📝 이번 포스트에서는 프레임 그래버와 인터페이스카드에 대해서 설명드리려고 합니다.

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Frame Grabber

프레임 그래버는 프레임(frame)을 잡는다(grab)라고 직역할 수 있듯이 이미지를 획득하기 위해 만들어진 장치입니다.
렌즈를 통해 카메라가 받아들인 현실 이미지를 받아들일 수 있는 디지털 영상으로 변환해 보관하는 역할을 합니다.
프레임 그래버는 고해상도 real-time 이미지 획득 및 신호 제어를 위한 핵심 구성 요소 중 하나입니다.
이미지 획득 보드의 핵심에는 방대한 이미지 데이터를 실시간으로 처리하는 FPGA프로세서가 있습니다.

📚 FPGA(Field-Programmable Gate Array)란?
프로그램이 가능한 비메모리 반도체를 말합니다.
FPGA에 대한 자세한 설명은 이 링크 속 포스트에서 확인하실 수 있습니다.

🔼이미지 1. Frame Grabber 보드

프레임 그래버를 더 쉽게 설명해보자면 그래픽 담당 연산 장치가 GPU라면 이미지 담당 연산 장치가 프레임 그래버라고 보면 된다.
프레임 그래버는 아래와 같은 구성요소를 갖는다.

• 입력 파트 : 카메라가 촬영한 이미지를 받아 연산을 하도록 돕는 역할
• 출력 파트 : 입력파트가 처리를 마친 영상을 PC에 전달하는 역할
• 프레임버퍼 : 데이터 신호를 기록해 디스플레이 화면으로 출력하는 역할, RAM의 한 종류라고 볼 수 있고 해상도를 풀 컬러로 기억할 수 있다는 특징이 있다.
• 트리거 : 다른 회로에 적당한 계기를 주어 필요한 동작을 일으키는 장치

프레임 그래버는 이렇게 이해하면 된다.

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Interface Card

이번에는 인터페이스에 대해 설명하도록 하겠습니다.

"인터페이스"라는 용어는 머신비전 뿐만 아니라 여러 분야에서 사용되는 용어인데요,
머신비전 분야에서 인터페이스는 카메라가 PC와 데이터를 주고 받는 역할을 말합니다.

아래는 머신비전에서 가장 많이 사용되는 인터페이스 종류를 설명한 표입니다.

🔼이미지 2. CXP, GigE, Camera Link, USB 인터페이스 비교

• CoaXPress(CXP) 인터페이스
  위 그림과 같이 CXP-12케이블을 위 그림의 카메라에 보이는 lane 4개 다 사용시 12.5 Gbit/s $\times$ 4 $=$ 50 Gbit/s입니다.
  50 Gbit/s는 위 모델들 중 가장 높은 데이터 전송 속도를 갖는 카메라이고, 고해상도 이미지를 다룰 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다.
  CXP 인터페이스는 많이 알려진 동축 케이블입니다. 한가닥의 동축케이블은 이미지 데이터 수신, 카메라 컨트롤, 전원공급, 소프트웨어 트리거 를 동시에 사용할 수 있습니다.

• Cameralink 인터페이스
  Cameralink 인터페이스의 장점은 높은 대역폭입니다.
  하나의 케이블이 위와 같은 대역폭들을 갖는데, 최대 케이블을 2개 연결할 수 있어 2배의 대역폭을 갖을 수 있습니다.

여기서 특이한 점은 USB나 GigE의 경우에는 이미 PC 보드에 USB포트랑 Ethernet포트가 있는데 왜 별도로 인터페이스 카드를 구매해야하는지 의문이 있을 수 있습니다.

• USB 인터페이스
  다들 PC에 USB포트가 2개 혹은 그 이상으로 있을텐데 사실 내부 메인보드에는 평균적으로 2개의 포트를 구성하고 있고 허브와 같은 익스텐션 장치로 분할해서 연장해 놓은 거라고 보면 된다.
  따라서 하나의 포트에서 허브를 통해 연걸되어 나온 추가적인 자식 포트에 꽂은 마우스, 키보드, 동글 등 여러 USB 디바이스들은 대역폭을 나눠갖게 됩니다.
  만약 대역폭을 많이 차지하는 디바이스를 사용중이라면 허용 대역폭을 초과하여 문제가 생길 수 있죠.
  그래서 별도의 PCIe슬롯에 장착할 수 있는 USB 인터페이스 카드를 구매하여 연결해야만 카메라 성능을 온전하고 간섭없이 사용할 수 있습니다.

🔼이미지 3. 메인보드와 직접적으로 연결되지 않은 포트들

위 이미지는 메인보드에서 허브와 같은 익스텐션 장치를 통해 설치된 PC의 한 부분이다. 우리가 흔히 알고 있던 이 부분은 메인보드에 직접적으로 연결된 부분이 아니다.

• GigE 인터페이스
  대부분의 PC에는 GigE 포트는 1개만 갖고 있을 것이다.
  메인보드에서는 PoE(Power of Ethernet)를 지원하지 않습니다.
  그래서 별도의 PoE가 지원되는 인터페이스 카드를 구매해야 카메라 전원공급 케이블을 별도로 구매하지 않아도 Ethernet케이블로 전원공급까지 받을 수 있습니다.

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결론✅

카메라를 구매할 때 현재 프로젝트나 작업환경에 어느 스펙을 요구하는지 파악하는 것이 중요하다.
단순히 200~500Mbps면 충분할 프로젝트에 CXP-12인터페이스의 카메라를 사용하면 비용면에서 낭비이다. (CXP카메라는 300만원이 넘어간다🥲)
인터페이스 종류별로 속도나 케이블 길이와 같은 특징이 모두 다르므로 작업환경에 적합한 인터페이스를 선정해야 한다.
그리고 카메라와 주변 장비들을 구매할 때 프레임그래버와 인터페이스와 카메라 출력포트 등 규격도 맞춰야 함을 잊지 말아야 한다.
카메라 인터페이스에 맞는 프레임 그래버를 선택하지 않으면 이미지 획득이 불가능하다는 점이다.
자칫하면 돈낭비를 할 수 있으니 유념하도록 하자❕