영상 감시 SYSTEM의 기술적 변이
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영상 감시 SYSTEM의 기술적 변이
  • CCTV뉴스
  • 승인 2009.08.04 00:00
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영상 감시 산업에서 아날로그 CCTV 카메라로부터 디지털 로직 기반의 카메라로 변화를 겪고 있다. 이 변화는 우선적으로 높은 영상 해상도, 이미지 신호처리, 진보된 영상분석, 다수의 카메라 시스템과 디지털 영상 압축에 중심을 두고 있다. 그 결과로, 영상 감시 카메라 및 DVR(디지털 방식의 비디오 녹화기) 디자인에서의 새로운 도전은 진보된 코덱의 CMOS 감지기, 네트워크 IP 카메라 기술, 증가한 시스템 통합 또는 기능, 작은 사이즈 형태, 증가한 DSP 기능에 대한 사용을 포함하고 있다.

글 : Alex Gargarita & Asher Hazanchuk (lattice semiconductor)

영상 감시 산업에서 아날로그 CCTV 카메라로부터 디지털 로직 기반의 카메라로 변화를 겪고 있다. 이 변화는 우선적으로 높은 영상 해상도, 이미지 신호처리, 진보된 영상분석, 다수의 카메라 시스템과 디지털 영상 압축에 중심을 두고 있다. 그 결과로, 영상 감시 카메라 및 DVR(디지털 방식의 비디오 녹화기) 디자인에서의 새로운 도전은 진보된 코덱의 CMOS 감지기, 네트워크 IP 카메라 기술, 증가한 시스템 통합 또는 기능, 작은 사이즈 형태, 증가한 DSP 기능에 대한 사용을 포함하고 있다.

영상 감시 시장의 경쟁력과 다양성 때문에, 제조사들은 경쟁사들과 차별화를 위해 자체적인 '보안 소스'를 추가하는데 종종 어려움이 있다. 그런 이유로 인해, 카메라와 DVR 제품 간에는 공통적인 부분이 있다. 그러나 위 부분에서 언급된 동향으로 인하여 영상 감시기기의 주문자 생산 공급업체들에게 있어서 그들만의 제품 차별화를 위한 새로운 기회를 창출하게 한다.

융통성을 허용하는 개발 접근 방식은 저가의 대량생산이라는 다양한 마켓을 통해서 이뤄지고, 저사양 카메라/DVR의 요구사항으로부터 고사양 애플리케이션을 수용할 수 있는 능력이 갖춰져야 한다.

이러한 애플리케이션의 요구를 만족시키기 위해 추가적인 처리 능력이 요구된다. 현재 디지털 카메라에서는 DSP칩, 특정한 ASSP 혹은 ASIC을 이용하여 제공되어 왔다. 전형적으로 DSP칩은 직렬방식으로 이미지 신호처리를 다루기 때문에 성능을 올리는데 한계가 있다. ASSP는 성능은 높일 수 있으나, 가격적인 측면에 장점이 없다. ASIC은 더더욱 성능을 최적화 시킬 수 있으나, 제품 수량이 충분이 많지 않으면 ASIC개발을 위해 비용과 시간을 투자하기 어렵다.

영상 감시 시스템을 위한 선택적 구현

영상 감시 시스템들은 2종류로 나눌 수 있다. 카메라 시스템과 DVR시스템이다. 카메라 시스템은 하나 혹은 다수의 카메라를 통합해서 적용될 수 있다. 어떤 시스템은 하나의 카메라 혹은 다수의 카메라가 하나의 DVR과 결합되어 적용될 수 있다.


그림 1. 다수의 카메라가 있는 DVR영상 감시 시스템

그림 1은 일반적인 다수의 카메라와 DVR 영상 감시 시스템을 설명하고 있다. 영상 소스는 CMOS 영상 센서, CCD 영상 센서 혹은 아날로그 영상 소스로부터 올 수 있다. 적합한 영상 인터페이스는 입력되는 영상 스트림을 일반적인 포맷으로 바꾸고, 다른 영상 스트림들(오디오까지도)도 다중화 된다. 전처리과정은 이미지 신호처리단에서 수행된다. 영상 전처리 과정의 목적은 노이즈 감소와 화소 결점을 제거하기 위함이다.

영상 분석기는 미리 정해진 프레임 영역 내에서 움직임이 감지되었을 때 적용되기 시작하며, 동작 감지 출력은 요구되는 저장 장치 공간을 감소시키는데 이용된다. 이는 사람과 자동차 수를 셈하고, 자동차 번호판 식별과 안면 인식과 같은 어떤 영상 감시 애플리케이션에 이용된다.

다수의 카메라 영상 소스의 전형적인 영상 감시 시스템은 상당한 분량의 데이터를 생성한다. 따라서 요구되어지는 저장 공간 사이즈를 줄이는 것은 매우 중요하다. MPEG-4, H.264 (MPEG-4 Part10(개선된 영상 코딩)과 상응)와 같은 영상 압축 알고리즘과 MJPEG는 요구되는 저장 사이즈를 감소시키는데 이용된다. H.264는 낮은 비트레이트 하에서도 훌륭한 좋은 품질의 영상을 제공할 수 있기 때문에 영상 감시 애플리케이션 분야에서 인기있는 압축 알고리즘이다(H.264는 MPEG-2 혹은 MPEG-4 Part2 비트레이트의 절반 이하).

압축 후에, 데이터는 영상 저장 서버에 HDD 인터페이스를 통해서 저장되거나, 혹은 이더넷 네트워크를 통해 보내진다. 영상이 디스플레이에 보내지기 전에, HDD로 부터 읽힌 다음 디코딩되고, 이미지 후작업으로 스케일링, 컬러 스페이스 컨버터, 혹은 오버레이 등이 적용된다.

전형적으로 DDR2와 같은 메모리 인터페이스는 영상 프레임을 저장하기 위해 이용된다. 더더욱, 어떤 시스템에서는 영상 콘텐츠가 실시간 암호화되어 소스의 인증 및 보안을 요구하기도 한다. 마지막으로 프로세서는 다양한 기능에 대해서 통제하고 관리할 수 있도록 요구된다.


그림 2. 전송률, 융통성, 물량, 형태에 따른 선택사항의 구현방안

그림 2는 전송률, 융통성, 기대되는 생산량과 제품 형태와 같은 시스템 요구사항에 따라 차별화된 기술과 디바이스를 선택하는지를 설명하고 있다. DSP프로세서는 낮은 데이터 전송률의 요구 사항을 위해서 비용적인 측면에서 가장 효과적이다. 그러나 제품의 라이프 사이클에 따른 생산량 또한 하드웨어의 융통성은 ASIC/ASSP 혹은 FPGA를 선택하느냐에 중요한 부분으로써 영향을 미친다.

낮은 하드웨어 융통성을 갖는 시스템 요구와 대량생산에 있어서는 ASIC/ASSP 솔루션이 적합하나, 높은 융통성을 요구하는 시스템과 소량생산에 있어서는 FPGA솔루션이 적합하다. 작은 형태의 영상 감시 카메라에는 비휘발성 FPGA가 적절한데, 이유는 외부에 컨피규레이션 메모리 디바이스가 필요 없기 때문이다.

● 다양한 디바이스의 장점을 결합한 시스템 통합:

- DSP프로세서 밴더는 종종 ASSP IP블록을 통합한다.
- ASSP/ASIC 밴더는 종종 프로세서를 통합한다.
- FPGA 밴더는 종종 하드코어 프로세서와 하드 IP코어를 통합한다.

그림 1의 영상 감시 시스템의 경우, 영상 분석 기능과 프로세서 블록은 DSP 프로세서와 함께 효과적으로 구현될 수 있다. 그러나 FPGA를 이용함으로써 움직임 감지, 안면 인식과 같은 영상 분석 기능의 장점을 얻을 수 있다.

그림 1에서 언급된 H.264 엔코더는 높은 전송률과 낮은 하드웨어 융통성이 요구되는 매우 복잡한 블록이다. 작은 사이즈 형태의 솔루션으로 생산하기에는 ASSP와 ASIC을 이용하여 구현되는 것이 일반적이다. ASIC, 심지어 ASSP의 문제점은 생산량이 많지 않음에도 불구하고 디바이스 개발의 투자에 있어서 너무 높은 개발비가 지불된다는 것이다.

ASIC/ASSP의 또 다른 문제는 특정한 일부 기능 블록만을 사용될 때 인데, 반면에 FPGA솔루션은 실리콘 투자만으로도 그 이점을 되돌려 준다. ASIC과 ASSP의 경우에, 제한된 기능과 비융통성은 시장의 요구에 따른 개선 내지 새로운 기능 추가를 허용하지 않는다. 그러나 FPGA는 폭넓은 기능성과 융통성을 제공할 수 있다. 다음의 영상 감시 시스템 블록은 FPGA의 융통성으로부터 얻을 수 있는 장점들이다.

- 영상과 오디오 인터페이스와 다중화는 다양한 영상 카메라와 다양한 수의 카메라를 지원하기 위해 하드웨어적인 융통성을 요구한다.

- DDR 인터페이스는 다양한 메모리 버스 사이즈와 다양한 DDR표준을 지원해야 한다.

- 특정한 영상 카메라의 구현을 위해서는 다양한 이미지 신호 처리 알고리즘(2D FIR필터, 2D median필터, 스케일러, 에지 감지, 감마 보정, 알파 블렌딩, 화이트 밸런싱, 렌즈 세이딩 보정, 결함 픽셀 보정, 디-모자이크, 디-인터레이싱, 컬러 스페이스 보정)과 다양한 알고리즘들이 요구된다. 효과적인 사이즈로 이 알고리즘을 구현하기 위한 구조는 시스템에 부가된 카메라 수와 영상 표준 샘플 레이트에 따른  전송률에 따라 결정된다.

- HDD 인터페이스와 이더넷 인터페이스는 영상 감시 카메라 시스템에서 항상 요구되지는 않지만 선택사항으로써 구현될 수 있다.

- 디스플레이 인터페이스 역시 항상 요구되지는 않지만, 다양한 디스플레이 인터페이스가 있을 경우에 구현될 수 있다.

- 암호화와 인증은 단지 특정한 시스템에서 요구된다. 주어진 감시 시스템에 부가된 다수의 카메라와 다양한 영상 포맷에 따른 다양한 전송률 요구에 의해서 최적의 암호화와 인증 시스템은 다양한 사이즈 형태의 구조로서 요구된다.

주어진 공간제약이 매우 작고, 전원과 가격에 민감한 많은 네트워크 IP카메라가 있는, 특히 임베디드 카메라/DVR시스템의 경우 전통적인 FPGA로부터 얻을 수 있는 장점에 필적할 만한, 그 이상의 솔루션으로서 비휘발성 FPGA를 고려할 수 있다.

영상 감시 시장에서의 FPGA의 차별성

위 부분에서 설명했듯이, FPGA는 DSP처리와 같은 영상 감시 시스템을 구현할 때 상당한 장점을 제공하고 있다. 비휘발성 FPGA는 영상 감시 카메라 시스템, 특히 이동성, 전력소모 그리고 공간제약이 있는 임베디드된 카메라/ DVR시스템에 있어서 더욱 매력적이다.

어떤 애플리케이션에서는 융통성과 범용성이 매우 중요하다. 그러나 전력 소모, 공간제약과 이동성 측면에서 만족되기에는 매우 비싼 솔루션이 될 수 있다. 예를 들면, 다수의 카메라와 센서가 있는 네트워크 IP카메라 시스템인데, 회로보드는 최상급에 다수의 영상 스트림 채널은 끊임이 없어야 한다. 나머지 IP카메라는 종종 작은 형태로 이뤄진다. 회로 보드는 마이크로 SD카드 정도의 사이즈이다. 주문자 공급방식의 생산자들의 도전은 작은 공간에 기능구현과 함께 전력 소모도 작아야 하는 요구사항에서, 가능한 적은 수의 칩으로 시스템을 구현하는 것 이다.


그림 3. 저가의 패키지를 제공하는 비휘발성 LatticeXP2 디바이스

LatticeXP2 제품군과 같은 비휘발성 FPGA솔루션은 비휘발성 플래시 셀 기술의 장점에 SRAM 기반의 FPGA의 융통성과 성능을 결합한 것이다. 영상 보안과 감시 애플리케이션에 유용하게 이용될만한 온 칩 DDR/DDR2 인터페이스 지원, 저가 디스플레이를 위한 7:1 LVDS 인터페이스, 18×18 곱셈을 지원하는 DSP블록이 있는데, 이와 같은 많은 기능들이 LatticeXP2 제품군에 있다.

LatticeXP2-5와 LatticeXP2-8에는 저가의 칩 스케일 패키징을 사용할 수 있으며, LatticeXP2-5 비휘발성 제품군은 특히 콤팩트한 네트워크 IP카메라를 디자인 하는 주문자 생산업체에게 많은 장점을 제공하고 있다.

요약

FPGA 하드웨어 융통성과 병렬적인 처리, 개발비가 없는 제로 NRE의 결합은 영상 감시 카메라와 DVR 애플리케이션의 폭넓은 다양성을 위해 중요한 자산이 될 수 있다.

비휘발성 FPGA의 사용은 또한 외부 Boot-PROM이 필요 없게 되고, 즉시 동작 기능을 제공하는 싱글 칩 솔루션을 창출하고 있다. 암호키를 저장한 AES-128비트 암호기법이 내장되어 있으며, 외부로부터 FPGA 프로그램 비트스트림을 읽지 못하도록 보안성을 제공한다. 카메라/DVR 시스템을 포함한, 많은 보안 카메라 솔루션들은 전통적인 SRAM 기반의 FPGA로부터 얻는 이점이 있지만, 비휘발성 FPGA의 사용은 전력 소모, 가격과 통합이라는 또 다른 장점을 가질 수 있다.

 

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