비디오 보안 산업의 ‘녹색화’를 돕는 임베디드 기술
텍사스 인스트루먼트 비디오 보안 산업부 매니저 Cyril Clocher
2011-12-29 CCTV뉴스
녹색화는 단지 추세라고 볼 수 없다. 이는 오늘날 명백한 환경적인 이유로 인하여 필수적이다. 거의 모든 산업이 녹색의 길로 접어 들기는 하였으나, 반도체 제조업체는 이러한 도전과제를 단지 지난 몇 년간이 아니라 훨씬 더 오래 동안 매우 심각하게 인지하였다. 무어의 법칙에 따라, 이미지 센서가 지원하는 전력손실, 크기, 비용, 집적도, 처리 속도 및 해상도 (또는 화소)등을 포함한 디지털 기술 메트릭스는 기하급수적으로 향상 되었다. 달리 표현하면, 반도체 제조업체로부터의 디지털 전자 제품이 더욱 고품질, 다양한 옵션, 빠른 속도를 제공하고 적은 부품을 요구하게 되어 더욱 친환경적이고도 비용효율이 높은 비디오 시스템을 탄생시키고 있다는 의미이다.
오늘날의 일상 생활에 인터넷 프로토콜(IP) 비디오 보안 시스템이 모든 곳에 존재한다는 사실과 함께 최신 및 최상의 임베디드 프로세서 기술의 사용은 제조업체 및 제조업체 디자인 업체가 에너지 효율이 높은 IP 네트워크 카메라 및 디지털 비디오 리코더(DVR)를 연결하는 솔루션을 설계하고 생산할 수 있도록 돕는다.
지난 10년 간 매 2~3년 마다 제조업체가 더 작은 크기로 임베디드 프로세서를 설계 및 생산이 가능하도록 CMOS(Com
plementary Metal-Oxide-Semiconductor) 공정기술의 발전을 보여 왔다. 기술이 2000년 130나노미터에서 최근의 45나노미터를 가능하게 하여 임베디드 프로세서가 낮은 전압으로 작동하도록 하고 전력 소모 또한 감소하였다. 낮은 전압에 더하여, 딥 서브-미크론 형상은 단일 칩 상에서 수 백 개의 트랜지스터를 통합할 수 있도록 하여 임베디드 프로세싱에 특화된 반도체가 성능을 높임과 동시에 지능화된 IP통합을 증대시킬 수 있도록 한다. 이는 단일 칩 위에 DVR 및 IP 카메라로 알려진 효율적이고도 강력한 비디오 프로세서를 가능하게 한다. 비디오 보안 밸류 체인 상에서, 이는 제조업체 및 제조업체 디자인 업체가 필드 연결 솔루션을 위하여 더욱 스마트 하고 강력한 시스템을 적은 수의 최적화된 부품과 통합기를 사용하여 설계가 가능하도록 하여 기능이나 시스템 비용에 있어서의 절충없이 환경에 미치는 총체적인 영향을 감소시킨다.
예를 들면, 2010년 3월 TI는 단일 칩이 10개가 넘은 디스크리트 부품을 대체하여 보드 면적 및 전력 소모를 획기적으로 줄여 줄 수 있는 DM8168 다빈치(DaVinci)™ 단일칩 디지털 비디오 DVR을 발표하였다. 비디오 보안 및 비디오 통신 애플리케이션에 특화된 본 비디오 SoC는 1.2 GHz ARM짋 코어텍스™-A8 및 1GHz TI C674x 디지털 시그널 프로세서 (DSP) 코어를 포함하는 극한의 통합을 제공한다. 본 DM8168 다빈치 비디오 SoC 통합은 10개 이상의 디스크리트 부품의 기능을 대체함으로써 보드 면적과 전력 소모를 줄임은 물론, 시스템 eBOM 비용을 50%로 크게 줄인다.
제조업체는 딥 서브-미크론 프로세스 형상과 보다 낮은 전압 쓰레드홀드를 요하는 설계 속도의 향상을 함께 도모할 때에 동적 및 정적인 도전과제와 직면하게 된다. 이제 몇몇 최신 임베디드 프로세서는 디바이스의 활동 상태, 작동 모드 및 복잡한 기술로 인한 온도 등에 기반하여 능동적으로 전압, 주파수 및 전력을 제어하는 무선 휴대 전화 산업으로부터 온 광범위한 지능형 및 적응형 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 사용하고 있다. 이는 저전력 모드 및 클록 게이팅과 같은 전통적인 전원관리 기술을 포함한다. 능동 및 누설 전력손실 모두를 한 층 더 줄이기 위하여 매우 혁신적인 솔루션이 적용되고 있다.
이러한 솔루션 중 몇몇은 실리콘 디바이스 레벨에서 구현된다. 이 중 주된 솔루션은 활동이 저조할 때에 1V이하의 작동을 가능케 하는 디바이스 내 다양한 서브 시스템의 독립 클록 컨트롤은 물론, 유연한 클로킹 스킴 및 전원해제 모드를 가능케 하는 DVFS(능동형 전압 및 주파수 가변)이다. 다른 예로는 실리콘 프로세스 및 온도 변화에 감응하는 적응형 전압 가변(AVS)이다. 다른 솔루션으로는 능동형 프로세스에 반응하여 저전력 모드로 스위칭함으로써 전력 누설을 낮추는 능동형 전력 스위칭(DPS)이다. 마지막 솔루션은 대기 누설 관리 (SLM) 및 메모리 보유 능력이다.
대부분의 CCTV 시스템이 이제는 디지털 및 IP 스트리밍으로 전환이 되므로, 위에서 언급한 핵심 반도체 기술 혁신은 카메라에서 인프라까지의 중요한 전력손실의 감소를 돕는다. 추가적으로, 비디오 프로세서는 비디오 트래픽 및 저장을 최적화하여 인프라의 필요성을 낮춘다. 이것이 바로 비압축 비디오 또는 전통적인 코덱(MPEG-2, MPEG-4) 대비 비디오 전송 및 저장에 요구되는 데이터량을 획기적으로 줄여 놓은 H.264 및 가변 비디오 코딩 (SVC) 최신 코덱이 녹색 비디오 보안 시스템 접근에 필수적인 이유이다. 프로그래머블 DSP 및 기능 고정형 ASIC과 같은 최신 저전력 IC의 가용 프로세싱 전력을 활용하여, 이러한 코덱은 매우 높은 압축률을 실현한다. 예를 들어, 표준화질 NTSC 비디오는 초당 30프레임의 4:2:2 YCrCb를 사용하여 일반적으로 720×480으로 디지털화 되며, 이는 165 Mbits/sec이 넘는 데이터 전송률을 요구한다. 90분짜리 비디오를 저장하는 데에 110GB 넘게 필요로 한다. H.264는 1/60의 압축률을 가능케 하면서도 훌륭한 비디오 품질을 유지하므로 대역폭과 저장공간을 절감하여 환경보호에 한 발 더 다가선다. 비슷한 방법으로 H.264의 괄목할만한 성능은 MPEG4대비 최대 4배의 비디오 압축을 실현한다. 2007년 H.264/AVC 비디오 압축 표준의 부기 G로 표준화 된 SVC를 사용하여 비디오 보안 애플리케이션에 일시적 가변성이 추가 되었는데, 이는 재인코딩을 하지 않고도 (즉, 비트 스트림의 일부 패킷을 빼 내는 방법을 사용) 프레임률을 낮출 수 있다. SVC 일시적 가변성을 사용하면 하루 종일, 일주일 또는 한 달이 걸릴 수 있는 저장용량 최적화를 위한 전환코딩을 방지하여 CCTV 시스템에 저장된 수 테라바이트 용량의 비디오에 대한 보다 친환경적인 접근이 가능하다.
비디오 트래픽, 데이터 저장 및 CCTV 시스템 효율에 있어 가장 유망한 혁신 중 하나는 단일 IP카메라에 캡쳐, 리코딩 및 저장 등 모든 기능을 통합한 엣지 디바이스 비디오 분석(VA)이다. 최신 저전력 임베디드 프로세서로 인하여 내장형 비디오 분석은 카메라에 대한 타깃 중심의 충분한 정보 취득을 가능케 하여, 필요한 비디오 시퀀스만을 저장, 스트리밍하고 로컬에 저장을 할 수 있어, 연중 내내 가동해야 하는 손실을 막는다. 가장 인기 있고 강력한 기능으로는 카메라 조작 탐지, 트립존 경보, 대상 카운팅 및 지능화 모션 탐지 등이 있으며, 이는 프로그래머블 DSP, FPGA에 구현하거나 TI의 디지털 미디어 비디오 분석 (DMVA)이 가능한 비전 코-프로세서 등의 독립적인 가속기에서 실행이 가능하다. 비디오 보안 시장에 목표를 맞추어, DMVA2 다빈치 디지털 미디어 프로세서는, 고객이 스마트 분석 기능을 쉽게 사용할 수 있도록 만든 TI의 첫 세대 비전 코-프로세서를 통합하여 HD 비디오 기능 및 기초 수준의 분석을 제공한다. 스마트 분석과 비전 코-프로세서 모두를 단일 칩에 구현하여, 고객은 중요도에 따라 비디오 분석이 가능한 IP 카메라의 비용 절감을 도모할 수 있다.
반도체 제조업체는 그들의 환경 관련 족적에 직접적인 영향을 줄 수 있는 최종 사용자의 비디오 보안 시스템 보유 비용을 낮추는 데에 노력을 기울였다. 고화질 비디오 프로세서 및 광역 능동형 영역(WDR) 센서를 도입함으로써, 제조업체 및 제조업체 디자인 업체가 이제 몇 개의 아날로그 CCTV를 심지어 보다 나은 품질로 대체할 수 있는 메가픽셀 IP 카메라를 설계 및 생산할 수 있다. 예를 들어, 한 대의 메가픽셀 카메라(1280×720)는 두 대의 표준화질 (480×720) 아날로그 카메라를 대체하며, 시야 또한 33% 더 넓게(320 수평 화소) 제공한다. 어떤 단일 칩 IP 카메라는 최근 훨씬 더 에너지 효율을 높여 4메가픽셀 비디오를 제공함을 발표하였다. 또한, 동일한 IP 카메라에 PoE(Power Over Internet) 기술을 접목할 경우, 이는 아날로그 카메라 대비 비디오 동축 케이블 및 전력 라인을 위한 와이어를 상당 부분 절감할 수 있다. 추가적으로, 제조업체 및 제조업체 디자인 업체가 이 기능 고정형 ASIC이 아니라, 유연한 프로그래머블 비디오 프로세서를 선택할 경우, 그들은 아날로그 CCTV, 모션 JPEG (MJPEG), MPEG-4, H.264 및 심지어 비표준 IP 카메라를 접목시킨 혼합 구성을 지원할 수 있게 되어 최대의 재사용성을 제공함으로써 기존의 인프라를 자연적으로 큰 환경 비용을 들여 교체하게 되는 것을 방지한다.
본 고는 혁신적 반도체 제조업체가 지난 십 년간 공개한 비디오 보안 산업의 친환경성을 돕는 몇몇 환경 관련 영향성을 분석한다. 이는 오랜 여행이었으며, TI는 보안 공간의 지속적인 혁신에 매진하고 있다.
TI의 비디오 보안 솔루션에 대한 추가 정보
DVR 레퍼런스 디자인 - www.ti.com/dvr
고집적 TMS320DM816x 다빈치 비디오 프로세서에 기반한 하이브리드 DVR (DVR/NVR) 레퍼런스 디자인에서 TMS320 DM36x 다빈치 비디오 프로세서 및 TVP5158 다채널 비디오 디코더 기반 초저비용 DVR 레퍼런스 디자인에 이르기까지 저비용, 저전력, 통합 다채널 레퍼런스 디자인을 다룬다. 이들 단일 플랫폼 솔루션은 저비용으로 더욱 신속한 개발을 가능케 한다.
IP 카메라 레퍼런스 디자인 - www.ti.com/ipcamera
IP 카메라 시장은 TMS320DM812x, DM3xx 및 DMVA1 다빈치 비디오 프로세서에 기반하여 최적화된 레퍼런스 디자인을 통해 자재 비용을 줄임은 물론 개발자로 하여금 설계 프로세스를 빠르게 수행할 수 있도록 돕는다.