[머신비전] 기술동향
머신비전, 초고속 인터페이스로 더욱 강해지다

PCB 검사, LCD 패널 검사, 반도체 검사 등 많은 분야에서 생산성을 향상시키기 위해 빠른 속도와 높은 해상도는 물론 더욱 정밀하고 정확한 검사가 요구되고 있다. 그런 점에서 새로운 머신비전 인터페이스인 USB 3.0, 10GigE, CameraLink-HS, CoaXPress는 고속/고해상도/고기능의 요구를 충족시키며 기존 방식을 대체, 전 산업 분야로 확대 적용되고 있다.

이석중 라온피플 대표이사


머신비전(Machine Vision) 기술은 산업구조가 고도화된 미국, 일본, EU등에서 1980년대 후반부터 널리 보급되어 활용되고 있으며, 전 산업 분야로 확대되고 있다.
국내에도 반도체 산업의 활성화와 함께 90년대 들어 본격적으로 사용되었고, 이후 PCB 관련 산업, 전기 부품산업, 제약 산업, 화학 산업, 자동차 산업 등에 적용되며 점점 그 사용처가 확대되었다. 뒤이어 LCD, OLED 제조 및 태양광 산업 등 타 산업으로 확대되고 있다.
머신비전 인터페이스는 비전 카메라에서 찍은 영상을 PC로 전송하거나 PC로부터 트리거나 제어 신호를 카메라로 전달하기 위한 경로이다. 사용자가 머신비전 애플리케이션을 구성할때 가장 먼저 정해야 하면서도 결정이 쉽지 않은 것이 바로 이 머신비전 인터페이스의 선택이다.
PCB 검사, LCD 패널 검사, 반도체 검사 등 많은 분야에서 생산성을 향상시키기 위해 빠른 속도와 높은 해상도는 물론 더욱 정밀하고 정확한 검사가 요구되고 있는 상황이다. 그동안 머신비전 인터페이스로는 CameraLink,
GigE, Firewire, USB 2.0 및 아나로그 인터페이스가 사용되었지만, 이런 요구를 충족시키기에 부족함이 있었다.
그래서 고속/고해상도/고기능의 요구를 충족시킬 수 있는 새로운 머신비전 인터페이스가 필요하게 되었고, 이미지 센서 설계와 제조 기술의 발달,반도체 설계 기술의 발달, 머신비전 기술의 발달로 인해서 새로운 인터페이스가 자연스럽게 나타나게 되었다.
이 글에서는 기존 머신비전 인터페이스들을 살펴보고, 최근에 표준화가 되었거나 표준화가 진행되고 있는 새로운 머신비전 인터페이스인 USB3.0, 10GigE, CameraLink-HS 및 CoaXPress에 대해서도 알아본다.

기존 머신비전 인터페이스

아나로그(NTSC/PAL) 방식은 동축 케이블을 통해 아나로그 TV 방식으로 영상 데이터를 전송하며, 가장 먼저 발표되어 지금까지 널리 사용이 되고 있다. 그러나 대역폭의 한계로 인해 사용이 제한적이고 별도의 프레임 그래버
(frame grabber)가 필요하기 때문에, 점점 구현 비용이 저렴하고, 넓은 대역을 제공할 수 있으며, 사용이 편리한
GigE 방식 등으로 대체되고 있다.
USB 2.0 방식은 PC의 표준 인터페이스로서 저렴한 가격이 강점이나 표준화의 정도가 낮아 호환성의 이슈가있으며, 케이블의 길이가 짧아 유연한 시스템 구성이 어렵다. 또한 대역폭이 한계가 있어 고화소와 고속화 대응이 불가능해 최근에는 가격이 매우 민감한 일부 응용 분야를 제외하면 거의 사용되지 않는다.
Firewire는 USB 2.0 방식보다 전송속도, 케이블 길이, 표준화의 수준 등 많은 분야에서 강점을 갖고 있기 때문에 널리 사용되어 왔다. 그러나 GigE 방식 표준이 발표되면서 Firewire와 비교해 거의 모든 분야에서 우월한 특징을 갖춘 GigE에 자리를 내주고 있다.
GigE 방식은 대부분 PC가 기가비트 이더넷을 지원하는 네트워크 카드를 갖고 있으므로 별도의 프레임 그래버없이 PC에 직접 연결이 가능해 시스템 구성비용이 낮고, 리피터(repeater) 없이도 100m까지 전송할 수 있어 유연한 시스템 구성이 가능하다.
또한 GigE 비전으로 표준화가 잘 진행되어 호환성 측면에서도 유리하기 때문에 저가형 카메라는 거의 GigE 방식으로 전환되고 있다. 하지만 UDP방식 사용으로 데이터의 유실 가능성이 존재하며, 이런 이유 탓에 일부 사용자들은 GigE 방식에 대한 거부감을 갖고 있으나, 이점이 많아 사용이 빠르게 확대되고 있다.
CameraLink 방 식 은 TI(구 ,National Semiconductor)의 채널 링크(Channel Link)를 기반으로 설계되었으며, LVDS 방식으로 이미지 데이터를 전송하고 제어 정보를 주고받을 수 있다. 사용하는 채널 수에 따라 Base, Medium, Full 모드로 나눌 수 있으며, Full 모드의 경우 최대 680MB/sec까지 데이터 전송이 가능해 기존 인터페이스 중 속도가 가장 빠르다. 카메라 링크 방식은 별도의 프레임 그래버가 필요하지만, 안정성이 높아 가장 널리 사용되는 인터페이스 중하나이다.
표 1은 기존 머신비전 인터페이스를 비교한 것이다.
기존 인터페이스 중 GigE와 카메라 링크가 널리 사용되고 있지만, 고화소, 고속, 고기능을 지원하기에는 한계가 있어 최근 2~3년 사이에 새로운 초고속 인터페이스에 대한 표준화가 완료되었거나 진행 중이다


USB 3.0

USB는 PC 역사상 가장 성공적인 인터페이스로 현재까지 누적 수량으로 100억 개 이상이 판매되었다. USB 3.0
은 2008년 처음 발표가 되었으며, 2011년 9월에 머신비전 인터페이스로 표준화하기 위한 킥오프 미팅을 가졌다.
그 해 11월 쉬트트가르트 비전쇼에서 PointGrey사를 비롯한 3개 업체가 USB 3.0 방식을 사용하는 비전 카메라를 발표했으며, 국내는 2012년 4월 코리아 비전쇼에서 라온피플이 제품 발표를 했다.
USB 3.0은 USB 2.0에서 숫자만 올라간 것이 아니라, 버스의 구조적인 관점에서 보았을 때, PCIe의 설계 기술이 많이 반영되어 data integrity 부분에 많은 진전이 있었다.
따라서 USB 3.0은 머신비전 인터페이스로서 손색이 없으며, PointGrey사에서 발표한 장시간 동작테스트의 결과를 보더라도 전혀 문제가 없음을 알 수 있다.
이 밖에도 USB 3.0은 케이블 길이가 최대 8m까지 가능하고, 케이블을 통해 최대 4.5W까지 전력 공급을 할 수 있다. 전송 속도도 5Gbps 수준으로 매우 빠르며, USB 2.0과 달리 양방향 데이타 전송도 가능하다.
USB 2.0 방식은 머신비전 인터페이스로서 표준화가 진행되지 않아 호환성에 문제가 있었지만, USB 3.0은 ‘USB3 Vision’이라는 이름으로 표준화가 진행되고 있으며, 2012년 쉬트트가르트 비전쇼에서 표준화된 스펙을
발표할 예정이다. 그러므로 향후 중저가형 머신비전 인터페이스의 많은 부분을 USB 3.0이 흡수할 것으로 전망
된다.


10 기가비트 이더넷

1973년 제록스의 Metcalfe가 최초로 이더넷 개념을 발표한 이래 이더넷은 비약적인 발전을 했다. 1985년 IEEE에서 10Mbps 이더넷을 승인한 이래, 1998년 1 기가비트 이더넷 표준이 승인되었고, 2002년 10 기가비트 이더넷 표준이 승인되었으며, 2010년 40/100 기가비트 이더넷 표준이 승인 되었다.
기가비트 이더넷은 네트웍용으로 발표되었기 때문에, 머신비전 인터페이스로 사용하려면 호환성 확보를 위해 표준화 작업이 필요했다.
2006년‘GigE Vision’표준을 통해 영상 데이터와 제어 신호를 기가비트 이더넷을 통해 주고받을 수 있는 프레임워크를 만들었으며, 그 이후 GigE 머신비전 인터페이스는 널리 보급되고 있다.
앞서 살펴본 것처럼, GigE 방식은 많은 장점을 갖고 있지만, 대역이 1Gbps 수준이어서 고해상도와 고속 카메라 대응에는 문제가 있다. 이에 전세계 3대 머신비전협회에서 현재 ‘GigE Vision 2.0’에 표준화가 진행되고 있으며, 이를 통해 10 기가비트 이더넷이 머신비전 인터페이스 중 하나로 받아들이고, 여러 개의 기가비트 이더넷을 통해 영상을 나눠 보낼 수 있게될 예정이다.
10GigE 제품이 활발하게 보급되려면, 표준화와 함께 전체적인 시스템 구현 비용이 낮아져야 한다. 고가의 광케이블이나 SFP 커넥터 대신, UTP6나 UTP7 케이블을 통해 10 기가비트 이더넷을 지원하는 10GBase-T용 PHY칩이 발표되면서, 10GigE 구현 비용이 많이 떨어져 앞으로 10GigE 제품이 많이 보일 것으로 예상된다. 그림 2는10GigE 구현 비용이 점점 감소하고 있는 것을 보여준다.


CoaXPress

CoaXPress는 Adimec과 Eqco Logic이 공동 개발을 시작하고 2008년 독일 비전쇼에서 처음 발표를 했으며, 2009년 표준화를 위한 컨소시엄이 만들어졌고, 2011년 3월 JIIA에서 공식 스펙을 확정 발표했다.
CoaXPress는 동축케이블을 사용해서 고속 데이터 전송과 케이블의 길이 문제를 해결했다. 아나로그 방식과 마
찬가지로 동축케이블을 사용하지만, 디지탈 데이터를 사용하며 패킷화를 통해 영상 데이터뿐만 아니라 제어 정보를 같이 보낼 수 있다.
또한 양방향 전송이 가능하고, 1채널 당 최대 6.25Gbps까지 가능하며 채널  수를 늘려 더 넓은 대역을 확보할 수
있다.
뿐만 아니라 1개의 케이블을 통해 영상 데이터, 제어 정보, 트리거 신호, 전력까지 모두 공급할 수 있으며, 카메라
링크 방식보다 케이블 가격이 싸고 유연성도 훨씬 우수하다.
CoaXPress 방식은 나중에 발표된 표준인 만큼 고해상도/고속 머신비전 인터페이스에 적합하며, 유연성과 확장성이 뛰어나기 때문에 앞으로 널리확대 보급될 것으로 예상한다. 단, 아직 프레임 그래버나 카메라 가격이 카메라링크 방식보다 다소 비싼 편이어서, 가령 4MPixel/500fps와 같이 기존 머신비전 인터페이스로 대응이 불가능한 분야부터 적용이 되고 있다.


CameraLink-HS

2009년 11월 Teledyne Dalsa가 HS-Link 카메라와 프레임 그래버를 이용해 그 개념을 입증한 이래, 2010년 4월에 표준화를 위한 위원회가 만들어졌고, 2012년 5월에 정식으로 스펙을 확정 발표했다.
CameraLink-HS의 설계 목표는 기존 CameraLink가 갖고 있던 한계를 극복하는 것으로 다음과 같은 특징들이 있다.
• 최고 수준의 대역폭 확보 : 300MB/sec~16GB/sec까지 scalable.
• 케이블 길이 : 기존 CX4 케이블로 10m까지, 광케이블로 1000m까지.
• 네트웍 표준이 아니라 카메라와 프레임 그래버 사이의 전용 인터페이스로 한정 : 카메라는 GenICam 규격을 따라야 함.
• 완벽한 비전 인터페이스 제공 : 대기 시간이 낮은 실시간 신호. 트리거와 GPIO는 프레임 그래버에서 제어 가능.
• 유연성 : 다양한 해상도나 데이터 출력 방식을 갖는 센서 지원.
• Data integrity 보장.
• 만족할만한 가격과 성능.

올해 스펙이 확정 발표되었기 때문에 11월 독일 비전쇼에서 여러 회사들이 CameraLink-HS를 지원하는 제품을 발표할 것으로 예상하며, 앞으로 CoaXPress 방식과 경합을 벌이며 고해상도/고속 머신비전 인터페이스로 자리잡을 것으로 전망된다.


맺음말

향후 어떤 머신비전 인터페이스가 대세를 이룰지 정확하게 예측하기는 어렵지만, 새롭게 발표된 머신비전 인터페이스 방식은 확실히 기존 방식들의 한계점을 개선했기 때문에 시간을 갖고 기존 방식들을 대체해갈 것으로 보인다. 따라서 다음과 같은 예측을 해본다.
USB 3.0은 별도의 프레임 그래버없이 5Gbps의 높은 대역(실제는 2.5Gbps 수준)을 제공하기 때문에 중저가 머신비전의 대안이 될 것으로 예상된다. 10GigE 방식은 PC에서 10 기가비트 이더넷을 지원하는 네트워크 카드의 보급 속도에 맞춰 적용이 확대될 것으로 예상되지만, 발열문제 등 약간의 이슈가 남아 있다.
마지막으로 CoaXPress가 Camera Link-HS보다 1년 이상 먼저 치고 나가는 형국이지만, 사용자나 업체별로 호불호가 갈리기 때문에 당분간 치열한 경합을 벌일 것으로 예상한다. 결국 두 방식은 고해상도/고속 머신비전 인터페이스 시장에서 공존할 것으로 본다.