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임베디드 비전시스템, 자유롭고 유연하게 다용도의 콤팩트한 혁신적인 제품 설계 가능

콤팩트하고 강력한 단일 보드 컴퓨터를 사용할 수 있게 되면서 흥미로운 신제품 설계가 가능해지고 있다. 이는 특히 소형화로 비용 및/또는 효율성을 개선할 수 있는 응용 분야에 유용하다. 또한 비전 시스템은 전기능 보드 레벨 머신비전 카메라를 사용함으로써 제품의 전체 크기를 훨씬 줄이고 작동 유연성을 제공하는 동시에 맞춤형 또는 비표준 광학 기기를 지원할 수 있다. 전형적인 예로는 의료 진단 장치, 계량학, 로봇 공학, 임베디드 비전, 포장 및 인쇄 검사, 핸드헬드 스캐너, 벤치탑 실험실 및 기타 공간 제약적인 시스템 등이 있다.

이 원고에서는 임베디드 비전 카메라를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 측면, 즉 기능 세트, 폼 팩터, 물리적인 설치 공간, 인터페이스 옵션, 렌즈 마운트, 소프트웨어 지원, 열 관리, 전자기 적합성에 관해 다룬다.

폼 팩터 및 기능 세트

케이스형 카메라에서 보드 레벨 카메라로 전환하려면 시스템 설계자는 영상 처리 및 카메라 성능 요구 사항을 신중하게 검토해야 한다. 많은 소형 보드 레벨 카메라는 저해상도 센서, 소수의 GPIO 라인과 제한된 카메라 기능만을 지원한다. 반대로 많은 전기능 머신비전 카메라의 보드 레벨 변형 제품은 케이스만 제거한 표준 카메라일 뿐이다. 이러한 카메라는 필요한 영상 처리 성능을 달성할 수 있지만, 표준 케이스형 모델보다 크기가 그다지 작지 않을 수 있다. 그러한 카메라에는 흔히 부피가 커서 임베디드형 응용 제품에 이상적이지 않은 표준 GPIO 및 인터페이스 커넥터가 사용된다. 예를 들어, 통상적인 산업용 잠금 커넥터만 해도 Blackfly S 보드 레벨 카메라와 크기가 거의 동일하다.

FLIR의 Blackfly S 보드 레벨 카메라는 처음부터 임베디드 시스템을 염두에 두고 설계되었다. 이 제품은 놀라울 정도로 콤팩트한 29mm x 29mm x 10mm 크기의 폼 팩터로 케이스형 Blackfly S 모델과 동일한 영상 처리 성능과 풍부한 기능 세트를 제공하며, 콤팩트한 GPIO 및 인터페이스 커넥터를 통해 공간을 추가로 절감할 수 있다. FLIR의 임베디드 비전 카메라 제품군이 갖춘 다른 중요한 이점은 1/3” ~ 1.1” 센서의 모든 카메라에 동일한 폼 팩터를 사용할 수 있다는 점으로, 여러 카메라 모델의 폼 팩터가 동일하기 때문에 시스템 개발 및 업그레이드 작업과 향후의 변형 제품 제작을 훨씬 쉽게 수행할 수 있다.

렌즈 마운트

보드 레벨 카메라는 비표준 광학 기기를 통합하거나 영상 센서를 표적물에 가능한 한 근접하게 배치하고자 하는 고객에게 매력적인 옵션이다. 고정형 렌즈 마운트가 없는 보드 레벨 카메라의 경우 설계자가 머신비전 산업에서 흔히 사용되는 표준 C, CS 또는 S 마운트 렌즈 이외의 광학 기기도 자유롭게 선택할 수 있다. 이 설계는 또한 흔히 렌즈를 전혀 사용하지 않는 응용 분야, 즉 생명 공학 및 레이저 빔 프로파일링에도 이상적이다. 

보드 레벨 카메라의 또 다른 일반적인 응용 사례는 렌즈 마운트를 다른 제품 부품에 통합하는 것으로 이를 ‘임베디드 비전 카메라’라고 부른다. 또한 렌즈 마운트를 다른 제품의 하우징에 직접 성형하여 제조 및 조립을 간소화함으로써 비용을 대폭 절감할 수 있다. 렌즈 마운트가 함께 배송되지 않은 보드 레벨 카메라를 평가하려면 마운트 부속품도 구매해야 한다. 보드 레벨 모델과 센서 및 기능이 동일한 케이스형 모델을 사용할 수 있는 경우 개발 플랫폼으로 사용할 수 있다.

보드 레벨 카메라에 적합한 렌즈 마운트 옵션을 선택할 때 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나는 사용하는 센서의 크기다. 일반적으로 S 마운트 렌즈는 해상도가 낮은(일반적으로 2MP 미만) 1/3” 이하 센서에 사용할 수 있도록 설계된다. 한편 CS 마운트 렌즈는 1/3” ~ 1/2”의 센서에서 작동할 수 있도록 설계된다. 센서가 1/2” 이상이면 C 마운트 렌즈를 사용하는 것이 가장 좋다.

열 관리

케이스형 머신비전 카메라는 케이스의 표면적을 통해 센서, FPGA 및 기타 부품이 생성한 열을 발산한다. 고성능 보드 레벨 카메라는 케이스가 없으므로 권장 온도 범위 내에서 작동할 수 있도록 추가 설계 요구사항이 필요할 수도 있다. 이 경우에는 반드시 적절한 방열 기능을 제공해야 한다. 제조업체에서는 일반적으로 이 최고 온도 부품에 적합한 최대 접합 온도를 제공한다. FLIR Blackfly

S 카메라에서 FPGA의 최대 접합 온도는 105℃(221℉)로 지정되어 있다.

시스템 설계자는 해당 열 관리 솔루션이 이 지침에 부합되도록 해야 한다. 방열판의 크기, 카메라를 장착하는 섀시의 표면적 또는 필요한 활성 냉각기 유형은 센서, 프레임률, 작동 환경, 수행하는 카메라에서 영상 처리가 수행되는 분량 등에 따라 다른다. 방열판을 카메라에 부착할 때는 열 패드 위에 열 페이스트를 도포함으로써 카메라의 보드 스트레스를 최소화할 것을 권장한다.

케이스 설계와 신속한 시제품 제작

대부분의 경우에 보드 레벨 카메라는 임베디드 비전 시스템/제품에 직접 통합되며, 따라서 케이스가 필요하지 않다. 그러나 카메라가 제품에 통합되지 않아 카메라 내부가 엘리먼트에 노출된 상태로 남는 응용 분야의 경우에는 손상을 방지하기 위한 케이스가 필요할 수 있다. 신속한 시제품 제작을 위해 임베디드 시스템 설계자는 3D 프린터를 사용하여 카메라의 케이스를 쉽게 설계 및 인쇄하거나 일반 플라스틱 케이스를 사용하여 카메라를 캡슐화하고 스페이서 및 장착 브라켓을 사용하여 장착할 수 있다.

인터페이스 및 커넥터

임베디드 시스템에는 USB 3.1 Gen 1이 이상적인 인터페이스다. 데스크탑 PC에서부터 ARM 기반 SBC(단일 보드 컴퓨터)에 이르기까지 다양한 하드웨어 전반에 대해 지원을 보증한다. DMA(직접 메모리 액세스)는 필터 드라이버가 없어도 대기 시간을 최소화할 수 있다. USB 3.1 Gen 1은 또한 단일 케이블을 통해 전력 및 최대 480MB/초의 데이터 처리량을 제공함으로써 기계적 및 전기적 설계를 간소화한다.

임베디드 시스템 설계자의 주요 목표를 달성하기 위해서는 기존 설계를 소형화해야 하는 경우가 종종 있다. 이 경우 케이블 및 커넥터의 용적이 최대 케이블 길이보다 훨씬 더 중요하다. FPC(연성 인쇄 회로) 케이블은 최대 30m의 케이블 길이를 통해 USB 3.1 Gen 1을 지원할 수 있다. 명칭이 시사하는 것처럼 FPC 케이블은 연성으로서 패키지가 조밀한 시스템 내부에 구부리거나 비틀어서 장착할 수 있다. 또한 고품질의 잠금 커넥터 및 잠금 탭이 있는 차폐형 FPC 케이블을 사용하면 안전성 및 신뢰성이 높은 연결이 가능하다.

그러나 USB 3.1 인터페이스가 지닌 한 가지 단점은 고주파 신호이므로 최대 5GHz(예: GPS 신호)의 무선 장치에서 간섭을 유발할 수 있다는 점이다. 이와 같은 무선 주파수를 사용하는 응용 분야를 위해 FLIR는 GigE 인터페이스를 갖춘 FLIR 보드 레벨 카메라도 제공하고 있다.

MIPI CSI는 많은 임베디드 보드에서 흔히 사용하는 다른 인터페이스다. 그러나 MIPI 프로토콜 및 드라이버의 복잡성으로 인해 개발 작업에서 USB보다 많은 시간이 소요된다. 또한 LVDS(저전압 차동 신호 전송) 기반 인터페이스도 제공되며, 호스트 측 FPGA에 직접 인터페이스할 수 있도록 설계되었다. 그러나 각 신호 전송 채널에 두 전선이 필요하므로 특정 응용 분야에서는 작지만 중요한 단점으로 작용할 수 있다.

소프트웨어 지원

임베디드 시스템에 사용하기 위한 카메라를 선택할 때는 소프트웨어 지원이 간과하면 안 되는 중요한 고려 사항이다. 데스크톱 및 임베디드 시스템을 모두 지원할 수 있는 SDK를 통해 설계자는 익숙한 도구에서 비전 응용 제품을 개발하여 선택한 임베디드 플랫폼에 쉽게 배포할 수 있다. FLIR의 Spinnaker SDK는 x86, x64 및 ARM 기반 시스템에서 Windows 및 Linux를 지원한다.

전자기 적합성

케이스가 제공하는 차폐 효과가 없는 보드 레벨 카메라의 EMC(전자기 적합성)는 케이스형 모델과 다르다. FLIR가 생산하는 케이스형 모든 머신비전 카메라는 EMC 인증을 획득했지만, 보드 레벨 카메라는 그렇지 않다. 이러한 보드 레벨 카메라는 다른 제품/시스템에 내장되기 때문에 최종 제품에 대한 인증을 개별적으로 획득해야 한다. 응용 분야에 상관없이 기타 모든 전기 부품과 마찬가지로 EMI(전자파 방해) 관리의 모범 사례를 항상 준수할 것을 권장한다.

결론

보드 레벨 카메라는 혁신적인 임베디드 비전 시스템으로서, 이를 통해 자유롭고 유연하게 다용도의 콤팩트한 혁신적인 제품을 설계할 수 있다. 기사에서 다룬 요인 이외에도 고품질의 센서, 광학 기기 및 신뢰성 있는 부품을 사용하여 임베디드 시스템이 미래에도 경쟁력을 갖출 수 있도록 하는 것 또한 중요한 고려 사항이다. FLIR의 보드 레벨 카메라 전체 제품군은 처음부터 이와 같은 응용 분야를 염두에 두고 설계되었으며, 업계 최고의 3년 보증을 제공한다. FLIR의 머신비전 전문가들은 고객이 해당 임베디드 시스템에 최적화된 올바른 수준의 영상 처리 성능 및 폼 팩터를 선택할 수 있도록 지원한다.

플리어시스템코리아