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임베디드 비전 시스템에서의 고성능 이미징
정환용 기자 | 승인 2017.06.12 15:41

[EPNC=정환용 기자] 임베디드 비전 시스템을 설계할 때는 사용되는 특정분야의 요구 사항에 맞도록 이미지 센서를 잘 맞추는 것이 중요하다. 처음에는 처리량과 데이터 정확도를 극대화하려는 의도로 항상 최상의 해상도와 프레임 속도를 갖추는 것이 좋아 보일 수도 있다. 그러나 실제로 여러 경우에는 실제 필요한 이상의 해상도 또는 프레임 속도를 제공하면, 데이터 관리, 메모리/프로세서 요구 사항, 대량 저장, 전력 소비, 자재명세서 비용에 추가 경비가 더 소요된다.

예를 들어 초당 20개 개체를 검사하는 라인에 초당 100프레임을 캡처하는 카메라를 사용한다고 해도 장점은 거의 없다. 조립 라인에서 병 한 개를 채우는 데 필요한 높이를 정확하게 판단하기 위해 1메가픽셀 정도의 해상도가 필요한 경우, 2메가픽셀로 이미지를 캡처하는 것은 지나친 세밀함만을 가져오게 된다. 요약해서 말하자면, 내장형 영상 시스템 애플리케이션의 경우 한 가지 크기로 모든 카메라에 맞추는 것은 적절하지 않다는 것이다.

실제 현장에서 사용할 카메라를 설계한다고 하면, 이것은 곧 광범위한 응용 분야의 요구 사항을 만족시키기 위해 해상도, 프레임 속도, 성능 규격이 다른 여러 카메라들이 필요하다는 뜻이다. 픽셀 밀도, 프레임 속도, 컬러 대 흑백 대비 등과 같은 규격을 기준으로 할 때, 사용 가능한 옵션이 더 많을수록 특정 응용 분야에 적합한 조합을 제공할 수 있는 확률도 그만큼 더욱 커진다.

카메라 공급업체가 모든 설계 과정을 처음부터 일일이 시작해서 완제품 생산 단계에 이르기까지 모두 다 직접 하는 것은 분명 비효율적이다. 그보다는 광학, 인클로저, 연결성, 전원 등 가능한 많은 카메라 플랫폼을 표준화해 재사용하는 것, 그리고 이미지 센서와 몇 가지 다른 주요 부품만 바꿔 필요로 하는 다양한 규격을 맞추는 것이 훨씬 효율적이다. 이 작업을 효율적으로 하려면 카메라 설계의 단순화, 표준화에 공통되는 특성을 제공하는 단일 이미지 센서 제품군이 더욱 필수적인 요소가 된다.

 

CMOS 이미지 센서 PYTHON 시리즈
온세미컨덕터의 CMOS 이미지 센서 중 PYTHON 제품군은 특히 이런 시나리오를 염두에 두고 설계됐다. 카메라 제조업체는 이 고성능 이미지 센서 제품군을 이용해 한 번의 설계만으로도 전체 카메라 제품군을 만들 수 있다. 이미지 센서 제품군에는 9가지의 개별 소자들이 포함되는데, 해상도 범위는 VGA부터 25메가픽셀까지, 프레임 속도는 초당 80에서 800프레임 이상까지다.

 

PYTHON 25K-Hires 이미지 센서.

각 소자는 흑백이나 컬러, 또는 확장된 근적외(NIR) 구성으로 다양하게 제공돼, PCB 2개만 가지고도 총 27가지 카메라를 설계할 수 있다. 이 소자는 LCC 48-84, µPGA-355 핀 패키지 구성을 기반을 두고 있으므로 형상 계수가 낮은 카메라 설계도 효율적으로 지원한다.
PYTHON 이미지 센서도 매우 높은 대역폭을 제공하도록 설계되는데 4, 8, 16, 또는 32 LVD 채널 각각이 720MHz에서 실행돼, 단일 채널 USB 3.1 또는 10GbE 연결 속도의 최대 두 배까지 제공한다. 또한, 고속 검사에서는 스톱모션 이미지 캡처가 필요하기 때문에, 모든 PYTHON 소자들은 효율적인 글로벌 셔터 픽셀 디자인으로 설계된다. 이들을 결합하면 표준화 수준이 높아지므로 많은 수의 카메라 제품군을 효율적으로 쉽게 개발할 수 있다.

 

온세미컨덕터의 CMOS 이미지 센서 PYTHON 시리즈.

많은 카메라 설계자들에게 있어서 이미지 센서를 선택할 때 해결해야 하는 또 다른 주요 요소는, CCD와 CMOS 기술이 가지는 위치다. 그러나 머신 비전 센서에 있어서는 한 가지 크기가 전체에 적합하진 않듯, 한 가지 기술이 모든 것에 적합하지도 않다.

다년간 CCD 기술은 그 플랫폼이 제공하는 수준 높은 이미지 품질과 균일성으로 인해 검사, 고급 감시, 의료, 과학 이미징과 같이 까다로운 응용 분야에 가장 적합한 것으로 보였다. CMOS 이미지 센서의 고속, 저전력 소모, 이미징 유연성은 여전히 매력적이지만, 전반적인 성능으로 인해 그 용도는 여전히 스마트폰이나 웹캠 등 대량 소비자용 애플리케이션에 제한된 상태다.

최근 CMOS 이미지 센서의 이미지 품질이 지속적으로 개선됨에 따라 이 기술은 기존의 CCD가 활용됐던 까다로운 분야에도 사용되기 시작했다. 실제로 요즘에는 여러 산업 분야에서 CMOS 이미지 센서를 선호하고 있다. 그러나 이런 변화에도 불구하고 일부 적용 분야에서는 CCD 기술이 제공하는 높은 이미징 품질 때문에 여전히 이 기술이 압도적으로 채택되는 실정이다. 그러므로 해당 적용 분야의 요구 사항을 잘 이해해야만 센서 뿐만 아니라 CCD 또는 CMOS와 같은 최상의 기반 기술을 적절히 규정, 적용할 수 있다.

 

글 | 마이클 데루카(Michael DeLuca) 온세미컨덕터 이미지·센서 그룹 산업보안부 마켓 매니저

#이미징#온세미컨덕터

정환용 기자  hyjeong@epnc.co.kr

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