Imaging Electronics 101: Machine Vision 용도에 적합한 카메라 종류 및 인터페이스
Edmund Optics Inc.

Imaging Electronics 101: Machine Vision 용도에 적합한 카메라 종류 및 인터페이스

카메라 종류 | Area Scan vs. Line Scan Cameras | 디지털 인터페이스 | 전원 및 소프트웨어

Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications

이미징 기술 발전에 따라 카메라 종류와 카메라 인터페이스가 여러 가지 용도의 요구를 충족시킬 수 있게 계속 진화하고 있습니다. 검사 및 분석이 핵심 용도인 semiconductor, electronics, biotechnology, assembly, 그리고 manufacturing 업계에서의 machine vision 용도에 있어서 진행 중인 작업을 위한 최상의 카메라 시스템을 사용하는 것은 최고의 이미지 품질 확보에 아주 중요합니다. 아날로그 및 디지털 카메라부터 progressive scan 및 interlaced scan 형식, FireWire 및 GigE 인터페이스에 이르기까지 카메라 종류, 디지털 인터페이스, 전원 및 소프트웨어와 같은 parameters를 이해하면 이미징 초보에서 이미징 전문가로 거듭날 수 있는 대단한 기회를 얻게 됩니다.

카메라 종류 및 장점

아날로그 대 디지털 카메라

가장 일반적인 수준에서 카메라는 아날로그와 디지털의 두 가지 종류로 구분할 수 있습니다. 아날로그 카메라는 연속적으로 변화하는 실시간 전기 신호를 전송합니다. 이 신호의 주파수와 진폭은 아날로그 출력 장치에 의해 영상 정보로 해석됩니다. 아날로그 영상 신호 품질과 해석 방식이 영상 이미지 결과에 영향을 줍니다. 또한 이 데이터 전송 방식은 장단점을 모두 갖고 있습니다. 일반적으로, 아날로그 카메라는 디지털 카메라에 비해 가격이 저렴하며 덜 복잡해 일반적인 비디오 용도로 비용 대비 효과적이고 간단한 솔루션이 될 수 있습니다. 하지만, 아날로그 카메라는 해상도(TV 주사선 수)와 frame rate 모두 한계를 갖고 있습니다. 예를 들어, 미국에서 가장 일반적인 비디오 신호 형식 중 하나인 NTSC 형식은 800 TV lines(보통은 525) 및 초당 30 프레임으로 제한되어 있습니다. PAL 표준은 625 TV lines 및 초당 25 프레임의 frame rate를 사용합니다. 아날로그 카메라는 또한 electronic noise에 매우 취약한데 electronic noise는 케이블 길이 및 커넥터 유형과 같이 간과하기 쉬운 요소들로 인해 발생하는 경우가 많습니다.

최근에 등장해 가장 많은 인기를 끌고 있는 디지털 카메라는 전기적 신호 형태로 이진 데이터(0과 1의 흐름)를 전송합니다. 특정 pixel에 대한 빛의 강도에 해당되는 전압은 연속적이지만 아날로그에서 디지털로의 변환 과정은 이를 불연속적인 과정으로 만들고 0 (검정)과 2N-1 사이의 grayscale 값(이 때, N은 인코딩 비트 수)을 할당합니다. 그러면 출력 장치가 이진 데이터를 비디오 정보로 변환합니다. 중요한 것은 아날로그 카메라와 다른 디지털 고유의 두 가지 차이입니다.

  1. 카메라를 떠날 때와 출력 장치에 도달할 때의 디지털 비디오 신호가 정확히 동일합니다.
  2. 비디오 신호는 한 방향으로만 해석될 수 있습니다.

이러한 차이점으로 인해 신호 전송과 디스플레이 출력 장치에 의한 해석 양쪽에서의 오류가 제거됩니다. 아날로그 카메라와 비교하면 디지털 카메라는 보통 더 높은 resolution, 더 높은 frame rates, 적은 noise, 그리고 더 많은 기능을 제공합니다. 불행히도 이러한 장점들에는 비용이 뒤따릅니다. 디지털 카메라는 일반적으로 아날로그 카메라에 비해 비쌉니다. 더욱이, 기능팩이 탑재된 카메라는 기본 기능만 필요한 비디오 시스템이라도 설정이 복잡해집니다. 디지털 카메라는 또한 대부분의 경우 케이블 길이가 더 짧게 제한됩니다. 표 1에서는 아날로그와 디지털 카메라 유형을 간략히 비교합니다.

표 1: 아날로그 카메라와 디지털 카메라 유형 비교
아날로그 카메라디지털 카메라
세로 resolution는 아날로그 신호의 대역폭에 의해 제한됨 세로 해상도가 제한되지 않음, 가로 및 세로 방향 모두에서 고해상도 제공
표준 사이즈 센서 대역폭 제한 없이 많은 수의 pixels 및 센서를 통해 고해상도 제공
디지털화를 위해 컴퓨터 및 capture boards를 사용할 수 있지만 디스플레이를 위해 필수는 아님 신호 표시를 위해 컴퓨터 및 capture board (일부 경우에서) 필수
아날로그 인쇄 및 녹화 기능을 시스템에 쉽게 통합 사용자가 낮은 대역폭에서 전송할 수 있도록 신호 압축 가능
신호가 품질 저하를 유발하는 noise 및 interference에 취약함 출력 신호는 디지털임, 신호 처리 과정에서 신호 손실 발생이 거의 없음
제한적인 frame rates 높은 frame rates 및 고속 셔터

Interlaced 대 Progressive Scan 카메라

카메라 형식은 interlaced, progressive, area, 그리고 line scan 방식으로 구분할 수 있습니다. 쉽게 비교하려면 interlaced 대 progressive, 그리고 area 대 line으로 묶는 것이 가장 좋습니다. 통상적인 CCD 카메라는 센서 전체에 걸쳐 interlaced scanning을 사용합니다. 센서는 홀수 field (예: 1, 3, 5행...) 및 짝수 field (예: 2, 4, 6행...)의 2개 field로 나누어집니다. 이 field들은 다시 결합되어 전체 프레임을 생성합니다. 예를 들어, 30fps의 frame rate를 사용하면 각 field를 판독하는 데는 1/60 초가 걸립니다. 대부분의 용도에서 interlaced scanning은 문제를 유발하지 않습니다. 하지만, 고속 이동하는 피사체의 촬영 시에는 두 번째 field를 스캔할 때 피사체가 이미 이동해 버리기 때문에 약간의 문제가 생길 수 있습니다. 이로 인해 이미지 결과에 ghosting 또는 blurring 효과가 생깁니다(그림 1a – 1b). 그림 1a에서 interlaced scanning sensor를 사용해 TECHSPEC® Man을 촬영할 때 어떻게 왜곡되는지 관찰해 보십시오.

이와 대조적으로, progressive scanning 방식은 line을 순차적(예: 1, 2, 3, 4행...)으로 스캔하여 고속 이동하는 피사체를 촬영할 때 생기는 문제를 해결합니다. 불행히도 progressive scanning 결과는 표준화되어 있지 않아 하드웨어 선택 시 주의해야 합니다. 일부 progressive scan 카메라에서는 아날로그 출력 신호를 제공하지만 해당 이미지를 표시할 수 있는 모니터는 거의 없습니다. 이런 이유로, 아날로그 이미지를 디스플레이용으로 디지털화 하기 위해 capture boards를 사용하는 것이 바람직합니다.

Ghosting and Blurring of TECHSPEC® Man's High-Speed Movement Using an Interlaced Scanning Sensor
그림 1a: Interlaced Scanning Sensor를 사용해 TECHSPEC® Man의 고속 이동을 촬영할 때 생기는 Ghosting 및 Blurring
TECHSPEC® Man's High-Speed Movement Using a Progressive Scanning Sensor
그림 1b: Progressive Scanning Sensor를 사용한 TECHSPEC® Man의 고속 이동 촬영

Area Scan 대 Line Scan 카메라

area scan 카메라에서 imaging lens는 sensor array에 촬상될 피사체에 초점을 맞추고, 이미지가 재구성을 위한 pixel 레벨에서 샘플링됩니다(그림 2a). 이러한 특징은 이미지가 빠르게 움직이지 않거나 피사체가 아주 크지 않다면 편리합니다. 익숙한 디지털 휴대용 카메라가 area scan 방식 카메라의 예입니다. line scan 카메라에서는 pixels이 선형으로 배열되어 매우 긴 arrays 형성이 가능합니다(그림 2b). 긴 arrays는 한 번의 노출에서 읽어야 할 정보의 양이 많이 감소하고 column shift registers 또는 multiplexers가 없어 판독 속도가 증가합니다. 다시 말해 피사체가 카메라를 지나 움직일 때 이미지가 line별로 촬영되어 소프트웨어를 통해 재구성됩니다.

Illustration of Area Scanning Technique and an Illustration of Line Scanning Technique
그림 2: Area Scanning 기술 도해(왼쪽) Line Scanning 기술 도해(오른쪽)
표 2: Area Scan 카메라와 Line Scan 카메라 비교
Area Scan 카메라Line Scan 카메라
4:3 (가로:세로) 비율 (일반) Linear Sensor
대형 센서 대형 센서
고속 이동 촬영 용도 고속 이동 촬영 용도
빠른 셔터 시간 한 번에 Line 1개씩 이미지 구성
Line Scan 대비 저렴 피사체가 센서 아래로 움직이면서 통과
Line Scan 대비 다양한 활용 범위 넓은 피사체 촬영에 적합
손쉬운 설정 특수 Alignment 및 Timing 필요, 결합이 복잡하지만 조명은 단순

TDI(Time Delay and Integration) 대 전통적 Line Scan 카메라

전통적인 line scan 카메라에서 피사체는 센서를 지나 움직이며 이미지는 한 개 line씩 구성됩니다. 재구성된 이미지의 각 line이 linear array의 짧은 노출 한 번에 촬영되기 때문에 아주 적은 빛이 집광됩니다. 결과적으로 상당한 조명이 필요합니다(예: 복사기 또는 문서 스캐너). 대안은 TDI(Time Delay and Integration) line scan 카메라입니다. 이 방식에서는 여러 개의 linear arrays가 나란히 배치됩니다. 첫 번째 array가 노출된 뒤 전하는 인접 line으로 전송됩니다. 피사체가 lines 간 분리 간격을 이동할 때 첫 번째의 맨 위에서 두 번째 노출이 이루어지는 식입니다. 따라서 피사체의 각 line이 반복적으로 촬영되고 각각의 line에 노출이 추가됩니다(그림 3a - 3b). 이로 인해 noise가 감소해 신호가 증가됩니다. 또한 pixel array의 노출이 피사체의 움직임, 그리고 조명의 발광이 동기화되는 triggering 개념을 증명합니다.

그림 3a: 첫 번째 Array가 노출되고 전하가 인접 Line으로 전송됨

그림 3b: The Object Moves the Distance of the Separation between Lines and a Second Exposure is Taken on Top of the First

그림 3c: The Object Continues to Move the Separation between Lines until Each Line of the Object is Imaged

디지털 카메라 인터페이스

transmission noise, distortion 또는 기타 신호 품질 저하가 전송되는 정보에 영향을 주지 않기 때문에 지난 십년 동안 디지털 카메라의 인기는 높아졌습니다. 출력 신호가 디지털이므로 전송 과정에서 손실되는 정보가 거의 없습니다. 디지털 카메라 사용자가 늘어남에 따라 여러 가지 디지털 인터페이스를 포함하도록 이미징 기술이 발전해 왔습니다. 십 여년 전만 하더라도 이미징 범위는 매우 달랐을 것입니다. 하지만 요즘은 FireWire, Camera Link®, GigE, 그리고 USB를 포함한 대부분의 범용 인터페이스를 사용할 수 있습니다(표 3).

카메라 선택을 위한 많은 기준들과 마찬가지로 항상 최고인 단일 인터페이스 옵션이란 존재하지 않으며 사용 용도에 가장 적합한 장치를 선택해야 합니다. Asynchronous 또는 deterministic transmission이 data transfer receipts를 허용해 양방향 통신으로 인한 delivery over timing 시의 신호 무결성을 보장합니다. isochronous transmission에서는 스케줄에 따라 패킷이 전송되어(예: 125μs 간격) timing을 보장하지만 높은 전송 속도에서는 패킷이 누락될 가능성이 있습니다.

Capture Boards

Capture Boards

이미지 처리에는 대개 컴퓨터를 사용합니다. Capture boards는 사용자가 아날로그 카메라 신호를 분석을 위해 컴퓨터로 출력할 수 있게 합니다. 또는 아날로그 신호(NTSC, YC, PAL, CCIR)를 이미지 처리를 위해 디지털화하는 ADC(analog-to-digital converter)가 capture board에 포함되어 있습니다. 신호를 실시간으로 볼 수 있게 해 주는 것도 있습니다. 그러면 사용자는 이미지를 캡처해 나중에 조작 및 인쇄할 수 있도록 저장할 수 있습니다. capture boards에는 기본적인 캡처 소프트웨어가 포함되어 있어 사용자가 이미지를 저장하거나 열어 볼 수 있습니다. capture board라는 용어는 디지털 카메라 인터페이스에서 데이터를 가져와 해석하는 데 필요한 PCI 카드를 의미하기도 하지만 표준 컴퓨터 커넥터를 기반으로 하지는 않습니다.

FireWire (IEEE 1394/IIDC DCAM Standard)

IEEE 1394라고도 하는 FireWire는 컴퓨터에 FireWire 포트가 널리 보급되어 있는 덕분에 인기 있는 serial, isochronous 카메라 인터페이스입니다. FireWire.a는 전송 속도가 가장 느린 인터페이스 중 하나이지만 FireWire.a와 FireWire.b 모두 여러 개의 카메라 연결이 가능하고 FireWire 케이블을 통해 전원을 공급받을 수 있습니다. 커넥터 디자인 상 전원 핀이 신호 핀에 합선되어 포트나 기기에 손상을 가져올 가능성이 있어 Hot-swap/hot-plugging은 권장되지 않습니다.

Camera Link®

Camera Link®는 주로 자동 검수 및 공정 제어와 관련된 machine vision 용도로 특별히 개발된 고속 serial interface 표준입니다. 사용을 위해서는 Camera Link® capture card가 필요하며 카메라에 별도의 전원을 공급해야 합니다. low-voltage differential pair LVDP signal lines에 추가로 데이터 전송을 위한 최대 대역폭을 유지하기 위한 별도의 asynchronous serial communication channels이 제공되기 때문에 특수 배선이 필요합니다. Single-cable 기반 구성으로 비디오 전용 255 MB/s 전송이 가능합니다. Dual outputs (최대 구성)을 이용하면 별도의 camera parameter 송수신 라인을 통해 초고속 용도에서 더 많은 데이터 전송 공간(680 MB/s)을 확보할 수 있습니다.

Camera Link® HS (High Speed)는 Camera Link® 인터페이스의 확장형으로 더 많은 케이블로 보다 빠른 속도 (2100MB/s at 15m)를 지원합니다. 추가적으로 Camera Link® HS는 광섬유 케이블을 이용한 서포트로 300미터까지 케이블 길이를 늘릴수 있습니다.

GigE (GigE Vision Standard)

GigE는 gigabit ethernet 인터넷 프로토콜을 기반으로 하며 고속 카메라 인터페이스용으로 표준 Cat-5 및 Cat-6 케이블을 사용합니다. P2P(카메라와 카드 직접 연결)가 아닌 연결 방식을 사용할 경우 전체 대역폭을 고려해야 하지만 switches, hubs 및 repeaters와 같은 표준 ethernet 하드웨어를 여러 대의 카메라에 사용할 수 있습니다. GigE Vision에서 camera control registers는 EMVA GenICam 표준을 기반으로 합니다. 일부 카메라에서 사용할 수 있는 Link Aggregation (LAG, IEEE 802.3ad)은 여러 개의 ethernet 포트를 병렬로 사용해 데이터 전송 속도를 높이고 multicasting을 통해 프로세서 부하를 분산시킵니다. 일부 카메라에서 지원되는 네트워크 Precision Time Protocol(PTP)는 같은 네트워크에 있는 많은 카메라를 시계 방향으로 동조 시킬 수 있어 조합된 노출 사이에 고정된 delay 관계를 허용합니다. 기기는 hot-swap이 가능합니다. GigE Vision 표준은 10GigE 네트워크 표준을 토대로 고속 데이터 전송을 지원합니다. 10GigE는 긴 케이블 길이를 허용하면서도 Camera Link®와 USB 3.0 보다 속도를 빠르게 할 수 있는 가능성을 줍니다.

USB (Universal Serial Bus)

USB 2.0은 컴퓨터에 기본 탑재되어 있어 인기 있는 인터페이스입니다. 고속은 아니지만 간편합니다 (최대 속도는 480Mb/s로 데이터 전송 속도가 고정으로 USB 주변 장치의 수에 따라 최대 속도가 달라집니다). 거의 모든 컴퓨터 매장에서 케이블을 쉽게 구입할 수 있습니다. 때로는 노트북 컴퓨터와 같이 카메라에 별도의 전원을 공급해야 할 수도 있습니다.

USB 3.0은 USB 2.0의 plug-and-play의 장점을 유지하면서 보다 빠른 데이터 전송 속도를 제공합니다.

CoaXPress

CoaXPress는 high bandwidth 단일 케이블로 6.25Gb/s의 데이터 전송 속도를 가지며 100미터까지 케이블 길이를 할 수 있습니다. 케이블 수를 늘려 최대 25Gb/s까지 속도를 올릴 수 있습니다. PoE와 같이 Power-over-Coax가 옵션으로 가능합니다. CoaXPress는 frame grabber가 필요 합니다.

표 3: 인기 있는 디지털 카메라 인터페이스 비교
인터페이스FireWire 1394.bCamera Link®USB 2.0USB 3.0GigE
 FireWire 1394.bCamera Link®USB 2.0USB 3.0GigE
400 Mb/s 800 Mb/s 최대 3.6 Gb/s 480 Mb/s 5Gb/s 1000 Mb/s
4.5m 100m (GOF 케이블 사용) 10m 5m 3m (recommended) 100m
최대 63대 최대 63대 1 최대 127대 최대 127대 무제한
6핀-6핀 9핀-9핀 26핀 USB USB RJ45/CAT5
옵션 옵션 필수 옵션 옵션 필요 없음
옵션 옵션 필수 옵션 옵션 필수
Powering the Camera

카메라 전원 공급

많은 카메라 인터페이스가 신호 케이블을 통해 카메라에 원격으로 전원을 공급하는 것을 허용합니다. 그렇지 않을 경우에는 대개 Hirose 커넥터(trigger wiring 및 I/O) 또는 표준 AC/DC 어댑터 연결을 통해 전원을 공급합니다. 카드나 포트를 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있더라도 별도의 전원 연결을 이용하면 유익합니다. 예를 들어, FireWire 카메라를 daisy chaining 방식으로 연속 연결하거나 노트북에서 시스템을 실행하는 경우가 추가 전원을 사용해야 할 좋은 예입니다. 또한 대형, 고속 센서 및 내장형 FPGA를 갖고 있는 카메라도 신호 케이블을 통해 공급받을 수 있는 것보다 더 많은 전력을 필요로 합니다.

Power over Ethernet (PoE)

현재, 특정 카메라에서 GigE 케이블을 통해 카메라에 전원을 공급할 수 있는 power injectors를 사용할 수 있습니다. 공장 바닥에 설치할 때 또는 실외용으로 사용할 때와 같이 공간적인 제약으로 인해 카메라에 자체 전원 공급 장치를 장착할 수 없는 경우에 중요합니다. 이럴 경우 카메라 및 컴퓨터에 연결되는 표준 케이블의 배선 중간에 injector를 추가합니다. 하지만 모든 GigE 카메라가 PoE를 지원하는 것은 아닙니다. 다른 인터페이스와 마찬가지로 최대 성능이 필요하면 신호 케이블과 별도로 전원을 공급해야 합니다. PoE에서 공급 전압은 표준형 카메라가 공급할 수 있는 것보다 더 높은 전압을 사용하는 표준을 기준으로 합니다. 이로 인해 더 많은 전자 부품이 필요해지고 전력 낭비 증가를 유발해 thermal noise 증가와 이로 인한 이미지 품질 손실을 방지하기 위한 정교한 방열 설계를 필요로 하게 됩니다.

아날로그 CCD 출력 신호

아날로그 비디오 신호는 몇 가지 서로 다른 형식이 있습니다. 형식은 frame rate, 디스플레이 라인 수, display 및 blanking 전용 시간, synchronization, bandwidth, 그리고 신호 규격을 규정합니다. 미국에서는 Electronic Industries Association (EIA)이 흑백 신호를 RS-170으로 규정합니다. 컬러 버전은 RS-170A로 규정되어 있으며 National Television Standards Committee (NTSC)로 더 잘 알려져 있습니다. RS-170과 NTSC는 복합 신호입니다. 이는 모든 색상과 강도 정보가 하나의 신호에 결합되어 있음을 의미합니다. chrominance (색상)을 luminance (색상 강도)와 구분하는 몇 가지 복합 신호(Y-C 및 RGB)가 있습니다. CCIR은 유럽 흑백 표준이고 PAL 및 SECAM은 유럽 컬러 표준입니다. 참고: 적절한 이미지를 얻으려면 카메라와 디스플레이 형식이 동일해야 합니다.

노트북 및 카메라

많은 디지털 카메라 인터페이스가 노트북 컴퓨터에 연결될 수 있지만 고품질 및/또는 고속 이미징 어플리케이션용으로 표준형 노트북을 사용하는 것은 피할 것을 적극 권장합니다. 노트북의 데이터 버스가 최대 전송 속도를 지원하지 못하거나 고성능 카메라 및 소프트웨어의 모든 장점을 활용할 수 없는 경우가 빈번합니다. 특히, 대부분의 노트북에 달려 있는 표준 ethernet 카드는 데스크톱 컴퓨터에서 이용할 수 있는 PCIe 카드에 비해 훨씬 낮은 수준의 성능을 갖고 있습니다.

Camera Software

카메라 소프트웨어

일반적으로, 이미징 소프트웨어와 관련해서는 두 가지 선택이 가능합니다. 하나는 카메라 전용 SDK(software development kits)이고 다른 하나는 타사의 범용 소프트웨어를 사용하는 것입니다. SDK에는 사용자 정의 프로그램 개발을 위한 코드 라이브러리와 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스, 그리고 코딩이 전혀 필요 없고 단순한 기능을 제공하는 간단한 이미지 보기 및 acquisition 프로그램이 포함되어 있습니다. 범용 소프트웨어를 사용할 때는 카메라 표준(GenICam, DCAM, GigE Vision)이 작동을 보장하는 것이 중요합니다. 범용 소프트웨어에는 NI LabVIEW™, MATLAB®, OpenCV 등이 포함됩니다. 범용 소프트웨어는 여러 대의 카메라를 실행하고 여러 가지 인터페이스를 지원하곤 하지만 작동 여부를 확인하는 것은 전적으로 사용자에게 달려 있습니다.

이미징 용도로 많은 카메라 종류, 인터페이스, 전원 요구 사항, 그리고 소프트웨어가 존재하지만 각각의 장, 단점을 이해하면 어떤 용도로든 사용자가 최적의 조합을 구성할 수 있습니다. 고속 데이터 전송, 긴 케이블, 그리고/또는 daisy chaining 중 무엇이 필요하든 최상의 결과를 얻을 수 있는 카메라 조합이 존재합니다. imaging electronics에 대한 보다 많은 정보를 보려면 카메라 센서, 카메라 해상도, 그리고 카메라 설정에 관련된 추가 imaging electronics 101 시리즈를 참조하십시오.

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