Gigabitマルチメディアシリアルリンクカメラは、GigE Visionカメラの代替として

要約

Gigabit Multimedia Serial Link™（GMSL™）とGigabit Ethernet（GigE）は、カメラアプリケーション向けの人気のあるリンク技術であり、さまざまなエンド市場でよく見られます。本記事では、システムアーキテクチャ、主要な特長、そして制約においてこの2つの技術を比較分析します。これにより、両技術の基本を説明し、なぜGMSLカメラがGigE Vision®カメラに対する強力な代替案となり得るかについての洞察を提供します。

背景

GigE Visionは、イーサネットのインフラストラクチャとプロトコルに基づくネットワークカメラインターフェースの標準です。これは産業分野で広く採用されています。Analog DevicesのGMSLは、映像データ伝送専用のポイントツーポイント型シリアルリンク技術で、元々は自動車のカメラおよびディスプレイ用途向けに設計されました。   これら両方の技術は、イメージセンサーから映像データを伝送する際の到達範囲を拡張する目的を果たしていますが、それぞれのソリューションには独自の特徴があります。長年にわたり、GigE Visionカメラの代替として、自動車分野以外でもGMSLカメラが採用されるケースが増えてきました。

一般的なシステムアーキテクチャ

イメージセンサー接続

GigE Vision カメラ（図1に示す）は通常、信号チェーン内に3つの主要なコンポーネントが含まれています。これらは、イメージセンサー、プロセッサ、および Ethernet PHY です。プロセッサは、イメージセンサーからの生の画像データを Ethernet フレームに変換します。このプロセスには通常、画像処理と圧縮、またはデータレートを Ethernet がサポートする帯域幅に収めるためのフレームバッファリングが含まれます。

GMSLカメラの信号チェーン（図2に示されています）は通常、画像センサーとシリアライザーのみで構成されているため、より簡潔です。一般的な用途では、シリアライザーは画像センサーからの生データを変換し、その後元のフォーマットのままリンクを介して送信します。プロセッサを必要としないため、これらのカメラは設計が容易で、小型のカメラフォームファクターや低消費電力を必要とする用途に適しています。  

ホストプロセッサ接続

GigE Visionカメラは、さまざまなホストデバイスとの互換性の高さで業界で広く受け入れられています。ギガビットイーサネットポートは、パーソナルコンピューター（PC）や組み込みプラットフォームでほぼ標準的に提供されています。一部のGigE Visionカメラは、汎用ドライバーと組み合わせることで、真のプラグアンドプレイ体験を提供することが可能です。   GMSLカメラでは、ホスト側にデシリアライザが必要です。多くの場合、ホストデバイスは1つまたは複数のデシリアライザを搭載したカスタマイズされた組み込みプラットフォームとなっています。デシリアライザは、イメージセンサのMIPI出力からの元のフォーマットで、MIPIトランスミッタを通じて画像データを伝送します。これらのカメラでは、他のMIPIカメラと同様に、カスタマイズされたカメラ設計ごとにカメラドライバーが必要です。ただし、イメージセンサ用の既存のドライバーがある場合、カメラからSoCへのビデオストリームを得るためには、SerDesペアに対して少数のプロファイルレジスタや一部のレジスタ書き込みを行うだけで済みます。   カメラを1台だけ使用する場合、GigE Visionはシステムの複雑さという点でGMSLよりも有利な場合があります。なぜなら、GigE Visionはイーサネットポートを備えたPCや組み込みプラットフォームに直接接続できるためです。しかし、複数のGigEカメラを使用する場合は、イーサネットスイッチが必要です。このスイッチは、専用のイーサネットスイッチデバイス、複数のイーサネットポートを備えたネットワークインターフェースカード（NIC）、または複数のイーサネットポートとSoCの間に配置されたイーサネットスイッチICのいずれかである可能性があります。一部のケースでは、これにより最大合計データレートが低下する場合があり、さらに、カメラと端末デバイス間のインターフェースによっては予測不可能な待機時間が発生する可能性があります。図3を参照してください。

GMSLカメラシステムでは、1つのデシリアライザがMIPI C-PHYまたはD-PHYトランスミッタを使用して最大4つのリンクに接続し、4つのカメラすべてのフル帯域幅をサポートすることができます。SoCが合計データレートを処理可能である限り、1つまたは複数のGMSLデバイスを使用しても帯域幅を損なったり、システムの複雑さが過度に増加したりすることはありません。

機能比較: センサーインターフェース

GMSLシリアライザは、並列LVDS (GMSL1) およびMIPI (GMSL2/GMSL3) センサーインターフェースのみをサポートします。MIPIは消費者および自動車向けカメラにおいて最も普及しているイメージセンサーインターフェースであるため、さまざまな種類のイメージセンサーがGMSLカメラに組み込むことが可能です。しかし、GigE Visionカメラは、カメラ内部に使用されているプロセッサの恩恵により、センサーインターフェースの面でより多用途性があります。

ビデオ仕様: 動作原理

図5は、イメージセンサーからGMSLリンクまたはGigEネットワークに連続的なビデオストリームとしてデータが送信される際のタイミング図の例を示しています。

ビデオストリームの各フレームにおいて、画像センサーは露光期間の直後にデータを送信し、その後次のフレームが始まる前にアイドル状態になります。この例の図はグローバルシャッターセンサーをより適切に表しています。ローリングシャッターセンサーの場合、露光と読み出し期間がフレームレベルで重なることがあります。これは、露光と読み出しが行単位で個別に制御されるためです。   センサー側のGMSLシリアライザは、画像センサーからのデータをシリアライズし、それを独自プロトコルを通じてリンクに即座に送信します。   GigE Visionカメラ内のプロセッサは、画像センサーからのデータをバッファリングし、しばしば処理を行った後に、動画データをイーサネットフレームの形式で整え、ネットワークに送信します。  

リンク速度

リンクレートは、リンク上で送信されるデータの理論上の最大速度を示し、異なるデータリンク技術を比較する際にしばしば重要な仕様となります。GMSL2、GMSL3、そしてGigE Visionはすべて、個別の固定リンクレートを使用しています。   GMSL2は3 Gbpsおよび6 Gbpsのデータレートをサポートします。GMSL3は12 Gbpsのデータレートをサポートし、すべてのGMSL3デバイスはGMSL2プロトコルを使用するGMSL2デバイスと下位互換性があります。   GigE Visionはイーサネット規格に準拠しています。GigE、2.5 GigE、5 GigE、および10 GigE Visionカメラは、一般的な用途でよく見られます。その名前が示すように、それぞれ1 Gbpsから最大10 Gbpsのリンクレートをサポートします。最先端のGigE Visionカメラは、100 Gbpsのリンクレートを持つ100 GigEをサポートします。GigE Visionでは、すべての高速プロトコルが低速プロトコルとの下位互換性を持ちます。   リンクレートはビデオ解像度、フレームレート、レイテンシーに強く関連していますが、リンクレートだけを基準にしてこれら2つの技術を直接比較することは困難です。

効果的なビデオデータレート

データ通信において、有効データレートとはプロトコルオーバーヘッドを除いたデータレート容量を指し、この概念は映像データ通信にも適用されます。一般的に、転送される有効な映像データ量は、ピクセルのビット深度 × パケットまたはフレーム内のピクセル数となります。図6は、有効な映像データとオーバーヘッドの関係を示しています。

GMSLは映像データをパケットで送信します。GMSL2およびGMSL3デバイスは固定のパケットサイズを使用するため、有効な映像データレートも明確に定義されています。GMSL2デバイスを例に取ると、リンクが6 Gbpsに設定されている場合、映像帯域幅は最大でも5.2 Gbpsに抑えることが推奨されます。しかしながら、リンクにはセンサーのMIPIインターフェースからのオーバーヘッドやブランキングタイムも含まれるため、5.2 Gbpsはすべての入力MIPIデータレーンからの集計データレートを反映したものであり、1秒あたりの5.2 Gbの映像データを指しているわけではありません。   イーサネットはデータをフレームで送信します。GigE Visionには標準的なフレームサイズがなく、通常はソフトウェアソリューションにおける効率向上（長いフレームの利点）や遅延削減（短いフレームの利点）とのトレードオフの一部になります。これらのカメラでは、オーバーヘッドは通常5%以下に抑えられています。より高速なイーサネットは、長いフレームを使用してより良い有効な映像データレートを達成する際のリスクを軽減します。   どちらの技術もデータをバースト的に送信します。その結果、より長期間（1フレーム分以上）の平均データレートは、送信中の有効な映像データレートよりもさらに低くなることがあります。GMSLカメラの場合、バースト時間はイメージセンサーのリードアウト時間のみに依存し、実際のアプリケーションではバースト比が100%に達し、その完全な有効映像データレートをサポートすることが可能です。一方、GigE Visionカメラはより複雑で予測が難しいネットワーク環境で使用される可能性があり、その場合、データ衝突を回避するためにバースト比が低いことが一般的です。例として図7を参照してください。

解像度とフレームレート

解像度とフレームレートはビデオカメラにおける最も重要な仕様であり、これらはリンク速度を向上させる主な要因です。この仕様に関しては、両技術にそれぞれのトレードオフがあります。   GMSLデバイスはフレームバッファリングや処理を提供していません。解像度やフレームレートは、リンク帯域幅内でイメージセンサーやセンサー側のISPがサポートできる内容に依存しており、通常は解像度、フレームレート、ピクセルのビット深度の間での単純なトレードオフです。   GigE Visionのモデルはより複雑です。多くの場合、その使用可能なリンク速度はGMSLより遅いものの、追加のバッファリングや圧縮を活用することでより高い解像度やフレームレート、またはその両方を同時にサポートすることが可能です。しかしそれには、遅延、消費電力、そしてカメラシステムの両側に必要となる高価なコンポーネントのコストが伴います。利用頻度の低いケースでは、これらのカメラが低フレームレートで生の画像データを送信することもあります。

レイテンシ

遅延は、特にリアルタイムでデータを処理し、意思決定を行うアプリケーションにおいて、ビデオカメラの重要な仕様の1つです。   GMSLカメラシステムは、センサーからのデータをシリアライザーで入力し、デシリアライザーで出力して受信側のSoCに入力するまでの過程で、低遅延かつ決定論的な遅延を実現します。   GigE Visionカメラは、カメラ内での処理やより複雑なネットワークトラフィックの影響で、通常はより高い、かつ非決定論的な遅延を伴います。しかし、カメラ側の処理がシステムイメージパイプラインに組み込まれ、その処理が専用かつ効率的である場合には、必ずしもシステム全体の遅延が長くなるわけではありません。

その他の機能：伝送距離

GMSLのシリアライザおよびデシリアライザは、乗用車で同軸ケーブルを使用して最大15メートル先までデータを伝送するために設計されています。ただし、カメラハードウェアシステムがGMSLチャンネル仕様を満たしている限り、伝送距離が15メートルに制限されるわけではありません。   GigE Visionはイーサネットプロトコルを使用しており、銅製ケーブルを使用して最大100メートルまで、または光ファイバーを使用するとさらに長距離データを伝送できます。ただし、Power over Ethernet（PoE）などのいくつかの機能が失われる可能性があります。

PoCとPoE/PoDL

両方の技術は、同じケーブルを通じて電力とデータを送信することが可能です。GMSLは同軸ケーブル上の電力供給（Power over Coax, PoC）を使用し、GigE Visionは4対のイーサネットケーブルにおける電力供給（PoE）および1対のイーサネット（SPE）におけるデータライン上の電力供給（PoDL）を使用します。ほとんどのGigE Visionカメラは、PoEを使用した従来型の4対ケーブルを利用しています。   PoCはシンプルであり、通常、同軸構成を持つカメラアプリケーションにおいてデフォルトで使用されます。この構成では、リンク上の電力とデータは1本のワイヤから供給され、PoC回路にはわずかな受動コンポーネントしか必要としません。   1Gbps以上のデータレートをサポートするPoE回路は、カメラ側およびホスト（またはスイッチ）側の両方にアクティブコンポーネントを備えた専用回路が必要です。これにより、PoE機能はより高価で、利用しにくいものとなります。PoEをサポートするGigE Visionカメラには、ローカルな外部電源オプションが備わっていることが一般的です。

周辺機器の制御とシステム接続

GMSLは、専用のカメラまたはディスプレイリンクとして、幅広い周辺機器をサポートするよう設計されているわけではありません。通常のGMSLカメラアプリケーションでは、リンクは制御信号（UART、I2C、SPI）を送信し、温度センサー、周囲光センサー、IMU、LEDコントローラなどのカメラ周辺機器のみと通信を行います。GMSLをカメラインターフェースとして使用する大規模なシステムでは、CANやEthernetなどの低速インターフェースを使用して他のデバイスと通信することが一般的です。   GigE Visionカメラは、内蔵プロセッサを使用してカメラ周辺機器の制御を通常行います。産業用途で人気の接続ソリューションとして、産業用Ethernetに関するいくつかの標準プロトコルがさまざまな機械や設備をサポートしており、GigE Visionカメラはソフトウェアおよびハードウェアインターフェースの両方でネットワークに直接接続します。

カメラのトリガーとタイムスタンプ

GMSLリンクは、低遅延GPIOおよびI2Cトンネリングをマイクロ秒単位で前方・逆方向の両チャネル上で提供し、異なるカメラのトリガー/同期構成をサポートします。GMSLカメラシステムにおけるトリガ信号の発信元は、デシリアライザ側のSoCまたはシリアライザ側のイメージセンサーのいずれかになります。   GigE Visionカメラは通常、専用のピン/ポートまたはイーサネットを介したトリガー/同期パケットを使用して、ハードウェアおよびソフトウェアの両方のトリガーオプションを提供します。典型的な用途では、ハードウェアトリガーを使用して、他のカメラや非カメラデバイスとの応答性が高く正確な同期を確保する標準的なアプローチが取られます。これらのカメラにおけるソフトウェアトリガーの主な問題点はネットワーク遅延です。同期精度を向上させるためのプロトコルは存在しますが、それらは以下の欠点を持つ場合があります：十分に正確でない（ネットワーク時刻プロトコル（NTP）はミリ秒単位で同期する）、または費用対効果が低い（高精度時刻プロトコル（PTP）はマイクロ秒単位で同期しますが、互換性のあるハードウェアが必要）。   イーサネットネットワーク上で同期プロトコルを使用すると、GigE Visionカメラを含む同じネットワーク内の全デバイスが同一のクロックドメインでタイムスタンプを提供できるようになります。   GMSLにはタイムスタンプ機能がありません。一部のイメージセンサーはMIPI埋め込みヘッダーを通じてタイムスタンプを提供できますが、これは通常、システムの高次レベルにおける他のデバイスとリンクされていません。一部のシステムアーキテクチャでは、GMSLデシリアライザが中央クロックを使用するためにPTPネットワーク上のSoCに接続されます。この機能が必要な場合は、AD-GMSL2ETH-SLを参考にしてください。

結論

要約すると（表1を参照）、GMSLは既存のGigE Visionソリューションに対する強力な代替案または置き換え案です。GigE Visionカメラと比較すると、GMSLカメラは同等またはそれ以上のリンク速度と機能を、より低コスト、低消費電力、シンプルなシステムアーキテクチャ、よりコンパクトなシステムフットプリントで提供できる場合が多いです。さらに、GMSLはもともと自動車向けのアプリケーション用に設計されており、過酷な環境で数十年にわたり自動車エンジニアによって検証されています。これは、信頼性と機能安全性が重要なシステム開発において、エンジニアやシステムアーキテクトに安心感を与えるでしょう。