オートフォーカスは、多くの組み込みビジョンアプリケーションに必要な重要な機能の1つです。オートフォーカスカメラモジュールは、通常、画像キャプチャ中にターゲットオブジェクトまでの距離が変化し続ける場合に使用されます。これには、カメラがターゲットオブジェクトにすばやくロックして、ピントが合っていることを確認する必要があります。オートフォーカスカメラを必要とする可能性のあるアプリケーションには、産業用ハンドヘルド、ドキュメントスキャナーとカメラ、歯科用カメラなどがあります。
最適なインターフェースの選択は、フレームレート/帯域幅の要件、解像度、データ転送の信頼性、ケーブルの長さ、複雑さ、そして全体的なコストなど、多くの要因に依存します。この記事では、両方のインターフェースを詳しく見て、それらの機能と制限をよりよく理解します。
MIPIおよびUSBインターフェースをよく深く知る
MIPIカメラは、MIPIインターフェースを使用してカメラからホストプラットフォームに画像を転送するカメラモジュールまたはシステムになり、USBカメラはデータ転送にUSBインターフェースを使用します。ここで、さまざまなタイプのMIPIおよびUSBインターフェースと、それらが使用用途について理解しましょう。
MIPIインターフェース
MIPIは、カメラとホストデバイス間のポイントツーポイントの画像およびビデオを伝送するために、今日の市場で最も一般的に使用されているインターフェースです。これは、MIPIの使いやすさと、幅広い高性能アプリケーションをサポートする能力に起因する可能性があります。また、1080p、4K、8Kなどの強力な機能とビデオや高解像度のイメージングを備えています。
MIPIインターフェースは、ヘッドマウントバーチャルリアリティデバイス、スマートトラフィックアプリケーション、ジェスチャ認識システム、ドローン、顔認識、セキュリティ、監視システムなどのアプリケーションに最適です。
MIPI CSI-2インターフェース
MIPI CSI-2（MIPIカメラシリアルインターフェース第2世代）規格は、高性能で費用効果が高く、使いやすいインターフェースです。 MIPI CSI-2は、最大帯域幅10 Gb/sを提供し、4つの画像データレーン（各レーンは最大2.5 Gb/sのデータを転送可能）を備えています。 MIPICSI-2はUSB 3.0よりも高速で、1080pから8K以上のビデオを処理するための信頼性の高いプロトコルを備えています。 さらに、オーバーヘッドが低いため、MIPI CSI-2のネットイメージ帯域幅は高くなります。
MIPI CSI-2インターフェースは、マルチコアプロセッサーにより、CPUからのリソースの使用量が少なくなります。 これは、Raspberry PiとJetson Nanoのデフォルトのカメラインターフェースです。 Raspberry PiカメラモジュールV1およびV2もこれに基づいています。
MIPI CSI-2インターフェースの制限
MIPI CSIは強力で人気のあるインターフェースですが、いくつかの制限があります。たとえば、MIPIカメラは追加のドライバーに依存して動作します。これは、組み込みシステムのメーカーが本当にそれを要求しない限り、さまざまなイメージセンサーのサポートが制限されていることを意味します！
To learn more about MIPI cameras and how they work, have a look at What is a MIPI camera? How does MIPI camera work?
USBインターフェース
USBインターフェースは、カメラとPCの2つのシステム間の接続として機能する傾向があります。プラグアンドプレイ機能でよく知られているため、USBインターフェースを選択することは、組み込みビジョンインターフェースの高価な開発時間とコストに別れを告げることができることを意味します。古いバージョンのUSB2.0には、重大な技術的制限があります。 テクノロジーが衰退し始めると、そのコンポーネントの多くは互換性がなくなります。 USB3.0およびUSB3.1 Gen 1インターフェースは、USB 2.0インターフェースの制限を克服するために発売されました。
USB 3.0インターフェース
USB 3.0（およびUSB 3.1 Gen 1）インターフェースは、さまざまなインターフェースの優れた機能を組み合わせています。 これらには、プラグアンドプレイの互換性と低いCPU負荷が含まれます。 USB 3.0のビジョン産業標準は、高解像度および高速度カメラの信頼性も向上させます。
最小限の追加ハードウェアが必要で、低帯域幅（最大40メガバイト/秒）をサポートします。最大帯域幅は毎秒480メガバイトです。これは、USB 2.0の10倍、GigEの4倍の速度です。そのプラグアンドプレイ機能により、組み込みビジョンデバイスを簡単に交換でき、損傷したカメラを簡単に交換できます。
USB 3.0インターフェースの制限
USB 3.0インターフェースの主な欠点は、高解像度センサーを高速で実行できないことです。もう1つの欠点は、ホストプロセッサから5メートルの距離までしかケーブルを使用できないことです。より長いケーブルも利用できますが、すべて「ブースター」が取り付けられています。これらのケーブルが産業用カメラとどの程度互換性があるかは、個々のケースごとにチェックする必要があります。
MIPIカメラ対USBカメラ（機能ごとの比較）
2つのインターフェイスのそれぞれが何であるかを理解したので、次の表でMIPIとUSBの機能ごとの比較を行います。
| 機能 | USB 3.0 | MIPI CSI-2 |
| SoCでの可用性 | ハイエンドSoCの場合 | 多い（通常は6レーンが利用可能） |
| 帯域幅 | 400 MB/s | 320 MB/秒/レーン 1280 MB/秒（4レーン）* |
| ケーブルの長さ | <5メートル | <30 cm |
| スペース要件 | 高 | 低 |
| プラグ＆プレイ | 対応 | 未対応 |
| 開発費 | 低 | 中〜高 |
- NVIDIA Jetson AGX Xavierプラットフォームで使用されるMIPI-CSI2/MIPI D-PHY® v1.2の最大帯域幅
GMSL is another popular interface which is used as an alternative to MIPI and USB, typically when the image data has to be transferred to a distance of more than 3 meters. To understand how a MIPI camera compares with GMSL camera, check out GMSL camera over MIPI camera.
To learn how to choose an interface for your embedded vision system, visit How to choose the right interface for an embedded vision system.
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結論
カメラインターフェースは、エンベデッドビジョンアプリケーションの成功または失敗の瞬間を表しています。したがって、MIPIとUSBの間の適切なインターフェイスを選択することは重要な決定です。MIPIもUSBも適合しない組み込みビジョンアプリケーションがいくつかありますが、ほとんどの場合、そのうちの1つで十分です。最適なインターフェイスの選択は、組み込みデバイスに必要な機能セットによって異なります。
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。