고속 이미징 10, 25, 50 및 100GigE Vision의 이점
Emergent
매우 높은 데이터 및 프레임 속도, 낮은 CPU 오버헤드, 케이블 길이 옵션, 경제성 및 단순성은 GigE Vision이 가진 많은 장점에 포함된다.
머신 비전 애플리케이션을 구동하는 고속 솔루션에 대한 수요로 인해 제조업체는 구성 요소와 관련하여 다양한 선택을 할 수 있다. 프레임 그래버는 하나의 옵션이다. 그러나 기존 고속 네트워크 카드 기술과 함께 드라이버 수준에서 변경하면, 프레임 그래버 기반 기술과 동일한 성능과 저렴한 비용으로 100GigE 이상의 속도를 달성할 수 있다. 다음은 GigE Vision 카메라의 간략한 타임라인을 나타내며, 인터페이스의 세부 사항, 장점 및 이점, 10GigE ~ 100GigE를 사용하여 제조 및 기타 분야에서 머신 비전 솔루션의 최첨단을 유지하는 방법에 대한 정보들을 소개한다.
간략한 GigE 카메라의 진화 배경
2010년 Emergent Vision Technologies는 10GigE 인터페이스를 갖춘 최초의 카메라를 출시했으며, 이미지 센서의 발전과 고속 인터페이스에 대한 수요로 인해 2018년 최초의 25GigE 카메라가 출시되었다. 지속적으로 증가하는 센서 속도는 다시 고속 비전 수요를 주도하여 2020년에 100GigE 카메라로 이어졌다.
오늘날 많은 GigE Vision 솔루션과 액세서리가 제공되고 있다. 일반적으로 카메라는 고속 이미징 애플리케이션의 정의 요소인 해상도와 프레임 속도를 제어한다. 그러나 액세서리와 통합도 이미지 획득 프레임워크에서 중요한 역할을 한다. 평판이 좋은 머신 비전 기술 회사는 솔루션에 대한 완전한 이해를 제공하고 초고속 애플리케이션에 필요한 성능을 제공하기 위해 잘 테스트된 아키텍처에 대한 조언을 제공하고 있다.
최적화된 GigE
기존의 GigE 프레임 획득 모델이 그림 2에 나와 있다. 1 GigE가 최적이 아닌 경우 고성능 드라이버 구현을 위해 Intel PRO/1000 기반 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 선호된다.
그림 3에 표시된 최적화된 GigE 모델은 RDMA(Remote Direct Memory Access) 및 RoCE(RDMA over converged Ethernet)를 제공한다. 이 시스템은 CoaXPress(CXP)와 동일한 낮은 지터 및 대기 시간으로 낮은 CPU 사용량과 누락된 프레임을 제공한다.
RDMA에 최적화된 GigE 모델은 원격 운영 체제 및 CPU를 사용하지 않고도 한 호스트(스토리지 또는 컴퓨터)의 메모리에서 다른 호스트의 메모리로 직접 액세스할 수 있다. RoCE는 이더넷 네트워크를 통한 RDMA의 효율적인 데이터 전송을 가능하게 하는 표준 프로토콜로 하드웨어 RDMA 엔진 구현으로 오프로드 전송을 허용한다. 이 설계 네트워크는 더 낮은 대기 시간, 더 낮은 CPU 부하 및 더 높은 대역폭으로 성능을 최적화한다.
GigE 비전의 장점
IEEE 표준화와 GigE 솔루션의 성공으로 제조업체는 하드웨어, 소프트웨어 및 액세서리에 대한 많은 옵션을 갖게 되었다. 예를 들어, GigE Vision 솔루션은 기성품 NIC 또는 FPGA 카드를 사용하여 100GigE 카메라에 직접 연결할 수 있으므로 시스템 복잡성이 줄어든다.
이미징 시스템 설계의 동인은 보다 발전된 머신 비전에 대한 요구다. 예를 들어, 그래픽 처리 장치(GPU)는 더 빠른 속도, 3D 이미징 및 딥 러닝과 관련된 애플리케이션에서 사용이 증가했다. GPU를 통합하면 AI 솔루션을 도입하여 고급 이미징 시스템을 구동할 수 있다. AI 처리 기술의 주요 발전은 NIC와 GPU를 하나의 카드 솔루션으로 결합한 NVIDIA의 BlueField-2이다. 이러한 혁신은 머신 비전 및 이미징 기술의 기능을 계속 발전시키고 확장한다.
타사의 기존 액세서리에 의한 GPU 지원, 빠른 데이터 전송 및 프레임 속도 증가는 GigE 카메라의 이점으로서 공장 외부에서 사용을 확대시키고 있다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 듀얼 NIC와 NVIDIA Xavier GPU가 있는 2개의 25GigE 카메라는 드론 시스템 배포를 위한 정확한 아키텍처를 제공한다.
이미징 솔루션이 공장에서 퇴출됨에 따라 복잡성을 줄이는 GigE Vision의 능력은 OEM에게 점점 더 중요해졌다. 또한 저렴한 범용 트랜시버 부품을 제공하는 SFP+(10G), SFP28(25G) 및 QSFP28(100G)을 통해 단일 모드 광섬유는 최대 10km 이상을 실행할 수 있다. 케이블 길이는 감시, 운송 및 스포츠 기술과 같이 카메라가 PC에서 멀리 떨어져 있어야 하는 애플리케이션에서 매우 중요하다. 간단히 말해서, GigE 카메라 채택의 이점은 다음과 같다.
▲ 초고속 데이터 및 프레임 속도
▲ PTP(precision time protocol)와 카메라 동기화
▲ 카메라 멀티플렉싱 및 멀티캐스팅
▲ 낮은 CPU 오버헤드, 짧은 대기 시간 및 낮은 지터
▲ IEEE 표준화로 인한 강력한 업계 간 수용
▲ 경쟁력 있는 비용 및 성능
그림 5의 GigE Vision 솔루션은 24개의 10GigE 카메라, PTP 동기화를 위한 스위치, 이중 100G 링크로 카메라 24개를 다중화하고 이미지 프레임을 시스템 메모리에 배치하기 위한 단일 슬롯 100G 이중 NIC를 보여준다. 동등한 CXP 시스템에는 3개의 8진수 프레임 그래버가 필요하며, 10GigE와 CXP6의 차이점은 표 1에 나와 있다.
그림 6의 또 다른 실제 배포는 12개의 25GigE 카메라, 스위치 및 이중 100G NIC를 보여준다. CXP 시스템이 이 설정과 동일한 수준의 성능을 달성하려면 12개의 CXP12 카메라와 3개의 개별 CXP12 프레임 그래버가 필요하다. 더 먼 거리에 광섬유 CXP 옵션을 배포하려는 사람들은 BOM에 광섬유 어댑터 6개를 추가해야 하므로 프로젝트 총 비용이 더욱 증가한다.
그림 7의 또 다른 예에서는, 듀얼 100G NIC에 연결된 100GigE 카메라 2대로 구성된 GigE Vision 설정과 동일하도록 4개의 CXP-12 프레임 그래버와 함께 각각 8개의 포트가 있는 CXP12 카메라 2대가 필요하므로 GigE Vision의 효율성 비용을 더욱 강조한다.
여러 대의 카메라로 작업할 때 정밀 타이밍 및 타임 스탬프는 외부 트리거 없이도 이미징 시스템이 내부 시간 기반 명령을 기반으로 예약 및 동기화된 동시 수집을 실행하는 데 도움이 된다. 많은 이미지와 데이터를 단일 스트림으로 결합하려면 컴퓨팅 및 처리 능력이 필요하다. GigE 카메라 및 액세서리는 여러 대의 카메라를 실시간으로 정확한 스트림으로 결합한다. 저렴한 이더넷 스위치의 가용성은 시스템 설계자가 1us에 다중 카메라 동기화를 위해 IEEE1588 PTP를 활성화할 수 있는 간단한 방법을 제공한다.
트리거 옵션이 있으면 GigE 카메라 응용 프로그램을 통합하고 확장하는 데 도움이 된다. 예를 들어 고객이 NIC에서 카메라를 트리거하려는 드문 경우지만 Emergent에는 전면 패널 트리거 포트가 있는 자체 듀얼 포트 25Gb NIC 및 단일 포트 100Gb NIC가 있다. 또한 이전에 언급한 FPGA 카드에는 IO 포트 기능도 있다.
소프트웨어로 GigE 통합 및 운영 용이
GigE가 업계에서 널리 채택되면서 고려해야 할 소프트웨어 옵션이 많이 있다. 한 가지 예는 미리보기, 캡처 및 저장을 위한 모든 카메라 기능을 제어하는 eCapture 무료 뷰어 소프트웨어이다. 고급 기능에는 관심 영역(AOI), 통합 제어 및 밝기, 감마 및 프레임 속도 제어를 포함한 표준 사전 처리가 포함된다.
eSDK 소프트웨어 개발 키트를 통해 최종 사용자, 시스템 통합업체 및 OEM은 필요한 경우 Emergent Vision Technologies 카메라를 자체 소프트웨어 및 장비에 통합할 수 있다.
Emergent는 또한 개발 리소스가 제한적이거나 초고속 비전 기술에 대한 전문 지식이 없는 고객을 위해 AOI 및 체적 캡처와 같은 다양한 애플리케이션을 위한 완전한 턴키 소프트웨어인 eCapture Pro를 제공한다.
미래의 고속 이미징 인터페이스
이미징 속도의 발전은 주로 새로운 이미지 센서의 출현에 의해 주도되며, 이는 차례로 고속 애플리케이션 요구 사항에 의해 주도된다. 많은 애플리케이션에는 고해상도 이미지가 필요하며 가장 빠른 인터페이스가 없으면 프레임 속도가 요구 사항을 충족하지 못할 수 있다. 10GigE, 25GigE, 50GigE 및 100GigE와 같은 인터페이스는 가상 현실, 체적 캡처, 스포츠 분석 및 자동 광학 검사와 같은 애플리케이션의 고해상도, 고속 요구 사항을 충족한다.
GigE Vision의 추가적인 이점으로는 낮은 서버 활용도, 단순화된 시스템 아키텍처, 멀티캐스트 비디오 기술, 경쟁력 있는 비용 및 성능, 출시 기간 단축 등이 있다. 이러한 이점을 통해 GigE Vision 솔루션은 여러 산업 분야에 걸쳐 이미징 애플리케이션을 확장할 수 있었고 앞으로도 계속 그럴 것이다.
자료 제공: Emergent(www.emergentvisiontec.com)
