CoaXPress,
다시 Coaxial 시대가 온다
CoaXPress 인터페이스는 그동안 기존 카메라 인터페이스에서 부족했던 점들을 보완한 많은 장점을 가진 카메라 인터페이스이고, 그 사양 또한 진화하고 있다. 고속, 고해상도 적용으로 인해 문제점으로 야기 되는 부분들도 개선되고 있으며 이미 해결책들이 적용되고 있다.
라온피플은 저전력 설계 기술을 구현하여 팬(Fan)이 없는 CoaXPress 카메라를 개발하여 팬의 진동과 유지관리의 번거로움에 대한 문제를 해결 한 바 있다.
이렇게 CoaXPress 인터페이스를 통해 다시 Coaxial의 시대가 다가오고 있다.
유행은 돌고 돈다고 했던가? 그래서인지 예술이나 패션 같은 영역에서는 복고현상이 자주 나타나기도 한다. 하지만 빠르게 진화하는 정보기술 분야에서의 복고는 왠지 어울리지 않는 것처럼 느껴지는데 최근 2~3년 사이 머신비전 분야에서는 또 다른 형태의 복고바람이 예상되고 있다.
1950년대부터 2000년대 초까지 머신비전 카메라의 주류를 이루던 아날로그 인터페이스에 사용되던 Coaxial 케이블은 디지털화에 따라서 카메라 링크와 GigE 비전으로 급속히 교체됐다. 하지만 다시 Coaxial 케이블이 대세가 될 전망이다. Coaxial 케이블을 이용한 디지털 인터페이스 기술인 CoaXPress를 통해서이다.
Coaxial 케이블
Coaxial 케이블(동축 케이블)은 1930년대 개발된 이후, 장거리 전화망, CATV, Video 전송, 구매 정보통신망 등에 많이 사용됐던 데이터 전송 인터페이스이다.
Coaxial 케이블이란 중앙의 절연된 구리선을 관모양의 전도체가 둘러싸고 있는 전송 매체를 말한다. 그림 3와 같이 중심에 초의 심지와 같은 도체가 있고, 그 주변을 둘러싸는 높은 유전상수를 갖는 유연한 유전체와 다시 이를 둘러싸는 도체 망으로 구성된 케이블을 말한다. 
Coaxial 케이블은 차폐된 구조를 가진 전송선로라서 외부적인 간섭이 거의 영향을 주지 못하는 장점을 가지고 있으며 주위 상태에 따라 전송 손실이 증가하지 않고, 수명이 길고 안정성 및 작업성이 뛰어난 특성이 있다.
위와 같은 장점을 가진 coaxial 케이블을 적용한 차세대 인터페이스인 CoaXPress에 대해서 좀 더 자세히 알아본다.
CoaXPress 개발 배경과 장점
머신비전 애플리케이션의 종류가 많아지고 높은 생산성에 대한 목표가 높아지면서 점점 고해상도 고속 프레임 레이트(frame rate)에 대한 요구가 증가하게 되었다. 그에 따라 이미지 센서들도 크게 진화하여 고속 LVDS 인터페이스를 지원하는 고성능 CMOS 센서들이 출시되기 시작했다.
하지만 이미지 센서들의 성능에 비해서 기존 카메라 인터페이스들의 전송 능력이 부족하게 되면서 카메라 인터페이스의 한계가 애플리케이션의 성능을 제한하는 사례가 발생하게 되었다.
또한, 전송 능력 못지않게 점점 더 높아지는 정밀도에 대한 요구는 빠르게 전송되는 대용량 데이터에 대한 신뢰성 확보 요구를 높이게 되었다. 그리고 설비의 대형화에 따른 전송거리의 제약과 그에 따른 데이터 케이블 및 파워 케이블의 복잡성은 새로운 카메라 인터페이스에 대한 요구를 높이게 되었다.
이와 같은 기존 카메라 인터페이스들의 한계를 극복하기 위하여 Coa-XPress가 개발됐다.
CoaXPress는 비슷한 시기에 나온 CameraLink-HS와 차세대 머신비전 인터페이스의 자리를 두고 치열한 경쟁을 하지 않을까 예상됐지만, 지금 상황은 CoaX-Press의 압도적인 승리가 예상된다.
주요 카메라업체와 프레임 그래버업체들이 CoaXPress 제품들을 속속 출시하고 있으며, 카메라 수요도 점점 더 많아지는 추세이다.
그렇다면 CoaXPress는 어떤 장점들을 가지고 있을까? 이하의 몇 가지로 정리해볼 수 있다.
· 1개의 케이블을 통해서 이미지 데이터, 카메라 제어, 트리거링, GPIO, 전원까지 공급
· 최대 6.25Gbps 전송속도, 최대 100m 전송거리, 케이블 채널을 늘릴수록 더 늘어나는 전송량
· CRC-32(Cyclic Redundancy Check)로 통신 데이터의 오류를 확인해 높은 데이터 신뢰성 보장
· Automatic Link Setup 기능을 적용하여 카메라 데이터를 프레임 그래버에 전달하기 위해 맞추어야 하는 동작 클록, 데이터 레이트, 해상도를 자동 설정하도록 하고 있다. 또한, 카메라의 XML 파일을 이용하여 어떤 프레임 그래버와 카메라가 연결되더라도 작업할 수 있게 GenICam을 지원하고 있다.
· 1 Cable에 대해서 24V, 13W까지 이용 가능하여 전류 소모가 많은 디바이스도 운용할 수 있다. 기존 카메라 링크 인터페이스 경우, 최대 4W까지만 지원하여 소모 전류가 많은 고성능 카메라의 경우에는 PoCL을 적용할 수 없는 제약이 있었지만, CoaXPress에서는 PoCXP를 통해 그와 같은 제약을 완전히 해소했다. 
CoaXPress가 적용될 애플리케이션
1. 3D 검사 솔루션
CoaXPress 인터페이스에 가장 많은 관심을 두는 분야는 3D 검사 솔루션이다. 3D 검사에 적용되는 무아레(Moire) 방식은 한 위치에서 조명을 바꾸면서 빠르게 여러 번 영상을 획득해 3D 이미지를 추출하는 방법을 사용하고 있다. 그러므로 얼마나 빠르게 여러 장의 영상을 획득하느냐가 검사 성능과 바로 연결되어 있다.
레이저를 이용한 3D 검사 부분에서도 라인레이저의 이미지를 빠르게 이동하면서 획득하게 되는데, 카메라의 프레임 레이트는 생산성과 바로 직결되는 요소가 된다.
이와 같은 이유로 3D 검사 솔루션 분야는 그동안 지속적으로 프레임 레이트가 높고, 데이터 전송량이 많은 제품에 대한 요구가 있었고 CoaXPress 인터페이스도 빠르게 적용되어 가능성 있는 분야이다.
2. 교통·보안 분야
교통 및 보안 분야에서는 지속적으로 예전부터 Coaxial 케이블을 적용한 아날로그 카메라들을 많이 사용했다. 또 이 분야에서는 넓은 영역에 대해 아주 많은 기기를 사용할 수밖에 없기 때문에 케이블 설치에 큰 비용이 들 수밖에 없다. 기존에 사용해 오던 Coaxial 케이블을 활용하여 CoaXPress를 적용한다면 좀 더 효율적으로 디지털화하면서 업그레이드가 가능할 것으로 보인다.
3. 의료 분야
의료영상 촬영은 방사능의 우려 때문에 획득 대상과 영상 수신부의 거리가 보장되어야 하고, 이미지 데이터의 완전성이 매우 중요한 분야이다. X-Ray, MRI 분야에서 기존 카메라 링크 대신 Gigabit Ethernet을 적용하기도 하지만 이미지 해상도가 올라가고 센서의 속도가 높아지게 되면 CoaXPress로 대체 될 가능성도 높아 보인다.
그 외에도 군사, 로봇, 자동차 등 다양한 분야에 적용될 것으로 예상되고 있다.
CoaXPress 초고속/초대용량 시대의 문제점
지금까지 살펴본 것처럼 CoaXPress 인터페이스는 많은 장점을 가지고 있지만, 초고속, 대용량을 지원하게 되면서 부가적으로 발열, 영상 처리 속도, 영상 잡음, 시스템 가격 등의 보완사항들이 나타나고 있다.
빠르게 동작하는 고성능 기기의 발열 문제를 해결하기 위해서는 저전력 설계 기술이 필요하다. 고속으로 동작하는 이미지 센서, FPGA에서 발생하는 열로 인해서 카메라, 프레임 그레버의 오동작이 발생할 수 있는데 이와 같은 문제 해결을 위해 저전력 설계는 필수적이라고 할 수 있다.
또한, 빠르게 입력된 이미지 데이터에 대한 처리 기술의 발전이 필요하다. 그동안 PC의 CPU들도 CPU 코어를 늘리며 병렬처리를 위해 많은 발전이 있었고, 소프트웨어 기술도 많은 발전이 있었지만, CPU를 이용한 순차적인 영상처리로는 빠르게 높아진 Coa-XPress의 데이터양을 실시간으로 처리하기에 버거운 것이 사실이다.
영상 데이터는 수백만 화소의 높은 데이터양을 가지고 있고 그 영상처리 알고리즘이 비슷한 연산을 반복적으로 수행하기 때문에 그 성능을 개선하기에 어려운 점이 있다.
실례로 25M 픽셀 이미지에 대해서 간단한 3×3 Spa-tial Filter(공간 필터)를 적용하는데도 PC의 CPU (i5 quad code CPU, 3.2GHz)를 이용할 경우 약 180msec 정도가 필요하다.
실제 25M CXP 카메라의 최대 프레임 레이트는 72프레임인데, 필터 적용으로 인해 CoaXPress 인터페이스를 적용하여 개선한 전송 속도가 필요 없어질 수도 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 FPGA를 이용한 병렬처리 기술을 적절히 병합하여 사용하는 기술 적용이 필요하다.
이미지 센서를 고속으로 동작시키면 노이즈도 증가한다. 그에 따른 고정적인 노이즈들은 FPN, PRNU 등의 알고리즘을 실시간으로 처리하도록 구현해야 한다. 이 기능 역시 FPGA를 이용한 고속 영상처 리 기술이 아니면 적용하기 힘든 부분이다.
마지막으로 좀 더 빠르게 보급되기 위해서는 전체 시스템 구성 가격이 조금 더 낮아져야 한다. 이미 몇몇 업체에서 저가형 프레임 그레버가 출시되는 등 대중화를 위한 움직임은 시작되고 있다.
CoaXPress 문제점을 극복한 라온피플의 솔루션
라온피플에서는 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 저전력 설계 기술을 구현하여 팬이 없는 CoaXPress 카메라를 개발해 팬의 진동과 유지관리의 번거로움에 대한 문제를 해결한 바 있다.
또한, CXP25M 카메라에 FPGA 설계 기술을 이용하여 실시간 3×3 Spa-tial Filter(공간 필터)와 Morph-ology Filter(형태 필터) 기능을 적용했다. CoaXPress 인터페이스의 장점을 최대한 활용하기 위해서는 이와 같은 FPGA를 활용한 이미지 처리 기술의 활용은 필수적이다.
또한, 고속 프레임 레이트를 구현하게 되면서 증가하게 된 영상 잡음(Im- age Noise) 문제에 대한 처리를 위해 실시간 PRNU 보정기능을 적용했다.
앞에서 설명했듯이 라온피플에서는 CoaXPress 인터페이스에서 해결해야 할 문제점들을 극복한 카메라들을 출시했다. 
맺음말
CoaXPress 인터페이스는 그동안 기존 카메라 인터페이스에서 부족했던 점들을 보완한 많은 장점을 가진 카메라 인터페이스이고, 그 사양 또한 진화하고 있다. 고속, 고해상도 적용으로 인해 문제점으로 야기 되는 부분들도 지속적으로 개선되고 있으며 이미 해결책들이 적용되고 있다. 이렇게 CoaXPress 인터페이스를 통해 다시 Coaxial의 시대가 다가오고 있다.
김형균 라온피플 소프트웨어개발팀 이사
