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임베디드 비전 시스템을 위한 효율적인 설계기법


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글/아론 버만(Aaron Behman), 아담 테일러(Adam Taylor), Xilinx

 

개요


비전 기반 시스템은 여러 산업 및 애플리케이션에 걸쳐 보편화되고 있으며, 실제로 일상에서도 대부분의 사람들이 스마트폰을 통해 임베디드 비전 시스템을 이용하고 있다. 이러한 기기들은 이미지를 캡처하고, 비디오를 녹화하는 것은 물론, 임베디드 비전으로 실현 가능한 증강현실 애플리케이션까지 실행할 수 있다.
전통적인 애플리케이션은 물론, 신규 애플리케이션(그림 1의 사례도 참조) 전반에 걸쳐 확산되고 있는 임베디드 비전 애플리케이션의 증가로 인해 프로세싱 파워, 메모리 용량, 고밀도 시스템 통합 요구가 높아지고 있다. 이러한 임베디드 비전 애플리케이션은 컨수머 및 산업, 국책사업 전반에 걸쳐 폭넓게 수용되고 있으며, 향후 10년 이내에 상당한 성장률을 기록할 것으로 예상되고 있다. 표 1은 상당히 높은 성장이 예상되는 임베디드 비전 애플리케이션과 상대적으로 낮은 성장치를 보이는 애플리케이션들을 확인할 수 있다.


임베디드 비전이란?


임베디드 비전 시스템은 선택된 이미징 센서의 광자를 수신하여 시스템에 출력하기까지의 전반적인 신호 체인으로 구성되며, 이미지에서 추출된 정보나 이미지를 처리 또는 비처리 형태로 다운스트림 시스템에 공급하게 된다. 임베디드 시스템 설계자는 시스템 요건에 따라 이러한 전반의 성능이 유지될 수 있도록 해야 한다.
이를 달성하기 위해 임베디드 비전 시스템 설계자는 센서 및 사후 프로세싱 시스템과 관련된 다양한 컨셉 및 기법에 능숙해져야 한다. 이 글은 이러한 기법 및 컨셉에 대한 기본적인 이해를 돕기 위해 좀 더 심도 깊은 가이드를 제공하기 위한 것이다.
우리가 명확히 이해해야 할 첫 번째 요소는 전자기 스펙트럼과 시스템이 동작하기를 원하는 해당 스펙트럼 영역이다. 인간이 볼 수 있는 파장의 범위는 일반적으로 가시 스펙트럼이라 불리는 블루(390nm) 및 레드(700nm) 스펙트럼 사이로 제한되어 있으며, 이미징 장치는 채택된 기술에 따라 X-레이, UV, 적외선(Infra-Red)을 비롯해 더 넓은 범위의 가시 스펙트럼에 걸쳐 이미지를 처리할 수 있다.
근적외선(Near IR) 스펙트럼이나 그 하위에서 작업하는 경우, 적외선 스펙트럼 영역으로 이동하거나 특수 IR 검출기를 사용해야 하기 때문에 CCD(Charge Coupled Devices) 또는 CMOS2(Complementary Metal Oxide Semiconductor) CIS(Image Sensors)와 같은 디바이스를 이용할 수 있다. IR 도메인에서 특수 센서가 필요한 것은 CCD나 CIS와 같은 실리콘 기반 이미저에서 요구되는 여기 에너지(Excitation Energy) 때문이다. 일반적으로 전자를 여기시키기 위해서는 1eV의 광자 에너지가 필요하지만, IR 이미저는 HgCdTe나 InSb에 기반하는 경우가 많아 IR 도메인 내에서는 광자 에너지가 1.7eV~1.24meV에 이른다. 따라서 낮은 여기 에너지를 가지고 있기 때문에 센서를 제어하고 정보를 판독하기 위해 종종 CMOS ROIC(Readout IC)가 함께 사용된다. (파장 성능에 영향을 미치는 이미지 디바이스에 따라 각기 다른 코팅을 사용할 수 있다.)
가장 일반적인 2가지 검출기 기술은 CCD와 CIS이다.
• CCD(Charge Coupled Devices)는 최상의 아날로그 디바이스로 간주되는데, 디지털 시스템에 통합할 때 요구되는 아날로그 전압 레벨에서 클럭 생성 및 ADC 디바이스가 필요하다. 각 픽셀은 광자에서 생성된 전하를 저장하는데, 대부분의 애플리케이션에서 이 픽셀은 라인 수에 따라 배열된 2차원 어레이로 배치된다. CCD는 정보를 판독하기 위해 판독 레지스터로 각 라인을 병렬로 전송하는 라인 전송을 이용하며, 각 라인은 레지스터에서 순차적으로 판독된다. 이러한 레지스터 판독 프로세스에서 전하는 전압으로 변환된다.
• CMOS 이미징 센서는 훨씬 높은 집적도로 ADC와 바이어스, 드라이브 회로를 단일 다이에 통합할 수 있다. 이는 시스템 통합을 획기적으로 줄여주는 동시에 CIS 디자인 복잡도는 증가시킨다. CIS의 핵심은 APS(Active Pixel Sensor)인데, 이는 CCD와 달리 각 픽셀의 판독 앰프와 광 다이오드를 모두 포함하고 있는 있으며, CIS가 어레이 상의 모든 픽셀 어드레스를 판독할 수 있도록 해준다.
대다수의 임베디드 비전 애플리케이션은 CIS 디바이스를 사용하고 있는 반면, CCD는 성능이 중요한 하이-엔드 첨단과학 애플리케이션에 사용되고 있다. 이 글에서 언급하는 내용들은 두 이미징 기술에 모두 해당되는 것이다.
센서 고려사항
애플리케이션에 적합한 센서를 선택하기 위해서는 시스템 요건을 이해해야 하는데, 이를 달성하기 위해서는 디바이스 측면의 몇 가지 요소들을 고려해야 한다.
첫 번째 요건은 각 라인에 얼마나 많은 픽셀 수가 필요한지, 그리고 검출기가 얼마나 많은 라인을 필요로 하는지에 따라 해상도 요건을 결정해야 한다. 최종 애플리케이션이 이를 상당히 좌우하게 되는데, 예를 들어, 첨단과학 천문학 애플리케이션은 고해상도의 2차원 장치를 필요로 하는 반면, 산업용 검사 이미징 애플리케이션은 라인 스캔 방식을 필요로 할 것이다.
• 라인 스캔 장치는 X 방향에 단일 라인(간혹 몇몇 라인)의 픽셀로 구성되며, 일반적으로 Y 방향으로 이미지가 생성될 수 있도록 카메라나 타깃이 움직이는 애플리케이션에 사용된다. 보통 검사 애플리케이션이나 OCR(Optical Character Recognition) 애플리케이션이 이에 해당된다. 일부 애플리케이션은 타깃이 움직임에 따라 X 방향에 여러 라인으로 구성된 TDI(Time Domain Integration) 라인 스캔 센서를 필요로 하는데, 시간이 지나면서 전하가 집적됨에 따라 보다 민감한 검출이 가능하도록 픽셀 값도 변화한다. 하지만 TDI는 얼룩이나 이미지 결함을 방지하기 위해 라인 전송 및 타깃 움직임 간의 동기화가 필요하다. 이 경우 판독 라인이 몇 개에 불과하기 때문에 프레임 레이트는 매우 높아질 수 있다...(중략)

 

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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