현대 디지털 카메라 인터페이스 옵션 이해 

각 머신비전 관련 협회는 글로벌 비전 및 이미징 산업의 성장을 활발히 하도록 한다. 표준 개발은 산업의 핵심 성공 요인이고, 각 협회는 표준을 위한 기금 모금, 유지 관리, 홍보 등을 돕고 있다. 2009년 3대 비전 관련 선도 협회인미국영상협회(AIA), 유럽머신비전협회(EMVA), 일본산업영상협회(JIIA)는 전세계적으로 적용된 비전 표준의 개발을 조정하는 협력 사업을 시작했다. 이 출판물은 협력의 결과물 중 하나다. 

이 문서는 머신비전 및 이미징에서 사용되는 다양한 디지털 하드웨어 및 소프트웨어 인터페이스 표준을 포괄적으로 관찰한다. 머신비전 초기에 업계는 카메라와 프레임 그래버 간의 인터페이스로 CCIR 또는 RS-170과 같은 기존 아날로그 텔레비전 표준을 적용했다.

1990년대에 디지털 기술이 보급되었고 다수의 독자적인 인터페이스 솔루션이 사용됐다. 이 시대는 비전 기술의 사용자가 혼란한 환경이었다.

소비자 시장을 위한 Apple의 FireWire/IEEE1394의 개발은 바람직한 첫 번째 단계였지만, 2000년에 도입된 Camera Link 표준은 기술에 초점을 맞추고 시장을 단순화했다. Camera Link는 여전히 업계에서 중요한 역할을 하지만, 비전 기술을 사용하는 산업의 성장 스펙트럼을 해결하는 새로운 인터페이스가 도입됐다. 하드웨어 측면에서 2006년에 GigE Vision이 발표됐고, 바로 CoaXPress, Camera Link HS, USB3 Vision 등이 뒤따랐다.

소프트웨어 측면에서 더 나은 디지털 기술 지원을 위해 GenICam 및 IIDC2가 소개됐다.

디지털 표준 기술 소개

인터페이스 표준은 카메라를 PC에 연결하는 방법을 체계화하고 간단하게 정의된 모델을 제공하여 비전 기술을 더 효과적으로 사용하도록 한다.

▲ 디지털 인터페이스 표준이 제공하는 주요 기능

비전 시스템은 여러 제조업체에서 제공하는 카메라, 프레임 그래버, 비전 라이브러리 등과 같은 다양한 구성 요소로 이루어진다. 인터페이스 표준은 호환 구성 요소가 완벽하게 다른 시스템과 안정적으로 작동하는 것을 보장한다.

초기 아날로그 표준은 단순한 비디오 전송 연결을 제공했다. 카메라 제어 및 트리거링은 별도 제조업체의 독점적인 연결을 통해 이루어졌다. 디지털 표준은 단 하나의 전선을 통해 카메라를 제어하고 이미지를 전송할 수 있다. 디지털 이미지 전송은 또한 아날로그 이미지 전송보다 더 큰 유연성을 제공하고, 시스템 디자인을 단순화하고 전체 비용을 절감할 수 있다.

비전 애플리케이션은 4개의 기본 작업이 필요하다.

• 카메라를 찾고 연결하는 단계

• 카메라를 구성하는 단계

• 카메라 이미지를 저장하는 단계

• 카메라와 비동기 이벤트 처리

 

이러한 작업을 돕는 소프트웨어의 계층 2개 중 첫 번째 계층은 카메라를 열거하고, 낮은 수준의 카메라 레지스터의 접근을 제공하고, 장치에서 스트림 데이터를 검색하고, 이벤트를 제공하는 전송 계층(TL: transport layer)이다. 전송 계층(TL: transport layer)은 하드웨어 인터페이스 표준의 적용을 받는다. 인터페이스 유형에 따라 전송 계층은 별도의 프레임 그래버(Camera Link, Camera Link HS, CoaXPress,) 또는 버스 어댑터(FireWire, GigE Vision, USB3 Vision)가 있어야 한다.

▲ 머신비전 인터페이스 구성

두번째 계층은 SDK(software development kit)의 일부분인 이미지 획득 라이브러리다. SDK는 독립 제품일 수 있고, 프레임 그래버 또는 이미지 프로세싱 라이브러리와 함께 제공될 수 있다. 전송 계층이 카메라 기능에 접근하고 이미지를 저장하는데 SDK가 사용된다.

카메라 기능과 이와 레지스터에 대응할 수 있는 2개의 주요 표준이 있다. GenICam 및 IIDC2 이 2개의 표준 모두 이 문서의 소프트웨어 표준 부분에서 상세히 설명되어 있다.

디지털 하드웨어 표준 소개

비전 표준의 하드웨어 구성 요소는 카메라, 컴퓨터 커넥터 및 케이블, (필요한 경우) 프레임 그래버, 구성 관련 모든 사양 등을 포함한다. 

이 부분에서는 최신 하드웨어 표준에 대한 자세한 설명을 제공한다.

• Camera Link

• Camera Link HS

• CoaXPress

• GigE Vision

• USB3 Vision

또한, 단종된 일반 인터페이스 표준 (FireWire 및 USB 2.0)을 간략하게 설명한다.

하지만, 새로운 표준이 더 나은 성능을 제공하므로 이들은 머신비전 산업에서의 사용이 점점 줄고 있다.

IEEE1394(단종된 일반 인터페이스 표준)

FireWire로 알려진 IEEE 1394는 1987년 Apple Inc.가 개발한 기술 기반 인터페이스다. 2개 유형의 IEEE 1394가 있다. IEEE 1394a 및 IEEE 1394b 머신비전 시장을 위한 IIDC는 카메라 내부의 제어 레지스터 배열을 정의하는 FireWire 데이터 형식의 프로토콜이다. IEEE1394-IIDC (1.32)의 현재 버전은 여러 대의 카메라를 연결할 수 있고 버스당 최대 63개의 장치를 연결할 수 있다.

- 속도: IEEE 1394a: 400 Mbits/s (6핀 커넥터), IEEE 1394b: IEEE 1394-2008 표준에서 최대 3.2G bits/s로 정의되어 있지만, 현재 800 Mbits/s가 일반적이고 9핀 커넥터로 때때로 1.6 Gbits/s를 볼 수 있다.

- 수신 장치: PC (직접 연결)

- 케이블: IEEE 1394는 STP(shielded twisted pair) 케이블을 사용한다. IEEE 1394b에서는 광섬유 케이블 (HPCF, GOF, POF) 또는 UTP 케이블을 사용할 수 있다.

- 커넥터: IEEE 1394a: Latch 타입, IEEE 1349b: Screw 타입

USB 2.0(단종된 일반 인터페이스 표준)

USB 2.0은 가장 인기 있는 상업용 인터페이스 중 하나로 거의 모든 PC에서 찾을 수 있다.

머신비전 애플리케이션에서의 많은 카메라는 여전히 기본 전송 계층으로 USB 2.0을 갖추고 있다. 하지만 어떠한 머신비전 특정 프로토콜을 활용할 수 없고 제조업체 간 상호 운용성이 문제가 되어 이러한 카메라의 사용은 점점 줄고 있다.

▲ 단일 카메라

▲ Double Base 구성

Camera Link

Camera Link 표준은 2000년에 처음 발표됐다. 데이터 전송, 카메라 타이밍, 시리얼 통신, 카메라 실시간 신호 전송 등을 위한 규정을 포함한 카메라와 프레임 그래버 간의 연결을 표준화하고 완벽한 인터페이스를 정의한 견고하고 확실히 자리를 잡은 통신 링크다. Camera Link는 비패킷 기반 프로토콜로 가장 간단한 카메라/프레임 그래버 상호 연결 표준을 유지한다. 현재 2.0 버전에서 이 표준 사양은 Mini Camera Link 커넥터, PoCL(Power over Camera Link), PoCL-Lite (Base 구성을 지원하는 PoCL 인터페이스), 케이블 성능 사양 등을 포함한다.

- 속도: Camera Link는 실시간 고속 통신을 목적으로 만들어졌다. 하나의 케이블로 255Mbytes/s의 높은 대역폭 그리고 두 개의 케이블로 최대 850 Mbytes/s의 높은 대역폭은 지연 문제없이 빠른 이미지 전송을 보장한다. 

- 수신 장치: 프레임 그래버

- 케이블: Camera Link는 전용 케이블을 정의한다. 카메라 및 프레임 그래버는 같은 케이블을 사용하여 쉽게 서로 데이터를 주고받을 수 있다. 최대 케이블 길이는 카메라의 클록 속도에 따라 7m에서 15m 사이로 달라진다. 공간이 문제가 될 때 Mini Camera Link는 작은 공간을 제공한다.

- 커넥터: MDR 26핀 커넥터; SDR, HDR 26핀 커넥터(Mini Camera Link); HDR 14핀 커넥터(PoCL-Lite)

- 카메라 전원 공급: PoCL을 사용하는 PoCL 카메라는 Camera Link 케이블을 통해 PoCL 프레임 그래버로 구동할 수 있다.

- 기타 차이점: Camera Link는 플러그 앤드 플레이 상호 운용성을 지원하기 위한 GenICam 옵션이 있다. 카메라당 최대 2개의 케이블을 사용할 수 있다.

▲ M 프로토콜, 구리 케이블을 사용한 멀티 카메라

▲ X 프로토콜, 광섬유 케이블을 사용한 병렬 이미지 프로세싱

Camera Link HS

Camera Link HS 표준은 2012년 5월에 발표되었고, 대역폭 향상과 케이블 길이를 늘일 수 있도록 기성 케이블을 사용하여 Camera Link를 향상한 표준이다.

Camera Link HS 표준이 제공하는 기능: 단일 비트 오류 면역 프로토콜, 16개의 양방향 범용 입출력(GPIO: General Purpose Input Output) 신호, 동기 다중 병렬 처리 프레임 그래버와 같은 시스템 레벨 기능; 호스트에서 카메라 동작 모드의 프레임별 제어 Camera Link HS 표준은 M 프로토콜로 레인당 3.125 Gbits/s를 지원하고, X 프로토콜로 레인당 10.3 Gbits/s를 지원한다. 암호화되지 않은 VHDL(VHSIC Hardware Description Language) IP 코어를 사용할 수 있어 기본 장비 제조업체(OEM) 또는 커스텀 구현 시스템 내에 Camera Link HS 표준을 통합할 때 상호 연결 문제를 줄일 수 있고 개발 위험을 줄일 수 있다. 

Camera Link HS 표준은 패킷 기반 프로토콜이지만, IP 코어를 사용하여 6.3 ns의 트리거 지터와 함께 150 ns의 일반 지연 300ns 범위 내로 GPIO 지연과 지터를 달성할 수 있다.

- 속도: Camera Link HS는 병렬 처리를 목적으로 만들어졌고, 케이블당 300Mbytes/s (F1), 1200 Mbytes/s (F2), 2100Mbytes/s (C2 구리) 등의 케이블당 유효대역폭을 지닌 케이블을 1개부터 8개까지 사용할 수 있다.

- 수신 장치: 프레임 그래버

- 케이블: C2 구리 케이블 최대 15m, 광섬유 케이블 500m, 직접 연결 최대 10m

- 커넥터: 구리 케이블 SFF-8470 (InfiniBand 또는 CX4), 광섬유 케이블 SFP 또는 SFP+ 커넥터

- 카메라 전원 공급: C2 케이블 호환, 계획되지 않음

- 기타 차이점: FPGA SerDes로 직접 연결할 수 있습니다. 

▲ 표 1. Camera Link 표준 스펙

▲ 표 2. Camera Link HS 표준 스펙

AIA, EMVA, JIIA.