하다.

 

두 번째 레이어는 이미지 획득 라이브러리이며, 소프트웨어 개발 키트(SDK)의 한 부분이다. SDK는 독립형 품목이 될 수 있으며, 프레임 그래버와 함께 제공되거나 이미지 처리 라이브러리에 있다. SDK는 전송 레이어를 사용하여 카메라 기능에 접속하고, 이미지를 그래빙할 수 있다.

 

다섯 가지의 기본적인 하드웨어 표준(Camera Link, Camera Link HS, CoaXPress, GigE Vision 및 USB3 Vision)과 두 가지의 기본적인 소프트웨어 인터페이스 표준(GenICam and IIDC2)이 있다.

 

하드웨어 인터페이스 표준에 따라 카메라는 어떤 드라이버 또는 프래임 그래버에 연결될 수 있다. 소프트웨어 인터페이스 표준의 프로그래밍 인터페이스는 개발자에 의해 직접 또는 다양한 비전 라이브러리에서 드라이버/SDK가 사용될 수 있도록 한다. 개발자는 표준 기반 SDK를 사용하면, 소프트웨어를 크게 변경하지 않고도, 카메라, 드라이버 또는 전체 인터페이스 기술을 변경할 수 있다.

 

 

 

카메라 링크(Camera Link)
Camera Link 표준은 2000년에 처음으로 출시되었다. 이 표준은 강건하고, 정교하게 설정된 통신 링크로서, 카메라와 프레임 그래버 사이에 연결을 표준화하였고, 데이터 전송, 직렬 통신 및 카메라로 실시간 신호 발송과 같은 장치를 포함하여 전체 인터페이스를 정의하였다.

 

Camera Link는 비-패킷 기반 프로토콜이며, 가장 간단한 카메라/프레임 그래버 상호 연결 표준을 유지한다. 현재는 버전 2.1으로서, 이 표준 명세서에는 Mini Camera Link 커넥터, 파워 오버 Camera Link(PoCL), PoCL-Lite(최소화된 PoCL 인터페이스 지원 기반 구성) 및 케이블 성능 명세서가 포함되어 있다.

 

속도: Camera Link는 실시간, 고속 통신용으로 구축되었다. 하나의 케이블에 255Mbytes/s 그리고 2개 케이블에 최대 850Mbytes/s의 높은 대역폭으로 지연 속도 문제 없이 빠른 이미지 전송을 보장한다.
수신기 장치: 프레임 그래버
케이블: Camera Link는 자체의 전용 케이블을 정의한다. 카메라와 프레임 그래버는 동일한 케이블을 사용하여 쉽게 호환될 수 있다. 최대 케이블 길이는 카메라 클록 속도에 따라 4 ~ 15 미터의 범위에 있다. Mini Camera Link는 공간이 문제일 때 작은 소음범위를 제공한다.
커넥터: MDR 26-핀 커넥터, SDR, HDR 26-핀 커넥터(Mini Camera Link); HDR 14-핀 커넥터 (PoCL-Lite).
카메라 전원 공급장치: PoCL을 사용함으로써, PoCL 카메라에는 Camera Link 케이블을 통하여 PoCL 프레임 그래버가 전원이 공급될 수 있다.
다른 구분자: Camera Link는 플러그 및 플래이 상호운용성을 위한 옵션형 GenlCam 지원 장치를 갖추고 있다. 최대 2개의 케이블을 사용할 수 있다.

 

표1. 카메라 링크(Camera Link) 주요 스펙

 

카메라 링크 HS(Camera Link HS)
Camera Link HS 표준은 2012년 5월에 출시되었으며, 도달거리로 확장할 수 있는 재고품 케이블을 사용하여 Camera Link를 향상시키고, 단일 저비용 섬유케이블을 사용하여 대역폭을 증가시켰다. Camera Link 기능에는 단일 비트 오류 면역 프로토콜, 16개의 양방향 다용도 입력 출력(GPIO) 신호, 동기화 다중 병렬 처리 프레임 그래버와 같은 시스템 수준 기능 및 호스트의 카메라 작동 모드에 대한 프레임별 제어장치가 포함되어 있다.

 

Camera Link HS는 X 프로토콜의 레인 당 10.3 Gbit/s 그리고 M 프로토콜로 레인 당 3.125 및 5.0 Gbits/s로 지원된다. 미-암호화된 VHSIC 하드웨어 설명 언어(VHDL: VHSIC Hardware Description Language) IP 코어를 이용할 수 있으므로, Camera Link HS를 원래 장비 제조업체(OEM)이나 고객 구현으로 통합 시 개발 위험과 상호 연결 문제를 감소시킬 수 있다.

 

Camera Link HS가 패킷 기반 프로토콜이라 하더라도, 300ns 범위의 지터 및 GPIO 지연속도 그리고 150ns의 일반적 지연속도인 IP 코어를 사용하여 ±3.2나노세컨드(ns)의 트리거 지터를 달성한다. 데이터 전달은 이웃 PC에 저비용 케이블 배선으로 달성되었다.

 

속도: Camera Link HS는 병렬 처리용으로 설계되었으며, 1200Mbytes/s(F2 fiber), 2100/3300Mbytes/s(C2 copper) 또는 8400Mbytes/s(C3 copper/fiber)의 케이블 당 효율적인 대역폭으로 1~8개의 케이블을 지원한다.
수신기 장치: 프레임 그래버
케이블: C2/C3 구리선–15m/2m; 플러그-온 능동형 광학 케이블(AOC)-100m; F2 (SFP+) 구리선/광섬유 케이블–5m/300m
커넥터: 구리 케이블: SFF-8470(InfiniBand 또는 CX4); 섬유 광학
케이블: 플러그-온 능동형 광학 또는 SFP+ 커넥터 카메라 전원 공급장치: 별도 커넥터
다른 구분자: FPGA로 직접 연결이 가능하다.

 

표2. 카메라 링크 HS(Camera Link HS) 주요 스펙

 

CoaXPress
CoaXPress(CXP) 표준은 2010년 12월에 출시되었다. 이 표준은 카메라와 프레임 그래버 사이에 고속 인터페이스를 제공하여, 케이블 길이를 더 길게 할 수 있도록 하였다. CoaXPress는 가장 간단한 형식으로서, 단일 동축 케이블을 사용하여, 최대 12.5Gbits/s으로 카메라에서 프래임 그래버로 데이터를 전송하고, 제어 데이터를 동시에 전송하며 최대 41.7Mbits/s으로 프레임 그래버에서 카메라로 트리거하여, 최대 13W의 전력을 카메라로 공급한다.

 

고속이 필요한 경우, 데이터를 공유하는 하나 이상의 동축 케이블이 있는 Link aggregation이 사용되었다. 버전 2.0은 프로토콜 강화 뿐만 아니라 10 및 12.5Gbit/s를 추가하였다.

 

속도: CoaXPress는 초고속 라인 스캔 카메라의 트리거를 포함하여 실시간 트리거를 지원한다. 카메라에 41.7Mbits/s 업링크를 장착함으로써 트리거 지연시간이 1.7마이크로세컨드(μs)이거나 또는 선택형 고속 업링크로, 트리거 지연 시간이 보통 150ns이다. CoaXPress는 하나의 케이블에 6개 링크로 최대 7.2Gbytes/s를 허용하는 중요한 헤드룸으로 시장에서 가장 빠른 카메라를 지원한다.
수신기 장치: 프레임 그래버
케이블: 1.25Gbits/s 링크 속도(CXP-1)에서, CoaXPress는 100m 이상의 케이블 길이를 지원한다. 3.125Gbits/s(CXP-3)에서, 최대 길이는 85m이다. 최대 12.5Gbits/s(CXP 6)에서라도, 7mm 직경의 25m 케이블을 사용할 수 있다. 더 긴 직경 케이블로 더 긴 길이도 가능하다.
커넥터: 소형 micro-BNC 및 광범위하게 사용하는 BNC 커넥터를 최대 12.5Gbit/s의 모든 속도에서 사용할 수 있다. 소형 DIN 1.0/2.3를 최대 6.25Gbit/s까지 사용할 수 있으며, 멀티웨이 커넥터로 결합할 수도 있다.
카메라 전원 공급장치: CoaXPress 케이블을 통하여 공급된다.
다른 구분자: GenApi, SFNC 및 GenTL(이미지 스트리밍 포함)을 포함하여 GenICam의 지원이 필수적이다. IIDC2 지원은 선택형이다.

 

표3. CoaXPress 주요 스펙

 

GigE Vision
GigE Vision 표준은 이더넷(IEEE 802.3) 통신 표준을 사용하여 개발되고, 광범위하게 채택하는 카메라 인터페이스 표준이다. 이 표준은 2006년 5월에 출시되었으며, 2010년(버전 1.2), 2011년(버전 2.0) 및 2018년(버전 2.1)으로 개정되었다.

 

GigE Vision은 다중 스트림 채널을 지원하며, 표준 이더넷 케이블을 사용하여 매우 긴 거리에 빠르고 오류없는 이미지 전송이 가능하다. 다양한 공급업자의 소프트웨어와 하드웨어가 다양한 데이터 전송 속도에서 이더넷 연결을 통하여 원활하게 상호 운용될 수 있다. IEEE 1588과 같은 다른 이더넷 표준의 장점을 이용하여 결정적인 트리거를 제공한다.

 

속도: 현재 1, 2.5, 5 및 10Gbits/s 시스템은 쉽게 이용할 수 있다.
수신기 장치: 거의 모든 PC 및 내장 시스템이 구축된 GigE 인터페이스가 장착된 PC(직접)에는 많은 상황에서 추가 인터페이스 카드(프레임 그래버)가 필요없다.
케이블: 카메라의 숫자 및 케이블에 따라서, GigE Vision에는 케이블 길이가 최대 100m(구리)까지 그리고 단일 카메라를 사용하여 5, 000m(섬유 광학)까지 가능하다.
커넥터: GigE Vision에 이용할 수 있는 커넥터: 구리선 이더넷, 비전 잠금 나사가 장착된 구리선 이더넷, 래치-잠금장치가 있는 구리선 이더넷, 환경 밀폐장치가 있는 구리선 이더넷, 10 Gigabit 이더넷 직접 부착 케이블, 이더넷 광섬유 케이블.
카메라 전원 공급장치: 이더넷 케이블 (POE)을 통하거나 외부에서 공급된다.
다른 구분자: 각 GigE 카메라는 자체 IP-주소를 갖추고 있어서, 동일한 네트워크에 작동할 수 있는 카메라 수에 제한이 없다.

 

표4. GigE Vision 주요 스펙

 

USB3 Vision
USB3 Vision 표준은 2011년 후반에 출시되었으며, 2013년 1월에 버전 1.0이 발행되었다. 이 표준은 새로운 표준이므로, 머신비전 산업은 USB 기술에 익숙하지 않다. USB 인터페이스는 광범위한 수준의 소비자 인지도, 간편한 플러그 앤 플레이 설치 및 높은 수준의 성능을 제공한다. 많은 회사의 전문지식이 결합되어, 머신비전 산업에 다양한 요구를 수용하는 표준을 생성하였다.

 

이러한 방법은 기성품 USB 호스트 하드웨어 및 거의 모든 운영 체계가 하드웨어 직접 메모리 액세스(DMA: hardware direct memory access) 기능의 장점을 이용하여, 이미지를 카메라에서 사용자 버퍼로 직접 전송할 수 있도록 하였다. GenICam 표준의 카메라 제어 개념을 이용하면 최종 사용자는 USB3 Vision을 기존 시스템으로 쉽게 구현할 수 있다.

 

기능(USB 3.2으로 최대 20Gbit/s의 전송 가능)을 추가하고 속도를 향상시키는 USB 표준의 동시 업데이트에 대하여 USB-IF 기구가 설정한 실적에 따라서, USB3 Vision은 이러한 개선의 장점을 지속적으로 활용할 것이다.

 

속도: 이 표준은 USB 3.0의 고유한 측면을 기반으로 하여, 400Mbytes/s 이상의 엔드투엔드 데이터 신뢰성을 제공한다. 이 전송 속도는 USB 3.1과 3.2에서 표준화된 10Gbit/s 및 20Gbit/s 속도로 추가로 향상되었다.
수신기 장치: PC(직접). 거의 모든 PC 및 내장 시스템에 USB 인터페이스를 구축함으로써, 많은 상황에서 추가 인터페이스 카드(프레임 그래버)가 필요없다.
케이블: 표준 피동형 구리 케이블 3~5m, 능동형 구리 케이블 8+m, 다중 모드 광섬유 케이블 100m
커넥터: USB3 Vision 형식 커넥터: 호스트 측면(표준 A 잠금장치) 및 장치 측면(마이크로-B 잠금장치). 잠금장치 형식-C 커넥터도 USB 표준으로 정의되었으며, 호스트나 장치가 선택적으로 사용한다.
카메라 전원 공급장치: 표준 피동형 구리 케이블 4.5W(5V, 950 mA)을 통하여 최대로 공급된다. 능동형 케이블 솔루션을 통한 전원 공급장치는 다양하다.
다른 구분자: 이미지 전송 성능과 유사한 프레임 그래버

 

표5. USB3 Vision 주요 스펙

 

표6, 카메라 하드웨어 인터페이스 표준 요약 (1)

 

 표6, 카메라 하드웨어 인터페이스 표준 요약 (2)











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