디지털 카메라의 다양한 인터페이스 비교·분석

디지털 카메라는 애플리케이션 요건에 따라 다양한 인터페이스 옵션과 함께 사용할 수 있다. USB 타입과 같은 일부 포맷은 단일 케이블을 통해 비디오의 출력과 전원을 공급하고 플러그 앤 플레이 기능을 가지고 있어 설치 과정을 크게 간소화한다. 기타 포맷의 경우 전원 공급 장치나 기타 주변 장치가 추가로 필요하지만 카메라의 프레임 속도에 영향을 미치는 더 높은 데이터 전송 속도 나 장케이블 지원과 같은 이점을 제공하기도 하며 또한 동시에 여러 대의 기기를 사용할 수 있도록 한다. 아래 <표1>은 디지털 카메라의 다양한 인터페이스를 비교 분석하여 보여준다.

<표1> 대표적인 디지털 카메라 인터페이스 비교

디지털 카메라 인터페이스

USB (Universal Serial Bus): 이미 USB 3.0으로 잘 알려진 USB 3.1 Gen 1은 컴퓨터에서 흔히 찾아볼 수 있고 높은 속도에 편리함까지 갖춰 가장 일반적으로 사용되는 인터페이스 중 하나이다. 이 인터페이스는 버스의 전송 속도가 5 Gb/s로 고정되어 있어 USB 주변을 구성하는 부품의 개수에 따라 도달 가능한 최대 속도가 달라질 수 있다. USB3 Vision에서 카메라 컨트롤 레지스터는 EMVA GenICam 표준을 기반으로 한다. USB3 Vision 표준은 이전 버전과 호환되는 컴퓨터 규격에는 적합하지 않지만, 일부 USB 3.1 Gen 1 카메 라는 이전 버전과 호환되므로 훨씬 낮은 속도(480Mb/s)의 USB 2.0에서도 운용이 가능하다. 

머신 비전 카메라 업계에서 가장 흔히 사용되는 USB 3.1 커넥터는 USB 3.1 Micro B이다. 머신 비전 시장에서 점차 각광받고 있는 타입은 미래형으로 설계된 USB-C로서 각각 10Gb/s와 20Gb/s의 싱글 및 듀얼 밴드 최고 속도를 제공한다. 또한 이 커넥터는 설치 공간이 작고 양면을 사용할 수 있는 리버시블 타입이다. 현재 USB-C 를 사용하는 케이블과 카메라는 여전히 USB 3.1 Gen 1 데이터 전송 속도로 제한되어 있지만, 업계에서는 고속의 인터페이스를 대체하기 위해 USB 3.1 Gen 2를 채택함에 따라 이처럼 새로운 타입의 커넥터가 지속적으로 요구된다.

GigE (Gigabit Ethernet): GigE는 기가비트 이더넷 인터넷 프로토콜을 기반으로 하며 고속 카메라 인터페이스용으로 표준 Cat 5e 및 Cat 6 케이블을 사용한 다. P2P(카메라와 카드 직접 연결)가 아닌 다른 연결 방식을 사용할 경우 전체 대역폭을 고려해야 하지만 스위치, 허브, 리피터와 같은 표준 이더넷 하드웨어를 여러 대의 카메라에 사용할 수 있다. GigE Vision에서 카메라 컨트롤 레지스터는 EMVA GenICam 표준을 기반으로 한다.

일부 카메라에서 사용할 수 있는 옵션인 LAG(Link Aggregation)는 여러 개의 이더넷 포트를 병렬로 사용해 데이터 전송 속도를 높여준다. 또한 일부 카메라에서 지원되는 네트워크 PTP(Precision Time Protocol)를 사용하면 동일한 네트 워크 상에 연결된 여러 대의 카메라 클럭을 동기화화면서 조합된 노출 사이의 지연(delay) 관계를 고정시킬 수 있다. 5 GigE와 10 GigE는 데이터 전송 속도가 각각 5 Gb/s와 10 Gb/s인 데이터 전송 속도를 특징으로 하는 최신 버전의 GigE 인터페이스이다.

CoaXPress: CoaXPress는 높은 프레임 속도가 요구되는 고해상도 머신 비전 용도에서 손쉽게 사용할 수 있는 초고속 디지털 인터페이스이다. 이 인터페이스는 동축 케이블을 사용하고 여러개의 케이블을 적용할 수 있도록 확장이 가능하다. 각각의 케이블은 최대 12.5 Gb/ s까지 전송할 수 있으며 공칭 24V에서 최대 13W의 전력을 공급할 수 있다. 이와 같은 확장성으로 인해 CoaXPress의 케이블 길이를 설정할 때 최대치가 존재하지 않는다. 대역폭이 클수록 케이 블의 최대 길이는 짧아진다.

Camera Link: Camera Link는 머신 비전 용도로 특별히 개발된 고속의 직렬 인 터페이스 표준이다. 사용을 위해서는 Camera Link 캡처 카드가 필요하며 카메라에 별도로 전원을 공급해야 한다. LVDS(Low Voltage Differential Signal) 신호 라인과 더불어, 데이터 전송시 대역폭을 최대로 유지시켜주는 비동기식 직렬 통신 채널이 제공되기 때문에 특수 케이블 배선이 반드시 필요하다. 단일 케이블 기반으로 구성할 경우 비디오 전용 2.04GB/s 전송이 가능해 진다. 듀얼 출력(최대 구성)을 이용하면 별도의 카메라 파라미터 송수신 라인을 통해 초고속 용도에서 더 많은 데이터 전송 공간 (6.8GB/s)을 확보할 수 있다.

캡처 보드: 이미지 처리에는 컴퓨터가 주로 사용되며, 이는 아날로그 카메라를 사용할 경우 디지털 인터페이스가 필수임을 의미한다. 캡처 보드는 사용자가 아날로그 카메라 신호를 분석을 위해 컴퓨터로 출력할 수 있게 해주며, 더 나아가 이미지 처리를 위해 아날로그 신호(NTSC, YC, PAL, CCIR)를 디지털로 전환해주는 ADC(Analogto-Digital Converter)가 캡처 보드에 포함되어 있다. 그런 다음 사용자는 이미지의 캡처 및 저장을 통해 추후 이미지를 조정하거나 이를 인쇄할 수 있다. 캡처 보드에는 기본적인 캡처 소프트웨 어가 포함되어 있어 사용자가 이미지를 저장하거나 열어 볼 수 있다. 캡처 보드라는 용어는 디지털 카메라 인터페이스에서 데이터를 가져와 이를 해석하는데 필요한 카드를 의미하기도 하지만 표준 컴퓨터 커넥터를 기반으로 하지는 않는다.

노트북 및 카메라: 다양한 디지털 카메라 인터페이스가 노트북 컴퓨터에 연결될 수있지만 고품질 또는 고속 이미징 용도에서는 표준형 노트북의 사용을 피할 것을 적극 권장한다. 노트북의 데이터 버스가 최대 전송 속도를 지원하지 못하거나 고성능 카메라 및 소프트웨어의 모든 장점을 활용할 수 없는 경우가 빈번하기 때문이다. 특히, 대부 분의 노트북에 사용되는 이더넷 네트워크 고속 인터페이스 카드는 데스크톱 컴퓨터에서 이용할 수 있는 PCIe 카드에 비해 훨씬 낮은 수준의 성능을 갖고 있다.

카메라 전원 공급
 

다수의 카메라 인터페이스는 USB나 PoE(Power over Ethernet) 와 같은 신호 케이블을 통해 원격으로 카메라에 전원을 공급할 수 있다. PoE는 일부 GigE 카메라에서만 사용할 수 있는 기능이다. 사용이 불가능한 경우에는 일반적으로 Hirose 커넥터(트리거 및 I/O도 가능) 또는 표준 AC/DC 어댑터 타입의 커넥션을 통해 전원이 공급된다. 심지어 카드나 포트를 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있다 하더라도 별도의 전원 커넥션을 사용하는 것이 유리한 경우도 있다. 아래에서는 GigE 카메라를 연결하고 전원을 공급하는 3가지 방법에 관해 설명한다.

GPIO(General-Purpose Input/Output) 전원 케이블 연결: GigE 케이블을 사용해 카메라를 컴퓨터에 연결한다. 그 다음 주로 Hirose 커넥터 케이블로 알려진 GPIO 전원 케이블을 콘센트에 꽂아 카메라의 전원 포트에 연결한다. 카메라의 유형에 따라 핀의 수(6 또는 12)가 다른 GPIO 케이블이 필요하기도 하다. PoE 카메라 외에는 전원 케이블을 이용해 카메라에 전원을 공급하는 것이 유일한 방법일 수 있다.

PoE(Power over Ethernet) 인젝터: PoE 인젝터(injector)는 GigE 케이블로 카메라에 전원을 공급할수 있다. 이 인젝터는 공장 현장에 설치하거나 야외에서 사용할 때와 같이 공간적 제한으로 인해 카메라에 전원 공급 장치를 장착할 수 없는 경우 매우 중요한 역할을 한다. 이처럼 제한된 공간에 서는 카메라 및 컴퓨터에 연결되는 표준 케이블의 배선 중간에 인젝터를 추가할 수 있다. 다만, 모든 GigE 카메라가 PoE와 호환이 되는 것은 아니다. PoE 인젝터에 전원 케이블을 꽂고 GigE 케이블을 사용해 인젝 터의 ‘IN’ 포트를 컴퓨터에 연결한다. 그런 다음 다른 GigE 케이블을 사용해 인젝터의 ‘OUT’ 포트를 사용자의 카메라에 연결한다.

PoE NIC(Power over Ethernet Network Interface Card): PoE NIC는 구리 소재의 인터페이스를 사용하여 컴퓨터를 통해 카메라로 전원을 공급하고 보안용 광섬유 네트워크에 카메라를 연결할 수 있도록 한다. 또한 이 PoE NIC는 필요한 콘센트와 케이 블의 수를 줄여준다. PoE 카드를 컴퓨터 본체 기판에 있는 슬롯에 꽂고 내부 전원에 연결한다. 그 다음 GigE 케이블을 사용해 PoE 카드의 포트 중 하나와 카메라를 연결한다.

카메라 소프트웨어
 

일반적으로 이미징 소프트웨어와 관련해서는 두 가지 선택이 가능하다. 하나는 카메라 전용 SDK(Software Development Kits) 를 사용하는 것이고 다른 하나는 타사의 범용 소프트웨어를 사용 하는 것이다. SDK에는 사용자 정의 프로그램 개발을 위한 코드 라이브러리와 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스, 그리고 코딩이 전혀 필요 없고 단순한 기능을 제공하는 간단한 이미지 보기 및 포착 프로그램이 포함되어 있다.

타사 소프트웨어를 사용할 때는 카메라 표준(GenICam, DCAM, GigE Vision)의 작동성을 보장하는 것이 중요하다. 타사 소프트웨어에는 NI LabVIEW, MATLAB, OpenCV 등이 포함된다. 타사 소프트웨어는 여러 대의 카메라를 실행하고 다양한 인터페이스를 지원하지만, 작동 여부를 확인하는 것은 전적으로 사용자에게 달려 있다.

<그림1> 표준 카메라 센서용 센서 크기 규격

<표2> 픽셀 크기별 카메라 해상도

센서

센서 크기: 카메라 센서의 활성 영역 크기는 시스템의 시야(FOV) 및 주배율 (PMAG)을 결정할 때 중요한 역할을 한다. 이미징 렌즈에 의해 결정된 고정 배율을 적용하면 센서가 커질수록 시야 또한 넓어진다. <그림1>과 <표2>에 표시된 바와 같이 표준 에어리어 스캔 센서 크기에는 여러 가지가 있다. 표준 센서에 사용되는 용어의 기원은 TV 방송용 영상 장치에 사용되던 Vidicon 진공관으로 거슬러 올라감에 따라 센서의 실제 규격과는 차이가 있음을 유의해야 한다. 하지만 대다수의 센서 표준은 4:3(가로:세로)의 종횡비(aspect ratio)를 유지한다. 

이미징 용도에서 자주 발생하는 한 가지 이슈는 이미징 렌즈의 특정 센서 크기 지원 능력이다. 센서가 렌즈 디자인에 비해 지나치게 크면 비네팅(Vignetting, 이미징 렌즈의 외부 가장자리를 통과 하는 빛의 감쇠)으로 인해 이미지가 흐려지고 가장자리로 갈수록 품질이 저하될 수 있다. 비네팅이 발생하면 시야의 가장자리가 어두워지기 때문에 터널 효과(tunnel effect)로 불리기도 한다. 대신 센서 크기가 작아지면 비네팅과 같은 문제는 생기지 않는다.

CCD 대 CMOS 센서: CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 차별화된 센서 테크놀로지로서 빛을 전자 신호로 전환해준다. 이러한 CCD는 각각의 픽셀 전하를 전압으로 변환하고 완충 저장 장치에 저장 후 single node를 통해 아날로그 신호로 전송한다. CMOS 센서는 전하-전압 변환이 픽셀 레벨에서 완료된다. 예전에는 이러한 변환 처리가 균등하지 못한 출력을 낳기도 했다. 

CMOS에 적용된 진보된 기술은 지난 수년간 광량이 충분하지 못한 환경과 여러 용도에서 발생하는 빛의 비균일성을 굉장히 줄여줌에 따라 고급 CMOS 센서는 동급의 CCD 성능을 능가할 수있다. 이외에도, CMOS는 전력 소비가 CCD에 비해 낮기 때문에 공간적 제약이 있는 용도에 매우 유용하게 사용할 수 있다. 저급의 CMOS 센서일지라도 대략 3 마이크론 미만의 픽셀 사이즈를 갖고 있어 이미지 품질 면에 있어서 여전히 CCD를 능가한다. 성능 차이는 <표3>에 상세히 기술되어 있다.

<표3> CCD 대 CMOS 센서

자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)