10기가비트 이더넷(10GigE)에서 200기가비트 이더넷(200GigE)으로: 시스템 재구축 없이 산업 비전을 확장하는 방법

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산업용 비전 시스템은 점점 더 많은 정보를 더 짧은 시간 안에 처리해야 하는 과제에 직면하고 있습니다. 생산 라인은 더욱 빨라지고, 센서는 더 높은 해상도와 프레임 속도를 제공하며, 인공지능(AI)과 딥러닝 기술은 생산 과정에서 결함을 감지하고 공정 동작을 직접 평가하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

Emergent Vision Technologies는 16년 이상 이러한 데이터 전송 기술 개발에 매진해 왔습니다. 2010년에는 최초의 10GigE 산업용 카메라를 선보였고, 2018년에는 최초의 25GigE 카메라, 2020년에는 최초의 100GigE 카메라를 출시했습니다. VISION 2026에서는 HYPERION 영역 스캔 플랫폼과 STRATOS 라인 스캔 플랫폼을 통해 200GigE까지 기술 발전을 이어갈 예정입니다.

이러한 발전은 단순히 인터페이스 속도의 연속적인 향상 이상의 의미를 지닙니다. 그 이면에는 특히 여러 대의 카메라가 병렬로 작동하는 환경에서 대용량 이미지 스트림을 안정적으로 획득, 전송 및 처리해야 하는 시스템을 구축해 온 오랜 경험이 있습니다. 오늘날의 10GigE, 25GigE, 100GigE 및 200GigE 플랫폼은 공통된 GigE Vision 아키텍처를 기반으로 합니다. 이를 통해 각 대역폭 등급에 대해 근본적으로 다른 카메라 및 네트워킹 기술을 도입하지 않고도 성능을 확장할 수 있습니다.

고속 GigE 비전을 위한 두 개의 데이터 경로

대용량 이미지 데이터를 효율적으로 전송하는 데에는 한 가지 이상의 적절한 접근 방식이 있습니다.

Emergent는 고속 GigE 시스템을 위해 수년간 개발 및 최적화해 온 GigE Vision 스트리밍 프로토콜(GVSP)의 자체 제로 카피 구현을 지속적으로 지원합니다. 이와 동시에 현재 시스템은 RDMA/RoCEv2를 사용하는 GigE Vision 3.0도 지원합니다.

두 접근 방식 모두 불필요한 CPU 부하와 메모리 연산을 줄이는 것을 목표로 합니다. 또한 시스템 개발자가 특정 아키텍처에 가장 적합한 데이터 경로를 선택할 수 있도록 합니다. 운영 체제, 네트워크 기술, 카메라 수, 기존 인프라 및 필요한 처리 체인 등은 모두 서로 다른 요구 사항을 생성할 수 있습니다. 기존 GVSP 시스템은 처음부터 RDMA를 기반으로 설계된 새로운 시스템과는 다른 제약 조건을 가질 수 있습니다. Emergent는 두 접근 방식을 모두 지원하며 특정 시스템 아키텍처에 더 적합한 데이터 경로를 추천할 수 있습니다.

NVIDIA GPUDirect는 이미지 데이터를 처리하기 위해 GPU 메모리로 직접 전송할 수 있는 또 다른 옵션을 제공합니다. Emergent는 자체 네트워크 인터페이스 카드를 포함하여 Windows 및 Linux 환경 모두에서 GPUDirect를 지원합니다. 이는 인공지능, 이미지 처리 또는 재구성 작업이 GPU에서 수행될 때 특히 중요한데, 호스트 메모리를 통한 추가 전송은 대역폭과 CPU 리소스를 소모할 수 있기 때문입니다.

새로운 200GigE 카메라는 데이터 전송 요구 사항이 얼마나 까다로워졌는지 보여줍니다. HYPERION AH-21000-G는 Gpixel GSPRINT4521 센서를 탑재하여 최대 1,000fps의 속도로 21MP 해상도를 제공합니다. STRATOS는 라인 스캔 이미징 분야에 200GigE 기술을 적용한 LST-16KG5를 통해 16K 해상도, 256단계 TDI, 그리고 최대 1MHz의 라인 속도를 구현합니다.

산업 검사 및 연구 개발 분야에서 공간 해상도와 시간 해상도의 이러한 조합은 공정 속도가 빨라지지만 미세한 이미지 디테일은 유지해야 할 때 중요할 수 있습니다. 예를 들어 전자 및 반도체 검사, 표면 분석, 재료 시험 또는 고속 기계 공정 연구 등이 이에 해당합니다.

검사 작업에 맞는 대역폭 설정

가장 빠른 인터페이스가 모든 기기에 자동으로 적합한 선택은 아닙니다.

소형 검사 시스템의 경우 10GigE로도 충분할 수 있습니다. 처리 속도가 더 빠르거나 센서 크기가 더 큰 경우에는 25GigE, 100GigE 또는 200GigE가 적합할 수 있습니다. 카메라가 동일한 GigE Vision 생태계 내에서 작동하므로 완전히 다른 전송 기술로 전환하지 않고도 성능을 향상시킬 수 있습니다.

이는 라인 스캔 카메라에서 특히 분명하게 나타납니다. 소형 EROS LE-4KG35는 10GigE 대역폭에서 4K 라인 스캔 이미징을 제공합니다. 25GigE 대역폭에서 ACCEL LB-8KG7은 최대 240kHz의 샘플링 속도로 8K 흑백 또는 컬러 이미징을 제공합니다. 100GigE 대역폭에서는 PINNACLE 시리즈가 최대 400kHz의 샘플링 속도로 16K 해상도를 구현하며, LZT-8KG5는 그 이상의 해상도를 제공합니다. 8K에서 1MHz TDI를 사용합니다. STRATOS는 이러한 발전 단계를 200GigE까지 확장합니다.

이를 통해 인터페이스 성능을 라인 속도, 해상도 및 검사 폭에 맞출 수 있습니다. 따라서 웹 소재, 전자 제품, 웨이퍼, 인쇄물 및 기타 지속적으로 이동하는 소재는 단일 인터페이스 클래스에 얽매이지 않고 실제 처리량 요구 사항에 맞춰 설계할 수 있습니다.

영역 스캔 카메라에도 동일한 원리가 적용됩니다. 소니 프레지우스 S 글로벌 셔터 센서를 사용하는 새로운 BOLT 25GigE 및 ZENITH 100GigE 모델은 최대 105MP 해상도에서 초당 113프레임까지, 매우 높은 성능 범위를 제공하며, 약 12MP 해상도에서 초당 800프레임을 초과하는 변형 모델도 있습니다. 넓은 영역 검사 또는 측정 작업에서는 해상도가 우선시될 수 있으며, 분류 및 빠른 공정 모니터링에는 높은 프레임 속도가 더 유용할 수 있습니다.

AI 관련 프로그래밍 노력 줄이기

인공지능과 딥러닝은 산업 검사의 기능을 확장할 수 있습니다. 하지만 학습된 모델만으로는 양산 준비가 완료된 비전 시스템을 만들 수 없습니다. 카메라를 제어하고, 버퍼를 관리하고, 이미지 데이터를 적절한 컴퓨팅 리소스에 분산하고, GPU를 조정하고, 결과를 애플리케이션에 반환해야 합니다.

Emergent eSDK Pro는 이러한 통합 작업을 줄이기 위해 개발되었습니다. 플렉스프록 이미지 처리 파이프라인을 구축하여 사용 가능한 CPU 및 GPU 리소스에 처리 작업을 할당할 수 있습니다. 플렉스트랜스 이 구성 요소는 여러 GPU와 서버를 포함한 처리 리소스 간의 이미지 데이터 이동을 관리합니다. 두 구성 요소를 통해 사용자는 전체 하위 수준 데이터 경로를 처음부터 프로그래밍할 필요 없이 데이터 획득, 처리 및 전송을 위한 구성 가능한 프레임워크를 제공받을 수 있습니다.

제로 카피 전송 및 NVIDIA GPUDirect와 같은 기술은 이 파이프라인 내에서 불필요한 메모리 작업과 CPU 부하를 줄이는 데 사용될 수 있습니다.

VISION 2026에서 선보인 한 시스템은 이러한 접근 방식을 구체적으로 보여줍니다. 각각 최대 105fps에서 24.5MP 해상도를 제공하는 8대의 BOLT HB-25000-SB 25GigE 카메라가 25GigE 및 Emergent 네트워크 인터페이스 카드를 통해 두 대의 서버에 연결됩니다. 각 서버에는 NVIDIA RTX 6000 Ada Generation GPU가 두 개씩 탑재되어 총 네 개의 GPU가 사용됩니다.

eSDK Pro는 FlexProc을 사용하여 분할 및 추적 작업을 이러한 컴퓨팅 리소스 전체에 분산합니다. FlexTrans는 처리 파이프라인을 통한 이미지 데이터 전송과 개별 시스템 리소스 간의 데이터 전송을 관리합니다. 제로 카피 전송과 GPUDirect는 이미지가 처리를 위해 GPU 메모리로 전송될 때 불필요한 데이터 이동을 줄여줍니다.

실질적인 목표는 고객이 개발해야 하는 인프라 코드의 양을 줄이는 것입니다. 제조 또는 비전 엔지니어가 프로젝트의 대부분을 버퍼 관리 구현, 카메라와 GPU 할당 또는 서버 간 데이터 전송 처리 등에 소비해서는 안 됩니다.

그 개발 시간은 엔지니어의 전문 지식이 가장 중요한 검사 작업 부분에 투입될 수 있습니다. 즉, 어떤 편차가 실제로 결함인지, 어떤 제품 변형이 허용 가능한지, 생산 라인에서 어떤 현상이 공정 문제를 나타내는지 판단하는 데 사용할 수 있습니다.

eSDK Pro는 AI 모델이나 관련 프로세스 전문 지식을 대체하는 것이 아닙니다. 오히려 이 소프트웨어는 데이터 수집 및 처리 인프라를 간소화하여 모델 학습 및 검증에 더 많은 개발 노력을 투자할 수 있도록 설계되었습니다.

PCB 검사 시스템은 동일한 접근 방식을 더 작은 규모로 보여줍니다. 4대의 EROS 10GigE 카메라가 인쇄 회로 기판을 검사합니다. 이상 감지 모델은 결함이 있는 PCB를 식별하고, 다른 소프트웨어 구성 요소는 해당 기판에 마킹하는 레이저를 제어합니다.

제약 시연에서 두 대의 BOLT 25GigE 카메라가 블리스터 팩을 실시간으로 검사합니다. 이상 감지 모델은 누락되거나 잘못된 약을 식별하고 표시합니다. 모델 신뢰도 점수 각 검사 결과에 대해서.

압축된 이미지가 검사에 적합한 경우

이미지 데이터 용량 증가를 반드시 네트워크 대역폭 확대로만 해결할 필요는 없습니다. 일부 애플리케이션에서는 데이터 소스 단계에서 데이터 양을 줄이는 것이 더 효과적일 수 있습니다. AEOLUS 카메라는 동급 25GigE 카메라와 유사한 센서 성능에 H.265 압축 기능을 통합했습니다.

소니 IMX535 센서를 탑재한 AA-12000-SB-H는 최대 187fps의 속도로 12.4MP 해상도를 제공하며, 소니 IMX530 센서를 탑재한 AA-25000-SB-H는 최대 105fps의 속도로 25MP 해상도를 제공합니다. 데이터 스트림은 카메라 내부에서 직접 압축된 후 호스트로 전송됩니다.

검사 작업의 경우, 관련 특징이 인코딩 후에도 명확하게 표현된다면 압축 이미지가 적합할 수 있습니다. 예를 들어 존재/부재 확인, 객체 분류, 다양한 이상 탐지 작업, 공정 모니터링 또는 장시간 녹화가 필요한 애플리케이션 등이 있습니다.

중요한 점은 검사 알고리즘 또는 AI 모델을 실제 운영 환경에서 사용할 것과 동일한 압축 설정으로 검증해야 한다는 것입니다. 압축은 미세한 질감, 저대비 디테일, 개별 픽셀 값에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 압축이 검사 결과에 미치는 영향은 가정하기보다는 특정 애플리케이션에 맞춰 평가해야 합니다.

정확한 픽셀 값이 요구되는 경우, 매우 미묘하거나 대비가 낮은 결함을 감지해야 하는 경우, 정밀 측정이 필요한 경우, 또는 추적성이나 추후 재분석을 위해 원본 이미지 데이터를 보존해야 하는 경우에는 압축되지 않은 데이터 획득 방식이 여전히 바람직합니다. 따라서 시스템 설계 시 압축률, 지연 시간, 이미지 품질, 모델 민감도 및 아카이빙 요구 사항을 고려해야 합니다.

따라서 AEOLUS는 고대역폭 플랫폼을 대체하는 것이 아니라 보완하는 역할을 합니다. HYPERION과 STRATOS는 대용량의 원시 이미지 데이터를 전송해야 하는 애플리케이션에 적합하며, AEOLUS는 데이터 용량을 줄이는 것이 시스템 효율성 측면에서 더 유리한 작업에 적합합니다.

대역폭이 증가함에 따라 사용자 경험이 더욱 중요해집니다.

Emergent가 최초의 10GigE 산업용 카메라를 시장에 출시한 지 16년이 지난 지금, 사용 가능한 인터페이스 대역폭은 20배 증가했습니다. 하지만 더 어려운 과제는 근본적으로 동일하게 남아 있습니다. 바로 카메라, 네트워크 인터페이스 카드, 메모리 아키텍처, GPU 및 소프트웨어가 안정적으로 함께 작동하도록 만드는 것입니다.

이제 그 경험에는 Emergent 자체의 제로 카피 GVSP 구현과 RDMA/RoCEv2를 지원하는 GigE Vision 3.0, Windows 및 Linux용 GPUDirect, 여러 세대의 Emergent 네트워크 인터페이스 카드, 그리고 여러 GPU와 서버에 걸쳐 데이터 수집 및 처리를 분산하는 소프트웨어가 모두 포함됩니다.

산업 검사 및 연구 개발 분야에서는 일반적인 GigE Vision 아키텍처와 확장 가능한 데이터 경로를 유지하면서 실제 적용 분야에 따라 10GigE, 25GigE, 100GigE 또는 200GigE를 선택할 수 있습니다.

Emergent Vision Technologies는 다음 행사에서 이러한 시스템을 시연할 예정입니다. VISION 2026, 10월 6일~8일, 슈투트가르트, 8번 홀, C36 부스. 저희 공연 일정을 확인하세요.