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머신 비전 인터페이스 개요

서론

지난 수십 년간 다수의 머신 비전 인터페이스가 개발되었습니다. 이러한 인터페이스를 정의하고 유지하기 위해 전 세계의 다양한 연구 그룹과 위원회가 조직되었습니다. 이 그룹은 카메라, 프레임 그래버, PC 등을 제조하는 기업의 요구 사항을 해결하는 데 중점을 두고 동시에 머신 비전 시장의 애플리케이션별 요구 사항을 충족하기 위해 노력했습니다.

시간이 지남에 따라 Firewire(1996년 출시), Camera Link(2000년 출시), GigE Vision(2006년 출시), USB3 Vision(2013년 1월 출시), CoaXPress(2010년 출시)를 위한 IIDC 표준과 같은 비전 표준이 개발되었습니다. 최근 몇 년 동안 임베디드 비전용 MIPI CSI 인터페이스는 임베디드 시스템을 기반으로 하는 완전히 새로운 미래 애플리케이션을 지원하기 위해 속도를 높이고 있습니다.

본 가이드는 머신 비전에서 많이 사용되는 인터페이스에 대한 개요 및 몇 가지 주요 특장점, 과제, 일반적인 애플리케이션에 대한 정보를 제공합니다. PCI Express 및 HDMI 인터페이스와 같은 일부 매우 특별한 카메라용 인터페이스에 대한 정보는 본 문서에 포함되어 있지 않습니다. 2002년에 개발된 고선명 멀티미디어 인터페이스(High Definition Multimedia Interface, HDMI)는 오디오/비디오 인터페이스입니다. 이는 실제 "데이터" 인터페이스가 아니라 비압축 비디오 데이터 및 압축 또는 비압축 오디오 데이터를 HDMI 호환 장치에서 모니터, 텔레비전 또는 기타 출력 장치로 전송하기 위한 실시간 신호 전송 인터페이스입니다. PCI Express 인터페이스의 경우 일부 카메라 장치에서도 사용되지만 주로 하드 드라이브, 그래픽 카드 등과 같은 다양한 주변 장치를 연결하기 위한 컴퓨터 마더보드 인터페이스로 사용되는 고속 직렬 표준입니다.

Interface Tech Guide Introduction FINAL
s많이 사용되는 머신 비전 인터페이스
Machine Vision Interfaces Tech Guide Icon
Chapter 1 산업용 머신 비전을 위한 GigE Vision 인터페이스

Gigabit Ethernet 인터페이스는 2006년 GigE Vision 인터페이스로서 산업용 머신 비전 세계에 도입되었습니다. 인터넷 프로토콜(IP) 표준을 기반으로 하는 이 인터페이스는 Gigabit Ethernet 네트워크를 통해 비디오 및 관련 제어 데이터를 전송하기 위한 프레임워크를 제공했습니다. 초기에는 각 제조업체가 대부분 USB 2.0 인터페이스를 기반으로 하는 고유 드라이버를 제공했습니다. 이러한 이유로 다양한 장치들 간의 상호 호환성이 어려웠으며 고도의 수정이 요구되었습니다.

그 이후 GigE Vision은 AIA(Automated Imaging Association)의 관리하에 고도로 표준화되었고 지속적으로 발전하는 이더넷 네트워킹 기술을 계속 활용할 수 있었습니다. GigE Vision 표준은 다양한 프로토콜을 통합하여 하드웨어 장치들과 소프트웨어 간의 상호 연결성을 향상시켜 저렴한 표준 케이블을 통해서도 장거리 고속 이미지 전송이 가능합니다. 이를 통해 머신 비전 산업에서 가장 많이 사용되는 인터페이스 중 하나로 성장할 수 있었습니다.

이미 설치된 GigE Vision 카메라의 경우 대부분 오리지널 1000BASE-T 이더넷 구현을 기반으로 하며 1Gbps의 총 대역폭을 제공합니다. 새로운 GigE Vision 카메라의 경우 최대 10Gbps로 이미지 데이터를 전송할 수 있는 NBASE-T(2.5Gbps 또는 5.0Gbps 속도) 및 10GBASE-T(10GigE라고도 함)와 같은 더 빠른 GigE 인터페이스가 더 많이 탑재되고 있습니다.

GigE connector
GigE Vision 인터페이스 케이블
  • 10GigE 인터페이스의 특장점

    에어리어 스캔 카메라는 일반적으로 검사, 분류 또는 분석되는 항목이 명확한 모양이나 경계를 가지는 경우에 사용됩니다. 예를 들어 과일, 상자 또는 인쇄 회로 기판과 같은 개별 3차원 항목을 검사해야 하는 경우 픽셀 매트릭스를 사용하여 각 개체의 2D 이미지를 생성하는 에어리어 스캔 카메라를 선택하는 것이 가장 좋습니다.

    • 데이터 센터 및 IT 인프라용 전송 데이터 표준을 기반으로 제작되었습니다. 이는 인터페이스 핵심 기술이 Google, Cisco, IBM, Intel과 같은 이더넷 IT 비즈니스 주요 기업에 의해 지속적으로 개선되고 강화된다는 것을 의미합니다.

    • GigE Vision 호환 소프트웨어 및 하드웨어 장치의 광범위한 가용성을 통해 네트워크 간 통합을 크게 단순화합니다. 이를 통해 머신 비전 애플리케이션에 더 뛰어난 확장성과 유연성을 제공할 수 있습니다.

    • 프레임 그래버가 필요하지 않습니다. 대부분의 시스템에서 GigE/10GigE를 지원하는 표준 네트워크 어댑터 카드가 사용됩니다. 이 카드는 비용이 낮고 많은 업체에서 공급되기 때문에 시스템 비용을 낮출 수 있습니다.

    • 또한 케이블 연결 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있습니다. GigE 케이블은 IT 매장에서 쉽게 구입 가능합니다. 이러한 케이블과 기타 네트워킹 구성 요소는 교체가 쉽고 유지 관리 필요성이 낮기 때문에 재고를 줄이는 데 도움이 됩니다.

    • 긴 케이블에서 작동 가능합니다. 10GigE 연결에는 모든 표준 연선 구리 케이블(Cat 6, Cat 6e, Cat 6a 및 Cat 7)을 사용할 수 있습니다. Cat 6 및 Cat 6e는 최대 55m의 케이블 길이를 지원할 수 있으며 Cat 6a 및 Cat 7은 최대 100m의 케이블 길이를 지원할 수 있습니다.

    • GenICam을 기반으로 하여 프로그래머를 위한 일관성, 표준화된 픽셀 형식 및 기타 GenICam 기반 인터페이스와의 더 뛰어난 상호 운용성을 제공합니다.

    • 10GigE 및 GigE Vision은 멀티 비디오 스트리밍을 지원하여 동일 인터페이스를 사용하는 2개 이상의 병렬 비디오 스트림을 스트리밍할 수 있습니다. 이는 멀티 센서 카메라와 멀티 프로세서 아키텍처에 특히 유용할 수 있습니다.

    • GigE Vision 2.0 표준의 필수 요소인 정밀 시각 프로토콜(IEEE 1588)을 지원합니다. 머신 비전 애플리케이션에서 멀티 카메라 시스템 사용이 계속 증가함에 따라 지터(jitter) 및 기타 비동기(non-sync) 효과를 최소화하기 위해 애플리케이션에서 다양한 비전 및 논비전(non-vision) 구성요소를 정밀하게 동기화하는 것이 중요해졌습니다. 정밀 시각 프로토콜(PTP)을 통해 이러한 기능을 구현할 수 있습니다.

    • 네트워크 자동 협상을 지원하는 방식으로 구현할 수 있습니다. 이를 통해 10GigE를 1000BASE-T(1Gbps) 및 NBASE-T(2.5 및 5Gbps)와 하위 호환하여 사용자가 더 빠른 GigE 속도로 전환할 수 있도록 지원합니다.

  • 과제

    • 모든 GigE Vision 인터페이스와 마찬가지로 IP 네트워킹 구성과 관련된 대기 시간 문제가 있을 수 있습니다. 고속 및 실시간 애플리케이션에서 저지연 및 지터(jitter)는 중요한 문제일 수 있습니다. 호스트 컴퓨터 및 리소스 공유(버스, 메모리, CPU, 운영 체제, 이미징 코어 및 그래픽 라이브러리 간)에 중점을 둔 네트워크 최적화를 통해 대기 시간 문제를 최소화할 수 있지만 완전히 제거할 수는 없습니다.

    • 일부 네트워크 복잡성과 네트워크 대역폭 제한 문제를 처리해야 합니다. 예를 들어, 멀티 카메라 애플리케이션의 경우 실제 "플러그 앤 플레이" 모델과 달리 할당된 IP 주소가 필요합니다. 또한 멀티 카메라 애플리케이션에서 네트워크 대역폭을 공유하는 경우 복잡한 패킷 대기 시간 설정이 필요할 수 있으며 고속 애플리케이션을 지원하기에 대역폭이 충분하지 않을 수 있습니다.

    • 새로운 멀티 스트리밍 카메라의 경우 타사 소프트웨어 도구에서 완전히 지원되지 않을 수 있습니다. 멀티 스트리밍은 GigE Vision 표준에 속해있지만 이를 카메라에서 사용하는 것은 비교적 새로운 기능입니다. 멀티 스트리밍이 필요한 경우 이 기능을 최대한 활용할 수 있도록 멀티 스트림 애플리케이션 구축을 위한 샘플 코드가 포함된 SDK를 제공하는 카메라 공급업체를 선택해야 합니다.

    • 전원 및/또는 트리거링을 위한 별도의 케이블 연결이 필요할 수 있습니다. 이더넷을 통한 전원 공급(PoE)은 전원 및 데이터 전송용 싱글 케이블 옵션을 제공하는 기존 1000BASE-T(1GigE) 카메라에서 많이 사용되었습니다. 그러나 이더넷을 통한 트리거링은 GigE Vision 2.0 표준에서 지원되기 시작했고 이 기능이 포함되지 않은 카메라가 여전히 많이 있었습니다. 따라서 PoE가 지원되는 경우에도 많은 애플리케이션에서는 여전히 2개의 케이블/연결이 필요했습니다. 이는 최대 전력 소비가 PoE 표준인 기본 12.95W 제한을 초과할 수 있는 10GigE 카메라의 경우 더욱 문제가 되었습니다. 소비 제한이 25.5W인 PoE+(IEEE 802.3at)를 사용할 수도 있지만 구현이 더 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 많은 10GigE 카메라에서는 전원 및 I/O을 위해 두 번째 연결을 사용하는 2케이블 방식을 선택했습니다.

  • 일반적인 애플리게이션

    GigE은 대부분의 최첨단 IT 하드웨어 장치에 통합되어 있으며 특별한 프레임 그래버 하드웨어가 필요하지 않기 때문에 GigE Vision은 머신 비전 인터페이스에서 아주 많이 사용되고 있습니다. 특히 다음과 같은 애플리케이션에서 많이 사용됩니다.

    • 사물 인터넷(IoT) 및 인더스트리 4.0: 장치의 상호 연결성은 인더스트리 4.0의 핵심입니다. 디지털 산업 기술이 발전함에 따라 시스템 전반에서 데이터를 수집하고 분석하는 것이 가능해졌습니다. 잘 알려진 애플리케이션으로는 적층(3D 프린팅) 제조 및 생산 공정, 지능형 로봇 자동화 시스템, 품질 관리 및 모니터링 등이 있습니다.

    • 박스형 비전 시스템: 네트워크로 연결된 시스템의 경우 시스템을 원활하게 실행하기 전에 IP 주소를 설정해야 할 수 있기 때문에 GigE Vision 기반 시스템은 완벽한 플러그 앤 플레이라고 할 수는 없습니다. 그러나 이러한 시스템은 박스형 비전 시스템 범주에 해당됩니다. 애플리케이션으로는 자동차, 반도체, 식품 분류 및 재활용, 산업 품질 관리 스테이션, 의료 진단, 교통 시스템 및 속도 단속, 보정 및 정렬 장치 등이 있습니다.

    • 독립형 비전 시스템: 다른 시스템과의 상호 연결이 없는 비전 시스템입니다. 주로 소형 부품을 검사하고 소형 제조업체의 사이즈 제약을 극복하기 위해 사용됩니다. 이러한 시스템은 종종 2차 검사 장치로도 사용됩니다. 일반적인 애플리케이션은 자동차 부품 검사와 현미경입니다.

    • 지능형 비전 시스템: 이러한 시스템에는 딥 러닝 알고리즘을 기반의 실시간 AI/의사결정용 임베디드 시스템 아키텍처가 포함될 수 있습니다. 일반적인 애플리케이션으로는 지능형 농업, 식품 선별, 자동차 부품 검사 등이 있습니다.

Chapter 2 Short form-factor pluggable plus (SFP+)

이전 섹션에서는 10GigE 인터페이스가 표준 연선 구리 케이블을 사용하는 경우를 가정했습니다. 그러나 10GigE는 광섬유 인터페이스를 통해서도 사용할 수 있습니다. SFP+ 인터페이스 모듈은 주로 통신 및 데이터 전송에 사용되는 SFP(Short Form-Factor Pluggable) 모듈에서 파생됩니다. 애플리케이션 요구 사항에 따라 $250 – $2000(~210€ – 1700€) 가격대의 매우 다양한 SFP+ 모듈을 사용할 수 있습니다. SFP는 일반적으로 1Gbps 속도만을 지원합니다. 2006년에 출시된 SFP+ 사양의 경우 10Gbps의 속도를 지원합니다. 대부분의 경우 물리 연결 계층은 광섬유입니다.

SFP 및 SFP+ 표준과 관련하여 다음의 사항이 적용됩니다.

Interface Tech Guide Chapter2
SFP 및 SFP+ 적용 표준

JAI 10GigE 카메라의 SFP+ 모델은 GigE Vision 프로토콜을 기반으로 하며 최대 10Gbps의 대역폭을 지원합니다. 따라서 위의 표의 1000BASE-SX 및 1000BASE-LX 표준의 경우 1Gbps의 대역폭에서만 유효한 SFP 표준이므로 지원되지 않습니다.

  • GigE Vision 프로토콜 기반 광섬유 물리 계층의 특장점

    • 10GBASE-SR 표준 기반 트랜시버의 경우 장거리 전송(최대 10km)을 지원할 수 있습니다. 장거리 케이블은 산업 및 실외 환경에서 유용합니다.

    • 광섬유이기 때문에 전송 노이즈가 매우 낮고 장거리에서도 안정적이며, 대규모 공장 환경의 장치에서 방출될 수 있는 EMI 및 RFI 등의 외부 노이즈 소스에 대한 내성이 높습니다.

    • 데이터 프로토콜은 GigE Vision이며, 때문에 잘 확립된 표준을 기반으로 데이터 패킷 관리가 가능합니다.

    • 고정형 인터페이스(예: 표준 이더넷 커넥터)와 달리 SFP+ 시스템에는 모든 적합한 유형의 트랜시버를 장착할 수 있습니다(위의 표준 표 참조).

    • 광섬유는 케이블 길이가 매우 긴 경우에도 비용이 저렴합니다.

    • GigE Vision 프로토콜에서 지원하는 모든 기능이 멀티 스트리밍, PTP, 청크(chunk) 데이터 등을 포함한 10GigE 기반 SFP+ 모델에서 지원됩니다.

  • 과제

    • SFP+ 트랜시버는 1Gbps 및 NBASE-T 속도와 하위 호환되지 않기 때문에 네트워크와의 자동 협상 기능을 제공할 수 없습니다.

    • 선택하는 트랜시버, 패치 패널, 거리 확장 장치에 따라 전체 시스템 비용이 매우 높을 수 있습니다. 그러나 이러한 네트워크 아키텍처가 필요한 대부분의 고객은 이러한 비용에 대해 이미 알고 있습니다.

    • 광섬유 케이블은 약하기 때문에 적절한 취급이 필요합니다.

    • 트리거링, 인코더 제어 등과 같은 기능은 추가 케이블을 통해 관리해야 합니다. 광섬유는 순전히 물리적 전송을 위해서만 사용됩니다. 추가적인 작동 중심 카메라 기능은 카메라에 연결된 추가 케이블을 사용하여 실행해야 합니다.

  • 일반적인 애플리게이션

    • 실외 장거리: 철도 트랙 검사, 컨테이너 상품 검사 등과 같은 많은 실외 애플리케이션의 경우 매우 긴 케이블 거리가 필요합니다. 많은 경우 이미징 모듈이 PC 및 데이터 처리 모듈에서 멀리 떨어져 있습니다. 거친 환경에서도 안정적으로 데이터를 전송할 수 있어야 하기 때문에 SFP+ 트랜시버와 광섬유를 함께 사용하는 것이 유리합니다.

    • 실내 장거리: 제지 제조와 같은 일부 산업 애플리케이션에는 100m 이상의 매우 큰 기계가 필요합니다. 검사 장치는 습도와 온도가 높은 주요 제지 생산 구역에 위치하는 경우가 많습니다. 이미지 처리 스테이션은 보통 제어실에서 멀리 떨어진 위치에 있습니다.

    • 정전기 환경: 배터리 검사 및 기타 전자 장치 검사와 같은 애플리케이션은 높은 정전기 환경을 가지고 있습니다. 때문에 높은 전기 전도도를 가진 연선 구리 Gigabit Ethernet은 사용할 수 없습니다. 이러한 이유로 광섬유 케이블이 좋은 옵션이 됩니다.

SFP modules 80dpi
JAI SFP+ 인터페이스 카메라에서 지원하는 SFP+ 모듈

추가적으로 Mellanox Technologies, ConnectX-3 Pro 싱글 포트 SFP+(MCX311A-XCAT), Intel 이더넷 통합 네트워크 어댑터 X710-DA2, Kaya Komodo 4xSFP+ 프레임 그래버 역시 JAI SFP+ 카메라 모델에서 테스트되었습니다.

Chapter 3 CoaXPress (CXP)

머신 비전용 CXP 표준은 긴 케이블 길이에서 매우 높은 데이터 속도를 내기 위해 만들어졌습니다. CXP 표준의 개발은 2008년에 처음 발표되었으며 표준의 첫 번째 버전인 CXP 1.0은 2011년 초에 출시되었습니다. 그 후 CXP 1.1 표준이 2011년 말에 출시되었고 2013년에 업데이트되었습니다. 여기에는 첫 번째 표준에 몇 가지 개선 사항과 추가 기능이 더해졌습니다. 최신 표준인 CXP 2.0은 2019년에 출시되었으며 더 빠른 속도와 새로운 기능을 포함하고 있습니다. 아래 표는 CXP 표준 버전 간의 차이점을 간략하게 보여줍니다.

Interface Tech Guide Chapter3
다양한 산업용 머신 비전을 위한 CXP 표준 개요

위의 표 외에도 기계, 전기 및 프로토콜 수준에서 많은 개선이 이루어져 표준을 보다 쉽고 안정적으로 구현할 수 있게 되었습니다.

4 lane CXP cable
4레인 DIN CXP 케이블
2 lane CXP cable
2레인 DIN CXP 케이블
1 lane CXP cable - DIN
싱글 레인 DIN CXP 케이블
1 lane CXP cable - HD BNC
싱글 레인 CXP 케이블 – HD BNC
  • CXP 인터페이스의 특장점

    • 높은 처리량을 제공합니다. CXP는 최신 표준을 통해 머신 비전 애플리케이션에 최상의 원본 데이터 처리량을 제공합니다. 4xCXP-12 연결은 12.5Gbps 속도의 CXP-12를 통해 레인당 50Gbps의 속도를 제공합니다.

    • 여러 대의 고속 카메라를 효율적으로 지원합니다. CXP의 고대역폭 및 멀티 레인 아키텍처는 여러 대의 고속/고해상도 카메라를 사용하는 애플리케이션에 이상적입니다. 최대 4대의 카메라를 4xCXP-12 프레임 그래버에 연결하여 간단한 지점 간 구성으로 각 카메라에 12.5Gbps의 전용 대역폭을 제공할 수 있습니다.

    • 멀티 프로세싱을 단순화합니다. CXP 2.0 표준은 싱글 카메라의 데이터를 여러 PC에 위치해 있는 여러 프레임 그래버로 쉽게 분할하거나 복제할 수 있는 멀티 수신처 기능을 도입했습니다.

    • (GigE Vision 만큼은 아니지만) 긴 케이블 길이를 지원합니다. 구현된 표준 및 대역폭에 따라 약 30m(CXP-12의 경우)부터 200m 이상(CXP-1의 경우)의 동축 케이블을 사용할 수 있습니다. 더 두꺼운 동축 케이블 또는 광섬유 기반 연장 장치를 사용하여 케이블 길이를 더 연장할 수도 있습니다.

    • 정전기 노이즈가 적습니다.

    • 1개 케이블을 통해 트리거링 및 전원을 모두 지원합니다. CXP를 통한 전원 공급(PoCXP)을 통해 레인당 24V 및 13W를 제공할 수 있습니다. 또한 CXP 표준에는 프레임 그래버를 통한 트리거링 또는 장치 제어용 저속 업링크 채널이 포함되어 있습니다.

    • 대기 시간 및 지터(jitter)가 매우 낮습니다. 프레임 그래버에 따라 일반적으로 CXP 트리거링에는 수 나노초의 지터 및 5마이크로초 미만의 대기 시간이 발생합니다. 이는 GigE 네트워크의 대기 시간이 문제가 될 수 있는 많은 고속 산업용 머신 비전 애플리케이션에 중요한 기능입니다.

    • 광범위한 규제 승인. CXP 표준은 고속 표준 동축 케이블을 사용하므로 의료, 생명 과학, 방산과 같이 규제가 엄격한 산업 및 애플리케이션에서도 사용 가능합니다. 아날로그 시스템에 사용되는 케이블과 동일한 아키텍처를 사용하기 때문에 아날로그에서 디지털로의 전환이 더 쉽습니다.

    • GenICam 표준을 지원합니다. GenICam 표준은 CXP 표준의 초석으로 복잡한 데이터를 스트리밍하는 여러 장치 간 데이터 관리 및 호환성에 있어 중요합니다.

    • CXP 케이블은 Camera Link 케이블보다 비용 효율적입니다. CXP 케이블은 일반적으로 이더넷 케이블보다 비싸지만 다른 프레임 그래버 기반 인터페이스인 Camera Link에 사용되는 케이블보다 50% 이상 저렴합니다. 좋은 CXP 케이블의 가격대가 $50 – $90(~42€ – 76€) 사이인 반면 Camera Link 케이블의 경우 $150 – $200(~128€ – 170€) 사이입니다.

  • 과제

    • GigE 및 USB 인터페이스와 달리 CXP를 구현하기 위해서는 적절한 플러그인 카드 또는 프레임 그래버가 필요합니다. CXP는 GigE 및 USB와 달리 표준 PC 아키텍처에 포함되지 않기 때문입니다. 따라서 CXP 인터페이스에서 표준 이더넷 인프라를 사용한 데이터 전송은 불가능합니다.

    • 프레임 속도가 높은 고해상도 카메라의 경우 최대 전력 소비가 싱글 CXP 레인에서 지원하는 13W를 초과할 수 있습니다. 이를 위해서는 번들 케이블을 통해 여러 레인으로 전원을 공급할 수 있는 더 비싼 프레임 그래버가 포함된 더 복잡한 PoCXP 설계가 필요합니다. 이러한 경우 PoCXP가 지원되지 않거나 덜 매력적일 수 있습니다.

    • 대부분의 경우 CXP 기반 비전 시스템의 총 시스템 비용이 GigE 및 USB 시스템보다 높습니다. 애플리케이션에 CXP 성능이 반드시 필요한 경우 대부분 이러한 비용은 문제가 되지 않습니다.

  • 일반적인 애플리게이션

    • 방산 및 의료: 이러한 유형의 애플리케이션에서는 기존 동축 케이블 시스템과의 통합 용이성, 긴 케이블 길이, 고속 데이터 전송 및 링크 공유와 같은 CXP의 복잡한 데이터 처리 기능을 유용하게 활용할 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 애플리케이션으로는 상황 인식, 타겟 위치 추적 시스템, 국경 및 입국 감시, 수술 라이브 영상 등이 있습니다.

    • 산업용 머신 비전: CXP는 낮은 지터(jitter) 및 대기 시간, 고속 실시간 트리거링, 견고하고 유연한 케이블을 통해 거친 산업 환경에서 뛰어난 성능을 보여줍니다. 일반적인 애플리케이션으로는 종이, 금속 및 플라스틱 호일의 롤 기반 검사와 반도체 및 PCB 검사 등이 있습니다.

Chapter 5 USB3 Vision (Universal Serial Bus 3)

USB3 Vision 표준은 USB 3.0 표준에서 파생되었으며 머신 비전 애플리케이션을 위해 특별히 정의된 전송 계층에 대해 일부 변경 및 조정이 적용되었습니다. USB3 Vision 표준에서 USB 3.0 및 USB 3.1(1세대)은 5m 케이블에서 400MB/s(3.2Gbps)의 데이터 속도를 지원하고 USB 3.1(2세대)은 1m의 케이블에서 900MB/s의 대역폭을 지원합니다.

USB3 Vision은 그 단순성을 통해 가장 인기 있는 머신 비전 인터페이스 중 하나로 성장했습니다. 대부분의 PC에는 USB 3 포트가 탑재되어 있으며 초기 칩셋 호환성 문제 역시 많이 사라졌습니다. 통합 처리 장치를 활용하거나 인터페이스의 1-5m 케이블 범위 내에 있는 가까운 PC에 연결되는 현미경 또는 독립형 검사 시스템과 같은 싱글 카메라 구성에서 가장 자주 사용됩니다. 그러나 스타 토폴로지의 USB 3 허브를 통해 연결된 멀티 카메라 구성 역시 지원할 수 있습니다.

USB cable
USB3 Vision 커넥터
  • USB3 Vision 인터페이스의 특장점

    • USB는 컴퓨터 및 주변 장치에 연결하기 위해 사용되는 가장 보편적이고 표준화된 방식입니다.

    • 표준 PC 아키텍처에 포함되기 때문에 버스 및 케이블과 같은 부품 교체가 쉽고 비용 효율적입니다.

    • 최신 USB3 Vision 표준은 완전한 플러그 앤 플레이를 제공합니다. 대부분의 경우 카메라와 PC 칩셋 사이에 호환성 문제가 없습니다.

    • 대역폭 및 안정성 증대를 통해 USB3 Vision은 Firewire 및 USB 2.0 인터페이스를 빠르게 대체했습니다. USB3 Vision 인터페이스는 USB 2.0과 하위 호환되어 기존 USB 2 비전 시스템에서 간단히 업그레이드할 수 있습니다.

    • USB3 Vision은 중간 속도 및 해상도를 사용하는 멀티 카메라 셋업에서 높은 호환성과 기능성을 제공합니다.

    • USB3 Vision의 기본 설계는 GenICam을 기반으로 하여 프로그래머에게 일관성을 제공하고 기타 GenICam 기반 인터페이스와 더 뛰어난 상호 운용성을 제공합니다.

    • Camera Link 또는 CoaXPress와 같이 실시간에 가까운 성능을 제공하지는 못하지만 GigE Vision과 같은 네트워크 인터페이스보다는 대기 시간 및 지터가 낮습니다.

    • 이미지 크기 변경: USB3 Vision을 통해 이미지에 대한 정보를 호스트에 미리 제공하여 다양한 크기의 이미지를 보낼 수 있습니다.

    • 낮은 CPU 부하: 제로 카피(직접 메모리 액세스, DMA)를 사용하여 이미지 검색에 필요한 CPU 부하를 매우 낮게 유지할 수 있습니다.

    • USB 3.0은 연결 장치에 4.5W의 전원을 공급합니다. 많은 기본 카메라는 이를 통해 추가 전원 공급 없이도 작동할 수 있습니다.

    • 이러한 단순성을 통해 표준 1000BASE-T GigE Vision보다 3배 빠른 속도를 제공하는 동시에 시스템 비용을 절감할 수 있습니다.

  • 과제

    • USB 3.0 Vision의 케이블 길이는 5m로 제한되기 때문에 특정 유형의 애플리케이션의 경우 GigE Vision과 같은 기타 인터페이스가 훨씬 더 유리할 수 있습니다.

    • 고성능, 고해상도 카메라의 경우 4.5W의 전원 공급이 충분하지 않은 경우가 많습니다. 따라서 이러한 카메라의 경우 USB3 Vision 인터페이스를 사용할 수 없거나 별도의 전원 연결이 필요하게 됩니다.

    • 무엇보다도 USB 3.0은 광범위한 PC 주변기기와 함께 사용되는 소비자 인터페이스이기 때문에 산업 애플리케이션용 케이블, 허브 및 기타 장치를 선택하는 것이 중요합니다. 많은 소비자 수준 USB 액세서리는 머신 비전 애플리케이션의 요구 사항을 견딜 수 없기 때문에 불안정, 성능 저하 및 현장 오류로 이어지게 됩니다.

  • 일반적인 애플리게이션

    • 플러그 앤 플레이: 테이블탑, 플러그 앤 플레이 기능으로 많이 알려진 USB3 Vision은 현미경, 독립형 검사 시스템, 휴대용 검사 장치 등에서 많이 사용되는 인터페이스입니다.

    • 멀티 카메라 환경: 허브 기반 토폴로지를 사용하는 USB3 Vision은 로봇 팔의 3D 비전 시스템, 자율 주행 차량 및 360도 뷰를 제공하는 멀티 카메라 가상 현실 "heads"와 같은 다양한 유형의 중간 속도 멀티 카메라 환경에서 효과적으로 사용할 수 있습니다.

Chapter 6 임베디드 비전 애플리케이션

소형화 추세는 다른 디지털 기술과 마찬가지로 머신 비전 애플리케이션 및 관련 시스템에도 영향을 미쳤습니다. 기존의 머신 비전 시스템은 산업용 PC, 카메라 및 모든 필수 액세서리(예: 전원/트리거/데이터 처리 케이블, 특수 실시간 동기화 기능으로 고속 이미지 수집을 처리하기 위한 부속 카드 또는 프레임 그래버 등)로 구성되어 있어 크기가 비교적 컸습니다. 지난 몇 년 동안 PC는 더 강력해지는 동시에 소형화되었습니다. 이와 동시에 머신 비전 카메라의 크기도 대폭 줄어들었습니다.

이러한 소형화 추세로 인해 임베디드 비전 시스템 전체가 성장하고 활성화될 수 있었습니다. 기존의 머신 비전 시스템은 고성능 아키텍처를 통해 멀티태스킹 비전 관련 기능을 수행하도록 설계되었지만 임베디드 비전 시스템은 대상 애플리케이션에 따른 기능만 수행하도록 설계되었습니다. 임베디드 비전 시스템에는 완전한 PC 아키텍처 대신 짧은 케이블 인터페이스를 사용하여 비교적 작은 카메라에 연결할 수 있는 시스템 온 칩(SoC)으로 구성된 프로세서 보드가 포함됩니다. 소형화는 낮은 전력 소비, 낮은 생산 비용과 직접적으로 연관되어 있으며 소비자 기반 애플리케이션의 경향을 보입니다. 임베디드 비전 애플리케이션에서는 일반적으로 MIPI CSI, USB, 독점적 병렬 및 직렬 인터페이스가 사용됩니다.

USB 2.0은 많은 구형 SoC의 공통 인터페이스였지만 제한된 대역폭으로 인해 고성능 카메라 모듈을 지원할 수 없어 결국 다른 인터페이스에 자리를 내주었습니다. USB 3.0은 고해상도 대역폭을 지원하면서 Linux/ARM 기반 플랫폼과 쉽게 통합할 수 있어 임베디드 비전에서 인기를 얻고 있습니다. NVIDIA Jetson Nano, Jetson TX2/TX2i, Jetson Xavier NX, Jetson AXG Xavier 및 기타 일부 임베디드 시스템에서 가장 많이 사용되는 플랫폼은 모두 USB 3.0 연결을 지원하고 있습니다.

Linux/ARM example - Jetson Nano and Go-X
Linux/ARM 기반 플랫폼. NVIDIA Jetson Nano 및 Go-X 카메라.
Linux/ARM example - Jetson Xavier and Go-X
Linux/ARM 기반 플랫폼. Jetson Xavier 및 Go-X 카메라.

MIPI CSI는 스마트폰 모듈을 SOC에 연결하기 위한 모바일 애플리케이션용 공통 인터페이스입니다. 2세대 카메라 직렬 MIPI 인터페이스인 MIPI CSI-2는 레인당 300MB/초의 데이터 속도를 지원할 수 있습니다. 이는 USB3 Vision이 지원하는 350MB/sec에 근접합니다. 그러나 대부분의 SoC는 최대 6개의 MIPI CSI-2 레인을 지원할 수 있습니다.

위에 언급된 모든 NVIDIA 카드는 1개의 Gigabit Ethernet 연결을 지원하지만 제한적인 대역폭 지원을 고려할 때 GigE Vision은 임베디드 비전 시스템에서 많이 사용되는 인터페이스가 아닙니다. 그러나 추가 멀티 기능 캐리어 보드를 컴팩트 임베디드 시스템과 결합하면 10GigE와 같은 고속 인터페이스를 지원할 수 있습니다. 또한 멀티 기능 캐리어 보드는 CoaXPress 및 Camera Link 카메라와 같은 고성능, 저지연 인터페이스 연결이 가능하도록 지원합니다.

임베디드 비전 시스템의 최종 용도에 따라 언급된 각 인터페이스는 몇 가지 이점과 과제를 가지고 있습니다. 매우 컴팩트한 시스템을 구축하는 경우 MIPI CSI-2 인터페이스를 사용하는 것이 이상적입니다. 그러나 이는 USB와 같은 플러그 앤 플레이 인터페이스가 아니며 시스템 개발의 초기 투자 비용이 매우 높을 수 있습니다. USB3 Vision의 문제는 케이블의 유연성이 비교적 낮으며 커넥터의 크기가 크다는 점입니다. 그러나 가장 작은 크기의 임베디드 비전 시스템을 구축하려는 것이 아니고 플러그 앤 플레이가 중요한 기능인 경우라면 좋은 선택이 될 수 있습니다. CXP 및 Camera Link를 기반으로 하는 임베디드 비전 시스템은 고해상도 및 고충실도 이미징 시스템이 필요한 애플리케이션에 이상적입니다. 이러한 애플리케이션으로는 방산, 항공 우주, 운송 및 고급 감시 등이 있습니다.

Chapter 7 결론 및 전망

머신 비전에는 다양한 인터페이스가 사용될 수 있습니다. 인터페이스는 기능, 비용, 통합, 고객 수용 및 기타 요소와 관련하여 비전 시스템 전체 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

각 애플리케이션에는 고유한 강점과 과제가 있기 때문에 모든 머신 비전 애플리케이션에 맞는 범용 솔루션은 없습니다. 따라서 연결 방법, 대역폭, 구성 요소 비용, 케이블 길이, 대기 시간, CPU 부하, 노이즈 내성 등을 모두 고려한 절충안을 찾아야 합니다. 인터페이스의 많은 장점이 동일한 경우에도 특정 애플리케이션에 더 적합한 인터페이스를 고르기 위한 몇 가지 주요 차이점이 있을 수 있습니다.

현재 가장 인기 있는 4가지 머신 비전 인터페이스를 살펴보면 GigE Vision과 USB3 Vision의 경우 표준 IT 인프라 구성 요소를 제공하는 훨씬 더 다양한 공급업체가 있는 반면 CoaXPress와 Camera Link의 경우 공급업체가 제한적이며 더 전문화된 것으로 간주됩니다. 이러한 환경은 언급된 비전 표준과 기타 비전 표준이 향후 장치 및 애플리케이션 요구 사항에 맞춰 어떻게 발전하는지에 따라 달라질 수 있습니다.

본 가이드는 애플리케이션에 적합한 인터페이스를 결정하기 위한 시작점을 제공합니다. 그러나 최종 결정을 위해서는 광범위한 인터페이스 옵션을 제공하는 카메라 공급업체와 요구 사항에 대한 논의가 필요할 수 있습니다. 이를 통해 최종 절충안을 분석하기 위한 도움을 받을 수 있습니다.

다양한 인터페이스 옵션이 있다면 경우에 따라 평가를 단순화할 수도 있습니다. 최종 시스템에 다른 인터페이스를 사용하고자 하는 경우에도 1개 인터페이스를 사용하여 특정 카메라 기능을 평가하는 것이 더 쉬울 수 있습니다.

비전 애플리케이션이 무엇이든 좋은 결과를 위해서는 시간을 들여 사용 가능한 머신 비전 인터페이스 옵션에 대해 알아보시기 바랍니다.

애플리케이션에 필요한 완벽한 머신 비전 카메라를 찾도록 도와드리겠습니다.

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