高帯域幅、長距離サポート、データの整合性、パフォーマンスの向上、カメラの信頼性は、自動車、ロボティクス、スマートシティなどのさまざまな業界にわたる組み込みビジョンアプリケーションの重要な要件であり続けます。このようなアプリケーションで使用される最も一般的なカメラインターフェイスには、MIPI CSI-2、USB 3.0、およびGigEがあります。ただし、多くの新時代のアプリケーションの増大するニーズに対応することはできません。イーサネットやCANのような他のインターフェースは、多くの自動車や自動車のアプリケーションでかなり一般的です。ただし、大量の高解像度デジタルビデオデータを送信するのに十分な速度ではありません。
ここで、ゲームチェンジャーとなるのが、シリアライザーとデシリアライザー（Serializer / Deserializer（SerDes））の技術です。
SerDes技術は、高いデータレート、長距離サポート、および優れたパフォーマンスを提供するため、テレコム、データコム、産業用、およびケーブル相互接続アプリケーションで非常に人気があります。このシリアルリンクテクノロジーは、過酷な産業環境や外部環境でも確実に機能し、低遅延で高速にデータを配信します。SerDes技術の主な用途は、単一の同軸ケーブルまたは差動ペアケーブル（STP、SPPなど）を介したデータ伝送を提供して、入力/出力ピンと相互接続の数を最小限に抑えることです。
ギガビットマルチメディアシリアルリンク™（GMSL）カメラは、GMSLおよびGMSL2テクノロジー（SerDes技術）を使用して、単一の同軸ケーブルを介して高速ビデオ、双方向制御データ、および電力を伝送します。
このアーティクルでは、GMSLインターフェースがMIPIと呼ばれる最も人気のあるカメラインターフェースの1つとどのように比較されるかを見ていきます。
GMSLインターフェースとは何ですか？
GMSLインターフェイスとMIPIインターフェイスの違いを確認する前に、まずGMSLインターフェイスとは何かを理解しましょう。
GMSLは、主にインフォテインメントや先進運転対応システム（ADAS）などの自動車用ビデオアプリケーションで使用される高速シリアルインターフェースです。また、多くのスマートトラフィックやロボットアプリケーションでも使用されています。GMSLインターフェイスは、HDMI、CSI-2、DSI、非対称DSI、eDP、oLDI、入力または出力のシングル/デュアル/クワッドGMSL1/GMSL2などのさまざまなインターフェイスを備えたシリアライザーとデシリアライザーのファミリーで構成されています。GMSLは、データをシリアルストリームに変換するために送信側でシリアライザーを使用し、処理のためにシリアルをパラレルワードに変換するために受信側でデシリアライザーを使用します。最大6Gb/秒の速度でビデオを転送できます。
以下は、GMSLインターフェースを使用する組み込みビジョンシステムのブロック図です。
MIPIインターフェースとは何ですか？
GMSLカメラとそのアプリケーションを使用するメリットについて説明する前に、MIPIカメラとは何かを学びましょう。
MIPIは、カメラとホストプロセッサー間でビデオと画像のデータを送信する高速プロトコルです。それらはモバイルデバイスで広く使用されています。MIPI CSI-2は、1秒あたり約5 Gbの達成可能な帯域幅で、1秒あたり6Gbの最大帯域幅を提供するMIPIインターフェイスバリアントの1つです。MIPI CSI-2は、イメージセンサーを組み込みボードに接続して、画像データを制御および処理します。これは、センサーと組み込みボードがカメラシステムとして連携して画像をキャプチャーするのに役立ちます。標準のMIPICSI-2カメラ接続の最大ケーブル長は30cmです。
To learn more about MIPI cameras, please visit What is a MIPI camera? How does MIPI camera work?
次に、GMSLカメラインターフェースを使用するメリットとそのパフォーマンスを見てみましょう。
GMSLカメラ対MIPIカメラ
GMSLカメラインターフェースは、高速データレート、高帯域幅、データ整合性、およびより優れたEMI / EMC性能に対する高まる需要に対応しています。以下のパラメーターに沿って、GMSLインターフェースとMIPIインターフェースの類似点と相違点を見ていきます。
- 伝送距離
- EMI/EMC性能
- ビデオの複製
- 自動再送要求（ARQ）機能
- 下位互換性
- 仮想チャンネルのサポート
- 互換性のあるプラットフォーム
伝送距離
コンピューティングユニットと各カメラモジュールの間の距離が30cmを超える、トラックのような大型車両を考えてみましょう。そこで、GMSL SerDesテクノロジーが、15mまでの長距離伝送を可能にするのに役立つ可能性があります。これらのカメラは、50Ω同軸ケーブルまたは100ΩSTPを介してホストプロセッサーから15メートル離れた場所に配置して、フルスピードで動作し、高フレームレートと低遅延をサポートします。
また、GMSLのアダプティブラインイコライザーを使用することで、より高い周波数でのより高いケーブル減衰を補償できます。このケーブルイコライザーには、最大30mの同軸ケーブルと15mのSTPケーブル長を処理するための12レベルの補償があります。一方、標準のMIPI® CSI-2カメラ接続の最大ケーブル長は30cmです。
EMI / EMC性能
電磁干渉（EMI）は、この有害な干渉がケーブル、コネクタ、PCBの組み合わせ、および近くにある電子機器の性能に影響を与えるため、カメラにとって依然として深刻な課題です。電子機器が設計どおりに機能することを保証するには、電子機器をEMIから保護する必要があります。したがって、EMC / EMIテストは、有害な干渉を引き起こさないことを確認するために実行されました。
プログラム可能な出力（スペクトラム拡散機能）は、GMSLのシリアライザーおよびデシリアライザーICのそれぞれに組み込まれており、安全性に基づくカメラアプリケーションを強化します。外部スペクトラム拡散クロックを必要とせずに、リンクの電磁干渉（EMI）性能を向上させます。MAX96705は、高イミュニティモード（HIM）を備えたコンパクトなシリアライザーであり、より信頼性の高い逆方向チャンネル通信を提供します。GMSLシリアライザーのこの高イミュニティモードは、ロバスト制御チャンネルの電磁両立性（EMC）耐性のために設計されています。
ビデオの複製
GMSLスプリッターモードは、ディスプレイアプリケーションを対象としています。このモードは、2つのデシリアライザーに接続された単一のシリアライザーとして定義されます。スプリッターモードでは、各ビデオパイプの出力を各GMSL PHYにマスクすることができます。 これはビデオ複製と呼ばれます。
アグリゲーションモードは、カメラアプリケーションを対象とするリバーススプリッターモードとも呼ばれます。 これは、1つのデシリアライザーに接続された2つのシリアライザーとして定義されます。
自動再送要求（ARQ）
ARQは、信頼性の高いデータ送信を保証するためにGMSLで採用されているエラー制御およびパケット回復方法です。この方法により、送信側は、受信側からのパケットを確認応答できなかった場合にパケットを自動的に再送信することで、エラーが発生しないようにすることができます。GMSL2では、ARQは巡回冗長検査（CRC）と組み合わせて機能し、パケットが受信されたかどうかを検出します。これにより、システムの重要な制御機能の高い堅牢性が実現します。
下位互換性
GMSL1およびGMSL2インターフェイスは、下位互換モードをサポートしています。このGMSL1下位互換モードにより、GMSL2 SerDesコンポーネントは前世代のGMSL1で動作できます。GMSL2下位互換モードも同様に操作できます。ただし、GMSL1モードとGMSL2モードの間には操作上の違いがいくつかあります。また、GMSL1モードで操作すると、一部のGMSL2機能が使用できない場合があります。
以下に、GMSL2インターフェイスとGMSL1インターフェイスがどのように連携するかを図で表したものを示します。
SERとDES間のデータ伝送は、有効なクロックが検出され、高速PLLがロックされたときに開始されます。 入力3Gbpsまたは1.5Gbpsビデオは、GMSL1 DESによって制限されます。
仮想チャンネルのサポート
SerDesアーキテクチャは、仮想チャンネルを使用して、複数のカメラキャプチャーを可能にします。仮想チャンネルは、MIPI CSI-2およびCSI-3仕様でサポートされています。デュアル4レーンMIPI CSI-2の場合、GMSLデシリアライザー（MAX9296など）は、最大16の仮想チャンネルIDを効果的にデコードできます。このデシリアライザーは、すべての着信ビデオストリームを結合し、CSI-2を介して出力を提供します（仮想チャンネルで識別されるパケットを使用）。ここで、フレーム同期ロックステータスを達成する必要があります。
以下の画像を見て、マルチカメラシステムがGMSLインターフェイスを使用して画像またはビデオデータをホストプロセッサーに送信する方法を理解してください。
互換プラットフォーム
GMSLカメラは、NVIDIA® Jetson™開発キットと、Jetson Xavier™ NXに基づくConnect TechのRogue、Rudi-AGX、およびRudiNXプラットフォームをすぐにサポートします。これにより、ビジョン対応製品のラピッドプロトタイピングと迅速な展開が可能になります。すべてのGMSLデバイスと互換するUARTインターフェイスは、いくつかのUARTパケットを介してデバイスからデバイスにコマンドを送信します。一方、MIPI® CSIインターフェイスは、Jetson™ Nano、TX2、AGX Xavierなどのさまざまな開発者キットによっても広くサポートされています。
コスト
より長いケーブルを備えたGMSLカメラは最高のパフォーマンスを提供しますが、一般的なアプリケーションや短距離のアプリケーションでは必要ありません。GMSLカメラはより長いケーブル配線に使用され、高性能である必要があるため、MIPIまたはUSBカメラよりもコストがかかります。ただし、SerDesリンクにSTPケーブルの代わりに同軸ケーブルを使用すると、コスト面でメリットがあります。同軸ケーブルは、より安く、より軽く、より柔軟で、高周波での損失が少なくなります。MIPIでは、C-PHY℠の導入により、システムコストが削減されました。ただし、MIPIカメラのドライバーが利用できない場合は、追加開発費が発生する可能性があります。
Apart from MIPI and GMSL, USB is also one of the most popular camera interfaces. If you wish to learn how MIPI camera compares to a USB camera, have a look at MIPI camera vs USB camera – a detailed comparison.
To learn how to choose an interface for your embedded vision system, visit How to choose the right interface for an embedded vision system.
GMSLが他のインターフェースよりも優先される組み込みビジョンアプリケーションについて
前にすでに説明したように、MIPIやUSBのようなインターフェースは、大量の画像またはビデオデータを長距離で送信する必要があるアプリケーションでは十分ではありません。このセクションでは、GMSLインターフェースが他のインターフェースよりも優先される最も通常のカメラベースのアプリケーションのいくつかを見ていきます。
ロボティックス
自律移動ロボット（AMR）は、倉庫保管、自動車製造、ロジスティクス、eコマース、ヘルスケアなどのさまざまな自動化タスクに使用されます。AMRおよびロボットシステムのカメラは、複数のイメージングニーズに対応します。AMRでは、カメラはナビゲーション、オブジェクト検出、およびオブジェクト識別に必要です。高速フレームレートと低露出時間は、ロボットアプリケーション用のカメラを選択する際に考慮すべき重要な要素です。GMSLカメラは、高速フレームレートと低露出時間機能を備えているため、最適なソリューションを提供します。また、すでに説明したように、リモートロボティクス用にホストから最大15mの距離までデータを送信できます。
スマート交通システム
スマート交通システムは、センサー、カメラ、ルーター、その他の技術を使用して、交通管理を改善し、安全性を高めるのに役立ちます。このアプリケーションは、キャプチャーされた画像とビデオデータの長距離伝送を要求します。したがって、15 mのケーブルと複数のカメラキャプチャー機能を備えたGMSLインターフェイスを使用して、データをホストプラットフォームに確実に送信します。
先進運転支援システム(ADAS)
ADASシステムは、道路をより安全にするのに役立ちます。また、車線測位、駐車支援、衝突回避などの機能により、運転体験を向上させます。このアーティクルで説明したメリットにより、GMSL SerDesテクノロジーは、非圧縮カメラフィード伝送の高い信頼性や柔軟性など、ADASシステムの本質的なニーズを満たします。
フリート管理
フリート管理システムでは、トラックやフォークリフトなどの大型車両をカバーするために複数のカメラが必要です。死角による再発事故は、このような車両の最大の課題の1つです。この問題の典型的な解決策は、死角をなくすことでドライバーに360度の認識を提供するサラウンドビューシステムを使用することです。サラウンドビューシステムには、カメラがホストプロセッサーから離れた場所に配置されるマルチカメラシステムが含まれます。これには、長距離で確実にデータを送信できるGMSLのようなインターフェースの使用が必要です。
自動車用インフォテインメントシステム
自動車用インフォテインメントシステムは、乗客エンターテインメント、車両および環境情報の表示、ナビゲーション、接続などの機能を備えた、ドライバーと乗客に没入型の体験を提供します。 このようなシステムでは、多くの場合、カメラをホストプロセッサーからかなりの距離に配置する必要があります（サラウンドビューシステムの場合のように）。 したがって、GMSLはMIPIまたはUSBよりも優先されます。
GMSLカメラの用途は上記に限らず、検査用カメラ、街路灯用カメラにも使用できます。
e-con社のGMSL/GMSL2カメラ
e-con systems社は、さまざまなアプリケーション向けに幅広いGMSL/GMSL2カメラを提供しています。HDR、IP66/67定格のエンクロージャー、グローバルシャッター、ローリングシャッター、LEDフリッカー軽減などの機能が搭載されています。また、NVIDIA Jetson開発キットとも互換します。以下は、e-conのGMSLカメラの包括的なリンクの一覧です。
STURDeCAM25 – IP67 rated Full HD GMSL2 Global Shutter color camera module with 15m cable support
NileCAM25 – Full HD GMSL2 Global Shutter color camera with 15m cable support
STURDeCAM20 – IP67 Full HD GMSL2 HDR camera for Surround view system
NileCAM21_CUXVR – HDR GMSL2 multi-camera solution for NVIDIA® Jetson AGX Xavier™
NileCAM21 – Full HD GMSL2 HDR Camera with LFM
STURDeCAM20_CUXVR – IP67 Full HD GMSL2 HDR camera for Jetson AGX Xavier™
NileCAM30 – 3.4 MP GMSL Camera Module
NileCAM30_USB – 3.4 MP GMSL camera
NileCAM30_TX2 – 3.4 MP GMSL camera
Prabu Kumarは、e-con Systemsの最高技術責任者兼カメラ製品責任者であり、組み込みビジョン分野で15年以上の豊富な経験があります。彼は、USBカメラ、組み込みビジョンカメラ、ビジョンアルゴリズム、FPGAに関する深い知識をも有しています。医療、工業、農業、小売、生体認証などのさまざまなドメインにまたがる50以上のカメラソリューションを構築してきました。また、デバイスドライバー開発とBSP開発の専門家でもあります。現在は、新時代のAIベースのアプリケーションを強化するスマートカメラソリューションの構築に全力を注いでいます。