Caméras Gigabit Multimedia Serial Link comme alternative aux caméras GigE Vision

Résumé

Les technologies Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL™) et Gigabit Ethernet (GigE) sont deux technologies de liaison populaires pour les applications de caméras, souvent présentes dans différents marchés finaux. Cet article effectue une analyse comparative des deux technologies en termes d'architectures système, de caractéristiques clés et de limitations. Il permettra d'expliquer les principes fondamentaux des deux technologies et de fournir des éclairages sur les raisons pour lesquelles les caméras GMSL constituent une solide alternative aux caméras GigE Vision®.

Contexte

GigE Vision est une norme d'interface pour caméras réseau basée sur les infrastructures et protocoles Ethernet. Elle est largement adoptée dans le secteur industriel. La technologie GMSL d’Analog Devices est un lien série point à point dédié à la transmission de données vidéo et a été initialement conçue pour les applications de caméras et d'écrans automobiles.   Les deux technologies ont pour objectif d'étendre la portée des données vidéo issues des capteurs d'image, chacune offrant des caractéristiques uniques. Au fil des années, nous avons observé une adoption croissante des caméras GMSL en dehors du domaine automobile, souvent en tant qu'alternative aux caméras GigE Vision.

Architecture système typique

Connexion du capteur d'image

Les caméras GigE Vision (illustrées dans la Figure 1) se composent généralement de trois principaux éléments dans leur chaîne de signal : un capteur d'image, un processeur et un PHY Ethernet. Le processeur convertit les données brutes de l'image issues du capteur d'image en trames Ethernet, et ce processus implique généralement le traitement et la compression de l'image ou la mise en mémoire tampon des trames pour adapter le débit des données à la bande passante prise en charge par Ethernet.

La chaîne de signal des caméras GMSL (illustrée dans la Figure 2) est généralement plus simple, avec seulement un capteur d'image et un sérialiseur. Dans des applications typiques, le sérialiseur convertit les données brutes du capteur d'image, puis les envoie via le lien dans leur format original. Sans nécessiter de processeur, ces caméras sont plus faciles à concevoir et mieux adaptées aux applications nécessitant un format de caméra compact et une faible consommation d'énergie.  

Connexion au processeur hôte

Les caméras GigE Vision sont largement acceptées dans l'industrie en raison de leur compatibilité avec une grande variété de dispositifs hôtes. Le port Ethernet Gigabit est presque une offre standard sur les ordinateurs personnels (PC) ou les plateformes embarquées. Certaines caméras GigE Vision peuvent fonctionner avec un pilote universel pour une expérience véritablement plug-and-play.   Les caméras GMSL nécessitent un ou plusieurs désérialiseurs du côté hôte. Dans la plupart des cas d'utilisation, l'appareil hôte est une plateforme embarquée personnalisée avec un ou plusieurs désérialiseurs. Les désérialiseurs transmettent les données d'image via leurs transmetteurs MIPI dans le format original issu de la sortie MIPI du capteur d'image. Pour ces caméras, un pilote de caméra est requis pour chaque conception de caméra personnalisée, tout comme pour toute autre caméra MIPI. Cependant, s'il existe déjà un pilote pour le capteur d'image, seuls quelques registres de profil ou quelques écritures de registre sont nécessaires pour que la paire SerDes transmette un flux vidéo des caméras au SoC.   Lors de l'utilisation d'une seule caméra, GigE Vision peut offrir certains avantages par rapport à GMSL en termes de complexité du système, car elle peut être connectée directement à un PC ou une plateforme embarquée avec un port Ethernet. Cependant, lorsque plusieurs caméras GigE sont utilisées, un commutateur Ethernet est requis. Cela peut être un appareil commutateur Ethernet dédié, une carte d'interface réseau (NIC) avec plusieurs ports Ethernet ou un circuit intégré (IC) de commutateur Ethernet entre plusieurs ports Ethernet et le SoC. Dans certains cas, cela peut entraîner une réduction du débit de données total maximal et, pire, une latence imprévisible selon l'interface entre les caméras et le dispositif terminal. Voir Figure 3.

Dans un système de caméra GMSL, un désérialiseur peut se connecter à jusqu'à quatre liens avec son émetteur MIPI C-PHY ou D-PHY pour soutenir toute la bande passante des quatre caméras. Tant que le SoC peut gérer le débit total, l'utilisation d'un ou de plusieurs dispositifs GMSL ne compromettrait pas la bande passante ni n'augmenterait excessivement la complexité du système.

Comparaison des caractéristiques : Interface capteur

Les sérialiseurs GMSL prennent uniquement en charge les interfaces de capteurs parallèles LVDS (GMSL1) et MIPI (GMSL2/GMSL3). Étant donné que MIPI est l'interface de capteur d'image la plus populaire pour les caméras grand public et automobiles, une large gamme de capteurs d'image peut être intégrée dans une caméra GMSL. Cependant, les caméras GigE Vision sont tout simplement plus polyvalentes en termes d'interface de capteur en raison du processeur utilisé à l'intérieur de la caméra.

Spécifications vidéo : Théorie de fonctionnement

La figure 5 montre un exemple de diagramme temporel illustrant comment les données sont transmises d'un capteur d'image à un lien GMSL ou à un réseau GigE dans un flux vidéo continu.

Dans chaque trame d'un flux vidéo, un capteur d'image envoie des données immédiatement après la période d'exposition, puis passe à un état de veille avant le début de la trame suivante. Le diagramme d'exemple représente mieux un capteur à obturateur global. Pour un capteur à obturateur roulant, il y aura un chevauchement entre la période d'exposition et de lecture au niveau de la trame, car l'exposition et la lecture sont contrôlées individuellement par ligne.   Les sérialiseurs GMSL du côté du capteur sérialisent les données des capteurs d'image et les transmettent immédiatement au lien via leur protocole propriétaire.   Le processeur dans les caméras GigE Vision va tamponner et très souvent traiter les données provenant des capteurs d'image avant d'organiser les données vidéo en trames Ethernet et de les envoyer au réseau.  

Taux de liaison

Le débit du lien spécifie la vitesse maximale théorique de transmission de données sur un lien et est souvent la spécification clé lors de la comparaison de différentes technologies de liaison des données. GMSL2, GMSL3 et GigE Vision utilisent tous des débits de lien discrets et fixes.   GMSL2 prend en charge des débits de données de 3 Gbps et 6 Gbps. GMSL3 prend en charge un débit de données de 12 Gbps, et tous les appareils GMSL3 sont rétrocompatibles avec les appareils GMSL2 en utilisant les protocoles GMSL2.   GigE Vision suit les normes Ethernet. Les caméras GigE, 2.5 GigE, 5 GigE et 10 GigE Vision sont souvent utilisées dans des applications courantes. Comme leurs noms l’indiquent, elles prennent en charge des débits de lien de 1 Gbps jusqu’à 10 Gbps, respectivement. La caméra GigE Vision de pointe prendra en charge le 100 GigE avec un débit de lien de 100 Gbps.1 Pour GigE Vision, tous les protocoles à vitesse supérieure seront rétrocompatibles avec les protocoles à vitesse inférieure.   Bien que le débit de lien soit fortement associé à la résolution vidéo, à la fréquence d’images et à la latence, il est difficile d’établir une comparaison directe entre les deux technologies uniquement sur la base du débit de lien.

Débit de données vidéo efficace

En communications de données, le débit de données effectif décrit la capacité de débit de données en excluant les frais généraux du protocole, et ce concept s'applique également aux communications de données vidéo. Généralement, la quantité effective de données vidéo transférées est la profondeur de bits des pixels × le nombre de pixels dans un paquet ou une trame. La figure 6 illustre la relation entre les données vidéo effectives et les frais généraux.

GMSL transmet les données vidéo en paquets. Les appareils GMSL2 et GMSL3 utilisent des tailles de paquets fixes, ainsi le débit de données vidéo effectif est également bien défini. Prenons les appareils GMSL2 comme exemple. Lorsque la liaison est configurée à 6 Gbps, il est recommandé d'utiliser une bande passante vidéo ne dépassant pas 5,2 Gbps. Cependant, puisque la liaison transporte également un certain surdébit et du temps de suppression provenant de l'interface MIPI des capteurs, 5,2 Gbps reflète le débit de données agrégé de toutes les voies de données d'entrée MIPI plutôt que 5,2 Gb de données vidéo par seconde.   Ethernet transmet les données en trames. GigE Vision n'a pas de taille de trame standard, et ceci fait généralement partie du compromis de la solution logicielle pour améliorer l'efficacité (avantage des longues trames) ou réduire le délai (avantage des courtes trames). Pour ces caméras, le surdébit est généralement inférieur à 5 %. Un Ethernet à plus haut débit réduira les risques liés à l'utilisation de longues trames afin d'obtenir un meilleur débit de données vidéo effectif.   Les deux technologies transmettent les données de manière en rafale. En conséquence, le débit moyen sur une période plus longue (au-delà d'une trame vidéo ou plus) peut être encore inférieur au débit de données vidéo effectif pendant la transmission. Pour les caméras GMSL, le temps de rafale dépend uniquement du temps de lecture du capteur d'image, et le ratio de rafale dans des applications réelles peut éventuellement atteindre 100 % pour supporter son débit de données vidéo effectif complet. Les caméras GigE Vision peuvent être utilisées dans un environnement réseau plus complexe et imprévisible, auquel cas le ratio de rafale est souvent faible pour éviter les collisions de données. Voir la Figure 7 comme exemple.

Résolution et taux de rafraîchissement

La résolution et la fréquence d'image sont les deux spécifications les plus importantes pour les caméras vidéo, et elles sont les principaux moteurs des taux de liaison plus élevés. Pour ces spécifications, les deux technologies ont leurs compromis.   Les dispositifs GMSL ne permettent pas la mise en mémoire tampon ou le traitement des images. La résolution et la fréquence d'image dépendent entièrement de ce que le capteur d'image ou le processeur ISP du côté du capteur peut prendre en charge dans la bande passante de la liaison, et il s'agit généralement d'un compromis simple entre la résolution, la fréquence d'image et la profondeur de bits des pixels.   Le modèle GigE Vision est plus complexe. Bien que son taux de liaison utilisable soit dans de nombreux cas plus lent que celui du GMSL, il peut prendre en charge une résolution plus élevée, une fréquence d'image supérieure, ou les deux en même temps avec un ajout de mise en mémoire tampon et de compression. Cependant, tout cela a un coût en termes de latence, de consommation d'énergie et de composants coûteux des deux côtés du système de caméra. Dans certains cas d’utilisation moins courants, ces caméras transmettent également des données d’image brutes à une fréquence d’image moindre.

Latence

La latence est une autre spécification clé des caméras vidéo, en particulier dans les applications qui traitent les données et prennent des décisions en temps réel.   Les systèmes de caméras GMSL ont une latence faible et déterministe depuis l'entrée du sérialiseur/la sortie du capteur jusqu'à la sortie du désérialiseur/l'entrée du SoC récepteur.   Les caméras GigE Vision ont généralement une latence plus élevée et indéterministe en raison du traitement interne et d'un trafic réseau plus complexe. Cependant, cela ne conduit pas toujours à une latence système plus longue, notamment lorsque le traitement côté caméra est pris en compte dans le pipeline d'image du système et qu'il est plus dédié et efficace.

Autres caractéristiques : Distance de transmission

Les sérialiseurs et désérialiseurs GMSL sont conçus pour transmettre des données jusqu'à 15 mètres en utilisant des câbles coaxiaux dans les véhicules de tourisme. Cependant, la distance de transmission n'est pas limitée à 15 mètres tant que le système matériel de la caméra respecte la spécification du canal GMSL.   GigE Vision utilise le protocole Ethernet qui peut transmettre des données jusqu'à 100 mètres avec des câbles en cuivre, ou encore plus loin en utilisant des fibres optiques, bien qu'il puisse perdre certaines fonctionnalités comme l'alimentation par Ethernet (PoE).

PoC et PoE/PoDL

Les deux technologies sont capables de transmettre l'alimentation et les données via le même câble. GMSL utilise Power over Coax (PoC) et GigE Vision utilise PoE pour Ethernet à 4 paires et Power over Data Line (PoDL) pour Ethernet à une seule paire (SPE). La plupart des caméras GigE Vision utilisent les câbles traditionnels à 4 paires avec PoE.   Le PoC est simple et est généralement utilisé par défaut pour les applications de caméras avec une configuration coaxiale. Dans cette configuration, l'alimentation et les données sur le lien proviennent d'un seul fil et seuls quelques composants passifs sont nécessaires pour les circuits PoC.   Les circuits PoE prenant en charge un débit de données de 1 Gbps ou plus nécessitent un circuit dédié avec des composants actifs des deux côtés, caméra et hôte (ou commutateur). Cela rend la fonctionnalité PoE plus coûteuse et moins accessible. Il est courant que les caméras GigE Vision prenant en charge PoE disposent également d'une option d'alimentation locale et externe.

Contrôle périphérique et connectivité du système

GMSL, en tant que lien dédié pour caméra ou écran, n'est pas conçu pour prendre en charge une grande variété de périphériques. Dans les applications typiques de caméra GMSL, le lien transmet des signaux de contrôle (UART, I2C et SPI) pour communiquer uniquement avec les périphériques de caméra tels que les capteurs de température, les capteurs de lumière ambiante, les IMU, les contrôleurs LED, etc. Les systèmes plus grands utilisant GMSL comme interface de caméra disposent généralement d'autres interfaces à faible vitesse telles que CAN et Ethernet pour communiquer avec d'autres dispositifs.   Les caméras GigE Vision gèrent normalement les contrôles des périphériques de caméra avec leur processeur intégré. Étant une solution de connectivité populaire pour les applications industrielles, il existe plusieurs protocoles standards pour Ethernet industriel afin de prendre en charge des machines et équipements diversifiés, et les caméras GigE Vision se connectent directement au réseau grâce à leurs interfaces, tant logicielle que matérielle.

Déclenchement et estampillage temporel de la caméra

Les liaisons GMSL prennent en charge le tunneling GPIO et I2C à faible latence, de l'ordre de quelques microsecondes, sur les canaux de transmission et de réception afin de permettre différentes configurations de déclenchement/synchronisation des caméras. La source du signal de déclenchement dans un système de caméras GMSL peut provenir soit du SoC côté désérialiseur, soit de l'un des capteurs d'image côté sérialiseur.   Les caméras GigE Vision offrent généralement des options de déclenchement à la fois matérielles et logicielles via une broche/un port dédié ou un paquet de déclenchement/synchronisation Ethernet. Dans les applications classiques, un déclenchement matériel est utilisé comme approche standard pour assurer une synchronisation réactive et précise avec d'autres caméras ou dispositifs autres que des caméras. Le principal problème du déclenchement logiciel pour ces caméras est le délai réseau. Bien qu'il existe des protocoles permettant d'améliorer la précision de la synchronisation, ils peuvent être soit pas assez précis (protocole de temps réseau (NTP), synchronisé à l'échelle de la milliseconde), soit non rentables (protocole de temps précis (PTP), synchronisé à l'échelle de la microseconde mais nécessitant du matériel compatible).   Lorsqu'un protocole de synchronisation est utilisé sur un réseau Ethernet, tous les dispositifs du même réseau, y compris les caméras GigE Vision, pourront fournir des horodatages dans le même domaine d'horloge.   GMSL ne possède pas de fonctionnalités d'horodatage. Certains capteurs d'image peuvent fournir un horodatage via l'en-tête intégré MIPI, mais ceci n'est généralement pas lié à d'autres dispositifs dans le système à niveau supérieur. Dans certaines architectures système, le désérialiseur GMSL se connecte à un SoC qui est sur un réseau PTP pour utiliser une horloge centralisée. Si cette fonctionnalité est requise, veuillez utiliser AD-GMSL2ETH-SL comme référence.

Conclusion

En résumé (voir Tableau 1), GMSL est une alternative ou un remplacement solide aux solutions GigE Vision existantes. Par rapport aux caméras GigE Vision, les caméras GMSL peuvent souvent offrir des débits de liaison et des fonctionnalités équivalents ou supérieurs à un coût inférieur, une consommation d'énergie réduite et une architecture système plus simple avec une empreinte système plus petite. De plus, puisque GMSL a été initialement conçu pour des applications automobiles, il a été validé par des ingénieurs automobiles dans des environnements difficiles pendant des décennies. Cela apportera une assurance aux ingénieurs et aux architectes système pour le développement de systèmes où la fiabilité et la sécurité fonctionnelle sont primordiales.