머신 비전 기술의 진화, GigE Vision 과 USB 3.0
PLEORA
공장 애플리케이션은 업무 자동화, 효율성 향상을 위해 머신 비전 시스템에 점점 더 의존하고 있다. 예를 들어, 제조 라인의 빈 피킹 로봇은 카메라의 실시간 이미징 데이터를 사용하여 저장 용기에서 부품을 정확하게 찾고 선택한다. 밀리 초 이내에 비전 시스템은 물체를 감지하고 물체와 주변 환경을 모델링하고 부품을 정확하게 선택한 후에, 다음 경로를 계획한다.
설계자는 머신 비전 애플리케이션이 증가되고 시스템이 복잡해짐에 따라 점점 더 많은 어려움에 직면하고 있다. 시스템은 점점 더 자세한 분석을 지원하면서 직관적이고 사용하기 쉬워야 한다. 예산 압박은 기존 이미징 장비에 대한 추가 투자 없이도 시스템이 향상된 성능을 제공해야 함을 의미한다. 마지막으로 시스템은 유지 관리 및 확장이 간편하고 효율적이어야 한다.
이러한 과제를 고려할 때 주요 디자인 결정은 비디오 인터페이스(카메라 또는 이미지 센서에서 컴퓨터 또는 디스플레이로 데이터를 전송하는 데 사용되는 기술)를 선택하는 것이다. 비디오 인터페이스는 전체 비전 시스템의 일부이지만 최종 제품의 유용성, 비용 절감 및 확장성에 큰 영향을 미친다.
비전 표준으로 설계 간소화
비디오 인터페이스는 고성능 이미징 애플리케이션의 요구를 충족시키기 위해 카메라 또는 이미지 센서에서 고해상도 비디오를 일관된 대기시간(또는 지연)으로 실시간으로 컴퓨터 및 디스플레이로 전송해야 한다. 비디오 인터페이스에서 사용자 지정 솔루션은 성능 기준을 충족했지만 개발 및 유지 관리 비용이 많이 들었다.
2000년에 도입된 Camera Link®는 머신 비전을 위한 최초의 빌트형 표준이다. 이러한 각 표준은 분석을 위한 컴퓨터든 관찰을 위한 디스플레이 패널이든 이미지 소스와 엔드 포인트 간의 전용 연결이 필요하다. 여러 화면에 이미지가 표시되는 애플리케이션에서는 케이블 연결 비용이 많이 들고 복잡해진다. 또한 이러한 인터페이스에는 데이터를 캡처하기 위해 각 엔드 포인트에서 PCIe 또는 PC 카드 프레임 그래버가 필요하다. 이는 사용할 수 있는 컴퓨터 유형을 제한하고 비용을 증가시키며 복잡성이 더해진다. 또한 실시간 비디오 네트워크를 지원하려면 고가의 스위칭이 필요하다.
이러한 제한 사항을 인식하고, 카메라 제조업체, 구성 요소 공급 업체 및 최종 사용자가 협력하여 이미징 시스템과 카메라를 보다 쉽게 설치 및 업그레이드 그리고 유지 관리할 수 있는 개방형 글로벌 표준 세트를 만들었다. GigE Vision® 및 USB3 Vision™은 이더넷 또는 USB 3.0 케이블을 통해 낮고 일관된 대기 시간으로 전체 해상도 비 압축 비디오 전송을 가능하게 하여 설계 및 배치 비용을 줄인다.
이러한 표준이 널리 채택되면서 더 많은 비디오 인터페이스 제품이 상용 솔루션으로 제공되고 있다. 개조 프로젝트의 경우 외부 프레임 그래버를 사용하면 기존 카메라의 피드를 보다 관리하기 쉬운 GigE Vision 또는 USB3 Vision 비디오로 간단하게 변환할 수 있다. 임베디드 하드웨어 솔루션을 통해 제조업체는 표준 호환 비디오 연결을 카메라 및 이미징 시스템에 직접 통합할 수 있다.
GigE 비전과 산업 자동화
2006년에 도입된 GigE Vision 표준은 GigE에 대한 비디오 전송 및 장치 제어를 규제했으며 나중에 10GigE 및 무선을 포함하도록 확장되었다. GigE Vision 인터페이스를 사용하면 이미징 데이터가 컴퓨팅 플랫폼의 이더넷 포트로 직접 전송된다. PCIe 프레임 그래버가 필요하지 않으므로 랩톱 및 태블릿을 포함한 모든 유형의 컴퓨터를 사용할 수 있다. 이더넷 케이블은 비용이 저렴하고 설치 및 유지 보수가 간단하며 표준 구리 케이블을 통해 최대 100미터, 글라스 파이버를 통해 수천 미터까지 확장된 범위로 처리 및 이미지 분석 장비를 보다 편리한 위치로 이동하여 유지 보수할 수 있다.
GigE Vision은 처음 도입되었을 때 주로 카메라 대 컴퓨터 연결에서 저렴한 비용과 긴 범위로 평가되었다. 오늘날 제품 디자이너들은 이더넷의 고유한 네트워킹 유연성을 활용하여 실시간 전환 비디오 네트워크를 구축하고 있다. GigE Vision은 애플리케이션에 완전히 새로운 차원을 제공하여 하나의 카메라에서 여러 엔드 포인트로 비디오를 보내거나 여러 대의 카메라에서 하나의 엔드 포인트로 비디오를 보내거나 하는 두 가지를 조합하여 사용할 수 있다.
GigE Vision 호환 제품을 사용하면 설계자가 신뢰성, 미래 보장 설계(future-proof designs, 미래 에도 사용가능한 설계)를 향상시키고 레거시 아날로그 또는 카메라 링크 인터페이스를 중심으로 설계된 품질 검사 시스템의 수명을 연장할 수 있다. 웹 검사(그림 1)에서 외부 프레임 그래버는 기존 Camera Link Full 카메라의 이미지를 보다 유연한 10GigE 비디오 스트림으로 변환한다. 압축되지 않은 비디오는 이미지 처리 컴퓨터의 포트로 직접 전송되므로 사용 가능한 주변 장치 카드 슬롯이 있는 컴퓨팅 플랫폼이 필요하지 않다. 이더넷 케이블 연결이 길면 가공 장비를 열악한 제조 환경에서 중앙 운영 센터로 옮길 수 있다.
외부 프레임 그래버는 기성 이더넷 스위치를 사용하여 동시에 여러 컴퓨터에 이미징 데이터를 멀티 캐스트 할 수 있는 네트워킹 유연성을 통해 필요한 지점 간 성능을 지원한다. 이를 통해 설계자는 PC를 각 카메라에 맞추지 않고 다양한 유형의 결함에 맞게 개별 컴퓨터를 최적화할 수 있다. 유지 관리를 위해 기본 PC가 오프라인 상태가 되면 케이블을 전환하거나 소프트웨어 설정을 변경할 필요 없이 백업 PC에서 검사 기능을 수행할 수 있다.
이더넷은 여러 산업과 애플리케이션에서 전 세계적으로 설치되는 성숙한 기술이다. 즉, 비전 시스템 설계자는 기존 공급자가 개발, 유지 관리 및 판매하는 상용 구성 요소를 사용하여 전체 시스템 비용을 낮출 수 있다. 또한, 이더넷의 광범위한 채택은 공급 업체와 최종 사용자의 표준의 지속적인 발전을 장려한다. 머신 비전 산업의 경우 다른 산업에서 이미 테스트하여 완성한 기술을 재사용 할 수 있다.
예를 들어 유선 및 무선 통신 네트워크를 동기화하기 위해 지난 10년 동안 널리 배포된 IEEE 1588 프로토콜은, 머신 비전 시스템에서 이미지 및 제어 신호에 사용된 동일한 이더넷 연결을 통해 마이크로 초 미만의 정확도로 네트워크 장치를 동기화하는 데 사용됐다.
간단한 연결을 위한 USB3
USB 인터페이스는 소비자 및 PC 애플리케이션에서 널리 채택되었지만 이전 버전의 표준에서 지원하는 대역폭은 실시간 이미지 분석을 위해 압축되지 않은 원시 데이터가 필요한 비전 애플리케이션에는 충분하지 않았다. 이는 USB 2.0 표준의 10배인 USB 3.0 표준 또는 SuperSpeed USB로 변경되었다. 이 원시 속도를 활용하고 GigE Vision을 위해 개발된 개념을 바탕으로 머신 비전 산업은 2013년 2월 USB3 Vision을 출시하여 USB 3.0 케이블을 통한 이미징 및 비디오 데이터 전송을 표준화했다.
USB3 Vision을 사용하면 카메라와 센서에서 유연한 USB 3.0 케이블을 통해 컴퓨터, 랩톱 또는 태블릿의 기존 포트로 직접 비디오 및 데이터가 전송된다. USB 3.0 버스는 3Gb/s에 근접한 처리량을 제공하여 Camera Link Base 구성 및 경쟁사 구성의 성능을 능가하지만 데이터를 캡처하기 위해 엔드 포인트에서 다중 케이블 또는 특수한 PCIe 프레임 그래버를 요구하지 않는다. USB 3.0 비디오 인터페이스는 속도 외에도 비용 절감, 성능 향상 및 비전 시스템의 유용성을 향상시키는 이점을 제공한다.
빈 피킹 로봇(그림)에서 외부 프레임 그래버는 기존 Camera Link 카메라의 이미지 피드를 USB3 Vision 호환 비디오로 변환한다. 압축되지 않은 비디오는 전원 및 제어와 함께 USB 3.0 케이블을 통해 컴퓨터의 기존 포트로 빠르게 전송된다. 더 얇고 가벼운 USB 3.0 케이블은 로봇 응용 분야에서 더 넓은 범위의 동작을 수행할 수 있도록 유연성이 뛰어나고 라우팅이 쉬워 다양한 제품과 짧은 생산 작업에 대한 작업 셀의 설치 및 분해 속도가 빨라진다.
향후 전망
산업계는 머신 비전이 빠르고 정확한 품질 검사를 통해 생산성과 수익을 높일 수 있다는 것을 인식했다. 비전 표준과 호환가능한 제품의 선택이 시스템 설계자에게 성능 및 비용 문제를 보다 쉽게 해결할 수 있게 한다.
현재 GigE Vision은 업계에서 가장 널리 사용되는 비디오 인터페이스 표준으로, 유비쿼터스 플랫폼 지원, 멀티 캐스팅 및 상호 운용성 기능으로 인해 의료, 국방 및 운송 시장에서 강력한 기반을 확보하고 있다. 기술이 계속 발전함에 따라 USB 3.0은 훨씬 더 광범위한 이미징 애플리케이션에 적합한 비디오 인터페이스가 될 것이다.
자료 제공: PLEORA(www.pleora.com)
