지난 기사에서는 PTZ 카메라의 원격 제어 방법에 대해서 간단히 설명하였는데, 요즘에는 거의 대부분 네트워크를 통한 제어 (IP 제어)를 한다. 이유는 분명하다. 일단 이더넷 케이블 (LAN선) 하나만 꽂아 주면 되기 때문에 연결이 쉽다. 그리고 카메라와 컨트롤러, 컴퓨터 등을 연결해 주는 네트워크 스위치 (혹은 스위칭 허브)가 PoE (Power over Ethernet), 즉 이더넷 케이블을 통해 제어 신호뿐 아니라 영상도 송수신해 주고, 심지어 전원까지 공급해 줄 수 있기 때문이다.
허브 vs 스위치 vs 라우터: 무엇이 다른가?
그런데, PTZ 카메라에 아직 익숙하지 않은 초보라면 어떤 PoE 스위치를 선택해야 할 지 고민할 수 밖에 없다. 제품의 종류는 많은데 어떤 스펙을 보고 선택해야 할 지 혼란스럽기 때문이다. 일단 네트워크 스위치 (혹은 스위칭 허브)에 대한 간략하게 설명하고 넘어가도록 하겠다. 아래의 표에서 보시다시피 허브와 스위치 (혹은 스위칭 허브)는 데이터를 송수신해 준다는 면에서는 동일하지만 방법이 다르다. 허브의 경우 들어오는 데이터를 모든 포트로 보내 주기 때문에 불필요한 트래픽이 많이 생긴다. 따라서 데이터가 많은 경우 문제가 생길 수 있다. 이에 비해 스위치의 경우 필요한 목적지로만 데이터를 보내 주기 때문에 과도한 트래픽 문제가 발생하지 않는다.
※ 출처: 구글 (필자 재편집)
스위치의 경우 네트워크에 연결된 장치들의 MAC 주소로써 장비들을 구분하기 때문에 아무리 많은 장치들이 연결되어 있어도 구분하기가 쉽다. 참고로 네트워크 스위치를 그냥 스위치(Switch)라고도 부르는데, ‘영상 스위처 (Video Switcher)’와 혼동하지 마시기 바란다. 비디오 스위처는 입력되는 여러 영상 및 음향 소스들 중에서 프로그램 (PGM) 단자로 내보낼 영상을 선택해 주는 역할을 한다.
사실 요즘은 단순한 허브는 거의 찾아 보기 힘들며, 아래 사진에서와 같이 1만원 내외의 저렴한 제품도 ‘스위칭 허브’라고 되어 있다. 즉, 단순한 허브(Hub)가 아니라 ‘스위치’라는 것이다. 하지만 예전에는 단순 허브도 많았으므로 아래와 비슷하게 생긴 구형 제품을 발견하면 반드시 모델명으로 검색해서 스펙을 확인해 보는 것이 좋다. 단순 허브인데 데이터 량이 많다면 네트워크 트래픽에 문제가 발생할 수 있다고 한다.
또 한 가지 점검할 것은 통신 속도인데 위의 그림에서 ‘5 Port 100Mbps’라는 설명이 보일 것이다. 이것은 포트당 최대 속도가 100Mbps, 즉 1초에 100 Mega bit의 속도로 데이터를 보내거나 받을 수 있다는 뜻인데, 최대 스위칭 용량은 송신+수신=200Mbps가 된다. 즉 포트당 동시에 송수신 할 수 있는 속도는 최대 200Mbps라는 뜻이다. PTZ 카메라의 제어용으로는 충분하고도 남는 수준이지만 만약 영상까지 스트리밍할 경우라면 압축코덱, 인코딩 옵션, 송수신 프로토콜 등에 잘 계산해서 제품을 선택해야 한다. 일반적인 가정이나 사무실 등에서는 100Mbps의 네트워크 스위치와 1000Mbps (=1 Giga bit per second)의 제품을 가장 많이 사용하고 있는데, 생긴 건 동일한데 이 속도 때문에 가격이 2배 정도 차이가 난다.
한편 라우터 (Router)는 여러 네트워크를 연결해 주거나 인터넷으로 접속시켜 주는 역할을 한다. 우리가 집이나 사무실에서 사용하고 있는 KT, SKT, LG U+ 등의 인터넷 라우터, 혹은 이 라우터에 추가로 연결해서 사용하는 흔히 말하는 유무서 공유기가 바로 이것이다. 라우터는 IP 주소를 기반으로 장비들을 연결해 준다. 아래의 그림에서와 같이 단순히 폐쇄된 네트워크에서 PTZ 카메라와 컨트롤러 등을 연결할 경우에는 라우터가 필요없다. 아래와 같이 카메라와 컨트롤러 모두 같은 영역대의 고정 IP를 설정해 준 후, 컨트롤러에 각각의 카메라 IP를 등록해 주면 된다.
* PTZ 카메라 (A): 192.168.001.116
* PTZ 카메라 (B): 192.168.001.117
* PTZ 카메라 (C): 192.168.001.118
* PTZ 컨트롤러: 192.168.001.119
앞서 언급한 바와 같이 네트워크를 통해 PTZ 카메라 제어만 할 경우라면 허브를 쓰든, 스위치 (스위칭 허브)를 쓰든, 라우터를 쓰든 상관이 없다. 제어용 데이터는 워낙 작은 용량이고 필요할 때만 쓰기 때문에 싸구려 허브를 쓰더라도 트래픽 문제가 생기지 않는다.
하지만, 아래의 그림과 같이 네트워크를 통해 영상을 송수신할 경우에는 네트워크 스위치를 사용해야 하며, 속도 혹은 송수신 용량을 잘 계산해서 스위치를 선택해야 한다. 그리고 만약 전원까지 이더넷 케이블 (LAN선)을 통해 공급하고자 한다면 PoE 기능이 있는 스위치를 선택해야 한다. PoE 기능이 있는 제품은 당연히 단순한 스위치보다 더 비싸다. 보통 1.5 ~ 3배 정도 더 비싸다.
PoE: 이더넷을 통한 전력 공급
PoE에 대해서 간단히 설명 드리자면 Power over Ethernet이라는 단어 그대로 이더넷 케이블을 통해 전기를 공급하는 기술이다. 당연히 국제적인 표준이 있는데 현재 가장 많이 사용되는 것은 802.3af (PoE)와 802.3at (PoE+) 규격이다. 아래의 표에서 보는 것과 같이 IEEE는 Institute of Electrical and Electronics Engineers (전기전자공학자협회)의 약자로 미국의 산업 협회 중 하나이지만 실질적으로 전기관련 각종 표준이나 규격을 만들고 있다. 영상으로 치면 SMPTE와 비슷한 것 같다.
어쨌든 이 IEEE 규격 802.3af와 802.3at 규격을 따르는 PoE와 PoE+를 지원하는 PTZ 카메라와 컨트롤러들이 많다. 각각 15.4W와 30W의 전원을 공급할 수 있는데, PoE 스위치에서의 열 손실 등을 감안할 때 실제 PD (Powered Device) 입장에서는 약 15% 정도 줄어든 12.95W (PoE)와 25.5W (PoE+) 정도를 공급받게 된다. 따라서 PoE (802.3af)를 지원하는 PoE 스위치를 구입했는데 만약 PTZ 카메라의 소비전력이 동작에 따라 약 10 ~ 15W를 왔다갔다 할 경우 충분한 전력공급이 되지 못해 카메라가 정상적으로 작동하지 않을 수 있다. 즉, PoE (802.3af)가 15.4W를 공급해 준다는 것까지만 스펙을 보면 안되고 전달과정에서의 손실을 감안하여 최소 약 15% 정도의 손실을 감안해 주어야 한다는 것이다.
※ 출처: 위키피디아
네트워크 영상 스트리밍과 비트레이트
SDI나 HDMI의 경우 무압축으로 원본 영상 데이터를 그대로 출력해 주기 때문에 비트레이트가 매우 높다. 예를 들어, HDTV 표준 (1920*1080/60i)의 경우 비트레이트 즉, 초당 bit 송신량은 약 1.5Gbps가 된다. 1920*1080/60p라면 그 2배인 약 3Gbps, UHD/60p라면 HD/60p의 4배인 약 12Gbps가 된다.
이렇게 어마무시한 데이터를 네트워크를 통해 보낼 수는 없다. 물론, 불가능한 것은 아니지만 케이블과 장비 가격이 너무 높아진다. 따라서 방송국과 같이 매우 높은 화질을 빠르게 전송해야 하는 경우가 아니라면 사실상 비압축 영상은 불가능하다. 우리가 흔히 사무실이나 가정에서 사용하는 네트워크는 1Gbps 정도이다. 따라서 이 1G 망에서 최소 4개 이상의 영상을 송수신해야 하기 때문에 네트워크를 통한 영상 송수신 (스트리밍)을 위해서는 높은 압축률의 코덱을 사용해야 한다.
방송국과 같은 전문적인 영역에서는 ST.2110과 같은 표준 IP 프로토콜을 통해 무압축 영상을 송수신하는데, 일반적인 기업, 학교, 교회 등 ProAV 영역에서는 NDI라는 네트워크 전용 프로토콜을 많이 사용하는 편이다. 이 외에도 RTSP, RTMP, SRT 등 다양한 프로토콜이 있지만 우선 NDI를 중심으로 설명해 보도록 하겠다.
NDI는 Network Device Interface의 약자인데 네트워크에서 영상을 송수신하기 위해 뉴텍(Newtek)에서 개발한 프로토콜이다. 하지만 영상압축에는 SpeedHQ라는 코덱을 사용하고 있고, 이를 통해 1080/60p의 HD 영상을 약 132Mbps 정도로 압축한다. 3Gbps가 132Mbps로 줄었으니 압축률이 약 22배 정도가 된다. 하지만 일반적인 사무환경에서는 이것도 무겁기 때문에 더 높은 압축률에 대한 요구가 많았다. 이에 H.264와 H.265 코덱을 지원하는 NDI HX, HX2, HX3가 잇달아 발표되는데, HX는 이제는 쓰지 않는 규격이고 HX2를 가장 널리 사용한다. HX3는 HX2의 delay를 줄이기 위해 bitrate를 좀 높인 것으로 오리지널 NDI 혹은 NDI-HB (High Bandwidth)와 NDI-HX2의 중간이라 보시면 되겠다.
압축을 많이 할수록 복잡한 계산을 수행해야 하기 때문에 인코딩 및 디코딩 과정에서 시간이 더 걸리고, 컴퓨팅 파워도 더 필요하게 된다. 따라서 이론적으로는 압축률이 가장 높은 HX2가 delay가 가장 길고, NDI-HB가 가장 짧다. 하지만 최근에 나오는 NDI 인코더/디코더의 경우 HX2인데도 NDI-HB와 동일한 수준의 delay를 보이고 있어 필자의 경우 NDI-HX (H.264 코덱)을 제일 선호한다.
결국 비트레이트는 (1) 영상의 해상도와 프레임 레이트, (2) 영상 압축코덱과 그 옵션, (3) 네트워크 송수신 프로토콜에 따라 결정되며, 같은 압축코덱을 사용했더라도 네트워크 프로토콜에 따라 delay 차이가 난다. 예를 들어, 동일한 H.264 Main Profile, 12Mbps의 비트레이트로 인코딩을 하더라도 RTSP에 비해 NDI-HX2가 더 빠르다. 즉 HX2가 delay가 더 적다. 이것은 네트워크 프로토콜의 차이인 것이다.
NDI의 규격별 비트레이트를 HD와 UHD로 구분해서 표를 만들어 보면 아래와 같다. 같은 NDI-HX2라도 H.264 (MP4) 코덱을 사용할 때에 비해 H.265 (HEVC) 코덱을 사용하면 비트레이트가 줄어들고 대신 (계산량이 증가하여) delay가 약간 늘어난다. 만약 동일한 HX2에 H.264 코덱을 사용한다고 하더라도 인코더에서 H./264의 프로파일은 Main에서 High로 올리면 비트레이트는 증가한다. 그리고 표에는 없지만 비트레이트를 제어하는 방식에 보통 CBR (Constant Bit Rate)와 VBR (Variable Bit Rate)의 2가지 옵션이 제공된다. VBR은 화면상 피사체나 배경의 움직임이 적을 때 비트레이트를 낮춰 주는 방식이다. 따라서, 네트워크 트래픽이나 저장용량 측면에서 유리한 VBR이 일반적으로 선호되고 있다.
NDI-HB의 경우 1080/60p 영상만으로 최소 약 132Mbps의 비트레이트가 나오기 때문에 포트당 100Mbps를 지원하는 네트워크 스위치는 사용할 수 없다. 따라서 NDI-HB를 지원하는 카메라나 인코더를 사용할 계획이라면 무조건 포트당 1000Mbps (=1Gbps) 이상을 지원하는 스위치를 사용해야 한다.
반면에 NDI-HX2를 지원하는 카메라나 인코더를 사용할 경우 네트워크 스위치는 포트당 100Mbps를 지원하는 비교적 저렴한 제품을 사용해도 된다. Proxy (저해상도) 영상 및 오디오까지 추가해 보아야 절대 100Mbps를 넘을 수 없기 때문이다. 해상도를 2160/60p로 올려도 카메라 혹은 인코더에서 오는 비트레이트는 40Mbps 이하이므로 포트당 100Mbps의 스위치로도 충분하다. 이것은 동일한 코덱 (H.264 / H.265)을 사용하는 RTSP나 SRT도 마찬가지이다.
한 가지 주의할 점은 만약 포트당 100Mbps를 지원하는 스위치에 컴퓨터가 연결되어 있고, 이컴퓨터에 vMix와 같은 소프트웨어 비디오 스위처가 있는 경우이다. 각각의 HD 카메라에서는 NDI-HX2로 영상을 보내면 약 20Mbps 이하의 비트레이트로 네트워크 스위치에 들어오기 때문에 100Mbps 스위치로도 문제가 없다. 하지만, 컴퓨터의 vMix에서 이런 영상이 6개가 들어온다면 16Mbps × 6 = 96Mbps가 되기 때문에 거의 포트당 최대치인 100Mbps에 도달한다. 이 상태에서 vMix에서 PGM으로 영상을 송출하면 추가려면 4Mbps 밖에 남지 않기 때문에 대역폭이 모자라게 된다.
이런 경우 가장 쉬운 해결책은 네트워크 스위치를 메가급 (100Mbps)이 아닌 기가급 (1000Mbps)을 사용하는 것이다. 그럴 수 없는 경우라면 아래의 그림에서와 같이 vMix로 들어오는 영상을 Main Stream이 아닌 비트레이트가 낮은 Sub Stream으로 바꿔 주는 것이다. 어차피 작은 화면으로 모니터링 할 것이니 640*360의 저해상도 Sub Stream으로 변경해도 별 문제가 없을 것이다. 영상에 마우스 커서를 올려 놓은 뒤 오른쪽 마우스 버튼을 클릭한 후 ‘Low Bandwidth Mode’를 선택하면 된다.
NDI의 경우 뉴텍 (지금은 Vizrt)에서 무상으로 배포하는 NDI Studio Monitor라는 뷰어를 사용하여 모니터링 하는 경우도 많다. 이 역시 기본적으로는 비트레이트가 높은 Main Stream으로 수신을 하는데, 아래의 그림에서와 같이 Low Bandwidth를 선택해 주면 비트레이트가 낮은 Sub Stream을 수신하기 때문에 네트워크 트래픽을 대폭 줄일 수 있다.
내게 적합한 PoE 스위치는?
필자의 경우 사무실에서 업무나 테스트용으로 2대의 KUM-382pp를 사용하고 있다. 8개의 PoE 포트들에는 PTZ 카메라, 컨트롤러, 인코더, 디코더 등을 연결하고, 업링크 포트에는 LGU+ 라우터를 연결한다. 그리고 사무용 컴퓨터는 LGU+ 라우터를 통해 이 두 대의 KUM-382pp와 연결되어 있다. 이 제품은 포트당 최대 1000Mbps (1Gbps)를 송수신할 수 있기 때문에 최대 스위칭 용량은 총 20Gbps이다. 하지만 PoE를 지원하는 포트는 8개이고, 총 PoE Budget은 135W이다. 요즘 나오는 일반적인 PTZ 카메라들이 약 12 ~ 16W 정도의 전력을 소비하기 때문에 PoE+를 지원하는 제품이 바람직하다.
시중에는 수 많은 네트워크 스위치들이 판매되고 있다. 이 중에서 내게 적합한 PoE 스위치를 선택하고자 한다면 다음의 순서로 찾아 보는 것이 좋다. (1) 포트의 개수, (2) 포트당 속도 (혹은 스위칭 용량), (3) PoE 포트 수, (4) PoE 레벨 (PoE or PoE+), (5) 총 PoE 예산 (Budget). 필자의 경우 8포트 이상의 기가비트 PoE+ 스위치를 권장하는 편이다. PoE Budget은 높을수록 좋다.
연결할 장비의 수가 적다면 5포트 PoE 스위치로도 가능하겠으나, 보통은 아래와 같이 6 ~ 7대의 장비를 연결해야 하는 경우가 많기 때문에 8포트 이상을 추천한다. 여기에 추가로 라이브 중계라도 하려면 이 스위치를 다시 인터넷 라우터로 연결해 주어야 하기 때문에 8포트로도 빡빡한 경우가 많다.
* PTZ 카메라 (PoE 지원): 3~4대
* PTZ 컨트롤러 (PoE 지원): 1대
* 비디오 스위처 (PoE 미지원): 1대
* 컴퓨터 (PoE 미지원): 1대
예를 들어, 아래의 두 제품은 같은 브랜드에서 판매하는 8포트 이상의 네트워크 스위치인데 둘 다 PoE+를 지원한다. 그런데 2가지 중요한 차이점이 있다. 왼쪽의 제품은 포트당 100Mbps를 지원하는 메가비트급이다. 반면에 오른쪽은 포트당 1000Mbps (=1Gbps)를 지원하는 기가비트급이다. 즉, 송수신 데이터량이 10배 차이가 난다. 당근 그만큼 더 비싸다.
또 한 가지 차이점은 PoE Budget이다. 왼쪽은 총 95W를 공급할 수 있는데 비해 오른쪽 제품은 총 150W를 공급할 수 있다. 따라서 똑같이 PoE 포트수가 8개지만 왼쪽 제품은 오른쪽 제품에 비해 연결할 수 있는 PoE 장치 수가 줄어들 수 밖에 없다. 아니면 전력을 덜 소비하는 작은 제품들을 연결할 수 밖에 없다. 결론적으로 왼쪽 장비는 전력을 덜 소비하는 CCTV 카메라 여러 대를 연결할 때 적합해 보이고, 보다 큰 PTZ 카메라 여러 대와 컨트롤러를 연결할 경우라면 오른쪽 제품이 더 적합하다고 하겠다.
참고로, 네트워크 제어를 지원하는 PTZ 컨트롤러는 일반적으로 PTZ 카메라 제어 명령을 송신하고, 그 응답을 받기 때문에 주고 받는 데이터가 매우 작다. 가장 많이 사용되는 제어 프로토콜은 소니에서 만든 VISCA over IP인데, CCTV 카메라에서 사용되는 ONVIF 포르토콜도 대부분 지원한다. ONVIF는 간단하게 SEARCH만으로 네트워크에 있는 카메라들 찾아 쉽게 컨트롤러에 등록할 수 있는데, RTSP 프로토콜을 통한 영상 스트르밍도 해 주기 때문에 카메라의 영상을 볼 수 있다는 장점이 있다.
최근에 출시되는 PTZ 컨트롤러 중에는 자체적으로 RTSP 영상을 받아 LCD 스크린으로 보여 주는 기능을 탑재한 제품도 있다. 따라서 제어 프로토콜은 VISCA over IP를 사용하더라도, 카메라의 RTSP용 IP 주소만 입력해 주면 카메라의 영상을 컨트롤러에서도 모니터링 할 수 있다. 아래의 사진은 C1 컨트롤러에 Stream URL을 입력했을 때 LCD 스크린으로 카메라의 영상을 보여 주는 기능이다. (PVW 버튼을 눌러 MENU ↔ Preview 화면 전환)
- ※ C1 컨트롤러의 3인치 LCD 화면 (메뉴 or 프리뷰)
뱀다리: 이중화 혹은 백업 권장!
그리고 마지막으로 이더넷 케이블 (LAN선)은 ‘소모품’이라는 생각을 꼭 해 주시기 바란다. 네트워크 장비를 사용하다가 간혹 문제가 발생하는데, 원인을 찾다 보면 이더넷 케이블 문제인 경우가 종종 발견된다. 우리가 일반적으로 케이블류는 제일 고장이 덜 날 것이라는 생각을 가지고 있지만, 생각보다 케이블 불량이 많다. 앞서의 기사에서 광 HDMI 케이블 (AOC-HDMI)의 호환성 문제와 일정 시간 사용 후 불량이 나는 사례가 많았다는 글을 썼는데, 실제로 케이블 문제가 발생하면 설치한 분들이 큰 고생을 하게 된다. 몇 천 원, 혹은 몇 만원짜리 케이블 때문에 천정 다 뜯고 케이블을 재설치 하려면 인건비만 수 십 만원씩 들기 때문이다.
※ 케이블은 소모품! 상태가 안 좋은 케이블은 과감히 잘라 버리자!
따라서, 영상 케이블이나 이더넷 케이블을 항상 백업으로 하나씩 더 뽑아 놓는 것이 장기적으로 이익이 되는 경우가 많다. 즉 카메라에 전기를 공급할 때 PoE로 하더라도, 만약을 위해 일반 전원도 뽑아 놓는 것이 좋고, 이더넷 케이블도 2가닥씩 뽑아 놓고, HDMI 케이블이 망가졌을 때를 대비하여 NDI나 SRT, RTSP 등으로 vMix나 OBS에 연결해 놓는 것을 필자는 추천한다. “이상”
지난 기사에서는 PTZ 카메라의 원격 제어 방법에 대해서 간단히 설명하였는데, 요즘에는 거의 대부분 네트워크를 통한 제어 (IP 제어)를 한다. 이유는 분명하다. 일단 이더넷 케이블 (LAN선) 하나만 꽂아 주면 되기 때문에 연결이 쉽다. 그리고 카메라와 컨트롤러, 컴퓨터 등을 연결해 주는 네트워크 스위치 (혹은 스위칭 허브)가 PoE (Power over Ethernet), 즉 이더넷 케이블을 통해 제어 신호뿐 아니라 영상도 송수신해 주고, 심지어 전원까지 공급해 줄 수 있기 때문이다.
허브 vs 스위치 vs 라우터: 무엇이 다른가?
그런데, PTZ 카메라에 아직 익숙하지 않은 초보라면 어떤 PoE 스위치를 선택해야 할 지 고민할 수 밖에 없다. 제품의 종류는 많은데 어떤 스펙을 보고 선택해야 할 지 혼란스럽기 때문이다. 일단 네트워크 스위치 (혹은 스위칭 허브)에 대한 간략하게 설명하고 넘어가도록 하겠다. 아래의 표에서 보시다시피 허브와 스위치 (혹은 스위칭 허브)는 데이터를 송수신해 준다는 면에서는 동일하지만 방법이 다르다. 허브의 경우 들어오는 데이터를 모든 포트로 보내 주기 때문에 불필요한 트래픽이 많이 생긴다. 따라서 데이터가 많은 경우 문제가 생길 수 있다. 이에 비해 스위치의 경우 필요한 목적지로만 데이터를 보내 주기 때문에 과도한 트래픽 문제가 발생하지 않는다.
※ 출처: 구글 (필자 재편집)
스위치의 경우 네트워크에 연결된 장치들의 MAC 주소로써 장비들을 구분하기 때문에 아무리 많은 장치들이 연결되어 있어도 구분하기가 쉽다. 참고로 네트워크 스위치를 그냥 스위치(Switch)라고도 부르는데, ‘영상 스위처 (Video Switcher)’와 혼동하지 마시기 바란다. 비디오 스위처는 입력되는 여러 영상 및 음향 소스들 중에서 프로그램 (PGM) 단자로 내보낼 영상을 선택해 주는 역할을 한다.
사실 요즘은 단순한 허브는 거의 찾아 보기 힘들며, 아래 사진에서와 같이 1만원 내외의 저렴한 제품도 ‘스위칭 허브’라고 되어 있다. 즉, 단순한 허브(Hub)가 아니라 ‘스위치’라는 것이다. 하지만 예전에는 단순 허브도 많았으므로 아래와 비슷하게 생긴 구형 제품을 발견하면 반드시 모델명으로 검색해서 스펙을 확인해 보는 것이 좋다. 단순 허브인데 데이터 량이 많다면 네트워크 트래픽에 문제가 발생할 수 있다고 한다.
또 한 가지 점검할 것은 통신 속도인데 위의 그림에서 ‘5 Port 100Mbps’라는 설명이 보일 것이다. 이것은 포트당 최대 속도가 100Mbps, 즉 1초에 100 Mega bit의 속도로 데이터를 보내거나 받을 수 있다는 뜻인데, 최대 스위칭 용량은 송신+수신=200Mbps가 된다. 즉 포트당 동시에 송수신 할 수 있는 속도는 최대 200Mbps라는 뜻이다. PTZ 카메라의 제어용으로는 충분하고도 남는 수준이지만 만약 영상까지 스트리밍할 경우라면 압축코덱, 인코딩 옵션, 송수신 프로토콜 등에 잘 계산해서 제품을 선택해야 한다. 일반적인 가정이나 사무실 등에서는 100Mbps의 네트워크 스위치와 1000Mbps (=1 Giga bit per second)의 제품을 가장 많이 사용하고 있는데, 생긴 건 동일한데 이 속도 때문에 가격이 2배 정도 차이가 난다.
한편 라우터 (Router)는 여러 네트워크를 연결해 주거나 인터넷으로 접속시켜 주는 역할을 한다. 우리가 집이나 사무실에서 사용하고 있는 KT, SKT, LG U+ 등의 인터넷 라우터, 혹은 이 라우터에 추가로 연결해서 사용하는 흔히 말하는 유무서 공유기가 바로 이것이다. 라우터는 IP 주소를 기반으로 장비들을 연결해 준다. 아래의 그림에서와 같이 단순히 폐쇄된 네트워크에서 PTZ 카메라와 컨트롤러 등을 연결할 경우에는 라우터가 필요없다. 아래와 같이 카메라와 컨트롤러 모두 같은 영역대의 고정 IP를 설정해 준 후, 컨트롤러에 각각의 카메라 IP를 등록해 주면 된다.
* PTZ 카메라 (A): 192.168.001.116
* PTZ 카메라 (B): 192.168.001.117
* PTZ 카메라 (C): 192.168.001.118
* PTZ 컨트롤러: 192.168.001.119
앞서 언급한 바와 같이 네트워크를 통해 PTZ 카메라 제어만 할 경우라면 허브를 쓰든, 스위치 (스위칭 허브)를 쓰든, 라우터를 쓰든 상관이 없다. 제어용 데이터는 워낙 작은 용량이고 필요할 때만 쓰기 때문에 싸구려 허브를 쓰더라도 트래픽 문제가 생기지 않는다.
하지만, 아래의 그림과 같이 네트워크를 통해 영상을 송수신할 경우에는 네트워크 스위치를 사용해야 하며, 속도 혹은 송수신 용량을 잘 계산해서 스위치를 선택해야 한다. 그리고 만약 전원까지 이더넷 케이블 (LAN선)을 통해 공급하고자 한다면 PoE 기능이 있는 스위치를 선택해야 한다. PoE 기능이 있는 제품은 당연히 단순한 스위치보다 더 비싸다. 보통 1.5 ~ 3배 정도 더 비싸다.
PoE: 이더넷을 통한 전력 공급
PoE에 대해서 간단히 설명 드리자면 Power over Ethernet이라는 단어 그대로 이더넷 케이블을 통해 전기를 공급하는 기술이다. 당연히 국제적인 표준이 있는데 현재 가장 많이 사용되는 것은 802.3af (PoE)와 802.3at (PoE+) 규격이다. 아래의 표에서 보는 것과 같이 IEEE는 Institute of Electrical and Electronics Engineers (전기전자공학자협회)의 약자로 미국의 산업 협회 중 하나이지만 실질적으로 전기관련 각종 표준이나 규격을 만들고 있다. 영상으로 치면 SMPTE와 비슷한 것 같다.
어쨌든 이 IEEE 규격 802.3af와 802.3at 규격을 따르는 PoE와 PoE+를 지원하는 PTZ 카메라와 컨트롤러들이 많다. 각각 15.4W와 30W의 전원을 공급할 수 있는데, PoE 스위치에서의 열 손실 등을 감안할 때 실제 PD (Powered Device) 입장에서는 약 15% 정도 줄어든 12.95W (PoE)와 25.5W (PoE+) 정도를 공급받게 된다. 따라서 PoE (802.3af)를 지원하는 PoE 스위치를 구입했는데 만약 PTZ 카메라의 소비전력이 동작에 따라 약 10 ~ 15W를 왔다갔다 할 경우 충분한 전력공급이 되지 못해 카메라가 정상적으로 작동하지 않을 수 있다. 즉, PoE (802.3af)가 15.4W를 공급해 준다는 것까지만 스펙을 보면 안되고 전달과정에서의 손실을 감안하여 최소 약 15% 정도의 손실을 감안해 주어야 한다는 것이다.
※ 출처: 위키피디아
네트워크 영상 스트리밍과 비트레이트
SDI나 HDMI의 경우 무압축으로 원본 영상 데이터를 그대로 출력해 주기 때문에 비트레이트가 매우 높다. 예를 들어, HDTV 표준 (1920*1080/60i)의 경우 비트레이트 즉, 초당 bit 송신량은 약 1.5Gbps가 된다. 1920*1080/60p라면 그 2배인 약 3Gbps, UHD/60p라면 HD/60p의 4배인 약 12Gbps가 된다.
이렇게 어마무시한 데이터를 네트워크를 통해 보낼 수는 없다. 물론, 불가능한 것은 아니지만 케이블과 장비 가격이 너무 높아진다. 따라서 방송국과 같이 매우 높은 화질을 빠르게 전송해야 하는 경우가 아니라면 사실상 비압축 영상은 불가능하다. 우리가 흔히 사무실이나 가정에서 사용하는 네트워크는 1Gbps 정도이다. 따라서 이 1G 망에서 최소 4개 이상의 영상을 송수신해야 하기 때문에 네트워크를 통한 영상 송수신 (스트리밍)을 위해서는 높은 압축률의 코덱을 사용해야 한다.
방송국과 같은 전문적인 영역에서는 ST.2110과 같은 표준 IP 프로토콜을 통해 무압축 영상을 송수신하는데, 일반적인 기업, 학교, 교회 등 ProAV 영역에서는 NDI라는 네트워크 전용 프로토콜을 많이 사용하는 편이다. 이 외에도 RTSP, RTMP, SRT 등 다양한 프로토콜이 있지만 우선 NDI를 중심으로 설명해 보도록 하겠다.
NDI는 Network Device Interface의 약자인데 네트워크에서 영상을 송수신하기 위해 뉴텍(Newtek)에서 개발한 프로토콜이다. 하지만 영상압축에는 SpeedHQ라는 코덱을 사용하고 있고, 이를 통해 1080/60p의 HD 영상을 약 132Mbps 정도로 압축한다. 3Gbps가 132Mbps로 줄었으니 압축률이 약 22배 정도가 된다. 하지만 일반적인 사무환경에서는 이것도 무겁기 때문에 더 높은 압축률에 대한 요구가 많았다. 이에 H.264와 H.265 코덱을 지원하는 NDI HX, HX2, HX3가 잇달아 발표되는데, HX는 이제는 쓰지 않는 규격이고 HX2를 가장 널리 사용한다. HX3는 HX2의 delay를 줄이기 위해 bitrate를 좀 높인 것으로 오리지널 NDI 혹은 NDI-HB (High Bandwidth)와 NDI-HX2의 중간이라 보시면 되겠다.
압축을 많이 할수록 복잡한 계산을 수행해야 하기 때문에 인코딩 및 디코딩 과정에서 시간이 더 걸리고, 컴퓨팅 파워도 더 필요하게 된다. 따라서 이론적으로는 압축률이 가장 높은 HX2가 delay가 가장 길고, NDI-HB가 가장 짧다. 하지만 최근에 나오는 NDI 인코더/디코더의 경우 HX2인데도 NDI-HB와 동일한 수준의 delay를 보이고 있어 필자의 경우 NDI-HX (H.264 코덱)을 제일 선호한다.
결국 비트레이트는 (1) 영상의 해상도와 프레임 레이트, (2) 영상 압축코덱과 그 옵션, (3) 네트워크 송수신 프로토콜에 따라 결정되며, 같은 압축코덱을 사용했더라도 네트워크 프로토콜에 따라 delay 차이가 난다. 예를 들어, 동일한 H.264 Main Profile, 12Mbps의 비트레이트로 인코딩을 하더라도 RTSP에 비해 NDI-HX2가 더 빠르다. 즉 HX2가 delay가 더 적다. 이것은 네트워크 프로토콜의 차이인 것이다.
NDI의 규격별 비트레이트를 HD와 UHD로 구분해서 표를 만들어 보면 아래와 같다. 같은 NDI-HX2라도 H.264 (MP4) 코덱을 사용할 때에 비해 H.265 (HEVC) 코덱을 사용하면 비트레이트가 줄어들고 대신 (계산량이 증가하여) delay가 약간 늘어난다. 만약 동일한 HX2에 H.264 코덱을 사용한다고 하더라도 인코더에서 H./264의 프로파일은 Main에서 High로 올리면 비트레이트는 증가한다. 그리고 표에는 없지만 비트레이트를 제어하는 방식에 보통 CBR (Constant Bit Rate)와 VBR (Variable Bit Rate)의 2가지 옵션이 제공된다. VBR은 화면상 피사체나 배경의 움직임이 적을 때 비트레이트를 낮춰 주는 방식이다. 따라서, 네트워크 트래픽이나 저장용량 측면에서 유리한 VBR이 일반적으로 선호되고 있다.
NDI-HB의 경우 1080/60p 영상만으로 최소 약 132Mbps의 비트레이트가 나오기 때문에 포트당 100Mbps를 지원하는 네트워크 스위치는 사용할 수 없다. 따라서 NDI-HB를 지원하는 카메라나 인코더를 사용할 계획이라면 무조건 포트당 1000Mbps (=1Gbps) 이상을 지원하는 스위치를 사용해야 한다.
반면에 NDI-HX2를 지원하는 카메라나 인코더를 사용할 경우 네트워크 스위치는 포트당 100Mbps를 지원하는 비교적 저렴한 제품을 사용해도 된다. Proxy (저해상도) 영상 및 오디오까지 추가해 보아야 절대 100Mbps를 넘을 수 없기 때문이다. 해상도를 2160/60p로 올려도 카메라 혹은 인코더에서 오는 비트레이트는 40Mbps 이하이므로 포트당 100Mbps의 스위치로도 충분하다. 이것은 동일한 코덱 (H.264 / H.265)을 사용하는 RTSP나 SRT도 마찬가지이다.
한 가지 주의할 점은 만약 포트당 100Mbps를 지원하는 스위치에 컴퓨터가 연결되어 있고, 이컴퓨터에 vMix와 같은 소프트웨어 비디오 스위처가 있는 경우이다. 각각의 HD 카메라에서는 NDI-HX2로 영상을 보내면 약 20Mbps 이하의 비트레이트로 네트워크 스위치에 들어오기 때문에 100Mbps 스위치로도 문제가 없다. 하지만, 컴퓨터의 vMix에서 이런 영상이 6개가 들어온다면 16Mbps × 6 = 96Mbps가 되기 때문에 거의 포트당 최대치인 100Mbps에 도달한다. 이 상태에서 vMix에서 PGM으로 영상을 송출하면 추가려면 4Mbps 밖에 남지 않기 때문에 대역폭이 모자라게 된다.
이런 경우 가장 쉬운 해결책은 네트워크 스위치를 메가급 (100Mbps)이 아닌 기가급 (1000Mbps)을 사용하는 것이다. 그럴 수 없는 경우라면 아래의 그림에서와 같이 vMix로 들어오는 영상을 Main Stream이 아닌 비트레이트가 낮은 Sub Stream으로 바꿔 주는 것이다. 어차피 작은 화면으로 모니터링 할 것이니 640*360의 저해상도 Sub Stream으로 변경해도 별 문제가 없을 것이다. 영상에 마우스 커서를 올려 놓은 뒤 오른쪽 마우스 버튼을 클릭한 후 ‘Low Bandwidth Mode’를 선택하면 된다.
NDI의 경우 뉴텍 (지금은 Vizrt)에서 무상으로 배포하는 NDI Studio Monitor라는 뷰어를 사용하여 모니터링 하는 경우도 많다. 이 역시 기본적으로는 비트레이트가 높은 Main Stream으로 수신을 하는데, 아래의 그림에서와 같이 Low Bandwidth를 선택해 주면 비트레이트가 낮은 Sub Stream을 수신하기 때문에 네트워크 트래픽을 대폭 줄일 수 있다.
내게 적합한 PoE 스위치는?
필자의 경우 사무실에서 업무나 테스트용으로 2대의 KUM-382pp를 사용하고 있다. 8개의 PoE 포트들에는 PTZ 카메라, 컨트롤러, 인코더, 디코더 등을 연결하고, 업링크 포트에는 LGU+ 라우터를 연결한다. 그리고 사무용 컴퓨터는 LGU+ 라우터를 통해 이 두 대의 KUM-382pp와 연결되어 있다. 이 제품은 포트당 최대 1000Mbps (1Gbps)를 송수신할 수 있기 때문에 최대 스위칭 용량은 총 20Gbps이다. 하지만 PoE를 지원하는 포트는 8개이고, 총 PoE Budget은 135W이다. 요즘 나오는 일반적인 PTZ 카메라들이 약 12 ~ 16W 정도의 전력을 소비하기 때문에 PoE+를 지원하는 제품이 바람직하다.
시중에는 수 많은 네트워크 스위치들이 판매되고 있다. 이 중에서 내게 적합한 PoE 스위치를 선택하고자 한다면 다음의 순서로 찾아 보는 것이 좋다. (1) 포트의 개수, (2) 포트당 속도 (혹은 스위칭 용량), (3) PoE 포트 수, (4) PoE 레벨 (PoE or PoE+), (5) 총 PoE 예산 (Budget). 필자의 경우 8포트 이상의 기가비트 PoE+ 스위치를 권장하는 편이다. PoE Budget은 높을수록 좋다.
연결할 장비의 수가 적다면 5포트 PoE 스위치로도 가능하겠으나, 보통은 아래와 같이 6 ~ 7대의 장비를 연결해야 하는 경우가 많기 때문에 8포트 이상을 추천한다. 여기에 추가로 라이브 중계라도 하려면 이 스위치를 다시 인터넷 라우터로 연결해 주어야 하기 때문에 8포트로도 빡빡한 경우가 많다.
* PTZ 카메라 (PoE 지원): 3~4대
* PTZ 컨트롤러 (PoE 지원): 1대
* 비디오 스위처 (PoE 미지원): 1대
* 컴퓨터 (PoE 미지원): 1대
예를 들어, 아래의 두 제품은 같은 브랜드에서 판매하는 8포트 이상의 네트워크 스위치인데 둘 다 PoE+를 지원한다. 그런데 2가지 중요한 차이점이 있다. 왼쪽의 제품은 포트당 100Mbps를 지원하는 메가비트급이다. 반면에 오른쪽은 포트당 1000Mbps (=1Gbps)를 지원하는 기가비트급이다. 즉, 송수신 데이터량이 10배 차이가 난다. 당근 그만큼 더 비싸다.
또 한 가지 차이점은 PoE Budget이다. 왼쪽은 총 95W를 공급할 수 있는데 비해 오른쪽 제품은 총 150W를 공급할 수 있다. 따라서 똑같이 PoE 포트수가 8개지만 왼쪽 제품은 오른쪽 제품에 비해 연결할 수 있는 PoE 장치 수가 줄어들 수 밖에 없다. 아니면 전력을 덜 소비하는 작은 제품들을 연결할 수 밖에 없다. 결론적으로 왼쪽 장비는 전력을 덜 소비하는 CCTV 카메라 여러 대를 연결할 때 적합해 보이고, 보다 큰 PTZ 카메라 여러 대와 컨트롤러를 연결할 경우라면 오른쪽 제품이 더 적합하다고 하겠다.
참고로, 네트워크 제어를 지원하는 PTZ 컨트롤러는 일반적으로 PTZ 카메라 제어 명령을 송신하고, 그 응답을 받기 때문에 주고 받는 데이터가 매우 작다. 가장 많이 사용되는 제어 프로토콜은 소니에서 만든 VISCA over IP인데, CCTV 카메라에서 사용되는 ONVIF 포르토콜도 대부분 지원한다. ONVIF는 간단하게 SEARCH만으로 네트워크에 있는 카메라들 찾아 쉽게 컨트롤러에 등록할 수 있는데, RTSP 프로토콜을 통한 영상 스트르밍도 해 주기 때문에 카메라의 영상을 볼 수 있다는 장점이 있다.
최근에 출시되는 PTZ 컨트롤러 중에는 자체적으로 RTSP 영상을 받아 LCD 스크린으로 보여 주는 기능을 탑재한 제품도 있다. 따라서 제어 프로토콜은 VISCA over IP를 사용하더라도, 카메라의 RTSP용 IP 주소만 입력해 주면 카메라의 영상을 컨트롤러에서도 모니터링 할 수 있다. 아래의 사진은 C1 컨트롤러에 Stream URL을 입력했을 때 LCD 스크린으로 카메라의 영상을 보여 주는 기능이다. (PVW 버튼을 눌러 MENU ↔ Preview 화면 전환)
뱀다리: 이중화 혹은 백업 권장!
그리고 마지막으로 이더넷 케이블 (LAN선)은 ‘소모품’이라는 생각을 꼭 해 주시기 바란다. 네트워크 장비를 사용하다가 간혹 문제가 발생하는데, 원인을 찾다 보면 이더넷 케이블 문제인 경우가 종종 발견된다. 우리가 일반적으로 케이블류는 제일 고장이 덜 날 것이라는 생각을 가지고 있지만, 생각보다 케이블 불량이 많다. 앞서의 기사에서 광 HDMI 케이블 (AOC-HDMI)의 호환성 문제와 일정 시간 사용 후 불량이 나는 사례가 많았다는 글을 썼는데, 실제로 케이블 문제가 발생하면 설치한 분들이 큰 고생을 하게 된다. 몇 천 원, 혹은 몇 만원짜리 케이블 때문에 천정 다 뜯고 케이블을 재설치 하려면 인건비만 수 십 만원씩 들기 때문이다.
※ 케이블은 소모품! 상태가 안 좋은 케이블은 과감히 잘라 버리자!
따라서, 영상 케이블이나 이더넷 케이블을 항상 백업으로 하나씩 더 뽑아 놓는 것이 장기적으로 이익이 되는 경우가 많다. 즉 카메라에 전기를 공급할 때 PoE로 하더라도, 만약을 위해 일반 전원도 뽑아 놓는 것이 좋고, 이더넷 케이블도 2가닥씩 뽑아 놓고, HDMI 케이블이 망가졌을 때를 대비하여 NDI나 SRT, RTSP 등으로 vMix나 OBS에 연결해 놓는 것을 필자는 추천한다. “이상”