머신 비전용 인터페이스

머신 비전 어플리케이션에 올바른 인터페이스를 선택하는 것이 카메라 선택 프로세스에서 주요한 결정입니다. 다음 섹션에서는 머신 비전 어플리케이션에 사용할 수 있는 다른 종류의 케이블과 커넥터에 대한 개요와 함께 연관된 장점과 단점을 제공합니다.

일반적으로 머신 비전 인터페이스는 전용과 소비자, 두 가지 유형으로 제공됩니다.

전용 인터페이스

초고속 또는 초고해상도를 얻기 위해 이러한 인터페이스를 사용해야 하는 어플리케이션에 유용합니다. 예를 들어, 카메라가 kHz 범위에서 작동하는 경우 라인 스캔 카메라는 종이나 플라스틱 필름 제작과 같은 연속 흐름 프로세스를 검사하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 인터페이스는 더 비싸면서도 유연성이 떨어지고 시스템 복잡성을 가중시키는 경향이 있습니다. CarmeraLink(최대 6.8Gbit/s의 데이터 지원) 및 CoaXPress(최대 12Gbit/s 지원)는 이러한 어플리케이션에서 일반적으로 사용되는 전용 머신 비전 인터페이스입니다. 카메라 외에도 이러한 인터페이스를 사용하는 시스템에는 프레임 그래버가 필요합니다. 이는 이미지 데이터를 수신하고 이를 사용 가능한 이미지에 어셈블링하기 위한 전문 어댑터 카드입니다. 또한 전용 머신 비전 인터페이스는 독점 케이블을 사용하여, 다른 주변장치와의 통합이 조금 더 어렵습니다.

CoaXPress(CXP)

CoaXpress 인터페이스는 2008년 고속 이미징 어플리케이션을 지원하기 위해 출시되었습니다. CXP 인터페이스는 75ohm 동축 케이블을 사용하고 다중 채널을 사용하여 훨씬 더 빠른 속도로 데이터를 전송하는 기능으로, 채널 당 최대 6.25Gbit/s의 데이터 전송 속도를 지원합니다. CXP 케이블은 케이블 당 최대 13W의 전력을 공급할 수 있고 '장치'와 '호스트' 모두 GenICam 카메라 프로그래밍 인터페이스를 지원해야 합니다. 단일 레인 동축 케이블의 경우 가격이 경제적인 반면, 다중 레인 케이블 어셈블리나 프레임 그래버를 설정하는 비용은 빠르게 늘어납니다.

CameraLink

CameraLink 표준은 AIA(Automated Imaging Association)에서 2000년에 출시하였고 더 높은 데이터 속도를 지원하기 위해 단계적 업그레이드되었습니다. 일부 버전에는 전송을 위한 2개의 케이블이 필요합니다. 사용 가능한 세 가지 주요 구성은 Base(2.04Gbit/s), Medium(5.44Gbit/s) 및 Deca/Extended(6.8Gbit/s)입니다. Base 표준은 MDR("Mini D Ribbon") 26핀 커넥터를 사용하는 반면, Medium/Full 구성은 두 번째 케이블을 사용하여 용량을 배가합니다. Deca/Extended 버전은 CameraLink의 한계를 뛰어넘어, 최대 6.8 Gbit/s의 데이터를 전송합니다. CXP 인터페이스와 마찬가지로 CameraLink에는 프레임 그래버가 필요하며 전원을 공급하기 위해 PoCL(Power over Camera Link) 표준과 호환되어야 합니다. CameraLink는 오류 수정이나 재전송 기능이 없으므로, 가격이 비싸고 복잡한 케이블 설정으로 신호 무결성을 최대화하여 이미지 손실을 제거해야 합니다.

소비자 인터페이스

이러한 인터페이스를 통해 머신 비전 카메라는 광범위하게 사용되고 있는 USB 및 이더넷 표준을 사용하여 호스트 시스템과 연결할 수 있습니다. 대부분 머신 비전 어플리케이션의 경우, USB 3.1 Gen 1 및 기가비트 이더넷 소비자 인터페이스는 편의성, 속도, 단순성, 가격 합리성으로 경쟁력 있는 조합을 제공합니다. 뿐만 아니라, 소비자 인터페이스는 머신 비전 구현에 광범위하게 사용 가능한 하드웨어와 주변기기를 지원합니다. USB 및 이더넷 허브, 스위치, 케이블 및 인터페이스 카드는 정확한 요구사항에 맞는 다양한 가격대로, Amazon이나 현지 컴퓨터 또는 전자장치 상점 등 어디서나 구입할 수 있습니다. 대부분의 PC, 노트북 및 임베디드 시스템은 기가비트 이더넷과 USB 3.1 Gen 1 각각의 포트를 하나 이상 포함합니다.

이러한 범주의 인터페이스 간에 가장 분명한 차이는 대역폭입니다. 인터페이스 속도가 높아지면서 지정된 해상도에 대한 프레임 속도를 향상시킵니다(그림 1). 인터페이스 속도가 빨라지면서 초 당 더 많은 이미지를 캡처하거나, 처리량을 떨어뜨리지 않고도 더 높은 해상도의 이미지를 캡처할 수 있습니다.  

예를 들어, 8인치에서 12인치 웨이퍼로 업그레이드 중인 반도체 웨이퍼 검사 시스템에는 더 높은 해상도 카메라가 필요합니다. 이 경우, 시스템 설계자는 기존 인터페이스를 유지할지, 처리량을 줄여 더 높은 해상도를 선택할지, 더 빠른 속도의 인터페이스로 업그레이드하여 유지보수할지, 또는 처리량을 향상할지에 대해 선택해야 합니다.

그림 1. 각 인터페이스에 사용할 수 있는 대역폭과 센서 해상도 비교와 결과 프레임 속도

필요 이상의 비용을 들이지 않고 원하는 성능을 얻기 위해서는 해상도, 프레임 속도, 케이블 길이 및 호스트 시스템 구성에 대한 요구사항을 모두 고려해야 합니다. FLIR의 머신 비전 카메라는 신뢰할 수 있고 폭넓게 사용할 수 있는 세 가지 인터페이스를 모두 지원합니다.

USB(범용 직렬 버스)

USB는 어디에나 있습니다. 주위를 USB 장치 및 액세서리가 몇 개나 있는지 확인해보세요. 무슨 뜻인지 아시겠어요? 대부분의 USB 머신 비전 카메라는 USB 3.1 Gen 1 인터페이스를 사용합니다. 이 인터페이스는 카메라와 호스트 시스템 간에 최대 4Gibt/s의 이미지 데이터 대역폭을 제공합니다. USB3 비전 표준은 일반적인 장치 감지, 이미지 전송 및 카메라 제어 프로토콜 세트를 정의하여 광범위한 카메라와 소프트웨어 간의 호환성을 보장하는 데 도움을 줍니다.

그림 2. USB 3.1 Gen1 케이블(USB와 잠금 USB 간)

USB는 DMA(Direct Memory Access)를 지원합니다. 이 DMA 기능을 통해 USB 상에서 직접 소프트웨어가 사용할 수 있는 메모리로 이미지 데이터를 전송할 수 있습니다. DMA는 실제로 어떤 하드웨어 플랫폼에서나 USB의 광범위한 지원과 USB 컨트롤러용 드라이버의 가용성과 결합되어 USB는 임베디드 시스템에서 사용하기에 이상적입니다. USB 3.1 Gen 1의 5m 최대 케이블 길이는 일반적으로 임베디드 시스템에는 문제가 되지 않습니다. USB 3.1 Gen 1은 카메라에 최대 4.5W의 전력을 공급하여 시스템 설계를 단순화할 수 있습니다. 최근에 개발된 USB 전원 공급 사양에서는 일부 호스트가 급속 충전 휴대폰과 같은 장치에 더 많은 전원을 공급할 수 있으며, 이 사양은 기본 USB 3.1 Gen 1 표준과 독립적이며 머신 비전 카메라 제조업체에서는 채택되지 않았습니다.

그림 3. 다른 유형의 USB 커넥터

고가용성 USB 케이블은 반복해서 카메라를 옮겨야 하는 시스템에서 케이블의 수명을 최대화하는 데 도움을 줍니다. AOC(활성 광학 케이블)를 사용하여 작업 거리를 크게 확장하고 전자파 방해(EMI) 내성을 제공할 수 있습니다. 활성 광학 케이블의 성능은 처리량 요구사항과 호스트 시스템 구성에 따라 달라집니다. 광학 케이블을 사용할 때, 케이블을 통해 전원을 공급하는 케이블이라 하더라도, FLIR은 GPIO를 통해 외부적으로 카메라에 전원을 공급할 것을 권장합니다. 뿐만 아니라, 잠금 USB 케이블은 케이블, 카메라 및 호스트 시스템 간에 보안 연결을 제공합니다. 잠금 케이블을 구입하기 전, 여러 옵션을 통해 FLIR은 잠금 나사 위치와 간격 호환성을 확인할 것을 권장합니다.

USB 3.1 Gen 1은 FLIR Blackfly S - Cased 및 보드 레벨 버전과 작은 Firefly S에서 사용할 수 있습니다.

기가비트 이더넷(GigE)

GigE는 최대 1Gbit/s의 이미지 데이터 대역폭을 제공합니다. 이는 단순성, 속도, 100m 최대 케이블 길이, 단일 케이블로 카메라에 전원 공급 기능을 결합하여 매우 인기있는 카메라 인터페이스입니다. 이더넷 케이블은 강력한 차폐에 사용됩니다. 이는 일부 로봇 및 도량형 장비에서 발견되는 강력한 모터와의 근접성으로 인한 높은 전자파 방해가 있는 환경에 이상적입니다. 또한 FLIR GigE 카메라는 전송 신뢰성을 더욱 증대시키는 패킷 재전송 기능을 지원합니다.

USB와 달리, GigE는 DMA를 지원하지 않습니다. 이미지를 데이터를 포함하는 패킷은 소프트웨어 액세스 가능 메모리에 복사되기 전에 이미지 프레임에 재조합되어야 하는 호스트로 전송됩니다. 이 프로세스는 시스템 자원이 제한된 일부 저전력 임베디드 시스템에서 대기 시간을 발생시킬 수 있지만, 현대의 PC에는 별 문제가 되지 않습니다.

그림 4. 기가비트 이더넷 / GigE 케이블(RJ45와 RJ45 간)

광범위한 기가비트 이더넷의 채택은 케이블에서 스위치까지, 광범위한 지원 제품을 통해 모든 프로젝트 요구사항을 충족할 준비가 되었음을 의미합니다. GigE 카메라는 IEEE1588 PTP 시간 동기화 프로토콜을 지원하여, 카메라와 액츄에이터 및 산업용 PLC(프로그램 가능 로직 컨트롤러)과 같은 기타 이더넷 사용 장치가 정밀하게 동기화된 일반 시간축에서 작동할 수 있습니다.

다양한 산업에서의 광범위한 이더넷 채택은 많은 사용 사례에서 전문 케이블 및 커넥터 사용을 가능하게 했습니다. 예를 들어, EMI(전자파 방해), 고온 및 화학적 내성으로부터 보호하도록 설계된 이더넷 케이블이 있는 반면, 또 다른 종류는 높은 유연성이 필요한 경우에 적합합니다.

이더넷 케이블에는 구성에 따른 카테고리 번호가 있습니다. CAT5e는 GigE에 가장 일반적이지만, CAT6A, CAT7 및 CAT8은 더 높은 비용을 지불하고 케이블 지름을 증가하여 EMI 내성을 강화하는 데 사용될 수 있습니다. 일부 산업용 장치는 X-Coded M12(그림 3, 오른쪽) 커넥터를 사용하여 차폐 성능을 높이지만, 대부분의 어플리케이션에서는 익숙한 RJ-45 커넥터로 충분하고 더 저렴한 비용으로 활용할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 나사 잠금 RJ45 커넥터는 손쉽게 RJ45 케이블의 보안성을 강화시킵니다.

그림 5. 유비쿼터스 RJ45 커넥터(왼쪽)와 덜 일반적인 X-Coded M12 커넥터(오른쪽)

참고: RJ45 커넥터는 연결과 분리가 빠릅니다. X-Coded M12 커넥터(오른쪽)는 연결이 더 느리지만, 더 안정적이고 IP 등급 버전으로 제공됩니다.

GigE는 FLIR Blackfly S - Cased 및 FLIR Blackfly S - 보드 레벨 카메라에서 사용할 수 있습니다.

10기가비트 이더넷(10GigE)

10GigE는 대역폭을 10Gbit/s로 증가시켜 GigE의 세기에서 구축됩니다. 10GigE는 고해상도 3D 스캔, 용적 캡처 및 정밀도 측정에 이상적인 인터페이스입니다. GigE와 10GigE는 다양한 방식으로 조합될 수 있습니다. 다중 GigE 카메라를 10GigE 스위치에 연결하여 호스트 시스템의 단일 10GigE 포트 상에서 전속으로 여러 대의 GigE 카메라를 지원할 수 있습니다. CAT5e 케이블은 30m 내 거리에서 10GigE 카메라와 작동하지만, CAT6A 이상 케이블이 권장됩니다.

10Gbit/sec는 대량의 데이터입니다! 고속 CPU, PCIe 3.0 및 이중 채널 메모리가 장착된 최신 PC 시스템은 이를 잘 처리할 수 있지만, 더 높은 성능 시스템은 다중 10GigE 카메라를 지원할 수 있습니다. 시스템 자원이 감소된 임베디드 시스템은 일반적으로 들어오는 이미지 데이터를 처리하는 데 필요한 메모리 대역폭과 프로세서 속도가 부족합니다.

10GgiE는 FLIR Oryx 카메라에서 사용할 수 있습니다.

요약

소비자 인터페이스와 전용 인터페이스 모두 많은 머신 비전 어플리케이션에서 사용됩니다. 결국 앞 섹션에서 언급된 장단점에 기반하여 특정 사용 사례에서 적합성이 결정됩니다. 그러나, 성능, 사용의 용이함, 광범위한 가용성 및 저렴한 비용의 결합이라는 점을 고려해볼 때 대부분의 머신 비전 어플리케이션에서 소비자 인터페이스가 매력적인 선택사항입니다.