AMR (自律移動ロボット)、スマートサイネージ、バーコードスキャンデバイス、監視システム、産業用ハンドヘルドなどは、ビジネスの運営方法や人々とのつながり方を変えています。そして、これらのデバイスが周囲を「見る」ことを可能にするために、組み込み型ビジョンカメラが重要な役割を担っています。カメラは、貴重なビデオおよび画像データを生成しながら、ターゲットシーン内のオブジェクトを識別、観察、および分析するのに役立ちます。このようなビデオストリーミングアプリケーションには、組み込みデバイスの残りのコンポーネントと簡単に統合できる高帯域幅で高画質のカメラモジュールを装備する必要があります。
組み込み型ビジョンで使用されるさまざまなカメラタイプの中で、UVC準拠のUSBカメラは、その帯域幅、信頼性、および統合の容易さから、多くのアプリケーションに適した選択肢として非常に注目されています。これらは、生体認証およびアクセス制御システム、ドキュメントスキャナー、空港キオスクおよびデジタルサイネージ、スキンスキャナー、テレプレゼンスロボットなどの組み込みビジョンデバイスを強化します。
本日のブログでは、USB UVCカメラとは何か、その仕組み、およびUSB3カメラとUSB2カメラの主な違いについてご紹介します。また、USB3.0インターフェイスとMIPIおよびGMSLインターフェースを簡単に比較します。
UVCカメラとは？
UVCカメラ (USBビデオクラス) は、標準のビデオストリーミング機能を組み込んだUSB電源デバイスであり、ホストマシンとシームレスに接続します。USBデバイスの機能を記述するために使用されるデータ構造には、標準およびクラス固有の記述子があります。USBビデオクラス仕様の最新バージョンはUVC1.5です。すべてのクラス固有のビデオコントロール (VC) ユニット/ターミナル記述子の集合は、ホストに対してビデオ機能を完全に記述します。
USBビデオクラスアプリケーションのブロック図を以下に示します。
図 1: USBビデオクラスアプリケーションのブロック図
UVCカメラの主な利点
USB UVCカメラが組み込みビジョンアプリケーションで使用される最も一般的なタイプのカメラの1つであることは驚くに値しません。以下に、組み込みビジョンデバイスでUVCカメラを使用する利点の一部を示します。
- YUV、MJPEG、MPEG-2 TS、H.264、DVなどの複数のビデオフォーマットをサポートします。
- システム提供のドライバーで自動的に動作するため、外部ドライバーは不要です。
- 組み込みのジェネリッククラスドライバーを活用して、ビデオ機能を制御します。
- 複数のビデオ解像度、フォーマット、およびフレームレートをサポートする柔軟性を確保し、デバイスとホスト間の帯域幅の接続性を容易にします。
USBカメラの理論上の最大帯域幅
組み込み型ビジョンアプリケーションの解像度やフレームレートへの要求が高まる中、USBカメラはより高いパフォーマンスの実現に向けて進化を遂げる必要がありました。そのため、新しいバージョンが発売されるたびに、USBカメラの帯域は増加しています。以下の表は、USBカメラのバージョンと対応する帯域幅の進化を表しています。
| USB 1.0 | 1.5Mbps低速 |
| 12Mbps全速 | |
| USB 2.0 | 480Mbps高速 |
| USB 3.0 | 5Gbps超高速 |
| USB 3.1 | 10Gbps超高速＋ |
| USB 3.2 | 20Gbps超高速＋ |
| USB 4 | 40Gbps |
表 1: 世代間のUSBの理論上の最大帯域幅
各種USBリリースの命名規則を更新
USBインターフェースが進化するにつれて、複数のリリースで命名規則にも変更が加えられました。詳細は以下をご覧ください。
- USB3.0はUSB3.2Gen1 (SuperSpeed USB) に変更最大スループットは5Gbpsです。
- USB3.1はUSB3.2Gen2×1 (SuperSpeed+ USB10Gbps) に変更最大スループットは10Gbpsです。
- USB3.2はUSB3.2Gen2×2 (SuperSpeed+ USB20Gbps)に変更最大スループットは20Gbpsです。
USB2.0カメラとUSB3.0カメラの比較
USB2.0カメラは非常に人気がありますが、エンジニアは設計の際に多くの課題に直面します。それは、以下のようなものです。：
- 帯域幅制限のあるHDビデオ
- 画質劣化
- 高価な圧縮コンポーネント
- スモールフォームファクタのカメラ設計の欠如
- 追加のエンジニアリング作業と設計時間
ただし、これらの課題はすべて、USB3.0カメラにアップグレードすることで克服できます。2つのインターフェースの主な違いを理解するには、次の表をご覧ください。
| 比較パラメータ | USB 2.0 | USB 3.0 |
| 高速USB | 超高速USB | |
| 帯域幅 | 480 Mbps | 5 Gbps |
| 圧縮 | USB2.0のHDビデオには圧縮が必要であり、画質が低下 | USB3.0で圧縮なしのHDビデオを可能にする |
| 電力 | USB2.0は500mAを供給 | USB3.0は900mAを供給 |
| 通信 | 一方向通信 | 双方向通信 |
| ワイヤ数 | 4本 | ９本 |
表 2: USB2.0とUSB3.0の比較
つまり、USB3.0はUSB2.0の10倍の速度で動作し、USB2.0の1.8倍の電力をバスパワーデバイスに分配します。また、USB2.0との下位互換性もあります。
このほかにも、MIPI CSI-2、GMSL、GigEなど、新時代のアプリケーションのニーズの高まりに対応するために、現在ではさまざまなインタフェースが使われています。また、USB3.0、MIPI CSI-2、GMSLの各インターフェースの共通点と相違点を確認しましょう。
| 特徴 | USB 3.0 | GMSL | MIPI CSI-2 |
| 帯域幅 | 5 Gbps | 6 Gbps | 5 Gbps |
| ケーブルの長さ | <5m | 15m | <30cm |
| スペース要件 | 高 | 高 | 低 |
| プラグ＆プレイ | 対応 | 非対応 | 非対応 |
| 開発費 | 低 | 中～高 | 中～高 |
表 3: USB3.0対GMSL対MIPI CSI-2
USBカメラ、MIPIカメラ、GMSLカメラの違いを理解するには、以下の記事を参照することをお勧めします。
MIPIカメラについて詳しく知りたい場合は、「MIPIカメラとは何ですか? MIPIカメラはどのように機能しますか?」という記事もご覧ください。
当社が開発したUSB2.0およびUSB3.0カメラ
当社は、18年以上の経験を持ち、世界トップクラスのUSB2.0およびUSB3.0カメラソリューションの開発・展開で市場をリードしています。また、世界で初めてUVC準拠のカメラを発売したメーカでもあります。当社のUSB UVCカメラは、品質と性能に妥協することなく、お客様のあらゆる画像ニーズに合わせてカスタマイズすることが可能です。以下のリンクから、当社のUSB2.0およびUSB3.0カメラのポートフォリオをご覧ください。
また、カメラセレクタのページでは、MIPI、GMSL、およびパラレルカメラを含む当社のカメララインナップをご覧いただけます。
このブログで、UVCカメラの全体像とその特徴をお伝えすることができたでしょうか。USBカメラの機器への組み込みについてお困りの方は、camerasolutions@e-consystems.comまでお問い合わせください。
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。