GMSLを使用し、産業用および車載用広帯域ビデオ要件に確実に対応

産業用および車載用アプリケーションでは、リアルタイムで広帯域幅のビデオデータを確実かつ効率的に配信しなければならない高解像度画像処理システムへの依存度が高まっています。GigE Visionは広く認知され普及していますが、新たなアプリケーションの要求により代替技術が求められています。ギガビットマルチメディアシリアルリンク（GMSL）技術は、その代替案の1つであり、複数カメラのサポート、厳格なリアルタイム処理、複雑性の軽減、決定性、低消費電力、小型フォームファクタを提供します。

この記事では、GigE VisionとGMSLの主な違いについて簡単に説明します。続いて、Analog DevicesのGMSLソリューションを紹介し、これらを活用することでシステムを大幅に簡素化し、信頼性を向上させ、効率的なリアルタイムビデオ伝送を実現する方法について説明します。

カメラインターフェース技術が性能に与える影響

さまざまなインターフェース技術は、カメラセンサとホストプロセッサ間の距離を延長するソリューションを提供し、多くの画像処理アプリケーションの基本要件を満たしています。ギガビットEthernet（GbE）技術に基づくGigE Visionカメラインターフェース規格は、広く採用されています。GigE Visionカメラは通常、イメージセンサ、プロセッサ、Ethernet物理層（PHY）インターフェースという3つの主要コンポーネントからなるシグナルチェーンに依存しています（図1）。

図1：Ethernetカメラは、プロセッサベースの信号チェーンを採用しており、画像センサデータをバッファリングおよび処理した後、伝送します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

センサ側では、GigE Visionカメラは内蔵プロセッサを活用し、カスタムセンサインターフェースプロトコルをサポートすることが可能です。送信側では、標準Ethernetを採用することで、GigE Visionカメラは幅広いホストデバイスとの互換性を提供します。たとえば、パーソナルコンピュータや組み込みシステムには、通常、標準インターフェースとしてGbEポートが搭載されています。GigEビジョンカメラが、これらのシステムで一般的に利用可能なユニバーサルドライバをサポートしている場合、それは単なるプラグアンドプレイの周辺機器として機能します。

Ethernetベースのソリューションは、単一カメラアプリケーションでは有利ですが、複数カメラアプリケーションで使用するには追加のハードウェアが必要となります。通常、これらのアプリケーションでは、複数のデータストリームを処理するために、専用のEthernetスイッチやネットワークインターフェースカード（NIC）を追加で必要となります。ビデオデータパスにこれらのデバイスを含めると、カメラとホスト間のスループットとレイテンシが低下する可能性があります。

一方、Analog DevicesのGMSL技術はポイントツーポイントのシリアルリンク方式を採用しており、最小限の遅延時間で複数のカメラを必要とするアプリケーションに効率的なソリューションを提供します。もともと車載アプリケーション向けに設計されたGMSLカメラは、Ethernetベースのカメラに代わる選択肢として、車載分野以外でも採用が進んでいます。

GMSLベースのアプリケーションでは、ホストシステムオンチップ（SoC）が全カメラの全帯域幅をサポートしている場合、複数の小型GMSLカメラを単一のGMSLホストに接続しても、スループットやレイテンシを損なうことはありません（図2）。

図2：GMSLマルチカメラアプリケーションでは、シンプルなカメラ（左図）が個々のGMSLリンクを介して単一のホスト（右図）に集約されます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

GMSLを採用するカメラは通常、イメージセンサとGMSLシリアライザで構成される簡素化された信号チェーンを採用しています。GMSLシリアライザは、以下の2つの標準センサインターフェースをサポートします。

• 第一世代GMSL（GMSL1）デバイスは、パラレルLVDS（低電圧差動信号）インターフェースをサポートします。
• 第2世代GMSL（GMSL2）および第3世代GMSL（GMSL3）デバイスは、広く普及しているMIPI（Mobile Industry Processor Interface）規格をサポートし、GMSLカメラにおいて多様な最先端イメージセンサの使用を可能にします。

ほとんどのアプリケーションでは、イメージセンサからの生データはシリアル化され、元のフォーマットのままGMSLリンクを介して送信されます。プロセッサやその他のサポートコンポーネントが不要となるため、GMSLカメラは設計および製造がより簡素化されます。また、小型のカメラフォームファクタと低消費電力が求められるアプリケーションに対して、より効果的なソリューションを提供します。

GMSLリンクのホストは通常、1つ以上のハードウェアデシリアライザを組み合わせたカスタム組み込みシステムです。ホスト上で実行される数行のコードで、これらのハードウェアデシリアライザにアクセスし、データを取得することが一般的に可能です。イメージセンサ用のドライバが存在する場合には、開発者は適切なレジスタを設定するだけで、カメラからのビデオストリームを読み込むことが可能です。Analog DevicesのGMSLデバイス評価キットには、これらのデバイスにアクセスし、その機能を調べるために必要なソフトウェアが含まれています。GMSL開発のさらなるサポートとして、Analog Devicesは、GMSL技術向けのオープンソースソフトウェアリポジトリを提供しています。

マルチカメラアプリケーション構成への対応

GMSLの性能上の利点は、この技術がビデオストリームの伝送を処理する方法にあります（図3）。

図3：イメージセンサの露光と読み出し後（上図）、GMSLカメラは生のビデオデータのパケットをシリアル化し送信した後、次のフレームまでアイドル状態に入ります（中図）。一方、GigE Visionカメラは、データをEthernetフレームにバッファリング、処理、送信した後アイドル状態に入ります（下図）。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

各ビデオフレームにおいて、グローバルシャッター方式イメージセンサは露光期間の直後にデータを読み出し、その後次のフレームまでアイドル状態に入ります（図3、上）。

カメラの読み出し期間が開始されると、GMSLカメラとGigE Visionカメラではデータ送信の処理方法が異なります。GMSLカメラでは、GMSLシリアライザがイメージセンサデータを直ちにシリアル化して送信し、その後次の読み出し期間までアイドル状態に戻ります（図3、中）。

GigE Visionカメラでは、プロセッサがデータをバッファリングし、多くの場合処理を行った後、Ethernetフレームを構築して送信します（図3、下）。

ビデオシステム性能を支える要因の理解

実際には、カメラシステムの性能は、複数の要因に依存しており、その中には以下の主要な特性も含まれます。

リンクレート：GMSLおよびEthernetベースのカメラのいずれにおいても、最大データ伝送速度（リンクレート）はカメラのタイプによって異なります。ただし、各インターフェース技術は固定されたリンクレートに依存しています。EthernetベースのGigE Visionカメラは、リンクレートについてEthernet規格に準拠しており、GigE Visionカメラ用の1ギガビット/秒（Gbit/s）から、最先端の100 GigE Visionカメラ用の100Gbit/秒まで、一連の個別のステップで規定されています。

GMSLのリンクレートは、技術の世代によって異なります。GMSL1は1.74Gビット/秒と3.125Gビット/秒のシリアル～デシリアライザリンクレートをサポートし、GMSL2およびGMSL3はそれぞれ6Gビット/秒と12Gビット/秒をサポートします。

実効データレート：あらゆるデータ通信アプリケーションにおいて、実効データレートとは、プロトコルのオーバーヘッドを除いたデータレート容量を指します。この概念はビデオデータ通信にも適用され、転送されるビデオデータの実効量は、パケットまたはフレームのペイロードに含まれるピクセルビット深度 × ピクセル数に等しくなります。

GMSLカメラはビデオデータをパケット単位で送信します。GMSL2およびGMSL3デバイスでは固定パケットサイズを使用するため、明確に定義された実効データレートが得られます。たとえば、GMSL2デバイスが6Gビット/秒リンクを使用する場合、推奨されるビデオ帯域幅は5.2Gビット/秒以下となります。リンクにはプロトコルオーバーヘッドやセンサのMIPIインターフェースからのブランキング間隔も含まれるため、5.2Gbits/sという実効データレートは、純粋なビデオデータではなく、すべての入力MIPIデータレーンからの集約データを表しています。

他のEthernetベースのデバイスと同様に、GigE Visionカメラは、特定のアプリケーションに最適化されたフレーム長を使用して、ビデオデータをフレーム単位で送信します。長いフレームは効率を向上させ、短いフレームは遅延を短縮します。より高速なEthernetを使用することで、より優れた実効ビデオデータレートを達成するために長いフレームを使用することに伴うリスクを軽減することができます。

GMSLおよびEthernetベースの技術はいずれもバースト的な伝送パターンを示します。GMSLカメラのバースト時間は、ビデオセンサの読み出し時間のみに依存します。そのため、実際のアプリケーションでは、バースト比（バースト時間/フレーム期間）は、その完全な実効ビデオデータレートをサポートするために、理論上100%に達する可能性があります。GigE Visionカメラシステムでは、バースト比は低く設定されます。これは、Ethernetベースのネットワーク環境に一般的に存在するビデオデータとその他のデータとの衝突を回避するためです（図4）。

図4：GMSLカメラのビデオデータバーストはビデオフレーム周期全体を占有する可能性があります（上図）。Ethernetベースのカメラのデータバーストは、その他のソースからのデータバーストとネットワークを共有します（下図）。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

解像度とフレームレート：GMSLとEthernetベースのカメラの双方において、解像度とフレームレートにはトレードオフが存在します。これらはビデオカメラにとって最も重要な仕様の2つであり、より高いリンクレートを実現する主要な要因でもあります。

前述の通り、GMSLデバイスにはフレームバッファリングや処理機能は含まれていません。したがって、これらのカメラにおける解像度とフレームレートは、リンク帯域幅内でイメージセンサまたはその内蔵イメージセンサプロセッサ（ISP）がサポート可能な範囲に完全に依存します。一般的に、これらのシステムにおける性能は、解像度、フレームレート、ピクセルビット深度間の単純な交換関係にあります。

GigE Visionカメラは、その内部バッファリングと処理能力に起因する、より複雑な性能モデルを提示します。これらのカメラはGMSLカメラよりも使用可能なリンクレートが遅い場合がありますが、追加のバッファリングと圧縮により、高解像度、高フレームレート、あるいはその両方をサポートする可能性があります。

レイテンシ：車載および産業用アプリケーションのいずれにおいても、信頼性の高いシステム運用とユーザーの安全性は、最小かつ決定論的なレイテンシでビデオストリームデータをリアルタイムに取得および処理する能力に依存しています。

Ethernetベースのカメラでは、高解像度やフレームレートをサポートする内部バッファリングおよび処理機能が、レイテンシ性能と決定論的応答を低下させる可能性があります。しかしながら、これらのカメラでは、カメラの内部処理能力によりシステムイメージパイプラインが効率化されるため、システムレベルのレイテンシが必ずしも長くなるわけではありません。

GMSLカメラのレイテンシは、より単純に分析することが可能です。GMSLカメラシステムでは、イメージセンサ出力から受信SoC入力までの信号チェーンが短くなっています（図2を再度参照）。この信号チェーンには、生のビデオデータをセンサ側のシリアライザから受信側のデシリアライザに伝送するだけであるため、ビデオデータのレイテンシは最小限で決定論的な状態を維持します。

GMSL技術の追加機能がアプリケーションを強化する方法

伝送距離：GMSLシリアライザおよびデシリアライザは、通常、乗用車の同軸ケーブルを使用して最大15メートル（m）のデータを伝送するように設計されています。実際には、カメラハードウェアがGMSLチャネル仕様に準拠している場合に限り、15mを超える伝送距離も可能です¹。 Analog DevicesのMAX9295DGTM/VY+T GMSLシリアライザやMAX96716AGTM-VY GMSLデシリアライザなどの高度なGMSLデバイスは、適応等化機能を採用しています 。これにより、15mを超える同軸ケーブル長での伝送が可能になります。

PoC（Power over Coax）： GMSL技術は、同じケーブルによる電源とデータの伝送をサポートします。このPoC機能は、同軸ケーブルを使用するカメラアプリケーションでは通常、デフォルトで使用され、PoC回路を完成させるために必要な受動部品はわずか数個です。この構成では、電源とデータはリンク内の1本のワイヤで伝送されます。

周辺機器制御とシステムコネクティビティ：GMSL技術は、多様な周辺機器ではなく、専用のカメラまたはディスプレイリンクをサポートするように設計されています。しかし、GMSLデバイスは、多くの場合、標準インターフェースの接続をサポートしています。たとえば、Analog DevicesのMAX9295DGTM/VY+TおよびMAX96716AGTM-VYは、GPIO（汎用入出力）、I2C（集積回路間（インターフェース））、SPI（シリアルペリフェラルインターフェース）など、複数の標準インターフェースのトンネリングまたはパススルー動作をサポートしています。GMSLカメラを採用する大規模なアプリケーションでは、開発者は通常、制御信号やその他のデータを交換するために、CAN（コントローラエリアネットワーク）バスなどの低速インターフェースを使用します。

カメラのトリガと同期：GMSLデバイスでは、GPIOおよびI2Cのトンネリングは、順方向チャネルと逆方向チャネルの両方で数マイクロ秒以内に発生します。この機能により、シリアライザ側のイメージセンサまたはデシリアライザ側のSoCのいずれからもトリガを発生させることが可能となり、低レイテンシでのトリガおよび同期要件に対応します。

まとめ

GigE Visionが、産業用および車載用画像処理において確固たる地位を築いている一方で、GMSL技術は、最小限のレイテンシ、低複雑性、小型のフォームファクタ、決定性を必要とするアプリケーション向けに堅牢なソリューションを提供します。Analog DevicesのGMSLシリアライザおよびデシリアライザを搭載したGMSLベースのカメラシステムは、要求の厳しいリアルタイム環境で求められる性能を維持しながら、マルチカメラアプリケーションを簡素化する合理化された設計を実現します。

参考：

1. GMSL2 Channel Specification User Guide（GMSL2チャンネル仕様ユーザーガイド）