1. Grabber

 

Frame Grabber 란

 

 
< 그림 1 >

그림 1 은 기본적인 Frame Grabber의 구성을 나타내고 있다. 무엇보다도 먼저 Sync Seperation(동기 분리) 회로가 입력된 Video Signal(영상 신호)로부터 Synchronization pulses(동기 신호)를 분리한다.수평 동기 신호(H-Sync)는 새로운 Line의 시작을 의미하며 수직 동기 신호(V-Sync)는 새로운 Frame이나 새로운 Field의 시작을 의미한다.영상 신호가 Grabber로 인입되기 시작한 시점으로부터 3 Frame Time정도 지난 시점부터 안정적인 Grabber의 동작을 보장할 수 있다. 따라서 영상 신호가 하나의 신호원으로부터 다른 신호원으로 외부에서 교체되었을 때(여러개의 Camera로부터 영상을 입력받을 때) Grabber에 문제를 야기 시킬 수 있다. 이러한 신호원 교체에 따른 시간적 문제는 H-Sync, V-Sync를 외부에서 각 Camera로 공급하여 여러개의 Camera와 Grabber가 동기화 됨으로 해결된다. 다행이 몇몇 Grabber에서는 Genlock mechanism 이라 불리는 기능을 사용할 수 있게 동기 발생 장치(Sync Generator)가 있다. 그렇지만 이 신호는 TTL Level로 되어 있으며 이는 Video Signal과는 다르다. 따라서 영상 신호원(일반적으로 Camera)에 TTL Sync 입력이 가능해야 한다.하지만 Grabber의 Sync Generator는 일반적으로 독립된 Module이며 Grabber의 동기는 Sync Separation회로에서 나오는 Sync를 기본으로 한다. 즉 Grabber의 Sync Generator와 Camera의 Video Signal은 직접적으로 연결된 것이 아니다. H-Sync, V-Sync가 안정화되면 영상을 직접 얻기 위한 Pixel Clock이 필요하며 원칙적으로  Sample and Hold(with VAD)회로에서 EIA(국내, 미국)의 경우 647pixels를 CCIR(유럽)의 경우 767pixels를 이산화(Digitization)하게 된다. 즉 EIA의 경우 12.3MHz를, CCIR의 경우는 14.75MHz를 A/D clock 주파수로 사용한다. 그러나 이러한 Pixels Data는 다루기 힘든 관계로 각 Grabber는 640 혹은 760으로 고정하고 있다. 혹시 특이한 Camera의 CCD cell 만큼의 정확한 A/D Timing을 원하면 Camera에서 공급하는 Pixel Clock을 이용하여야만 한다.

이렇게 Digitize된 data는 Image Buffer 혹은 FIFO buffer에 놓인다. 만약 Vision System의 내부 Bus Bandwidth(speed)가 한 Frame의 Image를 A/D Timing 중에 보낼 수 없다면(ISA or PC Bus) Image Buffer는 적어도 한 Frame의 Image를 저장할 수 있어야 한다. 최근의 PCI와 같은 빠른 내부 Bus를 채용한 System에서는 작은(수KByte) FIFO Buffer를 통하여 Main Memory나 Display Card로의 전송을 실시간(Real Time)에 할 수 있다

 

 

Multimedia와 Machine Vision의 차이점

 

 Multimedia용 Grabber와 Machine용 Grabber는 이 둘 모두 Computer에서 Image를 Digitize하고 Process하기 때문에 그 차이가 없어 보인다. 그러나 그렇게 비슷한 기능을 하지만 분명히 틀리다.  Multimedia용 Grabber는 Video용 Image를 Grabbing하고 video data를 편집하기 위하여 설계되었다.

즉 많은 양의 Data stream을 능률적으로 표시하고, 저장하며, 보내는데 적합한 설계를 할 수밖에 없으며 Grabber의 특성 자체를 평가  할 때 그 기능이 먼저 이다

따라서 낮은 해상도와 Compression 기술을 기반으로 설계되며 이는 궁극적으로 Image의 질을 떨어뜨린다. 반면에 Machine Vision에서 사용되는 Image는 가능한 한 정확한 Object를 요구한다. 즉 Machine Vision에서는 그 hole의 크기는 6.25mm라 는 정확한 수치 및 그 형태를 요구하기 때문에 Image Quality를 설계의 최 우선으로 삼을 수밖에 없다

Driver Software측면에서의 차이점은 multimedia는 MCI(Multimedia Control Interface) 나 TWAIN 같은 표준 Interface의 연장선상에 있으나 Machine Vision에서는 아무리 간단한 Grabber S/W라 해도 Register를 통하여 직접 access하거나, 좀더 복잡한 구조의 Driver Library를 통하여 직접적인 H/W Resource를 Access할 필요는 없이 Grabber의 Register Structure를 Access하는 방법을 제공한다.

따라서 Machine Vision에서는 Standard가 없다. 이러한 결과로 각 Grabber회사는 고유의 방법을 통하여 Trigger mechanism과 같은 Machine Vision에 필요한 H/W를 설계하며 이를 최적화하는 고유의 Library를 갖는다. 물론 응용 Program(Application)과 Driver간의 넓은 의미의 표준화는 진행되고 있다.

 

 

 비표준 (Non-standard) Acquisition

 

많은 Machine Vision용 Grabber 회사에서는 특별한 Application을 위해 Non-standard Video Signal을 위한 Grabber를 공급하고 있다.  아래에는 가장 특징적인 3가지의 Non-Standard Grabber에 관하여 설명하고 있다. 많은 부분의 Application은 Standard Camera를 사용하여도 적절한 해상도를 얻을 수 있다

첫 번째 Non-Standard Grabber로는 Standard Signal을 응용하여 Pixel Clock, Trigger mechanisms, Progressive Scan 등을 추가한 Grabber를 들 수 있다. 또한 RGB Camera를 위한 Grabber로는 세 개의 동기화 된 Monochrome(흑백) Camera로부터 동시에 입력받을 수 있다. 이러한 방법으로 Stereo Vision(3D(삼차원) 영상을 구현하는 하나의 방법으로 인체의눈 (Human Eye)에서 원근을 판별하는 기술로 해석)이 실현될 수 있다. 또한 최근에는 Dual Tab Progressive VGA Camera도 같은 방법으로 RGB Grabber에 연결할 수 있다

두 번째로는 Standard Video와는 완전히 다른 Line-Scan Camera, Digital Camera 혹은 Standard Video에서는 도저히 할 수 없는 해상도의 Camera를 위한 Grabber를 들 수 있다. 이러한 높은 유연성(flexibility)을 갖기 위해서는 Grabber 자체 내에 사용자가 임의로 Setting(Reconfiguration)할 수 있는 기능을 갖고 있어야 한다. 따라서 이러한 종류의 Grabber에는 각 Camera를 위한 Configuration File이 항상 따라 오며 Grabber의 Driver S/W가 이를 이용하여 Grabber를 각Camera에 맞게 최적화 한다.

세 번째는 Processor를 내장한 Grabber를 들 수 있다. 최근의 PC는 아주 빠르기는 하지만  Image의 특성상 많은 양의 Data를 다루어야 함으로 PC의 Processor만으로는 불충분한 경우가 있다. 고가 고성능의 Grabber에서는 이러한 불충분한 Processing Power를 보강하기 위하여 Grabber내에 한 개 혹은 수 개의 DSP(Digital Signal Processor)나 CPU를 탑제하여 복잡하고 다양한 Pre-Processing(전처리)이나 Analysis(해석)를 할 수 있다. 물론 이때 High-Speed Image BUS와 연계하여 Point Processor, Spatial Processor, Real-Time Convolver, Real-Time Warper등을 이용한 Pipe-Line Processing을 하기도 한다. 물론 이러한 Grabber 들은 최적의 기능을 제공하기도 하지만 Application 제작이 어렵고 비싼 단점도 있다.

 

 

Summary 

 

Frame Grabber와 Camera는 최고의 화음을 이룰 수 있어야 한다

Machine Vision 용 Grabber와 multimedia용 Grabber는 그 활용을 위하여 설계단계에서부터 다르다.

낮은 속도의 BUS(ISA)에서는 Grabber내에 Image Memory를 필요로 하지만 PCI와 같은 빠른 속도의 BUS에서는 수 KByte의 작은 FIFO Buffer만 있으면 된다.

Video Signal이 Grabber에 입력된 후 3 Image가 Initial하는데 필요하다. 이러한 불필요한 시간을 단축하기 위해서는 각 Camera등의 동기화가 필요하다.(Genlock) RGB용 Grabber에는 3개의 독립적인 A/D기능을 보유하고 있으므로 Stereo Vision이나 고속의 Dual Channel Input에 활용할 수 있다